（机械制造及其自动化专业论文）不锈钢异型线材数控钻切专机的研制及其相关技术研究.pdf

摘要 摘要 微小型零件在大批大量的生产需求下，毛坯常采用将横截面形状各异的线材拉 直后，由夹具送料给专用数控机床进行自动化加工，以解决高速高效的制造要求。 本论文研制的数控钻切专机用于高档手表的金属表链零件的主要工艺制造，采用不 锈钢异型线材为加工毛坯，进行小孔钻削和切断加工，实现大批大量生产。由于不 锈钢材料的难加工性和异型线材的品种多、形状复杂等特点，不锈钢异型线材的自 动化加工成为了本项目机床研制的难点。目前国内金属表链的加工企业大多数仍采 用传统的分工序加工方式，存在着生产效率低、工人劳动强度大、加工成本高和加 工零件质量不稳定等缺点。企业迫切希望改进上述困扰加工的实际问题，而加工装 备的数控化、自动化是解决此类问题的一个最佳途径。 本文在深入调研的基础上，确定并完成专机的布局方案设计和整机工程图纸设 计，选定了合适的电气控制方案，并通过制造和加工调试直至完成机床样机的研制， 达到预期效果。并且在此基础上开展了相关技术研究，内容包括： 1 、根据不锈钢材料难加工的特点，在不锈钢异型线材加工设备的国内外现状 的深入研究基础上，采用机电一体化系统的概念设计法进行本课题方案的筛选工作， 并得出最优方案布局图。 2 、专机主要机械部件的研制。通过进行钻孔切削力测试试验，并经过分析研 究，选出适合于本课题的钻孔电主轴；运用理论计算和建立虚拟样机的方法进行伺 服工作台的电机选型工作；采用s o l i dw o r k s 三维设计软件实现装备的整机设计、工 程图绘制等工作；利用激光干涉仪测量伺服工作台的位置精度，并分析误差的影响 因素；设计出适合夹持异型线材的专用气动夹具。 3 、专机控制系统的设计与应用。采用p l c 电气控制系统，进行控制系统的硬 件电路设计、p l c 程序开发和人机界面设计的工作。 4 、钻头磨损监测技术的研究。经过对钻头磨损监测技术的国内外现状分析研究 后，本文提出采用电流监测法作为本课题钻头磨损监测的可行性方法，并初步开展 了相关的技术研究。 关键词：不锈钢异型线材，数控加工，p l c ，人机界面，钻头磨损监测 广东5 - 业大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt os o l v es m a l lp a r t so fm a s sp r o d u c t i o ni nh i g h l ys p e e da n de f f i c i e n t m a n u f a c t u r i n gw a y , m o d e mm a n u f a c t u r i n gw a yi s o f t e nu s i n gt h ec r o s s 。s e c t i o n a l s h a p e so ft h ew i r es t r a i g h t e n i n g ，c o m p o s e do faf i x t u r ef e e d i n gt oa n cs p e c i a lp u r p o s e m a c h i n ef o ra u t o m a t i cm a n u f a c t u r e t h i sp a p e rd e v e l o p e dan cd r i l l i n ga n dc u t t i n g s p e c i a lp u r p o s em a c h i n eu s e df o rw a t c h b a n d sp a r t sm e t a lp r o c e s s i n g t h i s m a c h i n e a d o p ts t a i n l e s ss t e e ls p e c i a ls h a p e dw i r ef o rb l a n k s ，f o rh o l ed r i l l i n ga n dw i r ec u t t i n g p r o c e s s ，a n dc o m p l e t et h ea u t o m a t i cm a s sp r o d u c t i o n d u et ot h ed i f f i c u l t yo fp r o c e s s i n g i nm a t e r i a lo fs t a i n l e s ss t e e la n ds p e c i a ls h a p e dw i r ev a r i e t i e s ，c o m p l e xc h a r a c t e r i s t i c ， a u t o m a t i cm a n u f a c t u r i n gi ns p e c i a ls h a p e dw i r es t a i n l e s ss t e e lh a sb e c o m et h ek e yi n d e v e l o p i n go ft h ep a p e r n o wt h ed o m e s t i cm e t a lw a t c h b a n dm a n u f a c t u r ec o m p a n i e s m o s t l ya r eu s i n gt h et r a d i t i o n a lp r o c e s sw a yo fm a n u f a c t u r e ，w h i c h h a sal o wp r o d u c t i o n a n de f f i c i e n c y ，h i g hl a b o ri n t e n s i t y ，h i g hp r o c e s s i n gc o s ta n dp a r t sq u a l i t yi sn o ts t a b l e c o m p a n i e sa r ee a g e rt oi m p r o v e t h ep r o c e s s i n gp r o b l e m s t h en c ，a u t o m a t i o n p r o c e s s i n ge q u i p m e n ti so n eo ft h eb e s tw a y st os o l v es u c hp r o b l e m s o nt h eb a s i so fi n v e s t i g a t i o n ，i d e n t i f i e dt h ep l a n el a y o u ts c h e m ed e s i g na n dt h e e n g i n e e r i n gd r a w i n gd e s i g n ，s e l e c t e dt h ea p p r o p r i a t ee l e c t r i c a lc o n t r o lp r o g r a m ，u n t i lt h e c o m p l e t i o no fp r o t o t y p em a c h i n em a n u f a c t u r i n ga n dd e b u g g i n g f i n a l l y , t h i sm a c h i n e h a sa c h i e v e dt h ed e s i r e de f f e c t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d e ： 1 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i f f i c u l tp r o c e s s i n go ft h es t a i n l e s ss t e e l ， c o m p l e t i n g i nt h er e s e a r c ho fd e e ps t u d yo ft h es t a t u sa td o m e s t i ca n df o r e i g ni n m a n u f a c t u r em a c h i n eo fs t a i n l e s ss t e e ls p e c i a ls h a p e dw i r e t h i sp a p e ra d o p t st h e c o n c e p t u a ld e s i g n o fe l e c t r o m e c h a n i c ss y s t e m st og e tt h eo p t i m a lp r o g r a ml a y o u to f s u b j e c tp r o g r a m 2 a c c o r d i n gt od r i l l i n g f o r c eo ft r i a la n da n a l y s i s ，s e l e c t i n gs u i t a b l e e l e c t r i c s p i n d l ef o rt h es u b j e c t ；u s i n gt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa n dv i r t u a lp r o t o t y p i n gt os e l e c tt h e s e r v of e e dw o r k t a b l e ；u s i n gs o l i d w o r k s3 dd e s i g ns o f t w a r ei nd e s i g no fm a c h i n ea n d e n g i n e e r i n g s k e t c he t c ；t h eu s eo fl a s e ri n t e r f e r o m e t e rt om e a s u r et h es e r v ot a b l e s a r s t r a c t d i s p l a c e m e n ta c c u r a c y , a n da n a l y z et h ei m p a c tf a c t o ro ft h ee r r o r ；d e s i g ns p e c i a l p n e u m a t i cf i x t u r ef o rs p e c i a l s h a p e dw i r e 3 a d o p t i n gp l ce l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m a c c o m p l i s ht h ec o n t r o ls y s t e m h a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，p l cs o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n dh m id e s i g nw o r k 4 r e s e a r c ho nd r i l l i n gw e a rm o n i t o r i n gt e c h n i q u e s a f t e rd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls t a t u sa n a l y s i s ，t h i sp a p e rs e l e c t st h ec u r r e n tm o n i t o r i n gm e t h o da st h es u b j e c t i nd r i l lw e a rm o n i t o r i n gm e t h o d ，a n di n i t i a l l yl a u n c h e dt h er e l a t e dt e c h n i c a ls t u d i e s k e y w o r d s ：s t a i n l e s ss t e e ls p e c i a ls h a p e dw i r e ，n c ，p l c ，h m i ，d r i l l i n gw e a r m o n i t o r i n g c o n t f n t s c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) i v i ：o n t e n t s v i i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1 b a c k g r o u n da n dp u r p o s eo ft h er e s e a r c h 1 1 2c u r r e n td e v e l o p m e n t a li nd o m e s t i ca n df o r e i g n 2 1 2 1d r i l l i n gt e c h n o l o g yi ns t a i n l e s ss t e e l 2 1 2 2c u t t i n gt e c h n o l o g yi ns t a i n l e s ss t e e l 4 1 2 3i n v e s t i g a t i o no fs t a i n l e s ss t e e ls p e c i a lp u r p o s em a c h i n e 5 1 3m a i nc o n t e n t so ft h ep a p e r 7 c h a p t e r 2l a y o u te v a l u a t i n gb a s eo nm e c h a t r o n i e ss y s t e mc o n c e p t d e s i g n 8 2 1c o n c e p td e s i g ns u m m a r y 8 2 2p r o c e s sm o d e lo fc o n c e p td e s i g n 8 2 3r e q u i r e m e n t sa n a l y s i sa n dd e s i g nt a r g e t s 10 2 4f u n c t i o na n a l y s i sa n ds u b - s y s t e mp r o p o s a ld e s i g n 10 ：! 4 1t a r g e tf u n c t i o na n di t so r i g i n a lp r i n c i p l e 1 0 2 4 2s u b - s y s t e mp r o p o s a ld e s i g n 11 2 5t h ee v a l u a t i o na n ds u m m a r yo fp r o p o s a l s 19 ：! 5 1s u m m a r yo fp r o p o s a l s 19 ：! 5 2e v a l u a t i o no fp r o p o s a l s 2 0 2 5 3l a y o u to fo p t i m a lp r o p o s a l 2 2 2 6c h a p t e rs u m m a r y 2 3 c h a p t e r3d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho nm e c h a n i c a lu n i ti ns p e c i a ln cm a c h i n e 2 4 3 1e v a l u a t i o no fd r i l l i n gs p i n d l e 2 4 3 1 1s t a i n l e s ss t e e ld e e p h o l ed r i l l i n gi s s u e sa n ds o l u t i o n s 2 4 3 1 2p r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm o t o rs p i n d l ed r i l l i n g 2 5 v i i 广东工业大学硕士学位论文 3 1 3d r i l l i n ge x p e r i m e n t 2 6 3 1 4d e t e r m i n a t i o no fm o t o rs p i n d l e 3 0 3 2x 2 ：a x i a lp r e c i s i o nw o r k t a l b e 31 3 2 1d e s i g np r e c i s i o nw o r k t a l b e 3 1 3 2 2s e l e c t i o nw o r k t a b l em o t o r 3 2 3 3d i s p l a c e m e n ta c c u r a c ym e a s u r ee x p e r i m e n ta n di t se r r o ra n a l y s i s 3 8 3 3 1l a s e ri n t e r f e r o m e t e ra n di t sp r i n c i p l e 3 8 3 3 2l a s e ri n t e r f e r o m e t e ri n s t a l l a t i o na n dt e s t i n g 3 9 3 3 33 3d i s p l a c e m e n ta c c u r a c ym e a s u r ee x p e r i m e n t 4 0 3 3 4e r r o ra n a l y s i so fw o r k t a b l e 4 2 3 4d e s i g no fp n e u m a t i cs p e c i a lp u r p o s ef i x t u r e 4 4 3 4 1e l e m e n t so fs p e c i a lp u r p o s ef i x t u r e 4 4 3 4 2s p e c i a ls h a p e dw i r ef i x t u r ed e s i g n 4 5 3 5c h a p t e rs u m m a r y 4 7 c h a p t e r4d e v e l o p m e n ta n dd e s i g no nc o n t r o ls y s t e mo fs p e c i a lp u r p o s en c m a c h i n e 4 8 4 1c o n t r o ls y s t e mi n t r o d u c t i o n 4 8 4 1 1t a r g e to f c o n t r o ls y s t e m 4 8 4 1 2s t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e m 4 9 4 1 3w o r k i n gp r i n c i p l eo fs y s t e m 5 0 4 2h a r e w a r ec i r c u i td e s i g ni nc o n t r o ls y s t e m 51 4 2 1m a i nc i r c u i td e s i g n 5 1 4 2 2e l e c t r i c a lc o m p o n e n t ss e l e c t i o n 5 2 4 3s o f t w a r ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e m 5 6 4 3 1p l ca n dh m ii n t r o d u c t i o n 5 6 4 3 2p l cs o f t w a r ed e s i g n 5 9 4 3 3h m id e s i g n 61 4 4c h a p t e rs u m m a r y 6 5 c h a p t e r 5r e s e a r c ho nd r i l l i n gt o o lw e a rm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y 6 6 5 1t o o lw e a rm o n i t o r i n gt e c h n o l o g ys u m m a r y 6 6 v i i i c o n t e n t s 5 1 1d i r e c tm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y 6 6 5 1 2i n d i r e c tm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y 6 7 5 2s e l e c t i o nd r i l lt o o lw e a rm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y 7 0 ! ；3c h a p t e rs u m m a r y 7 1 s u m m a r i e s 7 2 r e f e r e n c e 7 4 p u b l i c a t i o n sd u r i n gg r a d u a t et i m e 7 7 l i c e n s es t a t e m e n to fp a p e r 7 8 s t a t e m e n to fo r i g l n a lc r e a t i o n 7 8 a c k n o w l e d g e m e n t s 7 9 a p p e n d i x 8 ( 1 i x 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论弟一早三百可匕 自改革开放以来，随着国民经济的发展，居民消费水平逐步提高，不锈钢在工 业、城市建设、家庭生活制品等方面的应用日益广泛，国内不锈钢市场消费需求急 剧增加。为了满足国内的不锈钢市场需求，国家对不锈钢行业加大了投资力度，通 过支持国有企业增加产能、吸引外资投资和引导民营企业投资，使我国一跃成为不 锈钢生产和消费大国。2 0 0 6 年，我国年人均消费不锈钢首次超过世界平均水平，不 锈钢产量达到5 3 0 万吨，跃居世界第一。不锈钢线材是不锈钢长材的主要品种，其用 途广泛，主要在航天、汽车、仪器仪表、医疗、钟表、家电等领域，成为国民经济 发展不可或缺的主要材料之一【l 2 】。 不锈钢异型线材是不锈钢线材深加工的产品，严格按照各个行业对精密不锈钢 零件的形状、尺寸和精度要求，通过热轧或冷轧技术生产出来的不锈钢棒线材类产 品。因其既有耐酸碱、良好的力学性能和光洁的漂亮外观等特点，也具有各个行业 零件所特需的形状和尺寸的优点，因此广泛应用于医疗、钟表和饰品等行业。如图 1 1 所示的零件为不锈钢异型线材用于表链、眼镜架和医疗设备等行业的精密不锈 钢产品。 图1 一l 不锈钢异型线材及其加工的表链零件 f i g 1 1p a r t so fs t a i n l e s ss t e e ls p e c i a ls h a p e dw i r e 不锈钢异型线材的钻切加工主要是指在其端面上完成各种类型的孔类加工和长 广东z - _ , i e 大学硕士学位论文 度方向上完成切断加工。由于不锈钢异型线材的难加工性，形状复杂，端面尺寸小( 宽 度约为3 l o m m ) ，加工孔尺寸小( 孑l 径一般为0 5 - 3 m m ) 和长短不一等因素，如何能 高效率、高质量、低成本的加工异型线材，一直是困扰各个加工企业的突出问题。 国内用人工对不锈钢异型线材的传统加工方法为切断和钻孔分步序加工方式。 即首先把异型线材根据所需的长度，用设备切成粒状，之后再用普通钻床进行钻孔 加工。由于其加工装备大部分是手动、半自动机械加工设备，加工过程还需要大量 复杂的夹具、模具等辅助工装。钟表和饰品行业需求采用异型线材加工的零件需求 量非常大，所以采用传统分步序加工方法的企业，大多具有生产效率低、人员劳动 强度大、加工费用高和加工零件质量不稳定等特征。因此，在大批大量生产需求下， 如何解决传统加工方法带来的生产劳动密集型生产方式向高效率高质量的技术密集 型生产模式转变，是企业迫切希望解决的问题。本文所研制的数控钻切专机正是解 决此类问题的一个最佳途径。况且在国外工业发达国家，已出现了专门针对不锈钢 异型线材钻孔和切断加工的系列化、数控化的不锈钢异型线材专用数控机床，并开 始以高价向我国各个行业出售，更加加剧了研制和开发同类设备的紧迫性。 自主创新和掌握核心技术是企业转型升级、可持续发展和摆脱国外技术垄断的 永恒主题嘲。因此，本论文开展的针对不锈钢异型线材专用数控钻切机床的研制， 对掌握其中的核心技术、增强不锈钢异型线材加工行业的自主创新能力和提高企业 的加工效率及效益等方面具有十分重大的现实意义。 i 2 国内外研究现状 i 2 1 不锈钢小孔钻削技术 孔加工在机械加工中占有较大的比重，据统计孔加工约占机械加工的3 0 ，占 总加工时间的2 0 t 4 l 。在孔加工中，以小孔加工最为困难，一般将孔径在o 5 3 m m 范围内的孔称为小孔。近年来，虽然有激光、水射流、电解、超声及电火花等特种 加工方法应用于孔加工，由于高成本和加工精度等原因，钻削加工仍是不锈钢小孔 加工的常用加工方法【5 6 1 。结合本论文的研究，主要从不锈钢小孔钻削的方面进行孑l 加工技术的研究现状分析。 目前，数控机床、加工中心和柔性制造系统中常采用高速钢麻花钻钻削直径为 0 5 3 m m 的小孔。但对不锈钢难加工材料小孔的钻削仍然存在着一些问题：1 ) 钻头 第一章绪论 直径小带来的问题。钻头直径越小，加工制造钻头的难度就会急剧加大。且随着钻 头直径减小，其刚度、强度显著下降，钻头切入时极易产生打滑现象，甚至折断， 影响孔的位置精度；2 ) 排屑和切屑抗力大的问题。不锈钢材料具有较高的塑性和韧 性强，在钻削中切削不易，不易断屑且切削抗力较大，造成排屑困难，钻头易折断； 3 ) 小孑l 加工时，为了获得一定的切屑速度，如何获得较高的主轴转速，极小的主轴 回转误差，也是一个突出的问题；4 ) 钻头磨损问题。不锈钢材料切屑粘性强，易粘 刀，影响加工精度和切屑，加速钻头磨损，所有如何监测钻头磨损是一个关键技术 问题。为解决不锈钢材料钻削小孔的技术难题，国内外的研究技术人员主要从加工 工艺手段、加工机械装备、刀具材料和钻头磨损监测技术等方面进行一系列改进【， 8 】。 ( 1 ) 加工工艺手段。国内外钻削加工企业普遍采用导套或钻套技术来解决小钻头 刚度低、入钻位置易偏移的问题。即由导套引导钻头垂直钻入工件，以防止钻尖的 偏移，特别适合于大批量钻削4 , t l 时采用。哈尔滨工业大学吴健博士进行了不锈钢 材料钻削的相关技术基础研究，重点在加工钻屑规律、钻削力及冷却润滑等方面做 了研究，给出了钻孑l 时剪切角的经验公式，为难加工材料钻孔的研究奠定了理论基 础，并进行了干式、乳化液及过热水蒸气三种冷却润滑条件下的试验并给出了相关 冷却润滑建议【9 】。切屑参数如切屑速度、进给量等优化研究也是目前的一个重要方 向，华南理工大学的徐兰英 1 0 l 等通过仿真和试验对典型的难加工材料奥氏体耐酸钢 ( 1 c r l 8 n i 9 t i ) 的小孔钻削机理进行了研究，利用有限元软件模拟了钻削过程并得到 了钻削力、温度等切削参数的变化趋势，与相同切削条件下的试验研究结果进行对 比分析，为进一步优化提供了理论指导。 ( 2 ) 力n i 机械装备。根据转子动力学理论，当主轴转动速度远大于主轴系统的固 有角频率时，能够提高主轴旋转的稳定性，起到自动对心的作用，可提高钻孔的入 钻定位精度。随着高速电机、高速电主轴等高速单元模块的出现，使得小孔加工的 主轴转速得到了明显的提升，如瑞士f i s h e r 公司和法国f o r e s t 1 i n e 公司生产的电主 轴，主轴转速可达到1 8 0 0 0 0 r m i n m j 。国内的靖江电子机械设备厂研制出了主轴转速 4 0 0 0 0 r m i n 的微小孔钻床，北京理工大学和河北机床厂合作研制出了三轴c n c 微小 孔钻床，主轴转速达到8 0 0 0 0 r m i n m 】。此外，随着高速轴承的发展如气浮轴承、磁 浮轴承和空气静压轴承的技术发展，使得主轴的性能得到进一步的提高。例如，日 本n s k 公司生产的精密主轴，其回转精度可达到2 a n l l 3 1 。 ( 3 ) 刀具材料方面。常用的刀具材料有硬质合金和高速钢两大类，因高速钢切屑 广东工业大学硕士学位论文 不锈钢时的切削速度不高，影响了加工效率的提高，因此特别是4 q l 钻削大多都采 用了硬质合金刀具。硬质合金刀具材料主要有y o ( 钨钻) 类、y t ( 钨钴钛) 类和y w 通 用类。y g 类和y t 类硬质合金的导热性、耐磨性、耐热性及硬度上都较好，适合不 锈钢材料的切削。近年，我国研制成功了超细晶粒硬质合金，是一种高硬度、高强 度、高耐磨性兼备的硬质合金i 】。 ( 4 ) 钻头磨损监测技术。目前，国内外对钻头磨损监测的研究和应用大多数是通 过监测加工过程的辅助信号来间接地获取刀具磨损量和健康状况，如监测切削力或 振动信号【1 5 】。但由于安装传感器不是很方便，常需要改变装夹工件的主轴结构，限 制了它的广泛应用。也有研究人员提出使用振动信号做监测，但其对切削过程中的 不良噪声信号过于敏感，易产生误判。国外研究人员提出并应用图像识别等方法直 接监测刀具的磨损 1 6 1 。近年来，研究人员研究发现通过监测电流和功率信号来监测 钻头的磨损量。广东工业大学的敖银辉 1 7 1 通过监测主轴电机电流，进行滤波和小波 分析来间接指示钻头的健康状况，并通过实验研究，证明了该方法能够有效地监测 磨损量，能够在失效前起到及时报警作用。 1 2 2 不锈钢材料切割技术 在现代工业领域，切割是应用量非常大的基础工艺。经过多年的发展，尤其是 近2 0 年来，不仅在传统机械切割技术上有突飞猛进的发展，且有激光切割、等离子 弧切割、水射流切割、气体火焰切割和电火花线切割等多种现代技术应用于实际生 产中。结合本论文的研究，主要从机械切割方面进行孑l 加工技术的研究现状分析 传统的机械切割方法主要有锯铣切和剪切 i s ，。锯铣切主要是利用条锯、圆盘锯、 砂轮片和锯片铣刀在锯床、铣床或专用切割设备上对线材进行分离加工的一种生产 方法。其主要缺点是切开毛刺大、材料消耗高和噪声大等。剪切是用冲压设备或剪 床来进行切断加工的生产工艺。机械切割具有加工精度高，切割效率高等优点，主 要应用在小型机械切割设备上，且大多需要人工操作。如要实现自动化机械切割， 需针对特定的材料开发专门的数控切割设备。 4 第一章绪论 1 2 3 不锈钢异型线材数控钻切专机的国内外现状 针对不锈钢异型线材的钻孔切割数控加工装备，国外的研究所和机床公司己多 年专门从事这方面的研究和开发，特别是作为领先全球精密钟表制造业的瑞士。成 立于2 0 世纪6 0 年代的瑞士宝美技术有限公司u 9 1 ，是一家专门从事制造针对复杂工 件加工机床的高科技公司。先专注于钟表领域，经过三十多年的发展，其公司的产 品已广泛应用于航天航空、医疗器械、钟表、眼镜业等。其研发制造的产品就有一 款专门应用于异型棒线材钻孑l 切断加工的全自动专用数控设备，如图1 2 所示。其 主要特点为异型棒线材钻孔、切断一体化，双棒料同时加工，具有高精度、自动的 加工特性。机床总体设计合理，传动系统采用齿轮传动，x z 轴运动单元采用伺服 电机加滚珠丝杆方式，钻孔轴采用具有变频调速的机械主轴，数控控制系统为p l c 控制系统，但其自动送料系统则需独立配置一个棒料输送机来实现。宝美技术有限 公司更推出了如图1 3 所示的功能强、速度高、多工位的s 1 0 0 0 型号卧式数控加工 中心，可以同时对多达1 2 根棒线料进行车、铣、钻等复合加工，但造价成本非常高。 r n 图1 - 2s 1 8 型钻孔切断机图l - 3s 一1 0 0 0 型臣 式数控加工中心 f i g l 2s 1 8d r i l l i n ga n dc u t t i n gm a c h i n ef i g l 3s 1 0 0 0c n cm a c h i n e 香港包士哲远东有限公司是一家专业从事进口瑞士精密机床的贸易公剧，其也 有一款为成型棒料提供钻孔、切断加工工艺的数控专机d r i l l c u to n e 2 刚，如图1 4 所 示。该专用钻孔切断机床具有较高的加工精度，加工零件最大外形尺寸可达1 5 x 4 m m ， 长度切断精度达到o 0 1m m ，孔的定位精度达到0 0 1 5m m 。具有较好的加工能力， 如零件长度为5 毫米，钻三个通孑l 及切断用时4 0 秒。结构上，钻孔部件仍采用机械 主轴方式，x z 滑台为伺服电机加滚珠丝杆方式，切断加工采用机械切割技术。该 机器主要特点为集钻孔、切断和自动送料于一体，全自动加工的特点。突出的优点 为夹具有非常强的柔性能力以适应各种形状的线材，自主研发的g o y a1 0 0x z 数 控系统既提供基本的操作功能，还具有钻头磨损监测功能。但加工效率方面还没达 到大批大量需求下的高效率要求，低于传统分步序加工方法下的生产效率。 图l - 4d r i l l c u to n e 钻孔切断机 f i g 1 - 4d r i l l c u to n em a c h i n e 图1 5 奥科六轴全自动数控钻孔机 f i g 1 5s i xa x i a la u t od r i l l i n gm a c h i n e 一直以来，国内制造业具有发达国家无可比拟的劳动力和低成本优势，对不锈 钢异型线材的钻孔切割加工基本上都是分步序进行的。目前国内还没有推出成熟的 专门针对异型线材进行钻孔、切断一体化数控专机。但是，已出现了像东莞奥科电 脑切割设备有限公司推出采用数控技术对切割成粒状的不锈钢线材进行自动钻孔的 设备 2 q ，如图1 5 所示。该自动钻孔机的主要特点为高速、较高的精度、夹具的模 块化及可实现对面钻孔加工。其钻孔加工精度可达士0 0 2 r a m ，钻削两个深3 m m 的通 孔1 0 秒。不足之处在于自动送料需要用模具来完成。不同形状和尺寸的零件需要特 制的模具，且随着加工时间的增加，模具的精度就会严重下降。切换不同种类的线 材加工时也需更换相应的模具，要花费一定的时间来做换线工作。 目前，国内专业研究与制造不锈钢异型线材钻切加工专用设备的企业还寥寥无 几，而钟表、医疗器械等行业又迫切需求符合我国国情的经济型专用数控设备。因 此，本课题将自主研发对不锈钢异型线材进行数控钻切加工的专用设备，并重点研 究钻头磨损监测关键技术，为摆脱国外技术垄断，掌握数控钻切加工的核心技术作 出一定的贡献，并为专用机床的研究和设计提供个实用案例。 6 第一章绪论 1 3 本课题的主要研究内容 本文围绕自主研发针对不锈钢异型线材钻切力n - r _ 的专用数控设备展开了相关 的理论与实用研究，主要的研究内容包括： 1 机床总体功能与结构的评估及选型。根据不锈钢异型线材的钻孔和切割加工 特点，重点研究并运用机电一体化系统的概念设计方法，对专用机床进行总体方案 的评估及选型。 2 机床结构设计的主要零部件的研究和实现。在分析电主轴钻削加工不锈钢材 料的特点基础上，进行了确定电主轴参数的实验研究；完成x z 二维精密工作台设 计工作，重点进行工作台的电机选型计算并开展其定位精度和重复定位精度的测量 分析工作；完成适合于异型线材的夹具设计。 3 机床电气控制系统的研究和设计。结合异型线材生产实际和现代数控加工技 术，选择经济合理的数控加工系统。重点对基于p l c 的控制系统进行分析研究；硬 件电路的开发和设计；p l c 控制程序的编写和设计；人机界面的设计。 4 钻头磨损在线监测技术的研究。钻头磨损监测技术是异型线材专用数控设备 的关键技术问题。本论文结合国内外最新对钻头磨损监测技术的成果，选择合理并 符合不锈钢异型线材加工的监测技术，重点进行钻头磨损监测技术的可行性分析研 究。 7 广东工业大学硕士学位论文 第二章基于机电一体化系统的概念设计方案评估 2 1 概念设计的概述 在1 9 7 4 年，英国m f r e n c h 在“工程师用的概念设计”( c o n c e p t u a ld e s i g nf o r e n g i n e e r s ) 的著作中第一次对概念设计描述：“概念设计就是确定设计任务和用简图 形式表达的广义解。概念设计对设计师有很高的要求，要求对产品各种性能有明显 的改善。在这一阶段需要将工程科学、专业知识、加工方法以及商业知识等各方面 知识融合在一起，以做出最重要的决策”。在1 9 8 4 年，德国的p a l h 和b e i t z 在其专 著“工程设计”中，对概念设计做了更为具体的表述：“在确定任务之后，通过抽象 化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出 求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计”。 我国上海交通大学邹慧君教授在前人对概念设计的研究成果基础上，结合机电 一体化系统的特点，给出了概念设计新的定义：“概念设计是根据产品生命周期各个 阶段的要求，进行产品功i l t t 造、功能分解以及功能和子功能的结构设计，进行满 足功能和结构要求的工作原理求解和实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系 统化设计”。继而将机电一体化系统划分为“三子系统”：广义执行机构子系统、传感 监测子系统、信息处理及控制子系统，其中广义执行机构子系统为核心，其他两子 系统起辅助作用【2 2 】。 本课题研究的异型线材数控钻切专机是典型的机电一体化系统。概念设计就是 对机电一体化系统为研究对象，通过先进设计方法，最终得到的是产生设计方案。