数控弹子孔钻孔机的设计

纪兆毅，彭长震

JI Zhao-yi1，PENG Chang-zhen2

（1.菏泽学院 机电工程系，菏泽 274000；2.曹县精锐机械锁业有限公司，曹县 274000）

0 引言

中国已成为世界最大的锁具生产国和消费国——这是个不争的事实。由于锁具行业属于劳动密集型行业，入行门槛低，专业化程度不高，高端产品种类非常稀少。目前，国内锁具市场以生产中低档的锁具产品为主，竞争早已白热化，由于原材料价格上升，劳动力成本增加，以及越来越多的新技术新产品的竞争，让锁具行业的日子越来越难过，锁具行业新一轮的技术竞争已经拉开帷幕，技术含量高的高端产品未来发展趋势明显，高端锁具将逐渐成为锁具市场的主流。

随着高科技的迅速发展，高端产品的实现，必须依赖于锁具设备的自动化水平，在没有全自动机器，以及机器人操作的不现实状况下，半自动数控设备，成了所有锁具加工的救命稻草。

对于弹子锁是一个尺寸要求精度高，产品外观精美，批量大，生产效率要求高的产品。国内制锁厂家多采用手工钻床钻孔，其精度和效率都比较低，难以满足高精度的产品要求。为此我们在原有手工钻孔工艺的基础上，结合我国实际国情，根据生产实际需要研制了数控弹子孔钻孔机，使其具有数控加工的能力，为我国锁具企业由劳动密集型转化为技术密集型提供了一条途径。

1 数控弹子孔钻孔机方案原理实现和技术参数

该弹子孔钻孔机包括机架部分，主座，立座，工作台和控制开关，人机界面。其特征在于：所述的工装夹具部分安装在工作台上，采用气动夹紧方式，用高速电主轴直接夹持钻头实现钻孔运动。

该钻孔机更优的技术方案是：高速电机主轴直接夹持钻头并通过无间隙传动丝杠，实现钻孔运动，保证其稳定性。

该钻孔机有益效果是：采用直线滑轨与直线轴承配合，有步进电机结合无间隙传动滚珠丝杠，使工作台前后，上下运动，保证了运动中的进给精度，自动化程度和生产效率大大提高，加工精度高。

数控弹子孔钻孔机的技术参数如下：

钻孔材料： 铜、铸铁、钢

最大钻孔直径： 4mm

主轴电机功率： 1.5KW

主轴转速： 6000-24000转/分

工作台最大纵向位移：100mm

气压： 0.6MPA

生产产量： 4000-6000把/8小时

2 弹子孔数控钻孔机的机械结构

数控弹子孔钻孔机由机身架部分、高速主轴、传动部分及电气控制系统组成。具体结构如图1和表1所示。

2.1 机身架部分

由焊接机架、机架地板和防震支撑杆组成。

2.2 传动部分

由上下步进电机、前后步进电机、连接装置、高速电主轴组成。

图1 数控弹子孔钻孔机结构示意图

表1 示意图1中各序号名称

高速电机的上下运动是靠上下传动步进电机接合传动丝杠实现的。工作台前后运动是靠前后传动步进电机结合传动丝杠实现的。工作台的双工位切换是靠工作台内部的交换气缸实现。

2.3 工件夹具部分

工件夹具安装在工作台上，夹具可分为单工位和双工位，气动夹紧。

2.4 电气控制部分.

由于考虑到成本以及实际操作的需要，电气控制系统主要靠变频调速和PLC可编程控制系统实现。

3 控制系统设计

数控弹子孔钻孔机的工作特点是加工频率和加工精度高、工作时间长。因此，其电气控制系统必然出现频繁切换的工作状态，为了提高钻孔机的工作效率和可靠性，采用可编程控制器（简称PLC）对加工过程加以控制。

3.1 系统的硬件构成

系统的硬件主要由国产信捷XC3可编程控制器（简称PLC）、步进电机驱动器（或交流伺服电机驱动器）、英威腾CHF100-1R5G-2变频器、各种主令电气（按钮和位置传感器）及各种执行机构（步进电机或交流伺服电机和电磁阀等）构成，控制系统结构原理图如图2所示。

图2 控制系统结构原理图

初始状态时，冷却液处于关闭状态，上下步进电机处于上端起始位置，夹紧气缸处于放松状态。操作人员通过人机交互面板设定所要钻孔个数以及钻孔深度、孔间距等参数，PLC接收参数并保存。工作时，首先按下电源开关，冷却液开，左右移动复位，然后启动高速电机主轴，放好工件，夹紧气缸自动夹紧锁芯，上下步进电机向下运动带动高速电机主轴向下工进钻孔，到达设定的孔深后，上下步进电机带动高速电机主轴快速回退，回退到初始位置后，前后步进电机向后运动一个孔距至下一个钻孔位置，如此往复，直至钻完设定的孔数，一号工位钻孔结束，左右移动定位开始运动，更换至二号工位，如前面钻孔过程，一号工位和二号工位可以连续自动更换，或者通过脚踏开关更换。当钻孔结束后，关闭高速电机，按下电源开关，整个钻孔过程结束。

3.2 系统的软件设计

可编程控制器的软件设计就是设计系统的梯形图。根据加工工艺要求，梯形图程序主要包括：

1）高速电机的启动、停止、及其变频调速控制；

2）通过钻头扭力的设定实现更换钻头提示，保护钻头；

3）工作循环及整个加工过程控制；

4）发生误操作时系统自锁控制；

5）步进电机速度、钻孔深度、孔距控制；

6）故障报警控制和急停控制。

4 弹子孔数控钻孔机的性能特点

与以前的手工钻床钻孔相比，该钻孔机的精度和效率都得到了大幅的提高，具体表现如下：

1）本机床采用直线滑轨和无间隙传动丝杠带动夹具和钻头做上下前后左右运动，保证了的工件夹具的进给精度，由高速电主轴直接夹持钻头，保证了其钻头的稳定性；

2）实现了钻孔过程的自动化，加工效率高。控制系统采用可编程控制器控制，由面板可以自由调节钻孔的中心距、加工速度、孔深、延时时间和初始定位距离等工艺参数，大大提高了加工效率，减轻了工人的劳动强度；

3）钻孔精度高，手工钻孔时钻孔的深度全凭操作人员用目测判断，难以满足高精度的产品要求。本机器钻孔的深度和孔间距可以自由设定，由可编程控制器自动准确控制，完全满足产品的高精度要求；

4）安全可靠，操作方便。控制系统采用可编程控制器和操作面板控制，中文菜单，方便易懂，显示设置信息和加工信息等，且有管理员密码保护，方便生产管理。同时，系统的自锁功能和故障报警功能从根本上保证了操作者和设备的安全；

5 结束语

生产实践证明，该数控弹子孔钻孔机完全满足目前我国制锁企业使用的要求，整机结构紧凑，控制、传动合理，自动化程度较高，性能可靠，维护维修方便。在使用过程中机床运行状况良好，产品质量稳定，提高了劳动生产率和经济效益。

参考资料：

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