轴类零件中心孔加工专用机床设计

1、2009年8月第37卷第8期机床与液压MACH I NE TOOL &HYDRAULI CSA ug 2009V ol 37N o 8DO I :10. 3969/j issn 1001-3881 2009 08 086收稿日期:2008-09-17作者简介:宋建武(1966 , 河北康保县人, 男, 汉族, 硕士, 副教授, 主要从事数控技术的教学与研究工作。电话:, :l sj s 轴类零件中心孔加工专用机床设计宋建武, 杨丽(张家口职业技术学院, 河北张家口075000摘要:针对在普通机床上加工轴类零件中心孔时存在生产效率低、孔深尺寸同一性差、要求工人技术水平较高这3个问题, 提

2、出对普通机床进行自动控制的技术改造。讨论了基于计算机PC I 总线的加工轴类零件中心孔自动控制硬件系统的设计和实现方法。关键词:轴类零件; 中心孔; 专用数控机床; 设备驱动程序中图分类号:TG 519 5 文献标识码:B 文章编号:1001-3881(2009 8-266-20 概述轴是组成机器或产品的重要零件。在机器产品中, 只要有机械传动装置, 必定有轴的存在。轴类零件往往在车床和磨床上加工。轴类零件的轴线既是设计基准, 又是测量基准, 轴颈处的轴线是装配基准。所以, 在安排其加工工艺规程时, 为符合基准重合原则、基准统一原则和互为基准原则等工艺要求, 常把轴类零件的轴线作为定位基准,

3、即工件以两顶尖孔(定位元件为前后两个顶尖 定位加工其他表面。根据基准先行原则, 加工轴的端面和中心孔就成了轴类零件加工的第一道工序。对于大批量生产产品加工中心孔时, 受生产成本等因素影响, 多采用流水线生产方式, 自动化程度和生产效率都比较高。但对于中小批量产品, 受生产规模限制, 往往没有专用设备, 只好在普通车床上加工端面和中心孔, 即传统的加工方法:夹左端, 车右端面钻右端中心孔; 二次安装, 夹右端, 车左端面钻左端中心孔, 然后才用两顶尖孔定位加工其他表面。这是加工现场中最常见的加工生产方式。对于大批量生产产品, 在加工轴的端面和中心孔时, 一般都安排在铣端面钻中心孔专用机床上来加工

4、。对于中小批量生产, 在普通车床上加工中心孔时, 存在着以下3个问题不容易解决1:(1 由于是两次安装, 两次定位夹紧, 生产效率低。同时为保证中心孔的孔深尺寸精度, 对工人的技术水平要求比较高。(2 中心孔的精度难以保证。中心孔的尺寸有L 、A 、形位公差及表面粗糙度等, 其中要求最高的尺寸为中心孔的深度尺寸A, 如图1所示。如果一批工件其尺寸A 大小不一, 在后续工序中, 以中心孔定位加工各外圆表面时, 装配基准尺寸B 、C 必有偏离, 降低轴类零件将来装配时的轴向装配精度, 直接影响机器或产品的工作性能。故加工中心孔时应严格控制孔深尺寸A 。在传统加工方式中该尺寸是无法保证的(因为刀具放

5、在尾座上, 没有进给控制装置 。图1 加工零件图(3 由于车床主轴端部结构所限, 当轴的直径或长度尺寸比较大时, 在车床上加工中心孔困难比较大。要想解决上述3个问题, 比较简单的方法就是通过普通车床改装来实现。1 专用机床总体设计方案1 1 机械部分改装设计如前所述, 在普通车床上用传统方法加工中心孔时, 存在3个问题, 考虑普通车床原有结构和传动关系, 并分析改装的可能性, 提出下列改装方案, 机床改装示意图如图2所示1-2, 3。(1 工件定位夹紧装置去掉机床原有方刀架、小溜板及后尾座, 在中拖板上通过定位底座连接一个长V 形定位块, 两者之间加一调高块来调整不同直径工件的中心高距离, 工

6、件用特制夹具夹紧。将车床传统的工件定位在主轴上实现主体运动方式改为安装在导轨上实现进给运动方式, 既解决了工件长度和直径受车床结构限制的问题, 可以加工比较长、比较粗的轴类零件, 又可以在工件进给时, 严格控制其进给距离, 保证中心孔深度尺寸A 的一致性。(2 拖动系统安装去掉车床原有挂轮结构, 在溜板箱前面和中拖板前面通过弯板结构连接一台步进电机, 纵向进给直接靠螺母丝杠传动控制。由已编好的程序指令和加工现场外接信号控制步进电机的正、反、停运动, 驱动工件实现纵向进给运动, 保证中心孔深度尺寸A 和轴 心的位置精度。图2 机床改装示意图1 2 系统硬件控制方案的设计系统的控制部分有两种比较适

7、合的解决方案。一种基于单片机, 另一种基于PC I 总线。这两种方案都可以满足设计要求。基于单片机的控制系统经过实践检验, 发现存在一些问题, 如干扰问题。基于上述方案存在的问题, 作者设计了另一种方案, 基于PC I 总线的系统解决方案, 系统框架图与工作原理图如图3所示。该方案基于当今流行的PC I 局部总线, 将数据直接采集到计算机进行处理, 省去了中间通信环节, 最大限度地减少了受干扰的可能性, 提高了系统的自动化程度4-8 。图3 基于PC I 总线的控制系统该控制系统主要功能分为3部分:(1 计算机得到软件系统指令后, 发出信号经过光电耦合, 信号放大使电磁阀得电驱动操纵油缸推动夹

8、具夹紧工件。(2 计算机得到工件已经夹紧信号后发出指令驱动 步进电机转动。步进电机与中拖板之间用滚珠丝杆直接连接, 步进电机转动从而带动中拖板运行。(3 检测刀具与工件接触信号。当步进电机带动中拖板运行到工件接触刀具一瞬间时, 传感器可以检测该信号。控制工件夹紧模块是用来控制工件自动夹紧。操作人员经计算机发出开始指令后, 发出信号经光电耦合, 信号放大电路使电磁阀得电后带动液压油缸推动夹具夹紧工件, 同时反馈信号。步进电机驱动模块用来控制步进电机转动。控制系统对步进电机驱动分为两阶段, 首先计算机得到工件夹紧信号后驱动步进电机转动, 当检测到刀具与工件接触信号后, 再驱动步进电机转过所需步数,

9、 以保证加工中心孔的长度尺寸是所要求的尺寸。作者采用了三相混合式57BYG350L 型步进电机和配套驱动器M S -3H057M 。信号检测模块用来检测刀具与工件接触一瞬间的信号, 这是课题设计的关键部分。采用的传感器为应变式力传感器和电流传感器。电流传感器用来检测刀尖碰到工件信号, 但为了防止刀尖上的铁屑碰到工件产生伪信号, 采用了应变式力传感器来检测碰撞力信号, 但当刀具变钝时, 所检测的信号也有可能是伪信号。使用这两种传感器进行信号检测已确保所采集的信号为真信号。模拟信号经信号处理电路、A /D模数转换电路传输到计算机, 计算机确认该信号后发出信号驱动步进电机转过相应步数(该步数为控制轴

10、类零件中心孔加工深度经换算需要步进电机转过的步数 。A /D模数转换器采用了AD1674。1 3 系统软件设计图4 软件系统功能框架图轴类零件中心孔加工专用机床控制系统采用了基于PCI 总线技术的解决方案。该控制系统在W i ndo w s9X 操作系统下运行, 需要对系统设备进行驱动程序的编写9。软件系统功能框架图如图4所示, 软件设计应分为两个部分进行编写:(1 控制系统的应用程序设计。VC+6 0是一种功能十分强大的高级编程语言, 适合大多数工程技术人员的使用。使用VC+6 0编写控制系统操作界面等, 该控制界面需要实现以下的功能:控制步进电机拖动中拖板过程的启动与停止。控制工件夹紧装置

11、的启闭。控制A /D转换的启停和读取A /D转换数据。 控制中心孔深度加工。 实时监测工作状态。(267 第8期宋建武等:轴类零件中心孔加工专用机床设计虚拟+现实 的仿真模式, 将虚拟的机床运动与实 际的数控操作融为一体。图7 在VNUC 数控加工仿真软件里的仿真加工界面3 结束语虚拟+现实 的仿真模式弥补了仅CAM 软件仿真的不足, 将虚拟的机床运动与实际的数控操作融为一体, 可使用户既掌握数控机床加工的基本原理, 又掌握数控系统操作的基本技能。因此, 虚拟+现实 的仿真模式是以计算机虚拟机床代替真实机床, 可以减少培训成本, 保证培训质量。具有强大的生命力和广阔的发展前途。参考文献:1 陈

12、明, 刘钢, 等. CAXA 制造工程师 数控加工M .北京:北京航空航天大学出版社, 2006 1:373-393. 2 陈乐尧, 王兴波. 一种新的数控车削仿真系统J.机电工程技术, 2005(9 :81-83.3 杨伟群. 数控工艺培训教程M .北京:清华大学出版社, 2005:178-179.4 侯勇强, 马雪峰. 数控编程与加工技术M .大连:大连理工大学出版社, 2007:75-90.5 胡如祥. 数控加工编程与操作M .大连:大连理工大学出版社, 2008:41-60.(上接第267页(2 系统设备驱动程序的编写。V x D (V irtual X D river 即虚拟设备驱动

13、程序, 应用于W i ndo ws3X 和9X 操作系统下。V too ls D 包含了开发VxD 的所需工具, 使用非常简单。需要从3方面进行编写:VxD 虚拟设备驱动程序与硬件; 从应用程序到V x D 通信; 从VxD 到应用程序的通信。2 结束语从技术改造角度来看, 改装车床对数控技术要求不高。只需对普通车床机械部分进行部分改造, 加装传感器来检测工件端部碰到刀尖一瞬间的信号, 另外需研制一个硬件控制系统。经过改装后, 使车床具备一定智能, 能够在一定范围内寻找工件轴向位置, 尤其对车轴零件毛坯为锻件, 轴向没有定位基准, 确保参考文献:1 严建华, 轴类零件中心孔加工专用机床控制系统设计D .南昌:南昌大学, 2007.2 白恩远. 现代数控机床伺服及检测技术M.北京:机械工业出版社, 2002.3 余英良. 机床数控改造设计及实例M .北京:机械工业出版社, 1998.4 周林, 殷侠. 数据采集与分析技术M .西安:西安电子科技大学出版社, 2005.5 胡文金. 计算机测控应用技术M .重庆:重庆大学出版社,