《参考设计说明高速木工多轴钻床设计及加工工艺研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《参考设计说明高速木工多轴钻床设计及加工工艺研究（29页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 高速木工多轴钻床设计及加工工艺研究王昆上海徽亚实业有限公司摘 要家具出现了便于大批量生产的32mm系统板式家具。其中，木工钻床常用于最后一道加工工序，显著影响着板式家具的装配精度与整体美观性。本课题设计了自动化程度更高的高速木工多轴十排钻床：（1）分析了多轴钻床气压进给模型，建立了气压工进微分方程组；（2）进行了多轴钻床机械结构设计，包括机架系统、钻排系统、传输系统、夹紧与定位系统；（3）通过实验研究加工参数对钻孔质量的影响。文中设计的高速木工多轴钻床是集机、电、气一体化的设备，具有高精度、集成化、自动化等优点。该钻床的成功研制对于提高我国木工机床的整体技术水平有着重要的意义。关键词：木工机
2、床，气压传动，PLC，破边因子，响应面，方差分析1、研究背景与研究现状家具企业人工成本的显著上升和对加工精度提高的迫切需求使中国木工机械行业的发展面临历史性机遇。同时，政府在国家战略层面也已经将高端装备制造业列为推动整个国家经济发展转型升级的的重要抓手。本项目面向木工机械行业，聚焦于智能化木工设备的研发生产，服务于传统家具行业的产业升级。在现代家具行业中，板式家具占据着举足轻重的作用。板式家具是以人造板为基材加工成板件后采用各种连接件拼接的家具。板式家具的出现，使家具生产走向了工业化的道路。标准化、通用化、系列化是其最大的三个特征，也是使板式家具能够大批量生产的主要原因。板式家具以32mm技术
3、为基础，采用标准件将各板式部件连接起来构成产品，各板式部件采用标准的工业板块及标准钻孔模式。因此，此类家具又称为32mm系统家具。32mm系统是板式部件孔位设计以及加工的依据，也即是孔间距为32mm或其整数倍。而孔又是32mm系统接口的三要素（孔、塞孔螺母或嵌装件、紧固螺钉）之一。如图1.1所示，无论是木板正面还是侧面的孔，相邻两孔孔距为32mm或是其整数倍。大多板式部件都需要钻孔，而且孔的数目较多，类型不一，规格孔径可能也不同，加工尺寸精度要求高，为解决这一系列难题，设计师们便设计出了木工多轴钻床。木工多轴钻床被认为是32mm系统家具生产中最为专业化的设备之一，几乎所有的结构孔与系统孔的加工
4、都可以由它来完成。在安装此类家具时，只要用连接件将孔连接即可，如图1.2所示。这种安装方式方便又快捷，且处于零件状态的家具便于运输，在生产加工时更有利于大批量工业化生产，32mm系统板式家具必将成为家具行业的主流产品。但是，现有的多轴钻床存在两大先天缺陷：（1）机床设备精度普遍较低，振动较大，钻孔质量普遍不好；（2）自动化程度普遍不高，非常依赖于操作人员的经验，机器使用不方便。在对加工效率和加工质量都很敏感的家具行业，上述木工多轴钻床的两大缺陷是本行业内所有客户急切想解决的共性问题。 图1.1木板加工图 图1.2板式家具组装图更为先进的数控设备渐渐受规模企业青睐，除了能够提高劳动生产率的原因之
5、外，还因为数控设备基本上杜绝了工伤事故的发生。在过去，家具企业的工伤成本相对较低，如果解聘因为工伤而导致10级伤残员工的成本仅需2万元人民币左右；而在今天，员工的法律意识提高，各地伤残赔偿补助因为最低工资标准水涨船高，企业为员工10级伤残所支付的赔偿费用已经提升了3倍左右。由于许多家具企业的生产任务繁重，长期加班导致工人疲劳操作，工伤事故时有发生，由此招致的各种麻烦已经让企业主不胜其扰。 本项目在充分了解客户对木工钻床的共性需求的基础上，研发设计、生产、销售精度更高、自动化程度更高、操作更方便的智能型木工数控多轴钻床系列通用设备，可对家具行业的钻孔设备进行全面的升级换代，为客户提升利润空间，并
6、显著降低人工成本。2、理论分析与研究方法木工多轴钻床是一种常见的木工机床，也称为多排钻。其中，每排钻盒由电动机驱动，钻盒内的钻轴中心距为32毫米或其倍数。钻盒内相邻钻轴转动方向相反，采用左旋与右旋钻头在木板上加工通孔或盲孔。钻孔工序常作为板式家具生产的最后一道工序，对于钻孔质量有较高的要求，因此对机床精度提出了更高的需求。多轴钻床一般以三排、六排居多，一般都分为水平钻排与垂直钻排，依据钻削孔径大小以及板质硬度，可调整气流节流量来选择适宜的钻削进给速度，钻孔深度亦可调节，并可对板件进行垂直与水平两个方向同时钻孔。多轴钻床操作方便灵活，一机多用，效率高，加工工件尺寸范围大，因此多轴钻床是家具加工厂
7、、橱柜加工厂及其它木业公司不可缺少的设备。但是，多数多轴钻床存在先天缺陷，在设计上钻削电机没有通过变速箱而是直接与钻盒相连，且将电机当作刚性柱来使用，这加剧了电机的损坏。同时机床整体质量较轻，振动较大，钻孔质量普遍不是很好。因此，提高设备加工精度，提高自动化水平，优化钻孔加工工艺是各大企业增加竞争力的有效途径。本项目基于气动流体力学的基本理论推导多轴钻床加工时气动进给的数学模型。采用Matlab软件进行模拟仿真，得出在空载与负载时驱动气缸内的压力变化曲线，以及钻头位移与工进速度曲线。从理论上分析整个加工过程中气缸腔室的压力变化情况，以及钻头在撞击到木板时的速度变化情况。同时，对不同的气源压力进
8、行仿真研究，为后续的加工工艺分析提供理论依据。由于气压传动中会有多个腔室，为了便于描述，在文中用编号标注腔室。如腔室1为工作腔，则下标1表示腔室1中的气体参数；腔室2为排气腔，下标2表示腔室2中气体参数。为了简化计算，需作如下假设：1.动作时间相对热交换时间很短，腔室内气体与外界无热交换；2.气源通过气阀供气压力恒定，气源温度为环境温度；3.气缸腔室中气体热交换过程为准静态过程；4.气缸的气体泄漏较小可忽略不计；5.忽略除活塞与缸筒以外的所有摩擦；6.忽略过渡齿轮的角加速时间，认为整个过程中过渡齿轮转速恒定。如图2.1气压传动系统传动示意图，为了与下一章机械设计的坐标相呼应，以气缸杆轴线方向为
9、Z轴，活塞与气缸杆轴线相交处为坐标原点，竖直向上为Y轴方向，建立笛卡尔坐标系。则所要求的工进速度即为钻盒在Y方向上的速度。由于气缸杆齿条与垂直齿条的参数是一致的，不难看出在Z方向的位移与在Y方向上的位移是一样的，且速度大小也是完全相等的。钻 盒电 机变速箱过渡齿轮气缸杆齿条升降座齿条Y12Z图2.1 气压传动系统示意图气缸腔室的充、放气过程为变质量系统的热力过程，在上述假设条件下，对于工作腔室1，根据恒定气源向有限容积绝热充气的能量方程，即和 可得 （2.1）式中 p1工作腔室中气体的绝对压力，Pa； V1=A1*Z+V10=A1(Z+Z10)工作腔容积，m3； V10=A1*Z10工作腔的起
10、始容积，等于工作腔余隙容积，m3；Z，Z10活塞的位移和起始坐标，m；A1工作腔侧活塞面积，m2；T气源温度，K；Qm1气源经进气道流入工作腔1的质量流量，kg/s。将V1代入式（2.1），可得： （2.2）对于排气腔2，根据有限容积绝热放气的能量方程式和排气腔2通过排气管道向大气放气的质量流量方程式以及排气腔2的容积，其中A2为排气腔侧活塞面积，L为活塞的行程，Z20为排气腔余隙坐标，可得排气腔压力变化方程式为： （2.3）文中的气压传动系统应视为初始有压差的传动系统，排气初始压力为p20，即为大气压力，初始温度为环境温度T，有，代入式（2.3）可得初始有压差传动系统的排气腔压力变化方程为：
11、 （2.4）根据牛顿第二定律对整套系统受力分析得方程： （2.5）式中 M1垂直部件的质量，kg；M2活塞与活塞杆的质量，kg；J0过渡齿轮的转动惯量，kgm2；d0齿轮分度圆直径，m；力负载，除压缩空气外，作用在活塞上所有力的合力，N。又假设齿轮质量相对整个系统可忽略不计，且整个角加速过程时间很短，可认为匀速上升，则上式中的。则可对式（2.5）进行简化，并加入边界条件，可得 （2.6）式中 M运动部件的总质量，即M=M1+M2，kg；在工程计算中，常常认为通过进气管道向进气腔1充气的质量流量Qm1以及排气腔2向大气放气的质量流量Qm2均可用流量公式（2.7）与（2.8）计算。 （2.7） （
12、2.8）式中 Ae为进气与排气管道系统总有效面积，m2； b为临界压力比；T1，pu，pe管系的上游温度，K；上游压力和下游压力，Pa。联立式（2.2），（2.4），（2.6）（2.8）就是本文要建立的气压进给数学模型。3、研究内容与对策3.1 总体方案设计在机械结构设计时主要是根据市场需求设计钻头夹具钻盒的运动情况。根据企业需要，以及以往的设计经验26，要求 钻盒应具有4个自由度，即X、Y、Z三个方向上的平动，以及绕Y轴旋转90度的转动。机床的总体尺寸为493523002180，结构上主要包括机架系统、钻排系统、传输系统、定位与夹紧系统等主要系统组成。机床的结构形式根据工件加工工艺方案与运动
13、方案的不同而差异较大。机床常见的结构形式如图3.1所示，有门架式、悬臂式、龙门式、C型和长悬臂式。图3.1 机床常见结构形式XYZ根据本设计的具体情况，考虑到需要一个控制箱和一个气动箱，以及从木工机床美学设计的角度来说，认为选用门架式方案较为合理。根据右手坐标系原理28，X、Y、Z方向如图3.2所示。图3.2 机床坐标方向示意图根据现有木工多轴钻床的设计经验，在设计钻排工进模块时，将每排设计成都一样即钻排模块，有利于批量生产。水平钻排工进模块与垂直钻排工进模块是一样的，只是水平钻排多了夹持部分。在设计整台机床时，采用上部四个钻排组倒挂的形式，下部四个钻排组正常放置，左右各一个水平钻排组共十个钻
14、排组，故又称为十排钻床。文中所述的多轴十排钻床，采用上四下四两水平的结构。在加工深孔时，往往单独一个钻排无法实现打穿，于是便可采用上下两组钻排先后打孔，则本钻床钻削木板的厚度可为一般钻床的两倍。在设计时将左水平钻排设计成固定钻排，消除其在X方向上的自由度，这样就可以以左水平钻排为基准。右水平钻排可沿导轨滑动，取消两个水平钻排的分配盘机构，即取消其绕主轴的转动，使钻盒始终保持与Z方向平行。在钻排沿X轴驱动方面，考虑到成本及客户需求，钻排沿X轴方向的滑动主要通过手动驱动齿轮齿条机构来完成。沿Z方向的平动也是通过手动转动丝杆使整个减速箱电机与钻盒组件沿Z方向移动。如有必要可改进设计，可安装步进电机，编写程序，即可升级为数控钻床。沿Y方向上的往复运动由于非常频繁且运动间隔时间短，故采用气压驱动方式，绕Y方向的转动由于只是实现0度和90度两个方向故也是靠手动，因此需进行分配盘的设计。同时还需要设计物料传输系统以便将木板传输到适当的加工位置，以及定位夹紧系统精确定位并快速有效的完成夹紧，确保加工质量。综合以上分析，机械系统设计方面主要包括机架系统的设计、钻排系统的设计、传输系统的设计以及定位夹紧系统的设计。3.2 机架系统设计3.2.1 机架系统总体方案机架系统的主体框架是由一个控制箱和一个气动箱以及两根导轨梁组成，构成门
