數控機床主軸準停裝置研究及實(shí)際應用

　　數控機床主軸準停裝置研究及實(shí)際應用

　　[摘 要]詳細分析了機床主軸準停裝置的分類(lèi)、結構及其工作原理，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(diǎn)做了說(shuō)明，并舉例說(shuō)明主軸準停在自動(dòng)換刀和鏜孔退刀等實(shí)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(chēng)主軸定向功能。即當數控系統接收到準停命令 ( M19) 時(shí)，主軸能停止在一個(gè)固定的方位或角度 (可以通過(guò)參數修改) ，并保持一定的力矩�，F代數控機床為了滿(mǎn)足自動(dòng)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(shí)現機床加工自動(dòng)化和刀具自動(dòng)交換過(guò)程的重要環(huán)節。

　　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(dòng)機以低速轉動(dòng)，主軸箱內齒輪換擋使主軸作低速慣性空轉，時(shí)間繼電器開(kāi)始動(dòng)作，并延時(shí)4--6s保證主軸轉穩后接通無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的電源，當主軸轉到圖示位置即凸輪定位盤(pán)上的感應塊與無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)相接觸后發(fā)出信號，使主軸電動(dòng)機停轉。

　　另一延時(shí)繼電器延時(shí)0.2--0.4s后，壓力油進(jìn)入定位液壓缸下腔，使定向活塞向左移動(dòng)，當定向活塞上的定向滾輪頂入凸輪定位盤(pán)的凹槽內時(shí)，行程開(kāi)關(guān)LS2發(fā)出信號，主軸準停完成。若延時(shí)繼電器延時(shí)1s后行程開(kāi)關(guān)IS2仍不發(fā)信號，說(shuō)明準停沒(méi)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(shí)，行程開(kāi)關(guān)LSl發(fā)出滾輪退出凸輪定位盤(pán)凹槽的信號，此時(shí)主軸可啟動(dòng)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(gè)磁發(fā)體與機床主軸一起旋轉，在距離磁發(fā)體旋轉外軌跡1～2mm處安裝一個(gè)磁傳感器，它經(jīng)過(guò)放大電路與主軸控制單元連接。

　　當機床主軸轉動(dòng)或停止時(shí)，接收到控制單元發(fā)來(lái)的準停起動(dòng)信號ORT，主軸速度立即變?yōu)闇释�時(shí)的設定速度(可在主軸驅動(dòng)裝置中設定)，當主軸控制單元接收到磁傳感器信號后，主軸驅動(dòng)立即進(jìn)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，主軸驅動(dòng)裝置向數控系統發(fā)出準停完成信號ORE從而可進(jìn)行自動(dòng)換刀或其他動(dòng)作。[3]

　　(2)編碼器檢測定位：

　　如圖3所示，可以采用主軸驅動(dòng)裝置的編碼器信號，也可以在主軸上安裝另一個(gè)編碼器。編碼器通常被安裝在被測軸上隨被測軸一起轉動(dòng)，將被測軸的角位移轉換成電脈沖信號。采用主軸內部編碼器信號要注意傳動(dòng)鏈對主軸準停精度的影響。主軸驅動(dòng)裝置內部可自動(dòng)轉換，使主軸驅動(dòng)處于速度控制或位置控制狀態(tài)。

　　(3)數控系統控制主軸準停裝置：

　　如圖4所示：準停的角度可由數控系統內部設定成任意值，因此準停角度可更方便地設定。準停由數控代碼 M19執行。當執行 M19或 M19 Sxx時(shí)，數控系統先將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(huì )使主軸驅動(dòng)進(jìn)入伺服狀態(tài)，同時(shí)主軸電動(dòng)機降速并尋找主軸編碼器零位脈沖 C，然后進(jìn)入位置閉環(huán)控制狀態(tài)，并按系統參數設定定向準停。

　　若執行M19無(wú)S指令，則主軸準停于相對C脈沖的某一缺省位置(可由數控系統設定);若執行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

　　M19 主軸準停于默認位置

　　M19 S100 主軸準停轉至100°處

　　S1000 主軸再次以1000r/min正轉

　　M19 S200 主軸準停轉至200°處

　　2 主軸準停裝置的實(shí)際應用

　　主軸準停主要應用在加工中心自動(dòng)換刀以及精鏜孔退刀等場(chǎng)合中。

　　2.1 準停裝置在自動(dòng)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(shí)切削轉矩較大，不可能僅靠錐孔的摩擦力來(lái)傳遞，因此在主軸前端需設置一個(gè)端面鍵，當刀具裝入主軸時(shí)，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，當主軸停轉進(jìn)行刀具交換時(shí)，主軸需停在一個(gè)固定不變的位置上，從而保證主軸端面上的鍵也在一個(gè)固定的位置上。這樣，換刀機械手在更換不同刀具時(shí)，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(shí)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

　　數控機床為了保證在精鏜孔完畢退刀時(shí)不會(huì )劃傷已加工表面，必須設置主軸準停機構。

　　2.2.1 鏜孔退刀

　　當加工階梯孔或精鏜孔后退刀時(shí)，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(kāi)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(guò)小孔鏜大孔

　　當在加工中需要通過(guò)前壁小孔鏜內壁大孔時(shí)，往往采用主軸準停裝置來(lái)控制，使刀尖停在一個(gè)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(guò)前壁小孔進(jìn)入箱體內對大孔進(jìn)行鏜削。[5]

　　3 結束語(yǔ)

　　通過(guò)以上分析可知：

　　(1)機械準停裝置定位比較準確可靠，但機械結構較復雜，調試并不方便;并且高速時(shí)動(dòng)平衡不好，會(huì )引起主軸振動(dòng)，故只在早期數控機床上使用較多。

　　(2) 磁傳感器準停裝置機械結構簡(jiǎn)單，磁發(fā)體與磁性傳感器間沒(méi)有接觸摩擦，準停的定位精度可達±1°，能滿(mǎn)足一般換刀要求。而且定向時(shí)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(kāi)關(guān)量(12位)隨意設定，這一點(diǎn)與磁傳感器準停不同，磁傳感器準停的角度無(wú)法隨意指定，要想調整準停位置，只有調整磁發(fā)體與磁傳感器的相對位置。

　　(4)數控系統完成主軸準停時(shí)，角度能夠快速定位于準停位置，可靠性高。

　　綜合考慮，目前國內外數控系統均采用電氣準停裝置。實(shí)際中，再根據不同控制方式和控制精度的需要來(lái)選用不同形式的電氣準停裝置。

　　參考文獻

　　[1]揚后川.機床數控技術(shù)及應用[M].北京：北京大學(xué)出版社，2007.

　　[2]周利平.數控裝備設計[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2011.

　　[3]鄧三鵬.數控機床結構及維修[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

　　[4]崔元剛.數控機床技術(shù)應用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社.2003.

　　[5]汪木蘭.數控原理與系統[M].北京：機械工業(yè)出版社.2004.

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