在鋼結(jié)構(gòu)板材鉆孔加工中，若采用傳統(tǒng)的人工裝夾、定位、鉆孔的普通鉆床的加工方法，存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、輔助時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。而采用商品化的數(shù)控系統(tǒng)，由于價(jià)格昂貴，對(duì)于板材鉆孔這種相對(duì)簡(jiǎn)單的加工，不可避免地在一定程度上造成了資源浪費(fèi)，不能達(dá)到大眾化使用的要求。PLC控制的龍門(mén)式專用數(shù)控鉆床及其控制系統(tǒng)就可解決以上問(wèn)題，其具有柔性強(qiáng)、加工質(zhì)量穩(wěn)定、效率高、操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)。

1 龍門(mén)式數(shù)控鉆床總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

　　龍門(mén)式數(shù)控鉆床加工的工件屬于扁平類鋼鐵金屬，采用立式鉆床便于加工。因此，機(jī)床總體設(shè)計(jì)為立式結(jié)構(gòu)，其主要由床身、工作臺(tái)、龍門(mén)架、液壓系統(tǒng)、主軸進(jìn)給、x軸定位、Y軸定位的數(shù)控電氣系統(tǒng)及潤(rùn)滑系統(tǒng)、排屑與冷卻輔助系統(tǒng)等組成。機(jī)床結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖如圖1所示。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　電氣控制系統(tǒng)主要包括四部分，即上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控部分、PLC控制部分、x-y軸伺服定位運(yùn)動(dòng)控制部分和主軸變頻調(diào)速器及液壓動(dòng)力鉆進(jìn)給部分。電氣控制系統(tǒng)主要硬件連接示意圖如圖2所示。加工時(shí)，運(yùn)用PLC和伺服控制器對(duì)數(shù)控鉆床運(yùn)動(dòng)、定位和鉆孔進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

　　2.1 上位機(jī)功能設(shè)計(jì)

　　利用上位機(jī)監(jiān)控軟件不僅可以編寫(xiě)定位鉆孔的加工文件，而且還可在上位機(jī)組態(tài)環(huán)境下通過(guò)對(duì)畫(huà)面的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)控運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。

　　(1)編程功能?？捎糜谑止ぞ帉?xiě)加工程序，操作者只需按格式要求把工件的尺寸及孔位數(shù)據(jù)輸人計(jì)算機(jī)就能形成加工程序，還具有CAD/CAM的DXF文件自動(dòng)轉(zhuǎn)換成加工程序的功能，可將CAD圖形文件拷人上位計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)可自動(dòng)生成加工程序和加工圖形。

　　(2)數(shù)據(jù)處理?？紤]參考點(diǎn)補(bǔ)償?shù)纫蛩?，將加工程序文件編譯運(yùn)算轉(zhuǎn)換為孔位的數(shù)據(jù)文件，其中包括孔數(shù)、鋼板厚度、板材尺寸、孔徑、每孔坐標(biāo)間的相對(duì)x/y脈沖數(shù)據(jù)等，所有數(shù)據(jù)均采用帶符號(hào)雙整型16進(jìn)制數(shù)表示。加工程序文件經(jīng)編輯后自動(dòng)傳人PLC數(shù)據(jù)區(qū)。

　　(3)顯示功能m。通過(guò)上位機(jī)與PLC間的RS-232C串口通信，在上位畫(huà)面中實(shí)時(shí)顯示PLC輸人輸出點(diǎn)的工作狀態(tài)，對(duì)加工過(guò)程中x行軸行走的位置以及各部分動(dòng)作和運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行監(jiān)控。

　　(4)報(bào)警功能。當(dāng)加工過(guò)程出現(xiàn)異常時(shí)，在上位機(jī)控制畫(huà)面上出現(xiàn)閃爍，或者由電氣控制柜上的報(bào)警指示燈顯示報(bào)警。

　　2.2 PLC程序設(shè)計(jì)

　　PLC是該控制系統(tǒng)的核心，其除了完成該系統(tǒng)要求的vo控制功能外，更重要的是將上位機(jī)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為動(dòng)作指令，以及把決定孔位的脈沖數(shù)信息按順序?qū)崟r(shí)地輸出給伺服控制器。

　　通過(guò)對(duì)數(shù)控鉆床的工藝狀況進(jìn)行分析，PLC的輸人點(diǎn)要接來(lái)自數(shù)控鉆床控制柜中完成必要工作的按鈕和限位行程開(kāi)關(guān)，分別為10個(gè)按鈕、8個(gè)旋鈕和6個(gè)霍爾傳感器，以及其他11個(gè)輸人信息;輸出點(diǎn)主要負(fù)責(zé)伺服x-y軸定位、液壓控制系統(tǒng)的電磁閥動(dòng)作以及變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)等，分別需要對(duì)2個(gè)伺服控制器、7個(gè)電磁閥、8個(gè)指示燈以及潤(rùn)滑冷卻排屑等輔助系統(tǒng)進(jìn)行控制。

　　根據(jù)PLC輸人/輸出點(diǎn)數(shù)量以及輸出控制形式，確定了機(jī)型為性價(jià)比高的三菱FX1 N}OMT可編程控制器，特別是該P(yáng)LC有專門(mén)用于伺服控制器的定位功能指令，給程序設(shè)計(jì)帶來(lái)了方便，如原點(diǎn)回歸DZRN、相對(duì)位置控制DDRVI、絕對(duì)位置控制DDR-VA等指令。程序中專用指令使用如圖3所示。

程序中專用指令　　

工作過(guò)程分為手動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行兩種，自動(dòng)運(yùn)行功能工作流程如圖4所示。

　　2.3 伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　在定位設(shè)計(jì)中，配備了具有“高性能的實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整增益”功能、可執(zhí)行多種控制方式的松下MINAS系列全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的快速響應(yīng)性，能快速、高分辨率地檢測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)速;具有高性能的機(jī)械適應(yīng)性，無(wú)論對(duì)易振動(dòng)的傳送帶驅(qū)動(dòng)機(jī)械，還是高剛性的絲杠傳動(dòng)機(jī)械，以及其他超低振動(dòng)所導(dǎo)致的不穩(wěn)定狀況都能得到有效的抑制;具有自行調(diào)節(jié)性，通過(guò)設(shè)定系統(tǒng)的最佳參數(shù)，實(shí)時(shí)地對(duì)已經(jīng)安裝完成的整個(gè)系統(tǒng)的增益參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)間通過(guò)編碼器形成的反饋閉環(huán)連接達(dá)到自動(dòng)調(diào)整功能。伺服機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)克服了丟步或過(guò)沖現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了高速高精度定位。

　　在系統(tǒng)中采用PLC作為控制器的位置控制方式，高速脈沖輸出對(duì)應(yīng)伺服系統(tǒng)輸人所需的脈沖信號(hào)。其中，頻率決定劣今軸位移速度，脈沖數(shù)量決定位移距離，脈沖數(shù)值符號(hào)決定移動(dòng)方向。

　　伺服機(jī)構(gòu)中編碼器設(shè)置為增量式(2 500 P/r，分辨率達(dá)10 000 )，在滾珠絲杠的螺距為10 mm、伺服電機(jī)與絲杠間采用變比1:2的同步齒輪皮帶連接的情況下，相應(yīng)的位移設(shè)計(jì)則為.10 mxn/5 000 P?？紤]機(jī)械振動(dòng)和連接縫隙等因素，相鄰兩孔的間距誤差控制在土0.02 mm之內(nèi)。

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 工件夾緊與x軸鎖緊

　　在鉆削前，用液壓夾鉗將工件卡緊在工作臺(tái)上，借助夾鉗的定位面，使工件和機(jī)器數(shù)控坐標(biāo)原點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，而且在鉆削過(guò)程中維持足夠的夾緊力。x軸向是要整個(gè)龍門(mén)架的運(yùn)動(dòng)方向，當(dāng)鉆削工件時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上力作用于龍門(mén)架上，由于作用力頻繁地施加于絲杠和導(dǎo)軌上容易造成絲杠、導(dǎo)軌的變形，因此，在鉆孔工作時(shí)，必須使液壓缸產(chǎn)生夾緊動(dòng)作與機(jī)床底座緊固物鎖緊，以減小絲杠及導(dǎo)軌的受力形變。工件夾緊與x軸鎖緊的液壓示意圖如圖5所示。

　　3.2 液壓自控行程主軸動(dòng)力鉆

　　主軸為變頻調(diào)速及液壓自控行程鉆削動(dòng)力頭。在鉆孔過(guò)程中，采用變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)齒輪減速傳動(dòng)主軸，實(shí)現(xiàn)主軸變頻無(wú)級(jí)調(diào)速。進(jìn)給為液壓位移式自控行程，實(shí)現(xiàn)快進(jìn)、工進(jìn)、快退、停止動(dòng)作且無(wú)空程損耗。工作進(jìn)給速度由液壓節(jié)流閥調(diào)整設(shè)定。其中液壓系統(tǒng)如圖5所示，液壓動(dòng)力鉆行程位置檢測(cè)傳感器分布如圖6所示。

　　整個(gè)進(jìn)給缸滑套由上下兩部分組成，中間用加裝彈簧的螺栓固定，滑套上共安裝有3個(gè)霍爾傳感器SQ3、SQ4和SQ7。鉆孔開(kāi)始時(shí)，電磁閥YVS , YV6得電，鉆孔缸快速進(jìn)給，一旦鉆頭觸碰到待加工工件，液壓缸內(nèi)壓力便迅速增大，當(dāng)大于鉆孔缸外部彈簧的壓力時(shí)，其作用力將上半部托起，傳感器SQ4接近金屬部件就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)，PLC接收到信號(hào)后立即發(fā)出指令使電磁閥YVS失電，此刻在油路上節(jié)流閥的單獨(dú)作用使行程速度減慢，動(dòng)力頭便以工進(jìn)速度進(jìn)給執(zhí)行鉆孔。鉆透工件的一瞬間，缸內(nèi)壓力突然減小，外部彈簧作用使上半部位置復(fù)原，傳感器SQ4信號(hào)消失，同時(shí)PLC發(fā)出指令使電磁閥YV6失電、YV7得電，鉆孔缸快速退回，遇到上限位傳感器SQ3時(shí)電磁閥YV7失電，主軸移動(dòng)停止并等待下一鉆孔命令。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　對(duì)于金屬板材鉆孔批量加工工序，自行設(shè)計(jì)專用的數(shù)控鉆床，一方面可以克服人工加工時(shí)質(zhì)量不穩(wěn)定和輔助時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，另一方面可以降低成本，減少資源浪費(fèi)。該數(shù)控鉆床是一種機(jī)電液聯(lián)合作用的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程的全部自動(dòng)控制，大大提高了加工精度和生產(chǎn)效率。