申運(yùn)

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

湖南永盛泵業(yè)有限公司購(gòu)買了沈陽(yáng)中誼Z3040型搖臂鉆床對(duì)水泵的泵體及端蓋進(jìn)行鉆孔與攻絲加工。使用一段時(shí)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(gè)月時(shí)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(fù)責(zé)對(duì)該機(jī)床進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。就主軸頻繁打齒問題進(jìn)行探索并解決了主軸頻繁打齒故障。

1 企業(yè)對(duì)該搖臂鉆床主軸變速方式提出的要求

（1）對(duì)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(guò)程中的快速換擋問題，方便轉(zhuǎn)速調(diào)整且操作簡(jiǎn)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(jìn)行過(guò)大負(fù)荷鉆削，及主軸未停穩(wěn)就進(jìn)行換擋操作。

了解到操作人員的工資是以計(jì)件的方式計(jì)算，通過(guò)仔細(xì)觀察操作員操作過(guò)程，發(fā)現(xiàn)操作員每次在鉆孔與攻絲切換時(shí)需要進(jìn)行換擋操作；且機(jī)器未停穩(wěn)就開始操作換擋手柄進(jìn)行換擋。工人為了提高加工數(shù)量在進(jìn)行攻絲時(shí)選擇高速攻絲，操作員在絲錐的四分之一處纏繞銅線來(lái)限制螺紋的深度。通過(guò)觀察銅線與工件的距離來(lái)停車，當(dāng)銅絲快接近工件時(shí)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(guò)大負(fù)荷鉆削等原因后。主軸箱齒輪損壞的原因可以鎖定為：機(jī)器未停穩(wěn)就進(jìn)行換檔操作導(dǎo)致齒輪打齒，最關(guān)鍵的是在攻絲操作時(shí)對(duì)主軸進(jìn)行頻繁快速正反轉(zhuǎn)操作導(dǎo)致主軸箱齒輪沖擊過(guò)大、齒輪負(fù)荷過(guò)重導(dǎo)致主軸箱齒輪損壞。

3 Z3050搖臂鉆床主軸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(duì)盲孔進(jìn)行攻絲的階段主軸由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)切換的速度非?？欤积X輪箱內(nèi)部有很明顯的齒輪沖擊聲音。齒輪在換向的時(shí)候負(fù)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(shí)候刻意先讓主軸完全停止下來(lái)，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(diǎn)就是在換向的時(shí)候讓主軸以制動(dòng)的方式停機(jī)。

變頻器既能實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)的無(wú)極調(diào)速，也能實(shí)現(xiàn)有“檔位”的變速。設(shè)置變頻器加、減速時(shí)間可實(shí)現(xiàn)電機(jī)平穩(wěn)地加減速與停車，從而可減小電機(jī)在快速換向時(shí)對(duì)主軸箱的沖擊。最終選用變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)主軸電機(jī)，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(tái)設(shè)備在加工零件時(shí)需要先鉆孔然后在鉆好孔的基礎(chǔ)上再進(jìn)行攻絲。在鉆孔與攻絲的的過(guò)程中需要切換機(jī)械檔位操作麻煩。希望能夠只進(jìn)行一次裝夾，通過(guò)更換鉆頭及絲錐實(shí)現(xiàn)鉆孔與攻絲。在鉆孔與攻絲的切換過(guò)程中能實(shí)現(xiàn)快速換擋。

控制方法是選定主軸機(jī)械檔位的某一檔位進(jìn)行加工，采用變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速實(shí)現(xiàn)主軸速度的變化。從而解決在同一道工序中不用機(jī)械換擋的方式進(jìn)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(jì)

根據(jù)工藝要求，在鉆孔與攻絲的過(guò)程中需要主軸變速1次，那么我們?cè)诟倪M(jìn)的時(shí)候第一時(shí)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(shí)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(jī)的調(diào)速控制器，通過(guò)三檔旋鈕開關(guān)選擇主軸高、低轉(zhuǎn)速。當(dāng)旋鈕開關(guān)打至左邊SA1-1接通，變頻器高速旋轉(zhuǎn)；當(dāng)旋鈕開關(guān)打至右邊SA1-2接通，變頻器控制電機(jī)低速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)旋鈕開關(guān)處在中間位置時(shí)則變頻器的高、低速度輸入信號(hào)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(duì)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(dāng)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(jī)正向轉(zhuǎn)，當(dāng)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(jī)反向旋轉(zhuǎn)。

3.3.2 主軸無(wú)極調(diào)速

因變頻器設(shè)置為外部多段速控制模式時(shí)，高低速端子信號(hào)權(quán)限高于模擬量輸入。所以當(dāng)三檔旋鈕SA1打至中間位置，高速與低速端子輸入信號(hào)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(jī)轉(zhuǎn)速越高反之則越低。此種方式適合工藝過(guò)程中需要調(diào)整轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合，通過(guò)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(jìn)行調(diào)整。實(shí)現(xiàn)了主軸的無(wú)極調(diào)速。同時(shí)由于變速旋鈕SA1在中間位置變頻器轉(zhuǎn)速信號(hào)就默認(rèn)受模擬量控制，可在加工過(guò)程中設(shè)置任意轉(zhuǎn)速也為一檔位。

通過(guò)變頻器多段速控制可對(duì)搖臂鉆床主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行有“檔位”變速，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速一鍵切換。模擬量調(diào)速可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)了主軸的無(wú)極調(diào)速增強(qiáng)了主軸加工的適用性。此種方案讓一鍵換速與無(wú)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(jì)

4.1 主軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置

為了在零件加工時(shí)選擇合適的轉(zhuǎn)速，增加了速度檢測(cè)與指示裝置。考慮便于安裝，選擇了NJK-5002C NPN三線常開型霍爾傳感器為速度檢測(cè)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(jì)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(huì)輸出一個(gè)脈沖。顯示儀表通過(guò)檢測(cè)單位時(shí)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(guò)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(guò)后續(xù)的接口電路將單位時(shí)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(dòng)越快，單位時(shí)間內(nèi)收到的脈沖數(shù)越多。主軸轉(zhuǎn)動(dòng)越慢單位時(shí)間內(nèi)收到的脈沖數(shù)越少。通過(guò)儀表內(nèi)部電路轉(zhuǎn)化為主軸實(shí)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(jī)后部的主軸箱上。改造后的實(shí)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(jī)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(cè)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(hào)取自原有正反轉(zhuǎn)接觸器KM1與KM2的常開輔助觸點(diǎn)。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(duì)主軸進(jìn)行調(diào)速，配合操作員的經(jīng)驗(yàn)，將主軸調(diào)至某轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，并記錄高速的頻率。在進(jìn)行低速攻牙加工時(shí)調(diào)整電位器至某較低轉(zhuǎn)速，記錄變頻器的運(yùn)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(shí)多次測(cè)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(chǎng)測(cè)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(shí)間與減速時(shí)間設(shè)定。配合操作人員反復(fù)測(cè)試，確定變頻器，加速時(shí)間1S，減速時(shí)間0.5S。

（4）最高頻率設(shè)定。因該電機(jī)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(hù)參數(shù)設(shè)定。查看電動(dòng)機(jī)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(cè)試。對(duì)基本參數(shù)進(jìn)行整定及基本功能進(jìn)行調(diào)試后對(duì)轉(zhuǎn)速顯示功能進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)改變高、低速檔位并與其他檔位進(jìn)行組合對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行記錄如表2所示。

表2

經(jīng)過(guò)測(cè)試，轉(zhuǎn)速表有死區(qū)當(dāng)機(jī)械變檔打至某些低速檔位時(shí)，機(jī)械主軸轉(zhuǎn)速顯示為零。在操作員處獲得以往經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇了變速箱高低速手柄打至高速位置，機(jī)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(guò)2年時(shí)間的考驗(yàn)，采用變頻器對(duì)主軸進(jìn)行控制后主軸箱內(nèi)齒輪未見損壞。

（2）使用變頻器對(duì)主軸進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)了鉆孔與攻絲加工在不進(jìn)行機(jī)械變檔的方式下進(jìn)行轉(zhuǎn)速的一鍵切換，通過(guò)一次裝夾實(shí)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(jiǎn)單。

（3）因機(jī)械檔位改變后主軸轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍發(fā)生變化，通過(guò)加裝速度顯示儀表可實(shí)時(shí)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(jìn)行零件加工。

（4）改進(jìn)后機(jī)床操作人員需要一段時(shí)間適應(yīng)機(jī)床的性能，同時(shí)加工的工藝過(guò)程需要再次監(jiān)測(cè)。

（5）缺點(diǎn)是：主軸轉(zhuǎn)速顯示檢測(cè)有死區(qū)：在主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速低于30r/min時(shí)主軸速度顯示器顯示數(shù)值為零。加工過(guò)程中當(dāng)主軸向下移動(dòng)后磁鐵超出傳感器檢測(cè)范圍主軸轉(zhuǎn)速顯示為零，主軸轉(zhuǎn)速表無(wú)法顯示實(shí)際鉆削轉(zhuǎn)速。在鉆孔與攻絲加工時(shí)加工的深度還未能實(shí)現(xiàn)孔深度自動(dòng)控制，這也是后續(xù)研究設(shè)計(jì)的方向。

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案可靠有效，改進(jìn)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(jì)多種速度組合選擇，可在相關(guān)行業(yè)與領(lǐng)域進(jìn)行推廣。