磨床及电机驱动电路

第二章磨床与电机驱动电路简介

2.1 磨床简介

磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。大多数的磨床是使用高速旋转的砂轮进行磨削加工，少数的是使用油石、砂带等其他磨具和游离磨料进行加工。通常，磨具旋转为主运动，工件或磨具的移动为进给运动，其应用广泛、加工精度高、表面粗糙度Ra值小。下面以工业中常见的M7130卧轴矩台平面磨床为例，简要介绍磨床的工作原理。

2.1.1 磨床结构

M7130卧轴矩台平面磨床主要由床身、工作台、电磁吸盘、砂轮箱、立柱、操作手柄等构成，外形结构如图2-1所示。

图2-1 铣床外部结构图

1—立柱；2—滑座；3—砂轮箱；4—电磁吸盘；5—工作台；6—床身

2.1.2 运动形式和控制要求

磨床工作共有两种运动，主运动和进给运动。磨床的主运动是主轴的旋转运动，进给运动是工作台的推进运动。中小型磨床一般可采用三相鼠笼型异步电动机或单相异步电动机来进行拖动；由于主轴的旋转运动和进给运动之间没有内在联系的要求，分别用一台电动机拖动，故磨床工作时共需要三台电动机，分别是主轴电动机、进给电动机和冷却泵电动机。

主运动由主轴电动机通过弹性联轴器来驱动传动机构，当机构中的一个双联滑动齿轮啮合时，主轴即可旋转，并带动砂轮作高速旋转运动。

进给运动包括工作台的进给运动、滑座的进给运动和砂轮箱的进给运动。因为三种进给运动不同时进行，故采用同一进给电动机带动三种进给运动。

工作台面的移动是由进给电动机驱动，它通过机械机构使工作台能进行移动，即：工作台在床身导轨上作往复运动（纵向运动）。固定在床身上的立柱上带有导轨，滑座通过进给电动机传输的动力在立柱导轨上作垂直运动；而砂轮箱也通过进给电机给的动力在滑座的导轨上作水平运动（横向运动）。横向运动、纵向运动和垂直运动的协调，使得砂轮能磨到工件的每一个部分。

M7130平面磨床中有三台电动机：砂轮电动机拖动砂轮旋转。液压泵电动机拖液压泵，采用多电机但拖动，经液压装置来完成工作台往复纵向运动以及实现横向的自动进给，并承担工作台导轨的润滑。冷却泵电动机推动冷却泵，供给磨削加工需要的冷却液。

磨削加工一般不需要调速，因要求砂轮速度高，所以通常采用三相鼠笼式异步电动机拖动。同时为提高砂轮主轴的刚性，从而提高磨床加工精度，采用装入式感应电动机直接拖动，这样砂轮主轴就是电动机的轴。

为了保证加工精度，要求机床运行平稳，又因为工作台为往复运动，要求换向时的惯性小，换向无冲击。为此平面磨床采用液压传动。由液压电动机拖动液压泵，经液压传动装置实现工作台的纵向进给运动。并通过工作台上的撞块操纵床上的液压换向开关，实现方向的反向送进，从而实现工作台的往复运动。

2.1.3 工作原理

工作台上装有电磁吸盘，用以吸持工件。工作台在床身导轨上作往复运动（纵向运动）。固定在床身上的立柱上带有导轨，滑座在立柱导轨上作垂直运动；而砂轮箱在滑座的导轨上作水平运动（横向运动），砂轮箱内装有电动机，电动机带动砂轮作旋转运动。

平面磨床在加工工件过程中，砂轮的旋转运动是主运动，工作台往复运动为纵向进给运动，滑座带动砂轮箱沿立柱导轨的运动为垂直进给运动，砂轮箱沿滑座导轨的运动为横向进给运动。

工作时，砂轮旋转，同时工作台带动工件右移（如图2-2所示），工件被磨削。然后工作台带动工件快速左移，砂轮向前作进给运动，工作台再次右移，工件上新的部位被磨削。这样不断重复，直至整个待加工平面都被磨削。

图2-2 矩形工作台平面磨床工作图

1—砂轮；2—主运动；3—纵向进给运动；4—工作台；5—横向进给运动；6—垂直进给运动

2.2 本设计对磨床的简化改进方案

磨床的技术已经得到越来越深的发展，利用它来加工各种高精度、结构复杂的平面或是零件已是常事，但在实际生产中，由于这种设备零件复杂，价格昂贵，维修成本大，而许多中小型工厂对产品精度要求没有这么高，所以这些数控万能机床反而不适应某些工厂的使用，所以我们可以对进行一些简化，从功能上考虑，只对一些精度要求不是太高的零件或平面进行加工。

当前主流磨床所用的控制器是可编程逻辑控制器（PLC）虽然这种控制方式运行比较稳定、精度比较高，但是其价格昂贵，占了磨床成本的一大部分。进而我们考虑采用同样能完成控制要求，但是价格只有几块钱的单片机作为本设计的控制器。目前51单片机已经相当成熟，高达12MHz的工作频率、可扩展的I/O输入输出口及看门狗等的使用也完全能满足本设计中对机床电机的控制。并且其简单易改动的编程编程和下载方式支持以后对设计的改动和升级。

执行机构方面由主轴电动机拖动主轴带动磨刀进行打磨加工，由单片机通过继电器对它的启停进行控制；因为磨削工作一般不需要进行调速，故设计中沿用传统磨床设计，不对主轴电动机进行调速，而只是控制它的启停。

由于本设计所要加工的工件的简单性，取消进给电动机的操作手柄与机械离合器，改为由单片机发出信号来驱动电动机转动，在起始上料位置和加工位置安装两个行程开关，待加工工件碰到行程开关之后引起单片机外部中断，单片机通过响应中断来控制进给电机的启停；冷却泵电动机提供磨削液，因为在工作过程中会产生很大热量，而过热可能会烧毁电机故这部分操作保持不变。

经过上述改装，即可使得机器设备大大简化，不仅减轻成本，由可使得机器继续保持对产品的加工功能，由单片机配合程序进行控制，简单方便，经济又实用。

2.3 电动机的正反转控制及驱动电路

本设计的执行器是电动机，通过电动机将电能转化成机械能，完成工件的磨削任务。当前工业上使用的电动机主要分为直流电动机和交流电动机两大类。交流电机分为异步电机和同步电机两大类，直流电机分为普通直流电机和专用直流电机两大类。

而这些电动机中在工业中应用最广的是交流异步电动机。它使用方便、运行可靠、价格低廉、结构牢固，但是有调速困难的缺点。

由于本设计的电机不需要调速，本设计在电机的选择方面，选择异步电机作为执行器。