Z3040摇臂钻床综合改造分析*

饶东强

( 广东省南海化工总厂有限公司，广东 佛山 528225 )

Z3040摇臂钻床综合改造分析*

饶东强

( 广东省南海化工总厂有限公司，广东 佛山 528225 )

基于对Z3040摇臂钻床原理、结构、性能的分析研究基础上，通过传动系统改造、电气控制PLC改造和功能扩展的改造 ，提高了Z3040摇臂钻床的精度、性能，改善了加工工艺，延长机器使用的周期，节约了成本，成为Z3040摇臂钻床优化的一个很好的补充。

Z3040摇臂钻床；传动系统改造；功能扩展改造

0 引 言

面对现代化工工业生产设备的要求不断提高，特别是民爆行业近几年设备更新换代工作加速，Z3040摇臂钻床加工可以广泛应用于这个过程之中，如钻、扩、铰、攻螺纹等工艺经常应用于实际加工过程，这其中由于摇臂钻床的结构比较复杂、制造工期较长，且由于是齿轮传动，不能做到无级变速，进给量难以变换；其控制系统的电器线路比较繁琐，稳定性、可靠性不高；当要加工一些位置复杂，干扰程度高的螺纹孔位置时，会遇到一些困难，增加了加工的准确性和稳定性方面的难度。针对这些问题，分别提出了对传动系统进行传动改造、电气控制PLC改造和功能扩展的改造。

1 传动系统的改造

1.1 设计方案

Z3040传动系统设计原理主要的组成为主轴、夹紧、进给三大部分，为了实现无级变速、并且增加其变速量，将主轴和进给传动改为液压方式，可以很好的控制变速范围和进给量，满足加工工艺的复杂要求，而对夹紧系统则将独立的供油方式改为共用方式，简化机械结构[1]。

主轴传动改造：对系统的压力进行限制，通过减小驱动的流量，降低压力，同时使压力调节更加细化。使调速阀的控制趋向二级或多级，在回油路径中形成背压，使系统的运行平稳过渡，减少主轴传动系统应发的调节误差。

进给传动改造：与主轴传动的液压改造方式类似，在油路设置二级或多级的减速方式，降低转速，对于小进给量或低速运行有很大的改良效果。

夹紧部分改造：在基本维持原有的结构的前提下，通过液压控制阀的组合，在夹紧系统中实现保压和进退的改善。

1.2 调速方案的选择

调速方式主要涉及到两类：其一，结合节流阀和差压式变量泵的工作效能，达到调速目的；其二，利用调速阀和压力限制变量泵的结合，达到调速目的。两种调速方式各有优缺点，调速阀与压力限制变量泵的优点是可以自如的控制流量与压力，对于快进与工进之间的过渡比较平稳，误差小；但是, 其不足之处是该组合方式回路的负载变化比较大,当加工工艺需要在小负载环境下工作时，变量泵的供压较高,但操作中的元件的压力相对低,对于变量泵泄漏的能量和在调速阀的压降损失比较明显, 并且油液温升很快，难以很好的满足加工要求。而利用节流阀与差压式变量泵的组合方式，对于大小负载的工作要求可以动态变化，保持回路中的供油压力与工作压力视负载情况而定, 维持流量与压差的稳定，保障加工的平稳性，减小能耗，提高效率。

1.3 液压元件的选用

(1) 液压马达的选用 按照Z3040 摇臂钻床的最初设计要求，主轴传动的转速介于25～2 000 r/min之间, 进给量介于为40～3 200 μm/ r。经调查证实，一般生产用Z3040摇臂钻床实际进给量介于60～1 000 μm/ r之间。根据液压马达的应用要求，加工过程中要实现低速大转矩的工作条件，可以考虑多作用径向柱塞马达、斜盘轴向柱塞马达或摆线转子马达等样式。而对应于调速范围的具体要求，斜盘轴向柱塞马达适应于调速宽度大、轴向自由、径向尺寸小的场合；内曲线多作用径向柱塞马达适用于稳定要求高、低速、大转矩的场合。当面对进给量大、转矩大(Tmax=0.4 kN·m)、转速高的加工环境时,液压马达的选择就要综合考虑。经过论证,可选用型号为1QJM01-160的柱塞式液压马达，其具体参数为额定压力1×107Pa，理论排量160 mL/r，转速调节宽度8～630 r/m，最大输出转矩为0.42 kN·m。柱塞式液压马达可用作改善钻床主轴与进给传动系统，并与带式无极变速器配合使用，可以达到调速与进给的优化，提高加工的稳定性、精确性与可操作性。

(2) 液压缸参数的选择 一般液压缸的型号包含单作用液压缸、双作用液压缸和组合式液压缸，考虑到加工过程中对进退的要求，可选用单杆双作用液压缸，杆的直径取D活塞杆=0.090 m，缸体的内径取D内径=0.125 m。

(3) 液压泵的选择 由参数可知，泵的最大工作压力不超过4×106Pa，液压泵的流量为14 100 mL/m，原则上选用YBX-25 限压式变量液压泵，转速n介于600～1 500 r/min之间，额定功率为4 000 W，排量范围小于25 mL/r，额定压力6.3×106Pa，工作当中的实际使用效率0.8。

(4) 液压泵电机的选择 根据液压泵的工作参数，确定驱动电机的型号为Y90L-4，其额定转速1 400 r/min,额定功率为1 500 W，满载负荷时的电流为3 650 mA。

1.4 调速及数显装置

数显装置可以提高操作的简易程度，减小失误。在对节流阀的调速阀控制时，在轴上设置微型转向电动机，采用按键装置, 正反转的调节可以通过对微型开关的操作来实现。为了观察Z3040摇臂钻床的主轴转速和进给量,做到更精确的调节目的，在其上设置数显装置。将光电编码器安装在主轴上, 原理是通过测量光栅的脉冲信号，而单片机可以计算出脉冲信号与主轴转速之间的关系，并且不受其他因素的影响，可以精确测量主轴转速。同样，数显装置安装在进给量的调节装置上，可以很方便的调节变换进给量，误差小、操作简易，极大地提高了加工的效率。

2 功能改造

2.1 钻扩功能改造

如图1所示。在面对加工位置不理想、干扰因素多的螺纹孔时，经常要将工艺进行再细分，如图2的压力机机体下部位置的三个螺纹孔,由于受到上部结构的干扰，很难对螺纹孔进行直接加工，通常要分为定位、电钻手工打孔，手工攻丝，显然在这三个步骤当中都容易产生较大的偏差，而且加工效率低，当面对大批量的加工要求时，具有一定的局限性[2]。

图1 复杂钻扩螺纹

图2 扩展功能-钻铣机构1.机床进给移动轴 2.机床旋转主轴 3.锁紧块 4、5、12、13.伞齿轮 6.传动轴 7.机体 8.锥销 9.键 10.轴 11.悬臂 14.钻夹头 15.机构主轴

对于不能直接垂直加工的孔位，可以考虑横向引出，使钻头伸至孔位上方，以方便加工。具体的扩展功能结构可以参照图2，即钻铣机构安装在机体上。主轴的垂直旋转运动要传递到横向引出轴的垂直运动，可以利用锥齿轮的特性来实现。如图所示：首先通过4、5一对锥齿轮将垂直的主轴(机床旋转主轴2)旋转转换为横向轴(传动轴6)的旋转运动，具体的转速比例可以根据结构、加工需要而定，再通过固定连接将横向轴(传动轴6)的运动传递到轴10，最后则是用一对锥齿轮12、13的配合完成从横向旋转到纵向旋转的传递(轴10到钻扩机构主轴15的转换)，在钻扩主轴15上安装钻头就可以达到钻孔的目的，同样，钻扩机构的旋转转速是通过摇臂钻床的主轴和两对锥齿轮的换算确定的，即调节摇臂钻床主轴转速来钻头改变钻扩主轴钻速，相似的，通过改变主体机构的进给量来控制钻扩机构的进给量。

加工步骤：将加工工件垂直安装在主体机构上，在压力机上定好三个螺纹孔位，打上冲眼，将横向引出的轴(钻扩机构)伸至孔位平面上方，依照先前打好的冲眼进行钻孔加工，同样，在钻扩主轴上安装丝锥，调节转速，进行螺纹孔的加工操作。螺纹底孔加工好后在钻夹头上装上丝锥, 选择相应的转速就可以完成螺纹孔的加工。

2.2 铣削功能改造

除了钻扩功能，还可以添加铣削功能，如图3所示的联轴器的键槽加工，具体改造将悬臂11卸下， 在传动轴6上安装铣刀，与钻扩改造的加工方法类似，只是有垂直方向的加工变为横向铣削，具体的机械转速，加工进给量，同样经过机构本体的主轴转速与进给量的调节加以控制[3]。

图3 联轴器内键槽加工

2.3 夹具的扩展设计

针对批量加工以及大、特、独等零部件的加工，合理的夹具设计是必须考虑的重要因素，如此方能充分发挥拓展摇臂钻床加工功能。夹具设计依据的原则是简捷、实用、快速、可靠。根据工件的种类、结构特征的不同，可采用不同的形式夹具设计，根据钻床夹具的定位元件、夹紧装置、对刀导引元件、分度元件、连接元件等组成部分设计好每次加工夹具。如实际工作中，利用车床卡盘定位带有圆柱形加工面的异形零件，或是配合加装假轴定位加工异型零件都会取得良好的加工结果。

3 基于PLC控制的电气改造

传统的Z3040摇臂钻床的旋转与升降不能复位，并且缺少失压和欠压的安全保障措施。改造后的电气控制基于PLC系统，一般电气控制改造分为硬件改造与软件改造，但基于原有的设计结构基本定型，所以着重介绍软件设计。PLC软件编写的控制程序主要包括预开程序、电机的启停程序、摇臂升降程序、夹紧与释放程序和一些辅助程序组成。综合考虑Z3040摇臂钻床的基本需求，其输入点数不少于18，输出点数不少于12个，可以采用FPO型号的产品，编程时在Windows环境下以FPO型号的PLC为参考，接口为RS-232C，I/O连接通用化程度高，并且经济高效，同时采用90A2装置进行模拟测试[4]。

4 结 语

当今加工的产品对精度、性能要求更高，并且还要在保证经济效益的前提下，传统的Z3040摇臂床具有一定的局限性，无论是在加工的复杂性还是多样性方面都有需要改造的必要，这样既能延长机器使用的周期，节约成本，又能改善加工工艺，提高精度与生产率，成为Z3040摇臂钻床优化的一个很好的补充，同样对其他种类的加工设备也提供了一个很好的借鉴。

[1] 陈少艾，王文义，熊志军. 基于Z3040摇臂钻床主轴变速系统的液压改造[J]. 液压与气动, 2005(2):49-50.

[2] 肖金平. 机械设计基础[M].第2版. 南昌: 江西高校出版社, 2005.

[3] 东北工学院机械零件设计手册编写组. 机械零件设计手册[M].第2版. 北京: 冶金工业出版社, 1982.

[4] 齐占庆.机床电气控制技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[5] 郁汉琪.机床电气控制技术[M].北京：高等教育出版社，2006.

Improvement and Analysis for Z3040 Radial Drilling Machine

RAO Dong-qiang

(NanhaiChemicalGeneralFactoryCo.,Ltd,FoshanGuangdong528200,China)

In this paper, based on the analysis and research of the Z3040 radial drilling machine principle, structure and performance，through the transformation of transmission system, electric control of PLC modification and function expansion, the Z3040 radial drilling machine precision，processing technology and performance are improved，the service life of the machine is prolonged, which saves the cost, and become a good complement to Z3040 radial drilling machine optimization.

Z3040 radial drilling machine；transformation of the transmission system；function extension transformation

2014-01-22

饶东强 (1957-)，男，广东梅州人，工程师，从事民爆器材设备研发，加工方面的研究工作。

TG52

A

1007-4414(2014)02-0159-03