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數(shù)控機床主軸準停裝置研究及實際應用
數(shù)控機床主軸準停裝置研究及實際應用
[摘 要]詳細分析了機床主軸準停裝置的分類、結(jié)構(gòu)及其工作原理，對主軸準停裝置的機械式和電氣式做了比較，對它們的優(yōu)缺點做了說明，并舉例說明主軸準停在自動換刀和鏜孔退刀等實際生產(chǎn)中的應用。
[關(guān)鍵詞]主軸準停;控制;應用
引言
主軸準停功能又稱主軸定向功能。即當數(shù)控系統(tǒng)接收到準停命令 ( M19) 時，主軸能停止在一個固定的方位或角度 (可以通過參數(shù)修改) ，并保持一定的力矩。現(xiàn)代數(shù)控機床為了滿足自動換刀及某些加工工藝的需要，要求主軸具有高精度的準�？刂�。[1]
由此可知主軸準停是實現(xiàn)機床加工自動化和刀具自動交換過程的重要環(huán)節(jié)。
1 主軸準停裝置的控制
準停裝置分為機械式和電氣式兩種。
1.1 機械方式：
如圖1所示，當接收到主軸準停指令后，主軸電動機以低速轉(zhuǎn)動，主軸箱內(nèi)齒輪換擋使主軸作低速慣性空轉(zhuǎn)，時間繼電器開始動作，并延時4--6s保證主軸轉(zhuǎn)穩(wěn)后接通無觸點開關(guān)的電源，當主軸轉(zhuǎn)到圖示位置即凸輪定位盤上的感應塊與無觸點開關(guān)相接觸后發(fā)出信號，使主軸電動機停轉(zhuǎn)。
另一延時繼電器延時0.2--0.4s后，壓力油進入定位液壓缸下腔，使定向活塞向左移動，當定向活塞上的定向滾輪頂入凸輪定位盤的凹槽內(nèi)時，行程開關(guān)LS2發(fā)出信號，主軸準停完成。若延時繼電器延時1s后行程開關(guān)IS2仍不發(fā)信號，說明準停沒有完成，需使定向活塞后退，重新準停。
當活塞桿向右移到位時，行程開關(guān)LSl發(fā)出滾輪退出凸輪定位盤凹槽的信號，此時主軸可啟動工作。[2]
1.2 電氣方式
(1)磁性傳感器檢測定位：
如圖2所示，在主軸上安裝一個磁發(fā)體與機床主軸一起旋轉(zhuǎn)，在距離磁發(fā)體旋轉(zhuǎn)外軌跡1～2mm處安裝一個磁傳感器，它經(jīng)過放大電路與主軸控制單元連接。
當機床主軸轉(zhuǎn)動或停止時，接收到控制單元發(fā)來的準停起動信號ORT，主軸速度立即變?yōu)闇释r的設(shè)定速度(可在主軸驅(qū)動裝置中設(shè)定)，當主軸控制單元接收到磁傳感器信號后，主軸驅(qū)動立即進入磁傳感器作為反饋原件的位置閉環(huán)控制，目標位置即為準停位置。準停后，主軸驅(qū)動裝置向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出準停完成信號ORE從而可進行自動換刀或其他動作。[3]
(2)編碼器檢測定位：
如圖3所示，可以采用主軸驅(qū)動裝置的編碼器信號，也可以在主軸上安裝另一個編碼器。編碼器通常被安裝在被測軸上隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。采用主軸內(nèi)部編碼器信號要注意傳動鏈對主軸準停精度的影響。主軸驅(qū)動裝置內(nèi)部可自動轉(zhuǎn)換，使主軸驅(qū)動處于速度控制或位置控制狀態(tài)。
(3)數(shù)控系統(tǒng)控制主軸準停裝置：
如圖4所示：準停的角度可由數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定成任意值，因此準停角度可更方便地設(shè)定。準停由數(shù)控代碼 M19執(zhí)行。當執(zhí)行 M19或 M19 Sxx時，數(shù)控系統(tǒng)先將M19送至可編程邏輯控制器(PLC)，處理后送出控制信號，控制信號會使主軸驅(qū)動進入伺服狀態(tài)，同時主軸電動機降速并尋找主軸編碼器零位脈沖 C，然后進入位置閉環(huán)控制狀態(tài)，并按系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定定向準停。
若執(zhí)行M19無S指令，則主軸準停于相對C脈沖的某一缺省位置(可由數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定);若執(zhí)行M19 S**指令，則主軸位于指令位置，也就是相對零位脈沖S**的角度位置。
例如：M03 S1000 主軸以1000r/min正轉(zhuǎn)
M19 主軸準停于默認位置
M19 S100 主軸準停轉(zhuǎn)至100°處
S1000 主軸再次以1000r/min正轉(zhuǎn)
M19 S200 主軸準停轉(zhuǎn)至200°處
2 主軸準停裝置的實際應用
主軸準停主要應用在加工中心自動換刀以及精鏜孔退刀等場合中。
2.1 準停裝置在自動換刀中的應用
刀具交換如圖5所示：
由于刀具裝在主軸上，切削時切削轉(zhuǎn)矩較大，不可能僅靠錐孔的摩擦力來傳遞，因此在主軸前端需設(shè)置一個端面鍵，當?shù)毒哐b入主軸時，刀柄上的鍵槽必須與端面鍵對準，才能順利換刀。
故在加工中心中，當主軸停轉(zhuǎn)進行刀具交換時，主軸需停在一個固定不變的位置上，從而保證主軸端面上的鍵也在一個固定的位置上。這樣，換刀機械手在更換不同刀具時，能保證所更換刀柄上的鍵槽對準主軸端面上的定位鍵，并且也可以保證每次裝刀時刀夾與主軸的相對位置不變，可以提高刀具的重復安裝精度，保證零件的加工質(zhì)量。[4]
2.2 準停裝置在某些加工工藝中的應用
數(shù)控機床為了保證在精鏜孔完畢退刀時不會劃傷已加工表面，必須設(shè)置主軸準停機構(gòu)。
2.2.1 鏜孔退刀
當加工階梯孔或精鏜孔后退刀時，為防止刀具與小階梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，主軸停止在定向位置上，即準停，必須先讓刀，使刀尖偏移圖6中的δ距離離開加工表面，然后再退刀;而要讓刀，刀具必須具有準確功能。這樣可以高精度、高效率地完成孔加工而不損傷工件已加工表面。[4]
2.2.2 通過小孔鏜大孔
當在加工中需要通過前壁小孔鏜內(nèi)壁大孔時，往往采用主軸準停裝置來控制，使刀尖停在一個固定的位置，以便主軸偏移如圖7中的δ距離后，使刀尖通過前壁小孔進入箱體內(nèi)對大孔進行鏜削。[5]
3 結(jié)束語
通過以上分析可知：
(1)機械準停裝置定位比較準確可靠，但機械結(jié)構(gòu)較復雜，調(diào)試并不方便;并且高速時動平衡不好，會引起主軸振動，故只在早期數(shù)控機床上使用較多。
(2) 磁傳感器準停裝置機械結(jié)構(gòu)簡單，磁發(fā)體與磁性傳感器間沒有接觸摩擦，準停的定位精度可達±1°，能滿足一般換刀要求。而且定向時間短，可靠性較高，但是磁發(fā)體與磁感應器的安裝是有嚴格要求的。
(3)編碼器準停裝置，準停角度可由外部開關(guān)量(12位)隨意設(shè)定，這一點與磁傳感器準停不同，磁傳感器準停的角度無法隨意指定，要想調(diào)整準停位置，只有調(diào)整磁發(fā)體與磁傳感器的相對位置。
(4)數(shù)控系統(tǒng)完成主軸準停時，角度能夠快速定位于準停位置，可靠性高。
綜合考慮，目前國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)均采用電氣準停裝置。實際中，再根據(jù)不同控制方式和控制精度的需要來選用不同形式的電氣準停裝置。
參考文獻
[1]揚后川.機床數(shù)控技術(shù)及應用[M].北京：北京大學出版社，2007.
[2]周利平.數(shù)控裝備設(shè)計[M].重慶：重慶大學出版社，2011.
[3]鄧三鵬.數(shù)控機床結(jié)構(gòu)及維修[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.
[4]崔元剛.數(shù)控機床技術(shù)應用[M].北京：北京理工大學出版社.2003.
[5]汪木蘭.數(shù)控原理與系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社.2004.
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