一种转塔式六角钻床换刀触发方式的改进

王纯贤，甘恩荣，尹建贺，胡胜来，蒋辉东，郑胜华

(1 合肥工业大学 宣城工程技术研究院，安徽 宣城 242000;2.宣城市建林机械有限公司，安徽 宣城 242057)

0 引言

机床是制造装备的“工作母机”，数控系统是机床的“大脑”。数控机床的制造水平，是影响国家制造业水平、工业现代化程度和国家综合竞争力的重要因素。在钻床方面，目前，钻孔用的设备一般为台式钻床和摇臂钻床，但这两种设备只有一根主轴，无法快速更换刀具，故当需要加工不同直径的孔时，此类钻床加工效率很低。而台湾兴农工业股份有限公司生产的一种转塔式六角钻床却能很好地克服这个问题。

该六角钻床具有六根主轴，六合一的模式方便短时间内对同一孔径做不同性质的加工，刀塔可一次完成定位、钻孔、扩孔、镗孔、铰孔、攻牙、滚光等加工程序。此外，在准确的重复刀具主轴的定位下，不需昂贵的钻床工具。该钻床价格只是综合加工机的1/3，性价比较高。该转塔式六角钻床在轴承、汽动组件、涂装器材、空油压零件、模具、汽机车零件与运动器材等相关孔加工产业方面有着广泛的应用。

但是，由于该机床的换刀动作是依靠滑座的机械运动来触发的，所以换刀时间过长，制约了机床加工效率的进一步提高。因此，如果能改进其换刀触发方式，将能有效地缩短换刀时间，提高机床的加工效率。

1 机床整体结构的介绍

机床的整体结构如图1 所示。

图1 机床整体结构简图

机床动力由主轴电机输出后经同步带轮传至机身本体内的万向联轴器，电机轴端和万向联轴器端各有两个同步带轮，一大一小，通过选用不同的同步带轮可以获得两种不同的传动比，达到增速或减速的目的，使主轴的速度范围增大，以适应不同的加工速度要求。

动力通过万向联轴器从机身本体传至滑座本体内的齿轮轴，工作时滑座在机身本体上的导轨中上下滑动，以带动六角头本体上下滑动，实现刀具的进给运动。可伸缩型万向联轴器能在两轴不在同一轴线，存在轴线夹角的情况下实现所联接的两轴连续回转，并可靠地传递转矩和运动。这就使得滑座本体可以在行程范围内在机身本体上自由地运动。

六角头本体是固定在滑座上的，动力在滑座本体内经过一系列机械结构的传递后，传至六角头本体，再由一对相互垂直的斜齿轮传至向下的主轴，带动该主轴上的刀具运转，实现钻孔或切屑。

机身本体升降手轮是用于调节机身本体在机身立柱上的相对位置的，通过调节机身本体的位置使得刀具相对工作台有不同的基本高度，以适应更多不同外形尺寸的零件的加工，使得可加工的零件范围增大。

伺服电机是用于控制滑座本体在机身本体上滑行的，由于六角头本体是安装在滑座本体上的，所以伺服电机便可控制刀具的进给运动。伺服电机的输出转动经过变速箱后，由齿轮齿条将转动转化为直线运动，带动滑座在竖直方向上运动。

2 换刀触发方式的改进

2.1 换刀过程

当NC 控制器得到换刀的指令时，驱动伺服电机动作，使滑座本体向上运动，直至套筒螺丝碰到固定在机身本体上的压杆，由于继续做相对运动，压杆将推动套筒螺丝向下运动，套筒螺丝又推动运动环向下压缩弹簧，并推动推杆向下运动。推杆动作到位后，NC 控制器驱动伺服电机反转，滑座向下运动，推杆，运动环和套筒螺丝在弹簧力的作用下快速回到原来的位置。推杆动作后将会带动一系列机械动作，使主轴动力分离，六角头与滑座之间的连接分离，主轴电机的动力与日内瓦机构连接，使日内瓦机构动作，推动六角头沿顺时针方向转过六十度，然后主轴电机的动力与日内瓦机构分离，六角头与滑座之间的连接结合，主轴电机的动力与主轴重新结合，主轴转动，实现一次换刀。然后NC 控制器检测刀位信号，如果当前刀位与所要求的刀位不符，将继续重复上述过程换刀，直到换至所需要的刀位。

2.2 换刀过程分析

在上述换刀过程中，每次换刀必须要让滑座向上运动到极限位置，来触发换刀动作，之后又必须向下运动一定距离，使得推杆有足够的空间退回原来的位置，避免连续换刀。而换刀前，刀具一般都是处于加工状态，需要换刀时，滑座向上运动，使刀具离开工件足够距离，但此时滑座仍处在导轨的下端位置，驱动滑座从导轨的下端运动至导轨的上端，去与机身上的压杆相碰来触发换刀动作，使得换刀时间加长，加工效率变低。

图2 换刀的触发动作示意图

2.3 提出改进思路

为此，考虑一种新的方法来触发换刀动作，以提高换刀速度，缩短换刀时间。要想缩短换刀时间，就不能依靠滑座的运动来触发换刀动作，应使滑座处于任何位置均能快速触发换刀动作。

3 换刀触发机构的设计

3.1 方案的确定

为使换刀动作方便快速地触发，考虑将原来的运动环压盖去掉，在该位置安装一个动作元件，通过控制动作元件来推动推杆动作，触发换刀，不再需要滑座运动较长距离去触发换刀。这样便可节省换刀时间，提高机床的工作效率。该动作元件可以选用气缸或者液压缸，由于推动推杆动作并不需要很大的力，而且气缸的介质采用压缩空气，没有供应上的困难，用过的空气可直接排入大气，方便处理，不会产生污染，采用气缸的价格成本低，因此，本次设计采用气缸。

3.2 气缸结构的设计

(1)弹簧基本参数的计算

根据实验可知当用100N 大小的推力去推推杆时，可保证推杆动作。当推杆动作到位后，气缸卸荷，推杆运动环和套筒螺丝在弹簧力的作用下快速回到原来的位置，为保证退回，弹簧处于压缩量最大的状态时，弹簧力应大于100N，设此时弹簧力为f =150N，推杆向下需要的行程为9mm，根据结构需要，弹簧静止长度为b =26mm，处于上极限位置时便有4mm 的压缩量，处于下极限位置时压缩量为9 +4 =13mm。

式中，f—作用力;y—弹簧压缩后长度;b—弹簧静止长度;k—弹簧刚度系数(与弹簧材料，尺寸有关)。

所以弹簧的静止长度为26mm，弹性系数为11.5N/mm，外径18mm。

(2)活塞面积大小的计算

活塞需要提供的推力:

式中，f—推力;p—压缩空气压力;s—活塞面积;r—活塞半径。

通常设备的压缩空气供压为0.6 ～0.7MPa 左右，故选用p=0.6MPa。

为了增大可靠性，对推力f'采用安全系数k=1.6，即:

故取r=15mm，即活塞的半径为15mm。

(3)活塞行程的确定

推杆需要的行程是9mm，当气缸不动作时，活塞下端的顶杆与套筒螺丝之间应留2mm 的间隙，以保证推杆退回不受影响。故活塞的行程应为:

根据活塞的大小，行程，设计出所需要的气缸，简图如图3 所示。

图3 换刀触发结构简图

汽缸盖的下端具有与滑座本体相配的螺纹，气缸依靠该螺纹安装在滑座本体上。气缸动作时，压缩空气从气缸尾部进入，推动活塞向下动作，见图4。

图4 改进后的换刀触发结构简图

4 气缸动作的控制

气缸的控制以及换刀的过程如图5 所示。

图5 气缸控制以及换刀过程示意图

当系统得到换刀命令时，首先将当前刀位信号与所需刀位信号进行比较，当不一致时，操作系统向PLC发出一个正转换刀脉冲，PLC 的对应输出点有效，使对应中间继电器得电，驱动中间继电器动作，中间继电器动作后，电磁控制阀打开，压缩空气进入气缸，气缸动作，推动推杆动作，实现换刀。换刀结束后，操作系统将检测当前刀位信号与所需刀位信号是否一致，不一致时，将再发出一个正转换刀脉冲信号，直至换至所需刀具。气缸每次动作的持续时间，可通过在PLC 程序中设定对应输出点的每次有效持续时间来控制。整个换刀过程中，在刀具离开工件安全距离后，滑座不需要动作，换刀动作的触发完全由气缸来实现，能方便快速地实现换刀。

5 结束语

经实践测量，换刀触发方式改进前，相邻刀具的换刀时间约为2.8s，改进后相邻刀具的换刀时间约为1.6s，节省了1.2s，当所需刀具与当前刀具不相邻时，需要多次触发换刀，才可换至所需刀具，节省的时间将更多。机床的六角头共有六把刀具，加工时往往需要经常换刀，因此换刀触发方式的改进，避免了很多不必要的时间浪费，对机床加工效率的提高有显著的作用。而且本次改进只需要增加一个气缸，一个中间继电器和一个电磁控制阀，几乎不需要机床制造成本的增加，具有很好的实用性。

［1］曹娜，汪永超，刘云峰，等. 一种多工位专用数控钻床的设计研究［J］. 机械设计与制造，2009(9):143－144.

［2］李武波. 小型数控立式铣床机械结构设计［J］. 数字技术与机械加工工艺装备，2010(2):51－52.

［3］何庆伟，杨栋，王欣芳，等. 一种新型多孔钻床设计［J］.精密成形工程，2012，4(6):123－125.

［4］熊海，喻进军，杨光. 专用钻床结构设计中的若干关键技术研究［J］. 机械研究与应用，2006，19(6):58－59.

［5］徐敬广，李刚，薛彩侠. 钻铣床主轴箱数控化设计［J］.安徽电子信息职业技术学院学报，2009，8(4):40－41.

［6］李刚. 钻铣床主传动设计与校核［J］. 机床与液压，2011，39(20):121－123.

［7］胡旭兰. 一种PCB 型数控四轴钻铣床［J］. 组合机床与自动化加工技术，2005(2):97－99.

［8］黄文广，许孔扬，宋丹，等. 西门子SINUMERIK 802S 数控系统在立式钻铣床技术改造中的应用［J］. 机电工程，2004，21(7):19－22.

［9］杨保香，王益轩. 数控钻铣床控制系统分析［J］. 科技创新导报，2011(12):59.

［10］谭福光. 普通台钻的数控化改造［J］. 金属加工，2009(5):65.