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搖（yáo）臂鑽床主軸控製係統設（shè）計

2022-6-10 來源：湖南瀟湘技師學院、湖南九（jiǔ）嶷職（zhí）業技術學院作者：申運

摘要：本文設計采用變頻器對搖臂鑽床的主軸進行改造，在零件加工（gōng）過程中可實現一鍵換速操作，節約了操作時間（jiān）提高了加工效率（lǜ）。通（tōng）過對水泵廠搖臂鑽床設備進（jìn）行改造，獲得良好的使用效果（guǒ），有（yǒu）很強的實用價值。

關鍵詞：變頻器；控製係統設計；可調電位器

湖（hú）南永盛泵業（yè）有限公司購買了沈陽中（zhōng）誼 Z3040 型搖臂鑽床對水泵的泵體及端蓋進行鑽孔與攻絲加工。使用一段時間（jiān）後出現主軸變速箱內齒輪出現頻繁打（dǎ）齒（chǐ）的現象，且（qiě）每次更（gèng）換新的齒輪後工作不到（dào）一個月時間（jiān）就出現（xiàn）損壞的情況。受永盛（shèng）泵（bèng）業有限公司委托，由電工技能大師（shī）工（gōng）作室負責對該機床進行改造（zào）設計。就主軸頻繁打齒問題進行探索並解決了主軸頻繁打齒故障。

1、企業對該搖臂鑽（zuàn）床主軸變速方式提出的要求

（1）對該鑽床改造後仍能滿足基本（běn）的鑽孔、攻（gōng）絲要求。

（2）解決主軸變速箱頻繁打齒的問（wèn）題。

（3）解決加工（gōng）過程中的快速換擋問題，方便（biàn）轉（zhuǎn）速調整且操作簡單。

（4）需要配置有主軸速度顯示功能。

2、搖臂鑽床主軸箱齒輪損壞原因分析

查閱相關資（zī）料搖臂鑽床（chuáng）主軸箱齒輪損（sǔn）壞的主要原因有：齒輪質量不（bú）佳，進行（háng）過大負荷鑽削，及主軸未停穩就進（jìn）行換擋操（cāo）作。了解到操（cāo）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，發現操作員每次在鑽孔與攻絲切換時需要進行換擋（dǎng）操作；且機器未停穩就開始操作換擋手柄進行換（huàn）擋。工人為了提（tí）高加工數量在進行攻絲時選擇高速攻絲，操（cāo）作員在絲錐（zhuī）的四分之一（yī）處纏繞（rào）銅線來限製螺紋的深度。通過觀察銅（tóng）線（xiàn）與工件的距離來停車，當銅絲快接近工件時立刻改（gǎi）變主軸的方向實現退刀。

在（zài）排除齒輪質量不佳（jiā）、與過（guò）大負荷鑽削等（děng）原因（yīn）後。主軸箱齒輪損壞（huài）的原因可以鎖定為：機器未停（tíng）穩就進行換檔操（cāo）作導致齒（chǐ）輪打齒，最關鍵（jiàn）的是在攻絲操作時對主軸進（jìn）行頻繁快速正反轉操作導（dǎo）致主軸箱齒輪衝（chōng）擊過大、齒（chǐ）輪負荷過重導致主軸箱齒輪損壞。

3、Z3050搖（yáo）臂鑽床主軸控製（zhì）係統設計

3.1 解決頻繁打齒的辦（bàn）法

操作工（gōng）操（cāo）作主軸換向的速度非（fēi）常快，尤其是在對盲孔進行攻絲的階段主（zhǔ）軸由正轉到反轉切換的速度非常快；齒輪箱（xiāng）內部有很明顯的齒輪衝擊聲音。齒（chǐ）輪（lún）在換向的時候（hòu）負荷非常重，按（àn）此（cǐ）思路（lù）去探索問題的解決辦法。

在空車狀態我們嚐試在換向（xiàng）的時候刻意先讓主軸完全停止下來，再改變主軸的方向。發現（xiàn）主軸齒輪箱內部的（de）異響變弱。解決問（wèn）題的重點（diǎn）就是在換向的時候讓主軸以製動的方式停機。

變頻器（qì）既能實現主軸電機的無極調（diào）速，也能實現有“檔位”的變速（sù）。設置變頻器加、減（jiǎn）速時間可實現電機平穩地加減速與停車，從（cóng）而可減（jiǎn）小電機在快速換向時對主軸箱的衝擊。最終選用變頻器來驅（qū）動主軸電機，解決主軸頻繁（fán）打齒的問題。

3.2 根據工藝要求確立主軸控（kòng）製方法

在與（yǔ）操作者及工廠技術人（rén）員溝通後得知：根據（jù）工序此台設（shè）備在加工零件時（shí）需要（yào）先鑽孔然後在鑽好孔（kǒng）的基礎上再進行攻（gōng）絲（sī）。在鑽孔與攻絲的的過程中需要切換機械檔位（wèi）操作麻煩。希望能夠隻進行一次裝（zhuāng）夾，通過更換鑽頭及絲錐實現鑽孔與攻絲。在鑽孔與攻絲的（de）切換過程中能實現快速換擋。

控製方法是（shì）選（xuǎn）定主軸（zhóu）機械（xiè）檔位的某一（yī）檔位進行加工（gōng），采用變頻器對電機進行調速（sù）實現主軸速（sù）度的變化。從而解決在同（tóng）一道工序中（zhōng）不用機械換擋（dǎng）的方式進行泵體零件鑽孔與（yǔ）攻絲加工。

3.3 主軸變頻控製係統設計

根據工藝要求，在鑽孔與攻絲的過程中（zhōng）需要主軸（zhóu）變速 1 次，那麽（me）我們在（zài）改進的時候第一時間想到的是高（gāo）、低速檔位控製。高（gāo）速用於鑽孔（kǒng）、低速（sù）用於攻絲。並且還預留一電位器供其他零（líng）件加工時可以在變速範圍內調整任意轉速。搖（yáo）臂鑽床（chuáng）主軸變頻控（kòng）製係統電路圖如圖 1。

圖 1：Z3050 搖臂鑽床主軸變頻控（kòng）製係統原理圖（tú）

3.3.1 鑽孔與攻絲速度一鍵切換

圖 1 中，采用三菱 FR-E740 4k W 變頻器為主軸電機的調速（sù）控製器，通過三檔旋鈕開關選擇主軸高、低轉速。當旋鈕開關打（dǎ）至左邊 SA1-1 接通，變頻器高（gāo）速旋轉；當（dāng）旋鈕開關打至右邊 SA1-2 接通，變頻器控製電機低速（sù）旋轉。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（dù）受可調電位器控（kòng）製。變（biàn）頻器頻（pín）率源的選擇與旋鈕開關位置對應表見表 1。

表 1：變速旋鈕位置與變頻器頻率源選擇（zé）

當主軸（zhóu）換向操作手柄打至左邊 SQ1 接通變頻器端子 SD 與 STF接通（tōng）變頻器控製電機正向轉，當主軸方向手柄打至右邊 SQ2 變頻器端子 SD 與（yǔ） STR 接通變頻（pín）器控製電機反向旋（xuán）轉。

3.3.2 主（zhǔ）軸無極調速

圖 2：轉速顯示儀表

圖 3：控製電箱安裝位置圖

因變頻器設置為外部多段速控製（zhì）模式時，高低（dī）速端子信（xìn）號（hào）權限高於模擬量輸入。所以當三檔旋鈕 SA1 打至中（zhōng）間（jiān）位置（zhì），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製，模擬量輸入電位（wèi）越高則電機轉速越高反（fǎn）之則越低（dī）。此種方式適合工藝過程中需要（yào）調整轉速的場合，通過調整（zhěng）調速電位器RP1 可控製主（zhǔ）軸轉速在零（líng）至檔位最（zuì）高轉速之間進行調（diào）整。實現了主軸的無極調速。同時由於（yú）變速旋鈕 SA1 在中（zhōng）間位置變頻器轉速信號就默認受模（mó）擬量控製，可在加工過程中設置任意轉速也為一檔（dàng）位。

圖4 可調點位器

通（tōng）過變頻（pín）器多（duō）段速控製可對搖臂鑽床主軸轉速（sù）進行有“檔位”變速，並實現轉速一鍵切換。模擬量調速可實現轉速連續變化，實現了主（zhǔ）軸的無極調速增強（qiáng）了主軸（zhóu）加工的適用性。此種方案讓一鍵換速與無極調速並存，讓操作變得更加靈活。

4、主軸轉速顯示功能設計

4.1 主軸轉速檢測裝置

為了在零件加工時選擇合適的轉速，增加了速（sù）度檢測與指示裝置（zhì）。考（kǎo）慮便於安（ān）裝，選擇了 NJK-5002C NPN 三線常開型霍爾傳感器為速度檢測裝置，並配置 90 度安裝支架。

5.2 調（diào）試

（1）將變頻器置於外部（bù）控製模式先采用可調電位器對主軸進行調（diào）速，配合操作員的經驗，將主軸調至某轉速範圍（wéi）內，並記（jì）錄高速的頻（pín）率。在進行低速攻（gōng）牙加工時調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（lǜ）後將高速頻率和低速頻率的（de）參數全部寫入變頻器。

（2）變頻器高、低速參數調整。在加工零件時多次測試最後確定鑽孔速度為高速頻率 50Hz1攻絲速度為低速頻率 20Hz。根據現場測（cè）試將頻率整定（dìng）在此範圍可以獲得較好的加工效果（guǒ）。

（3）變頻器加速時間與減速時間設定（dìng）。配合（hé）操作人員反複（fù）測試，確定變（biàn）頻器，加速（sù）時間 1S，減速時間 0.5S。

（4）最高頻率設定。因該（gāi）電機的最高工作頻率是（shì） 50Hz 因此將變頻器的參數整定在 50Hz。

（5）電子限流保護參數設定。查看電動機的銘牌發現其額定電流（liú）為 7.3A，因此我們將變頻器參數整定在 7.5A。

（6）轉速測試。對基本參（cān）數進行整定（dìng）及基本（běn）功能進行（háng）調試（shì）後對轉速顯示（shì）功能進行測試（shì）。通過改變高、低（dī）速檔位並與其他（tā）檔位進行組合對轉速進行記錄如表 2 所示。

表 2

經過測試，轉速表有死區當機械變檔打至某些低速檔位時，機械主軸轉速顯示為零。在操作員處獲得以往經驗（yàn）數據，選擇了變速箱高（gāo）低（dī）速手柄打至高速位置，機械變檔選擇 B 位、Ⅲ檔位置（zhì）。鑽孔轉速為 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（duì）主軸進行控製後主軸箱內（nèi）齒輪未（wèi）見損壞。

（2）使用變頻器對主軸進行控製實現了鑽孔與攻絲加工（gōng）在（zài）不進行機械變檔的（de）方式下進行轉（zhuǎn）速（sù）的一鍵切換（huàn），通過一次裝（zhuāng）夾實現零件的鑽孔（kǒng）與攻絲加工，提升了加工（gōng）效率。使設備的（de）操作變得簡單。

（3）因機械檔位改變後主軸轉速調速範圍發生變化，通過加（jiā）裝速度顯示儀表（biǎo）可實時地顯示搖（yáo）臂鑽（zuàn）床（chuáng）主軸的轉速（sù），方便用戶選擇合適的轉速進行零件加工。

（4）改進後機床操作人員需要一段時間適應機床的（de）性能，同時加工的工藝過程需要（yào）再次監測。

（5）缺點是：主軸轉速顯示檢測有死區：在主軸實際轉速低於 30r/min 時主軸速度顯示器顯示數值為零。加工過程中當主（zhǔ）軸（zhóu）向下移動後磁鐵超出傳（chuán）感器檢測範圍主軸轉速顯示為（wéi）零，主軸轉速表無法顯（xiǎn）示實際鑽削轉（zhuǎn）速（sù）。在鑽孔與攻絲加工（gōng）時加工的深度還未能實

現孔深度自動控製，這也是後續研究設計的方向。

通過長時間的測（cè）試驗（yàn）證設計方案可靠有效，改進（jìn）後的鑽床工作（zuò）穩（wěn）定性高、操作便捷（jié）、故障率低（dī），提升了加工效率。根據工藝要求設計多種速度組合選擇，可在相關行業與領域進行推廣。

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