搖臂鉆床主軸控制系統(tǒng)設(shè)計

申運

（湖南瀟湘技師學院、湖南九嶷職業(yè)技術(shù)學院 湖南省永州市 425000）

湖南永盛泵業(yè)有限公司購買了沈陽中誼Z3040型搖臂鉆床對水泵的泵體及端蓋進行鉆孔與攻絲加工。使用一段時間后出現(xiàn)主軸變速箱內(nèi)齒輪出現(xiàn)頻繁打齒的現(xiàn)象，且每次更換新的齒輪后工作不到一個月時間就出現(xiàn)損壞的情況。受永盛泵業(yè)有限公司委托，由電工技能大師工作室負責對該機床進行改造設(shè)計。就主軸頻繁打齒問題進行探索并解決了主軸頻繁打齒故障。

1 企業(yè)對該搖臂鉆床主軸變速方式提出的要求

（1）對該鉆床改造后仍能滿足基本的鉆孔、攻絲要求。

（2）解決主軸變速箱頻繁打齒的問題。

（3）解決加工過程中的快速換擋問題，方便轉(zhuǎn)速調(diào)整且操作簡單。

（4）需要配置有主軸速度顯示功能。

2 搖臂鉆床主軸箱齒輪損壞原因分析

查閱相關(guān)資料搖臂鉆床主軸箱齒輪損壞的主要原因有：齒輪質(zhì)量不佳，進行過大負荷鉆削，及主軸未停穩(wěn)就進行換擋操作。

了解到操作人員的工資是以計件的方式計算，通過仔細觀察操作員操作過程，發(fā)現(xiàn)操作員每次在鉆孔與攻絲切換時需要進行換擋操作；且機器未停穩(wěn)就開始操作換擋手柄進行換擋。工人為了提高加工數(shù)量在進行攻絲時選擇高速攻絲，操作員在絲錐的四分之一處纏繞銅線來限制螺紋的深度。通過觀察銅線與工件的距離來停車，當銅絲快接近工件時立刻改變主軸的方向?qū)崿F(xiàn)退刀。

在排除齒輪質(zhì)量不佳、與過大負荷鉆削等原因后。主軸箱齒輪損壞的原因可以鎖定為：機器未停穩(wěn)就進行換檔操作導致齒輪打齒，最關(guān)鍵的是在攻絲操作時對主軸進行頻繁快速正反轉(zhuǎn)操作導致主軸箱齒輪沖擊過大、齒輪負荷過重導致主軸箱齒輪損壞。

3 Z3050搖臂鉆床主軸控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 解決頻繁打齒的辦法

操作工操作主軸換向的速度非?？?，尤其是在對盲孔進行攻絲的階段主軸由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)切換的速度非常快；齒輪箱內(nèi)部有很明顯的齒輪沖擊聲音。齒輪在換向的時候負荷非常重，按此思路去探索問題的解決辦法。

在空車狀態(tài)我們嘗試在換向的時候刻意先讓主軸完全停止下來，再改變主軸的方向。發(fā)現(xiàn)主軸齒輪箱內(nèi)部的異響變?nèi)?。解決問題的重點就是在換向的時候讓主軸以制動的方式停機。

變頻器既能實現(xiàn)主軸電機的無極調(diào)速，也能實現(xiàn)有“檔位”的變速。設(shè)置變頻器加、減速時間可實現(xiàn)電機平穩(wěn)地加減速與停車，從而可減小電機在快速換向時對主軸箱的沖擊。最終選用變頻器來驅(qū)動主軸電機，解決主軸頻繁打齒的問題。

3.2 根據(jù)工藝要求確立主軸控制方法

在與操作者及工廠技術(shù)人員溝通后得知：根據(jù)工序此臺設(shè)備在加工零件時需要先鉆孔然后在鉆好孔的基礎(chǔ)上再進行攻絲。在鉆孔與攻絲的的過程中需要切換機械檔位操作麻煩。希望能夠只進行一次裝夾，通過更換鉆頭及絲錐實現(xiàn)鉆孔與攻絲。在鉆孔與攻絲的切換過程中能實現(xiàn)快速換擋。

控制方法是選定主軸機械檔位的某一檔位進行加工，采用變頻器對電機進行調(diào)速實現(xiàn)主軸速度的變化。從而解決在同一道工序中不用機械換擋的方式進行泵體零件鉆孔與攻絲加工。

3.3 主軸變頻控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)工藝要求，在鉆孔與攻絲的過程中需要主軸變速1次，那么我們在改進的時候第一時間想到的是高、低速檔位控制。高速用于鉆孔、低速用于攻絲。并且還預(yù)留一電位器供其他零件加工時可以在變速范圍內(nèi)調(diào)整任意轉(zhuǎn)速。搖臂鉆床主軸變頻控制系統(tǒng)電路圖如圖1。

3.3.1 鉆孔與攻絲速度一鍵切換

圖1中，采用三菱FR-E740 4kW變頻器為主軸電機的調(diào)速控制器，通過三檔旋鈕開關(guān)選擇主軸高、低轉(zhuǎn)速。當旋鈕開關(guān)打至左邊SA1-1接通，變頻器高速旋轉(zhuǎn)；當旋鈕開關(guān)打至右邊SA1-2接通，變頻器控制電機低速旋轉(zhuǎn)。當旋鈕開關(guān)處在中間位置時則變頻器的高、低速度輸入信號均斷開，變頻器的速度受可調(diào)電位器控制。變頻器頻率源的選擇與旋鈕開關(guān)位置對應(yīng)表見表1。

表1：變速旋鈕位置與變頻器頻率源選擇

圖1：Z3050搖臂鉆床主軸變頻控制系統(tǒng)原理圖

當主軸換向操作手柄打至左邊SQ1接通變頻器端子SD與STF接通變頻器控制電機正向轉(zhuǎn)，當主軸方向手柄打至右邊SQ2變頻器端子SD與STR接通變頻器控制電機反向旋轉(zhuǎn)。

3.3.2 主軸無極調(diào)速

因變頻器設(shè)置為外部多段速控制模式時，高低速端子信號權(quán)限高于模擬量輸入。所以當三檔旋鈕SA1打至中間位置，高速與低速端子輸入信號均斷開。變頻器的頻率高低受模擬量輸入端子電位高低控制，模擬量輸入電位越高則電機轉(zhuǎn)速越高反之則越低。此種方式適合工藝過程中需要調(diào)整轉(zhuǎn)速的場合，通過調(diào)整調(diào)速電位器RP1可控制主軸轉(zhuǎn)速在零至檔位最高轉(zhuǎn)速之間進行調(diào)整。實現(xiàn)了主軸的無極調(diào)速。同時由于變速旋鈕SA1在中間位置變頻器轉(zhuǎn)速信號就默認受模擬量控制，可在加工過程中設(shè)置任意轉(zhuǎn)速也為一檔位。

通過變頻器多段速控制可對搖臂鉆床主軸轉(zhuǎn)速進行有“檔位”變速，并實現(xiàn)轉(zhuǎn)速一鍵切換。模擬量調(diào)速可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速連續(xù)變化，實現(xiàn)了主軸的無極調(diào)速增強了主軸加工的適用性。此種方案讓一鍵換速與無極調(diào)速并存，讓操作變得更加靈活。

4 主軸轉(zhuǎn)速顯示功能設(shè)計

4.1 主軸轉(zhuǎn)速檢測裝置

為了在零件加工時選擇合適的轉(zhuǎn)速，增加了速度檢測與指示裝置?？紤]便于安裝，選擇了NJK-5002C NPN三線常開型霍爾傳感器為速度檢測裝置，并配置90度安裝支架。

4.2 主軸轉(zhuǎn)速顯示儀表

本次設(shè)計選用TM5641轉(zhuǎn)速表為主軸轉(zhuǎn)速顯示裝置如圖2所示，工作電壓為DC5～30V。轉(zhuǎn)速顯示裝置與霍爾傳感器及永久磁鐵匹配使用。在主軸上以自吸附的方式安裝一塊永久磁鐵，主軸每轉(zhuǎn)一圈霍爾傳感器的輸出端會輸出一個脈沖。顯示儀表通過檢測單位時間內(nèi)收到脈沖數(shù)量的多少確定主軸的轉(zhuǎn)速。

圖2：轉(zhuǎn)速顯示儀表

通過功能參數(shù)的整定將該儀表初始化在轉(zhuǎn)速顯示狀態(tài)，通過后續(xù)的接口電路將單位時間內(nèi)接收到的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速物理量。主軸轉(zhuǎn)動越快，單位時間內(nèi)收到的脈沖數(shù)越多。主軸轉(zhuǎn)動越慢單位時間內(nèi)收到的脈沖數(shù)越少。通過儀表內(nèi)部電路轉(zhuǎn)化為主軸實際轉(zhuǎn)速值。

5 主軸控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試

5.1 安裝

（1）根據(jù)電氣原理圖安裝好電氣控制箱，并將電氣控制箱固定在主軸電機后部的主軸箱上。改造后的實物圖見圖3控制電箱安裝位置圖。

圖3：控制電箱安裝位置圖

（2）按鈕盒與轉(zhuǎn)速表安裝。將按鈕盒與轉(zhuǎn)速表安裝在機床的正前方，方便操作及觀看轉(zhuǎn)速。在按鈕盒上分別安裝三檔旋鈕開關(guān)與調(diào)速電位器。調(diào)速電位器采用WIW22S型，阻值為2K的可調(diào)電位器如圖4。

圖4：可調(diào)電位器

（3）主軸傳感器的安裝。將90度支架固定在主軸箱底部，將霍爾開關(guān)安裝到支架上。再將永久磁鐵自吸在主軸上，且在霍爾開關(guān)能感測到的位置。

（4）電氣控制線路安裝。為了不改變基本的電氣控制線路，變頻器的正、反轉(zhuǎn)控制信號取自原有正反轉(zhuǎn)接觸器KM1與KM2的常開輔助觸點。傳感器的電源也由變頻器DC10V輸出供電。

5.2 調(diào)試

（1）將變頻器置于外部控制模式先采用可調(diào)電位器對主軸進行調(diào)速，配合操作員的經(jīng)驗，將主軸調(diào)至某轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，并記錄高速的頻率。在進行低速攻牙加工時調(diào)整電位器至某較低轉(zhuǎn)速，記錄變頻器的運行頻率。 確定高低速頻率后將高速頻率和低速頻率的參數(shù)全部寫入變頻器。

（2）變頻器高、低速參數(shù)調(diào)整。在加工零件時多次測試最后確定鉆孔速度為高速頻率50Hz，攻絲速度為低速頻率20Hz。根據(jù)現(xiàn)場測試將頻率整定在此范圍可以獲得較好的加工效果。

（3）變頻器加速時間與減速時間設(shè)定。配合操作人員反復(fù)測試，確定變頻器，加速時間1S，減速時間0.5S。

（4）最高頻率設(shè)定。因該電機的最高工作頻率是50Hz因此將變頻器的參數(shù)整定在50Hz。

（5）電子限流保護參數(shù)設(shè)定。查看電動機的銘牌發(fā)現(xiàn)其額定電流為7.3A，因此我們將變頻器參數(shù)整定在7.5A。

（6）轉(zhuǎn)速測試。對基本參數(shù)進行整定及基本功能進行調(diào)試后對轉(zhuǎn)速顯示功能進行測試。通過改變高、低速檔位并與其他檔位進行組合對轉(zhuǎn)速進行記錄如表2所示。

表2

經(jīng)過測試，轉(zhuǎn)速表有死區(qū)當機械變檔打至某些低速檔位時，機械主軸轉(zhuǎn)速顯示為零。在操作員處獲得以往經(jīng)驗數(shù)據(jù)，選擇了變速箱高低速手柄打至高速位置，機械變檔選擇B位、Ⅲ檔位置。鉆孔轉(zhuǎn)速為774r/min，攻絲速度為308r/min。

6 使用效果

（1）通過2年時間的考驗，采用變頻器對主軸進行控制后主軸箱內(nèi)齒輪未見損壞。

（2）使用變頻器對主軸進行控制實現(xiàn)了鉆孔與攻絲加工在不進行機械變檔的方式下進行轉(zhuǎn)速的一鍵切換，通過一次裝夾實現(xiàn)零件的鉆孔與攻絲加工，提升了加工效率。使設(shè)備的操作變得簡單。

（3）因機械檔位改變后主軸轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍發(fā)生變化，通過加裝速度顯示儀表可實時地顯示搖臂鉆床主軸的轉(zhuǎn)速，方便用戶選擇合適的轉(zhuǎn)速進行零件加工。

（4）改進后機床操作人員需要一段時間適應(yīng)機床的性能，同時加工的工藝過程需要再次監(jiān)測。

（5）缺點是：主軸轉(zhuǎn)速顯示檢測有死區(qū)：在主軸實際轉(zhuǎn)速低于30r/min時主軸速度顯示器顯示數(shù)值為零。加工過程中當主軸向下移動后磁鐵超出傳感器檢測范圍主軸轉(zhuǎn)速顯示為零，主軸轉(zhuǎn)速表無法顯示實際鉆削轉(zhuǎn)速。在鉆孔與攻絲加工時加工的深度還未能實現(xiàn)孔深度自動控制，這也是后續(xù)研究設(shè)計的方向。

通過長時間的測試驗證設(shè)計方案可靠有效，改進后的鉆床工作穩(wěn)定性高、操作便捷、故障率低，提升了加工效率。根據(jù)工藝要求設(shè)計多種速度組合選擇，可在相關(guān)行業(yè)與領(lǐng)域進行推廣。