電火花成形機(jī)床裝配中主軸自動(dòng)移動(dòng)方法
2017-8-1 來源：江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：丁錦宏
摘要：電火花成形機(jī)床在裝配過程中需要由裝配人員反復(fù)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿，移動(dòng)主軸進(jìn)行精度檢測，根據(jù)檢測結(jié)果調(diào)整主軸座，從而達(dá)到主軸與工作臺(tái)的垂直度裝配精度要求。根據(jù)這一特點(diǎn)，提出一種利用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸絲桿，從而達(dá)到自動(dòng)移動(dòng)主軸的方案，改變由裝配人員手動(dòng)操作的傳統(tǒng)方法，減少勞動(dòng)強(qiáng)度、提高精度檢測的可信度。
關(guān)鍵詞：電火花成形機(jī)床；主軸；直流伺服電機(jī)；自動(dòng)移動(dòng)
０.引言
電火花成形機(jī)床將電極安裝在主軸下方，通過主軸的上下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)電極做上下運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)放電加工。在裝配電火花成形機(jī)床時(shí)，需要保證主軸與機(jī)床工作臺(tái)的垂直度。在裝配階段，裝配人員需要不斷使主軸做上下運(yùn)動(dòng)，檢測主軸與機(jī)床工作臺(tái)在 Ｘ—Ｘ 和Ｙ—Ｚ 平面內(nèi)的垂直度數(shù)值，然后調(diào)整主軸座，直到主軸與機(jī)床 工作臺(tái)的垂直度在 規(guī)定的范圍內(nèi)。在 裝 配時(shí)，然絲桿已經(jīng)安裝在主軸上，但控制機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)等電氣系統(tǒng)還沒有和機(jī)床本體相聯(lián)接，所以，無法使用數(shù)控系統(tǒng)控制機(jī)床主軸的上下運(yùn)動(dòng)。一般地都是由裝配人員轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿，使主軸做上下運(yùn)動(dòng)。由于機(jī)床主軸是在垂直方向上安裝的，裝配人員需要在較高的位置轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。同時(shí)，由于手動(dòng)移動(dòng)主軸時(shí)，主軸的移動(dòng)速度不均勻，會(huì)使檢測數(shù)值不穩(wěn)定，影響檢測效果。針對這一現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種主軸自動(dòng)移動(dòng)方法，可大大降低裝配強(qiáng)度、提高精度檢測的穩(wěn)定性。１ 機(jī)床結(jié)構(gòu)與主軸裝配要求電火花成形機(jī)床主要有立柱式和滑枕式兩種結(jié)構(gòu)形式［１］。其中立柱式電火花成形機(jī)床主要由床身、工作臺(tái)、立柱、主軸座和主軸組成，如圖１所示。電火花成形機(jī)床是一種利用放電原理實(shí)現(xiàn)工件加工的機(jī)床，與人們所熟知的車床和銑床相比，電火花成形機(jī)床的主軸有以下三個(gè)特點(diǎn)：
１）主軸是做上下直線運(yùn)動(dòng)的，而一般意義上的主軸是做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的。
２）主軸的作用是用來安裝電極，在機(jī)床工作時(shí)，在電極與工件之間產(chǎn)生電弧，從而做無切削加工，主軸受力較小。因而，一般地，電火花成形機(jī)床的主軸重量不大。以 ＣＮＣ４５０電火花成形機(jī)床為例，其主軸重量為２５ｋｇ。
３）主軸和工作臺(tái)需要相互垂直。其垂直度不得大于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值。以 ＣＮＣ４５０電火花成形機(jī)床為例，主軸和工作臺(tái)的垂直度要求為：在 Ｘ—Ｙ 平面內(nèi)和Ｘ—Ｚ 平面內(nèi)的垂直度均為０．０１５ｍｍ。
圖１ 機(jī)床結(jié)構(gòu)示例圖
１．床身 ２．立柱 ３．絲桿 ４．電機(jī)座５．主軸座 ６．主軸 ７．指示器 ８．工作臺(tái)
２.主軸裝配與檢測
為了達(dá)到主軸與工作臺(tái)的垂直度要求，裝配人員需要完成以下幾個(gè)步驟：（１）將主軸安裝在主軸座上；（２）檢測主軸和工作臺(tái)的垂直度；（３）如果檢測的垂直度數(shù)值大于規(guī)定的數(shù)值，則調(diào)整主軸座。一般地需要反復(fù)檢測與調(diào)整，才能滿足要求。在檢測主軸和工作臺(tái)的垂直度時(shí)，需要手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)主軸絲桿，使主軸做上下運(yùn)動(dòng)［２］。這種移動(dòng)主軸的方法使得裝配人員非常不方便，在檢測時(shí)裝配人員需要觀察檢測數(shù)據(jù)，常常需要另一個(gè)人員幫助轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿，增加了勞動(dòng)強(qiáng)度。另一方面，人工移動(dòng)主軸的速度也不穩(wěn)定，影響檢查效果。
３.主軸自動(dòng)移動(dòng)方法
針對以上情況，本文設(shè)計(jì)了一種采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸絲桿的方法，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移動(dòng)主軸。
３．１ 組成
主軸自動(dòng)移動(dòng)方法由直流伺服電機(jī)、控制柜、操作面板等組成。在選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，分別對三相異步電機(jī)、交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)的使用特點(diǎn)進(jìn)行了對比分析。三相異步電機(jī)控制簡單，成本低，但運(yùn)行不平穩(wěn)，不適合驅(qū)動(dòng)主軸運(yùn)動(dòng)做精度檢測。交流伺服電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，是常用的數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)件的驅(qū)動(dòng)元件，但需要驅(qū)動(dòng)器及控制元件（如控制系統(tǒng)或 ＰＬＣ 等），使用成本高，控制電路聯(lián)接不方便，不適合在機(jī)床的機(jī)械裝配時(shí)使用。直流伺服電機(jī)避免了上述兩者的不足之處。該電機(jī)只要輸入直流電壓便可運(yùn)行，其轉(zhuǎn)速與輸入電壓成正比［３］。依據(jù)電機(jī)扭矩選擇計(jì)算方法，通過計(jì)算，選用型號為 Ｍ８１８Ｔ—０３１的直流伺服電機(jī)，其額定電壓為４８Ｖ，額定轉(zhuǎn)速為３ ０００ｒ／ｍｉｎ，功率為 １８０Ｗ。當(dāng)輸入額定電壓４８Ｖ 時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為３ ０００ｒ／ｍｉｎ。一般地，在做主軸垂直度檢測時(shí)，移動(dòng)速度以Ｓ＝５ ０００ｍｍ／ｍｉｎ左右為宜。若絲桿螺距 Ｐ＝５ｍｍ，則電機(jī)轉(zhuǎn)速
據(jù)此，選用數(shù)控機(jī)床廣泛使用的開關(guān)電源作為電壓變換 元 件。 該 電 源 輸 入 ＡＣ２２０Ｖ 交 流 電 壓，輸 出ＤＣ２４Ｖ 直流電壓。輸出電壓穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，用方便。雖然輸出電壓比計(jì)算的要高一些，但可以通過電位器將電壓調(diào)低，同時(shí)，適用于當(dāng)絲桿螺距發(fā)生變化或者操作者需要增加主軸移動(dòng)速度的情況，擴(kuò)大了該方法的適應(yīng)范圍。該方法配有一個(gè)專用的控制柜，用以安裝與該方法配套使用的控制電路。該控制柜大小為 ４００ｍｍ×３００ｍｍ×５００ｍｍ，體積小，便于使用。操作面板安裝在控制柜上，供裝配人員操作。操作面板上設(shè)有電位器，用以調(diào)整供電機(jī)使用的電壓；設(shè)有按鈕 ＳＢ０、ＳＢ１和 ＳＢ２，分別用作主軸停止、主軸向上移動(dòng)和主軸向下移動(dòng)的控制。
３．２ 控制電路
當(dāng)直流伺服電機(jī)的 Ａ 相與直流電壓的正極相聯(lián)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，此時(shí)主軸向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)直流伺服電動(dòng)的Ｂ相與直流電壓的負(fù)極相聯(lián)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，此時(shí)主軸向下運(yùn)動(dòng)。根據(jù)這一原理，設(shè)計(jì)的電機(jī)控制電路如圖 ２所示。
該控制電路的工作原理如下［４］：１） 開 關(guān) 電 源 輸 入 ＡＣ２２０Ｖ 交 流 電 壓，輸 出ＤＣ２４Ｖ 直流電壓。通過電位器的調(diào)節(jié)，使其輸出電壓在０～２４Ｖ 之間變化，從而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。２）開關(guān)電源輸出的 ＤＣ２４Ｖ 在為電位器提供電壓的同時(shí)，也為中間繼電器的線圈提供電壓。３）原理圖中直流伺服電機(jī)上方的電路的作用是直流電 壓 換 相 電 路。 當(dāng) ＫＡ 線 圈 不 得 電 時(shí)，電 機(jī) Ａ相與 ＤＣ２４Ｖ 的正 極 相聯(lián)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反 之，當(dāng) ＫＡ 線圈得 電 時(shí)，電 機(jī) Ａ 相 與 ＤＣ２４Ｖ 的 負(fù) 極 相 聯(lián)，電 機(jī)反轉(zhuǎn)。４）初始狀態(tài)時(shí)，電機(jī) Ａ 相與電源的 ２４Ｖ 正極相聯(lián)，但 Ｂ 相與電源的０Ｖ 之間是斷開的（ＫＡ１與 ＫＡ２均失電），此時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)，主軸處于靜止?fàn)顟B(tài)。５）當(dāng)按下 ＳＢ１按鈕時(shí)，通過 ＫＡ１使電機(jī) Ｂ 相與電源的０Ｖ 接通，電機(jī)正轉(zhuǎn)，主軸向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)主軸運(yùn)動(dòng)到上限位開關(guān)ＳＱ１時(shí)，ＫＡ１失電，使電機(jī)停轉(zhuǎn)。６）當(dāng)按下ＳＢ２按鈕時(shí)，ＫＡ 得電，電機(jī)的 Ａ 相與電源０Ｖ 之 間相聯(lián)，通過 ＫＡ２ 使 電機(jī) Ｂ 相 與 電 源 的２４Ｖ 接通，電機(jī)反轉(zhuǎn)，主軸向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)主軸運(yùn)動(dòng)到下限位開關(guān)ＳＱ２時(shí)，ＫＡ 和 ＫＡ２ 均失電，ＫＡ 失電使電機(jī)的 Ａ 相的電壓極性又改變成與 ２４Ｖ 相聯(lián)，但 ＫＡ２斷開了電機(jī)的 Ｂ相，電機(jī)停轉(zhuǎn)。７）在 電 機(jī) 運(yùn) 轉(zhuǎn) 過 程 中 按 下 ＳＢ０ 按 鈕 時(shí)，ＫＡ、ＫＡ１、ＫＡ２均失電，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
４.方法應(yīng)用
將機(jī)床主軸安裝在主軸座上后，在主軸運(yùn)行的上、下兩個(gè)極 限 位 置 安 裝 相 應(yīng) 的 行 程 開 關(guān) ＳＱ１ 和 ＳＱ２。同時(shí)將直流伺服電機(jī)安裝在電機(jī)座上，并與絲桿相連接，如圖３示。
然后按照圖２的電氣原理，在電器柜中和操作面板上安裝相應(yīng)的控制元件，并按照原理圖完成控制電路的聯(lián)接。在上述工作的基礎(chǔ)上，按照主軸垂直度檢驗(yàn)規(guī)范，調(diào)整好檢驗(yàn)儀器，按下對應(yīng)的按鈕，控制主軸向上運(yùn)動(dòng)和向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行精度檢查。
５.結(jié)論
在電火花成形機(jī)床產(chǎn)品裝配中，成功使用上述方法。實(shí)踐證明，該方法具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（１）方便了裝配人員。原有的方法在做精度檢測時(shí)，由裝配人員觀察指示器的情況，需要另一個(gè)人員幫助轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿，效率低下。（２）由于電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，避免了人工轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿時(shí)產(chǎn)生的主軸運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)現(xiàn)象，使精度檢查數(shù)值更加可信。（３）該方法成本低，同時(shí)可以作為一種設(shè)備，在其它類似機(jī)床裝配時(shí)使用。
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