1、科技投資工程方案書工程名稱多功能多軸數控立式鉆床技術領域機械工程提供方浙江工業大學聯系人魯聰達聯系1.工程概況隨著我國機械行業的迅猛開展,多孔零部件如汽布、摩托車多孔零部件：制動鼓、剎車盤、轉向器、輪轂、差速殼、鋁鑄件殼體、發動機箱體、軸頭、半軸、車橋等,泵類、閥類、液壓元件、太陽能配件等的應用范圍不斷擴大,而且多孔零部件具有批量生產、加工頻率高的特點,因此,多孔一次性成型機械設備具有廣泛的需求空間.特別是近年來全國各地不斷出現的用工荒問題,更是凸顯了對高效率數控多軸鉆銃床的迫切需求.本工程是一種集成了銃床功能多軸鉆床,具設計了多軸鉆床軸桿變位裝置、鉆床轉換夾頭裝置,實現調整機床的軸數、軸距、

2、孔徑,采用高效、穩定的一次性成型鉆孔工藝,可滿足各個加工行業各種多孔零部件的加工需求,通用性好.操作者只需在觸摸屏面板上輸入鉆孔深度等參數,一次裝夾就才個零件多個孔全部加工完成,可以替代傳統的多個孔屢次裝夾加工工藝.由于減少裝夾次數,具有加工效率高、孔距精度高等特點,易于保證加工過程的高可靠性和實現零缺陷生產.采用基于PLC的控制系統,實現自動化鉆孔作業.設計了可XY軸移動的工作臺,配置銃刀后,即可實現銃床功能.本工程多功能多軸數控立式鉆床的研制成功,主要性能指標可以到達國外同類設備的先進水平,而本錢能夠限制在進口同類設備價格的1/4以內,可以滿足國內汽車配件、電機、泵、液壓配件等行業快速開展

3、的迫切需要,可以替代進口產品,為國家節省大量外匯,并且在國際市場上也具有廣闊的市場空間,開發意義重大.2.工程技術特點與優勢2.1 工程研究內容及技術特點1工程結構及技術原理多軸鉆床是由動力組件機架中的主軸帶動多根鉆桿同時轉動而進行多孔加工的一種機床,其廣泛應用于機械行業多孔零部件的鉆孔及攻絲加工.傳統立式多軸鉆床包括機座和立柱,該立柱上設有可上下滑動的動力組件機架,以及動力組件機架中設有萬向節連桿組件.目前,在上述傳統多軸鉆床中,具動力組件機架上下運行通常都是采用液壓油缸驅動.但由液壓驅動動力組件機架上下運行,不利于直接使用數控限制,且其工作時,動力組件機架行程限制精度還不夠理想.本工程設計

4、了一種采用PLC限制多臺伺服電機限制機架上下進給、主軸轉速、工作臺XY軸移動的高精度多功能多軸數控立式鉆床.其主要結構如以下圖所示：鏈條朕進給萬向節組件動力機架組件主軸向服電機安裝軸伺理鞋轉重齒輪箱螺旬器電機輪條塊機身電氣箱鉆桿機件工作臺Y軸移動轉動裝置伺服電骯限制X軸移動轉動裊置伺服電機限制F螺母絲桿螺呼安裝座圖1本工程多功能多軸數控立式鉆床結構示意圖如圖1所示,本工程多功能多軸數控立式鉆床包括底座、機身和配重塊油缸,機身上設有可上下滑動的動力機架組件,動力組件機架中設有萬向節連桿組件,萬向節組件下連接多種類組合式鉆桿組件,鉆桿組件連接鉆頭.機架頂部設有提供主軸動力的伺服電機和主軸齒輪箱,機

5、身頂部設有電機支座和伺服電機,伺服電機經彈性聯軸器下接滾珠絲桿,滾珠絲桿下端從絲桿螺母和動力組件機架右側底面伸出,并與機身上的絲桿底座連接,絲桿螺母固定于動力組件機架的絲桿螺母安裝座上.配重塊通過鏈條與動力機架右上側相連.該配重塊的作用是為了平衡左側動力組件機架上下運行時對機身的單邊作用力,以保證動力組件機架運行平穩.當動力機架組件受滾珠絲桿帶動而下行時,配重塊同時隨鏈條上升,其作用力通過固定鏈輪作用于機身右邊,這樣在機身左右兩邊就同時有相同向下作用力,動力機架組件就可以平穩運行.機身的上部右側配設電氣限制箱,離地1.4M左右,這樣更有利限制操作.本項目多功能多軸數控立式鉆床的伺服電機均由PL

6、C數碼限制器連接限制,而且通過滾珠絲桿驅動動力組件機架上下運行,相較傳統液壓進給系統精確度更高.多功能多軸數控立式鉆床工作過程：1選擇刀架：根據加工工件需要,選擇圓周分布鉆桿可調式刀架適用如法蘭、油缸下上蓋圓周分布鉆孔、固定式特制刀架適用大批量固定孔工件、鉆桿自由定位刀架適合小批量任何工作.2鉆頭主切削力：機床齒輪箱齒輪由伺服電機驅動,利用PLC數控可編程系統使齒輪箱轉速無極調速.3鉆頭軸向進給力：動力機架與絲桿螺母安裝座連接,進給電機通過聯軸器與滾珠絲杠連接,絲桿螺母又與絲桿螺母安裝座連接,電機旋轉那么滾珠絲桿旋轉推拉動絲桿螺母,動力機架做上下運動.進給深度可精確的自由調節,利用PLC數控可

7、編程系統使傳動機架空行程速度與進給速度分工明確；即：空行程時快速下降,待快到加工零件外表時速度減緩工進.4配置裝置：機身內部空曠,放置一配重塊,動力機架與配重塊通過鏈條安裝螺釘與鏈條相連,當動力機架上升的時候,配重塊往下降,此時動力機架會有一個助力,將其往上拉,減少進給電機負載,加快退刀時空行程速度.5本工程設計了銃床功能組件.工作臺與X、Y軸絲桿連接,X、Y軸絲桿由2臺伺服電機驅動,利用PLC數控可編程系統可精確的限制工作臺X、Y軸移動距離,實現銃床功能.根據多孔零部件產品的主要加工要求,研究數控多功能金屬鉆床的多孔一次成型功能實現,并且具備通用性來滿足不同孔數、不同孔距、孔徑不一的工件的加

8、工需求.采用矩形導軌,有足夠的剛性與穩定性,防止微小的振動,加上配重塊的使用,使得數控多功能金屬鉆床的機床結構簡單且運行穩定；多軸鉆床主軸箱中主動軸、從動軸均直接安裝在齒輪箱體中,減小漏油的可能性,減少加工工序,減少齒輪、齒輪軸安裝的累積誤差,提升精度.工程產品可滿足同時安裝最多24軸的要求,實現多孔一次鉆孔完成,并且最大鉆孔孔徑達可到23mm伺服電機直接驅動主軸,減少傳動中的能量損耗,提升傳動效率,滿足多軸同時加工的動力需要.通過調整臂調節萬向節和特制的鉆桿自由定位刀架,可任意定位鉆孔位置,到達孔距可調；設計了圓周分布鉆桿可調式刀架,只需轉動操作手柄,多根鉆桿即可同時移動,鉆桿的距離同時放大

9、或縮小這種結構主要針對于孔距等分,均勻分布的零件,如法蘭、油缸上下蓋手動分度盤結構簡單操作方便,并節省大量調整鉆桿的時間,減輕操作工勞動力.2機床關鍵零部件研究1機床方案分析及各主要部件結構設計研究易拆卸多軸鉆床可變速主軸箱設計多軸鉆床廣泛應用于機械行業多孔零部件的鉆孔及攻絲加工.如汽車、摩托車多孔零部件等,其與傳統單軸鉆床比擬,工件加工精度高、工效快,可有效節約人力和物力.在實際應用中,多軸鉆床主軸箱中的傳動齒輪和萬向節有時還需要再拆卸和安裝.如用戶對多軸鉆床中主軸數量需求發生變化,需要增加或減少主軸數量時,以及維修保養時等.但普通結構鉆床由于齒輪底座與主軸箱本體為一體結構,上述萬向節、主動

10、齒輪和分動齒輪的再拆卸和安裝就非常麻煩.本工程設計了一種易拆卸,可變速,齒輪組更換方便的主軸箱.具結構如以下圖所示：圖2易拆卸多軸鉆床可變速主軸箱結構示意圖如上圖所示,易拆卸多軸鉆床可變速主軸箱包括箱體、主主動齒輪、聯動齒輪、從動齒輪、變速齒輪等.主動齒輪與聯動齒輪嚙合,聯動齒輪通過聯動齒輪連接從動齒輪,從而聯動更換齒輪組和安裝在主軸箱中的中間支持座和上箱體間.各分動齒輪通過變速齒輪中變速齒輪軸連接從動齒輪,從動齒輪與聯動齒輪嚙合,聯動齒輪與聯動齒輪實行緊配合形成一個整體,聯動齒輪嚙合各個分動齒輪,各分動齒輪連接各條萬向節.聯動齒輪和分動齒輪的底座為同體活動底座,該同體活動底座與主軸箱體密封連

11、接成一體,各分動力頭與下箱體密封連接成一體.主軸箱中主動輪連接電機主軸,從動齒輪和可更換變速齒輪分別通過相應的從動軸、變速齒輪軸安裝在箱體中部的支持座.假設干分動齒輪分別嚙合在變速齒輪下齒盤.從而更換不同齒數的齒輪組就可以實現不同轉速.變速齒輪軸上端開設花鍵,與齒輪內孔形成花鍵相切安裝,比單一的單鍵傳動平穩性更高.在軸最上端加工螺紋,用鎖緊螺母鎖住齒輪.這樣既可以使齒輪組在傳動中不容易消耗傳動力,使傳動更加穩定可靠,又可以輕松方便的更換齒輪組.多種可調刀架組件多軸鉆床的加工工件多種多樣,我們針對加工數量、工件類型,設計了一種主刀架組件和兩種附刀架組件孔位固定式鉆桿刀架組件：針對大、特大批量的加

12、工件,本工程開模制造固定孔位的鉆桿刀架,鉆桿通過模具上固定孔后,直接加工.這種方式加工精度較高,但是固定孔模具開模費用也較高.圓周分布鉆桿可調變位刀架組件：針對法蘭等孔位圓周分布的工件,采用該刀架組件,當需要加工另一圓周分布直徑和孔距的工件時,只要拉動變位手柄,可實現各鉆桿沿固定板上相應的徑向槽孔同時向圓心和遠離圓心移動變位,該刀架調整方便,可節省大量調整鉆桿的時間,減輕操作工勞動力.自由定位鉆桿刀架組件：該刀架組件是本工程根本鉆桿固定結構,上述孔位固定式鉆桿刀架組件、圓周分布鉆桿可調變位刀架組件均為附加在該刀架組件上.該刀架組件由帶槽位的鉆桿調節橫梁、刀架組件底座組成和緊固螺栓組成,如圖4,

13、5所示,該組件通過在鉆桿橫梁在緊固螺栓的帶動下在底座空槽內移動,緊固螺栓在橫梁內空槽移動,能實現類似X、Y坐標定位,提供本工程多功能多軸數控立式鉆床任意位置可調功能.刀架組件底座鉆桿空槽鉆桿橫梁緊固螺栓圖3自由定位鉆桿刀架組件側視圖圖4自由定位鉆桿刀架組件底視圖導軌局部設計研究A、首先根據導軌工作條件、承載特性與加工經濟.選擇導軌的結構類型為矩形導軌；矩形導軌具有導軌面較寬、較大的承載水平、剛性較高、形狀規那么、制造跟維修方便等優點.R再進行導軌的力學計算,確定結構尺寸.G確定導軌副的間隙、公差和加工精度.D選擇導軌材料、摩擦面硬度匹配和外表精加工和熱處理方法.確定導軌材料為HT20Q摩擦面硬

14、度HRC40-45磨削導軌外表外表粗糙度Ra到達0.8.E、選擇導軌的預緊載荷,設計預緊載荷的加載方法與裝置.旋緊壓板螺釘,利用壓板壓緊.F、選擇導軌面磨損后的補償方式和調整裝置.旋緊塞條螺釘,塞條往下滑,由于塞條有斜度,越往下越緊.G選擇導軌的潤滑方式,設計基于PLC限制的液壓潤滑系統和防護裝置.圖5導軌結構示意圖動力機架設計研究工況要求：即任何機架的設計首先必須保證機器的特定工作要求.例如,保證機架上安裝的零部件能順利運轉,機架的外形或內部結構不致有阻礙運動件通過的突起；設置執行某一工況所必需的平臺；保證上下料的要求、人工操作的方便及平安等.剛度要求：在必須保證特定的外形條件下,對機架的主

15、要要求是剛度.如果根底部件的剛性缺乏,那么在工作的重力、夾緊力、摩擦力、慣性力和工作載荷等的作用下,就會產生變形,振動或爬行,而影響產品定位精度、加工精度及其它性能.強度要求：對于一般設備的機架,剛度到達要求,同時也能滿足強度的要求穩定性要求：對于細長的或薄壁的受壓結構及受彎-壓結構存在失穩問題,某些板殼結構也存在失穩問題或局部失穩問題.失穩對結構會產生很大的破壞,設計時必須校核.美觀：目前對機器的要求不僅要能完成特定的工作,還要使外形美觀.其它：如散熱的要求,防腐蝕及特定環境的要求.在滿足機架設計準那么的前提下,必須根據機架的不同用途和所處環境,考慮以下各項要求,并有所偏重.機架的重量輕,材

16、料選擇適宜,本錢低.結構合理,便于制造.結構應使機架上的零部件安裝、調整、修理和更換都方便.結構設計合理,工藝性好,還應使機架本身的內應力小,由溫度變化引起的變形應力小.抗振性能好.耐腐蝕,使機架結構在效勞期限內盡量少修理.有導軌的機架要求機架導軌面受力合理,耐磨性良好.7圖6動力機架結構示意圖帶有銃床功能的工作臺X、Y向均采用伺服電機通過和絲桿傳動后帶開工作臺X-Y向的運動.如上圖所示,工作臺由兩個互相獨立的、互相垂直的導向導軌、傳動系統及工作臺面等組成.其中X向工作臺固定在Y向工作臺的工作臺面上,由Y向工作臺帶動其作Y向運動,X向工作臺通過定位銷定位于Y向工臺上,兩者在水平面上保持正交.工

17、作臺上,動導軌沿著靜導軌做定向直線運動.為保持高剛度和無間隙連接,一個適宜的預載荷被施加在滾珠絲杠和滾珠導軌上.伺服電機與滾珠絲杠之間采用剛性聯軸器直接連接.595?J_U%U-ly圖7工作臺示意圖2基于PLC的多軸鉆銃床限制系統研究多軸鉆床可對方管進行多孔同時加工,用戶可根據需要隨意調整兩孔中央距,并調整鉆頭數量的多少.該機器非常適合大批量生產,可提升工作效率幾十倍.多軸鉆床的限制系統大多采用機械、液壓、電氣或氣動相結合的限制方式.其中,電氣限制往往起著中樞聯接作用,但傳統的電氣限制通常采用繼電器邏輯限制方式,使用了大量的中間繼電器、時間繼電器、行程開關等.存在主要問題如下：a.由于限制觸點

18、多、工作頻繁,電路系統故障率高、檢查周期長；b.使用時間長后線路易老化,電氣常出現故障,造成機械、液壓或氣動系統工作不正常,直接影響了機械加工的質量和加工時間,降低了工作可靠性；c.如果工藝要求發生變化,就得重新設計線路連線,而作為繼電器邏輯限制線路的觸點數量有限,線路連線很多,不利于設備產品的更新加工工藝路線,影響了設備的利用率及自動化程度.因此,本工程針對多軸鉆床實際使用中的問題,設計了一套基于PLC的限制系統,取代傳統的繼電器一接觸器限制系統,并運用伺服電機驅動,提升了工作精度和自動化程度.多軸鉆床一般自動加工過程如下如所示：工程需要到達機床的刀具伺服電機在滑臺進給循環開始時啟動運轉,滑

19、臺退回原位后停止運轉.能實現空位時快進快退,工進時緩速.根據多軸鉆床的功能需求,主要是開關量限制,另外還要求有時間(可調)限制功能.限制系統采用模塊化編程思想,主要由初始化程序、鍵盤掃描子程序、顯示子程序、鉆孔子程序等組成,并由主程序將這些子程序連接起來,構成完整的鉆孔限制程序.同時,還在程序中嵌入虛擬I2C總線通用軟件包,與應用程序設計直接有關的是通用讀寫子程序.主程序流程圖見圖10.圖9主程序流程圖2.2技術創新點(1)針對透孔加工工件,自主設計了多軸可調階梯式排列鉆桿刀架,通過刀架上帶有刻度的緊固裝置,可設置相鄰鉆頭長度差值,減少工進時接觸工件的鉆頭數量,相較以往所有鉆頭同時接觸工件工作

20、,降低了加工時機械振動,提升加工精度,延長刀具使用壽命.多軸鉆床是由動力組件機架中的主軸帶動多根鉆桿同時轉動而進行多孔加工的一種機床,具廣泛應用于機械行業批量多孔零部件的鉆孔及攻絲加工.在選擇多軸鉆床時,效率往往是先決條件,但是質量精度方面也是決定多軸鉆床好壞的重要條件之一.傳統多軸鉆床在加工時,所有鉆頭都是同時接觸工件,同時工進,長期加工后會由于工進振動,造成精度降低,影響加工質量.本工程在保證一定效率的前提下,設計了一種高度可調階梯式鉆桿刀架,具結構如以下圖所示：苫近國米頂緊螺釘十二莫氏鉆頭錐度套螺母圖10圖度可調階梯式鉆桿刀架松開頂緊螺釘,右旋螺母,莫氏鉆頭錐度套帶動鉆頭向下移動；反之左

21、旋,將莫氏鉆頭錐度套帶動鉆頭向上移動,最后擰緊頂緊螺釘,進行調節鉆頭的上下,從而完成階梯式鉆孔.在保證一定效率的前提下,合理設置鉆桿上下錯位比例,通過刀架上帶有刻度的緊固裝置,可設置相鄰鉆頭長度差值,當低位鉆桿工進時,高位鉆桿處于空位,當高位鉆桿工進時,低位鉆桿已經鉆透處于空位狀態,因此在加工透孔時,多軸鉆頭同時工進數量將減少,降低了機械振動,減少工進時接觸工件的鉆頭數量,相較以往所有鉆頭同時接觸工件工作,降低了加工時機械振動,提升加工精度,延長刀具使用壽命.改良前改良后圖11階梯式鉆孔示意圖(2)自主設計了基于鉆孔次數判斷的PLC限制液壓自動軌道?閏滑系統,采用PLC采集計算鉆孔次數信號,限

22、制液壓系統對鉆床導軌進行充分潤滑,并設計了V型主油槽和縱向方波形副油槽,擴大了潤滑油擴散面積,提升了潤滑效果.多軸鉆床廣泛應用于機械行業多孔零部件的鉆孔及攻絲加工,如汽車、摩托車多孔零部件等.多軸鉆床與傳統單軸鉆床比擬,工件加工精度高、工效快,可有效節約人力和物力.應用時,多軸鉆床上的活動主軸箱將頻繁沿導軌相對滑行,為保證主軸箱沿導軌能夠順利滑行,導軌必須經常加油潤滑.對此,目前普遍采用手動壓力油壺進行加油.而用手動壓力油壺加油存在有以下問題：加油時操作麻煩,費工費力.加注的潤滑油易流出導軌外,導致環境污染和潤滑油浪費.其他數控機床或加工中央靠自動泵潤滑,按機床運行時間來潤滑,機床只要開機不管

23、是否執行動作都計算為運行時間,潤滑不夠合理,容易產生潤滑不夠或潤滑油過多的問題.本工程為解決上述普通多軸鉆床導軌加油潤滑存在的問題,提供一種基于PLC控制的多軸鉆床導軌液壓自動潤滑系統,具結構簡單,能自動潤滑導軌.圖12液壓自動軌道潤滑系統示意圖如上圖所示,多軸鉆床導軌液壓自動潤滑系統包括油缸、主軸箱、立柱及分設于立柱上的兩導軌,主軸箱可沿兩導軌滑動,且由安裝于立柱上的倒置油缸頂桿連接驅動；兩導軌前側面中局部別設有主油槽；該主油槽中間設有油孔與導軌后側面油孔和外側面油孔相通,兩導軌上的主油槽上端分別與立柱兩內側的進油孔穿通,該進油孔通過油管和分流器接油缸進油口端蓋上的潤滑油出口,主軸箱上與每一

24、導軌配合的三個滑接面上分別設有副油槽.分流器可安裝在立柱后側通孔內配合的安裝塊上.兩導軌前側面中部的主油槽均為側置v字形；主軸箱上與每一導軌配合的三個滑接面上的副油槽均為縱向方波形.這樣可使自動潤滑效果更好.而本工程提出由用戶自行設置潤滑數值(即鉆孔到達設定次數,對軌道進行自動潤滑),每一次鉆孔動作完成后都發出信號給PLG由PLC累計計算鉆孔次數,當鉆孔次數到達實現設定次數,給潤滑泵發出指令對軌道執行潤滑動作,限制液壓系統油缸輸出潤滑油,再經過兩邊導軌上的主油槽和導軌后側面、外側面上的油孔,以及主軸箱上與每一邊導軌配合的三個滑接面上的副油槽導流,使得主軸箱沿兩導軌滑動時,導軌就得到加油潤滑.(

25、3)自主設計了自由定位鉆桿刀架組件,可實現各個鉆桿在工件上的X、Y坐標定位,使多軸鉆床具有孔距可調功能,擴大了適用范圍；并設計了圓周分布鉆桿可調變位刀架附件,可實現各鉆桿沿固定板上相應的徑向槽孔同時向圓心和遠離圓心快速移動變位,可節省大量調整鉆桿的時間,提升工作效率.多軸鉆床的加工工件多種多樣,我們針對加工數量、工件類型,設計了一種主刀架組件和兩種附刀架組件.自由定位鉆桿刀架組件：該刀架組件是本工程根本鉆桿固定結構,上述孔位固定式鉆桿刀架組件、圓周分布鉆桿可調變位刀架組件均為附加在該刀架組件上.該刀架組件由帶槽位的鉆桿調節橫梁、刀架組件底座組成和緊固螺栓組成,如圖3,4,12所示,該組件通過在

26、鉆桿橫梁在緊固螺栓的帶動下在底座空槽內移動,緊固螺栓在橫梁內空槽移動,能實現類似X、Y坐標定位,提供本工程多功能多軸數控立式鉆床任意位置可調功能.空槽鉆桿橫梁空槽緊固螺校圖13自由定位鉆桿刀架組件實物圖孔位固定式鉆桿刀架組件：針對大、特大批量的加工件,本工程開模制造固定孔位的鉆桿刀架,鉆桿通過模具上固定孔后,直接加工.這種方式加工精度較高,但是固定孔模具開模費用也較高.圖14孔位固定式鉆桿刀架組件實物圖圓周分布鉆桿可調變位刀架附件：針對法蘭等孔位圓周分布的工件,采用該刀架組件,當需要加工另一圓周分布直徑和孔距的工件時,只要拉動變位手柄,可實現各鉆桿沿固定板上相應的徑向槽孔同時向圓心和遠離圓心移

27、動變位,該刀架調整方便,可節省大量調整鉆桿的時間,減輕操作工勞動力以四軸鉆為例,如以下圖所示,在應用中,當手柄逆時針旋轉時,轉動板上的四個弧形槽孔就同時帶動四個鉆桿沿固定板上相應的徑向槽孔向外移動變位；當手柄順時針旋轉時,轉動板上的四個弧形槽孔就同時帶動四個鉆桿沿固定板上相應的徑向槽孔向內移動變位,調整非常方便.中央堀竹轉用板冏定板導向螺匕歸向槽孔玷桿通尼橫孔圖15圓周分布鉆桿可調變位刀架附件工作原理圖3 .工程應用范圍和市場前景本工程市場定位在采石場、礦山、公路、鐵路、水利、電力、建筑行業中,需要用于中、細破碎壓強在160兆帕以下的各種礦山巖石,如鐵礦石、有色金屬礦石、玄武巖、花崗石、石灰巖、沙巖