木塊自動鉆孔機氣動系統改進設計

李雙成

（廣東理工學院 智能制造學院,廣東 肇慶 526100）

機床氣動夾具是現代制造業的重要加工裝備,其快速定位、夾緊工藝使產品生產效率大幅提升,為機械制造、家具生產等行業快速發展提供了有力保障。 隨著科技的不斷進步,針對如何進一步提高機床氣動夾具的自動化程度及生產效率,國內外專家、學者進行了深入的研究和探討。 鄧維克等[1]對木塊自動鉆孔夾具氣動系統進行了設計,并使用PLC 電控系統對木塊進行送進、定位夾緊和鉆孔控制。 張利平[2]給出了多個機床氣動夾具應用實例及自動化控制方案。 張永紅等[3]提出一種模塊化氣動夾具方案,解決了小型回轉薄壁類零件定位夾緊困難、制造難度大等問題。 姜杰鳳等[4]設計出一套密集架底盤焊接夾緊方案,并用單片機控制夾具各氣缸動作。 江德松等[5]設計了PLC 控制的多工件裝夾多工位可旋轉氣動夾具,有效發揮了數控機床功能,提高了加工效率,解決了企業實際生產難題。 雖然這些方法都在一定程度上提高了零件的定位精度和產品的生產效率,但像A 家具廠這樣的企業主要對木材進行加工,對零件定位精度要求不高,而對生產效率要求較高,同時存在現有設備老舊,維修、保養、更新現有設備成本又很高的問題。 電控系統雖可提高生產效率,但在家具廠這樣的高污染環境下,存在易短路、易起火等問題,也給中小家具企業的生產效率及利潤帶來很大沖擊。 針對A 家具廠現有木塊自動鉆孔氣動夾具存在的諸多不足,本研究對設備的自動化路徑進行改進設計。

1 木塊自動鉆孔機氣動系統結構及動作過程

A 家具廠木塊自動鉆孔機結構見圖1。 木塊自動鉆孔機氣動原理如圖2 所示,系統動作流程如下:送料氣缸8 活塞桿伸出將料箱10 中底部木塊推至滑臺9 右側鉆孔位（即夾緊氣缸11 的正下方） →夾緊氣缸13活塞桿伸出在水平方向定位木塊→夾緊氣缸11 活塞桿伸出在垂直方向夾緊木塊→鉆頭對木塊鉆孔→鉆頭退出→送料氣缸8 活塞桿退出松開工件→夾緊氣缸11、13 活塞桿退出松開工件。 圖2 中電磁換向閥較多,在實現自動化作業時需要利用PLC 電控系統控制各閥的換向動作及換向時間[6-14]。

圖1 木塊自動鉆孔機結構Fig.1 The structure of wood block automatic drilling machine

圖2 木塊自動鉆孔機氣動原理Fig.2 Pneumatic schematic of wood block automatic drilling machine

2 木塊自動鉆孔機氣動系統改進設計

分析圖2,再根據上述系統動作流程初步判斷出缸8、13、11 的活塞桿動作順序為氣缸8 活塞桿、氣缸11活塞桿、氣缸13 活塞桿。 將圖2 中電磁閥全部剔除,同時切斷通向各缸的氣路,其他元器件全部保留,為方便整個氣路控制,加入手動式二位四通換向閥20,并用管路將閥20 與主氣路連接成一體,其他元器件均保留,改進的氣動系統如圖3 所示。 鉆頭完成木塊鉆孔后,各缸活塞桿在做退出動作時,缸8 亦先行退出。 基于此,將缸8 進出氣口直接用管路連接至閥20 的閥口,同時為方便控制缸13、11 的動作順序, 引入單向兩位四通氣動式換向閥21、22 接于缸13、11 進出氣口,如圖4 所示。 根據上述氣動系統動作過程,用管路將圖4 中缸13、11 的無桿腔與缸8 的無桿腔串聯,同時再將缸13、11 的有桿腔與缸8 的有桿腔用管路進行串聯,之后并聯到進出主氣路中,如圖5 所示。 這里需要說明的是,在圖5 中通過調節閥6、7、14、15、18、19的節流口開度完全能夠滿足上述各缸順序動作要求。

圖3 改進的氣動系統Fig.3 Improved pneumatic system

圖4 缸8 接入換向閥后的氣動系統Fig.4 Pneumatic system after cylinder 8 connected to reversing valve

圖5 缸13、11 連接到主氣路后氣動系統Fig.5 Pneumatic system after cylinders 13 and 11 connected to the main air circuit

由圖5 可知:氣動式換向閥21、22 在整個氣路中并未起到任何作用,現考慮原設備氣路各缸的動作流程（缸8 動作→缸13 動作→缸11 動作） ,應將閥21、22 右位氣控口與通往缸8 有桿腔的管路并聯在一起,這樣可保證缸8 在完全退出后,缸11、13 有桿腔的活塞桿順序退出,但這樣連接不僅會使整個系統變得很亂,主控閥20 換向后也不能保證3 個缸順序動作。 現考慮將閥21、22 的氣控口并聯在一起,同時為保證各缸順序動作,引入閥23、24 和儲氣罐25、26 來控制閥21、22 的換向時間,這樣不僅整個系統的管路變得整潔、美觀,而且能保證3 個缸順序動作,連接氣路如圖6 所示。 分析圖6 可知:當主控閥20 處于圖示位置時,泵1 中的氣體先進入缸8,無桿腔驅動活塞桿先行伸出送料,同時給儲氣罐25 儲存氣體;在缸8 送料至指定位置后,閥21、22 右位閥口在高壓氣體作用下接入系統,通過調節閥14、15、18、19 的閥口開度可實現缸13 先定位、缸11 后夾緊的順序動作;在鉆頭鉆完孔退出后,松開閥20 手柄,閥芯在右位彈簧的作用下交叉閥口接入系統,實現主氣路閥口換向,如圖7 所示。 由上述分析可知,當閥20 在左位閥口時,閥21、22 右位閥口靠儲氣罐25 中的高壓氣體頂開單向閥24 接入系統,當主閥20 換向時,24、23 閥口均處于關閉和斷開狀態,閥21、22 右位氣體無法回流,保證閥21、22 常通位在主氣路中不會換向,此時雖然3 個缸的有桿腔均接入主系統,但通過適當調節各缸下端單向節流閥口開度可實現缸8 活塞桿先行退回,之后缸13、11 再順序退出,至此完成預定退回動作。

圖6 閥21、22 氣控口接入氣路后的氣動系統Fig.6 Pneumatic system after valves 21 and 22 connected to the air circuit

圖7 閥20 復位后的氣動系統Fig.7 Pneumatic system after valve 20 is reset

由圖7 可知,當閥20 處于圖示位置時儲氣罐26 被接入主氣路中,泵1 在驅動各缸順序退回的同時還給儲氣罐26 充氣,在各缸完成既定退出動作之后,儲氣罐26 中的氣體壓力已大于閥23 右位彈簧壓力,驅使溢流閥的閥芯右移,將閥21、22 的右位氣控口接入大氣,2 個閥芯在左位彈簧作用下復位,缸11、13 進出氣口與主氣路斷開,實現兩缸活塞桿在完全退出后自鎖,避免取件時兩缸的誤動作傷人。 至此,改進氣路已設計完成。 為避免系統各元器件編號混亂,將圖7 重新編號,同時考慮系統排氣時噪聲過大,影響工作人員身心健康,在閥4、20 排氣口處加裝消聲器,重新繪制系統（圖8） 。

圖8 改進設計后木塊自動鉆孔機氣動原理Fig.8 Pneumatic schematic of wood block automatic drilling machine after improved design

3 仿真分析

將圖8 在automation studio 7.0 professional 軟件中建模。 根據各缸的動作順序要求,設置各氣壓元器件參數。 泵1 的最大壓力1 MPa、最大氣流量0.044 6 m3/s,卸荷閥4 開啟壓力0.8 MPa、最大壓力3.5 MPa,單向節流閥6 和7 內徑2 mm、開啟壓力2 MPa,氣缸8 活塞桿直徑50 mm、桿徑25 mm、外負載質量5 kg,氣缸11 活塞桿直徑50 mm、桿徑25 mm、外負載質量6 kg,單向節流閥12 內徑1.8 mm、開啟壓力1 MPa,單向節流閥13內徑1 mm、開啟壓力5 MPa,氣缸15 活塞桿直徑50 mm、桿徑25 mm、外負載質量3 kg,單向節流閥16 內徑1 mm、開啟壓力0.4 MPa,單向節流閥17 內徑2 mm、開啟壓力4 MPa,溢流閥20 開啟壓力8 MPa、最大壓力3.5 MPa,儲氣罐22 總容積0.003 m3, 儲氣罐23 總容積0.009 m3。

將數據錄入automation studio 7.0 professional 系統,仿真各活塞桿伸出、縮回動作氣路,分別如圖9 和圖10 所示。 三缸活塞桿伸出、縮回速度-時間特性曲線如圖11 所示。

圖9 活塞桿伸出仿真Fig.9 Piston extension simulation

圖10 活塞桿縮回仿真Fig.10 Piston retraction simulation

圖11 活塞桿伸出、縮回速度-時間曲線Fig.11 The v-t curve of piston extension and retraction

3.1 系統剛啟動時各缸伸出運行情況

當圖8 中的閥5 左位接入系統時,對圖11 進行分析:送料缸8 在活塞桿剛伸出時有波動,但范圍較小,很快趨于穩定;缸8 將木塊送至指定位置持續0.761 s,之后定位缸15 活塞桿伸出對木塊進行定位。 由圖11可知,缸15 的速度峰值為289. 78 cm/s,速度谷值為-23. 57 cm/s,速度波動較大,最大波動差值為313.35 cm/s。 這是因為換向閥18、19 的閥口換向,系統氣路突然增加,主氣路壓力突變,缸15 無外負載僅需要克服活塞桿自重,隨著系統壓力的逐步升高,缸15 的運行速度也逐漸趨于穩定。 圖8 中夾緊缸11 在定位缸未完全定位前即已伸出,這樣可以提高生產效率,與前述缸15 速度特性一樣,受閥8、19 閥口突變及缸體垂直布置影響,缸11 的活塞桿速度波動范圍也較大,峰值為161.41 cm/s,谷值為0, 最大波動差值為161.41 cm/s,其波動范圍遠小于缸15,是儲氣罐此時已儲存一部分氣體,系統壓力逐步回升所致。 由于缸11 的布置方式為豎直放置且桿在下,出于安全考慮,將單向節流閥12、13 的閥口開度調小,壓力閥口調大,其運行時間為0.95 s,時間稍慢,避免了活塞桿俯沖的危害。

3.2 正常運行后各缸活塞桿伸出情況

由圖11 可以看出:送料缸8 運行曲線為光滑遞增弧線,送料時間為1.294 s,速度峰值為26.19 cm/s;定位缸15 運行曲線有微小波動,但整體也為遞增圓弧曲線,速度峰值為29.48 cm/s,定位時間為1.24 s;夾緊缸11 運行曲線趨于平緩,夾緊缸活塞桿伸出時間為2.276 s,速度峰值為12.89 cm/s;正常運行后各缸退出時活塞桿運行情況同前。 由圖11 可知,各缸正常工作后運行曲線趨于平滑,不再像剛啟動時那樣波動較大,說明系統換向后壓力突變較?。▋夤迚毫Ω淖兞枯^?。?。

3.3 各缸活塞桿縮回動作

當圖8 中閥5 右位閥口接入系統時,分析圖11 可知:缸8 活塞桿縮回所用時間為1.32 s,運行速度呈光滑弧線遞增,說明其運行平穩,峰值速度為26.28 cm/s;定位缸15 在退出過程中所用時間為1.557 s,峰值速度為23.04 cm/s;夾緊氣缸11 在退出過程中有微小震蕩,整體也呈光滑弧線遞增且運行平穩,速度峰值為21.96 cm/s,縮回時間為1.886 s。 此過程為系統各缸縮回松開工件,微小震蕩對加工無影響,系統設計完全滿足木料鉆孔要求,設計成功。

4 結論

對比改進前后兩套氣動鉆孔系統,得到結論如下:

1） 改進后氣路系統使用的氣壓元器件較少,無須可編程控制器控制,只需要壓下換向閥的行程開關即可實現自動送料、定位、夾緊、退出一整套動作,制造成本較低,且氣動式兩位四通換向閥在活塞桿伸出之前及縮回之后都具有自鎖功能,操作安全可靠。

2） 改進后氣路系統中電器元件參與極少,系統故障排除容易,維護、保養成本低。

3） 改進前后兩套系統均采用氣體作為傳動介質,對木材加工這種易燃、多塵等惡劣環境的適應性強,并具有無污染、取之不盡等、使用后氣體可直接排放等優點,但前氣路系統使用電器元件控制,存在易燃、高污染環境下故障率高等不足。

4） 改進前系統使用的電器元件較多,系統搭建成本較高,改進后氣路系統降低了設備的制造成本。

5） 改進前氣路系統未加消聲裝置,排氣時有較大的噪聲;改進后氣路系統中增加了消聲器,可以有效減少系統噪聲,保護操作人員身心健康。

6） 由仿真速度曲線可知,前缸在未運行完畢時,后續氣缸已開始動作,系統在保證各缸順序動作的同時,提高了鉆孔的工作效率。