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電火花小孔加工機（jī）床自動更換（huàn）電極裝置的設計

2016-12-29 來源：北京科技大學（xué）機械工程學作者：劉李（lǐ）東賈誌新高堅強時解放劉譯允

摘要：設計了一種電（diàn）火（huǒ）花（huā）小孔機自動更換電極的裝置，主要由主軸頭快速接頭結構和（hé）平置式鏈式電極庫組成。通過設置鏈條張緊器和支撐部（bù）件，使鏈式電極庫運行順暢，並解決了移動單元一側偏重的問題。該裝（zhuāng）置具有運行平穩（wěn）、流暢、噪（zào）音小（xiǎo）、結構簡單等優點（diǎn），還能（néng）提高電火花小孔機（jī）的（de）生產效率。

關鍵詞：電火花小孔加工（gōng）機床；鏈式（shì）電極庫；電極夾頭

通常（cháng），電火花小孔加工機床是將大理石工作台設置在機架基座頂麵，待加工零件裝（zhuāng）夾在大理石工作台上（shàng），加工時通過夾頭和眼模定位的空心管狀電（diàn）極在旋轉主軸（zhóu）的帶動下高速旋轉，並通過內（nèi）部孔道中的高壓去離（lí）子水清除放電加（jiā）工中蝕除的金屬，常用來（lái）加工直徑0.3~3 mm 的小孔，加工速度可達20~60 mm/min。相對於其他小孔加工方法（fǎ），電火花小孔加工具有以下優勢[1]：① 可加工任何導電材料，不受工件材料硬度的約束； ② 可在（zài）斜麵上加工盲孔、深孔（kǒng）、斜孔及異（yì）形孔等；③ 加工過程（chéng）中（zhōng）切削（xuē）力很小，對工具的強度和剛（gāng）度（dù）要（yào）求低；④ 加工後的零件（jiàn）重熔層薄，表麵質量好，經濟效益突出（chū）。

隨著航空航天、汽車工業、模具製造及電子工業的發展，對葉片、渦輪外環（huán）的氣膜孔、火焰筒及安裝邊的冷卻孔、燃油噴注器的燃（rán）油噴（pēn）射孔、化纖噴絲板、印製電路板、陀螺儀的（de）群孔和微孔（kǒng）加工提出了更高的要（yào）求[2-3]。為滿（mǎn）足零件設計要求，提高小（xiǎo）孔加工精（jīng）度、效率及自動化、智能化水（shuǐ）平，目前（qián）國外高（gāo）檔電火花（huā）小孔（kǒng）加工機（jī）已實現多點位數控、自動檢測加工零件、自動更換規準、自動（dòng）控製加工深度、監測電極損耗、任意單孔選擇加（jiā）工、樣（yàng）件孔位采集自學習編程及自動更換電極和眼模等功能。然而，國內電火花小孔加工機的（de）自動化水平雖有較大提升，但電極的更換仍采用傳統（tǒng）的人（rén）工手動方式（shì）。由於電火花小孔加工機的（de）電極受剛度限製，常用規格長度一般約為（wéi）300 mm 或400 mm，除去用（yòng）於夾持密（mì）封（fēng）不能利用的料頭約100 mm，實際利用長度有限，加之放電加工中有相當大（dà）的電極損耗，通常電極損耗與（yǔ）小孔加（jiā）工深度約為1∶1。因此，在使用電火花小孔機加工群孔時需頻繁更換電極，且每次人工更換（huàn）電極時的夾緊、校正都會消耗大量時間[4]。為提高電火花小孔（kǒng）加工機的自動化水平（píng）及（jí）加工效率，節省輔助時間，本文設（shè）計了一（yī）種可容納32 支管狀電極的（de）鏈式電極庫（kù）。

1.主軸頭快速接頭結構設計

傳統電極夾頭（tóu）以螺帽、螺絲結合於加工旋轉軸下方，不易與其他更換裝置搭配，且螺紋連接精度低，鎖緊（jǐn）時鬆緊程度稍有差異就會對電極夾頭的校（xiào）正精度產生影響，進而影響加（jiā）工質量。為（wéi）解決該問題，適應平置式鏈式電極庫的需（xū）要（yào），根據液壓式快速接頭形（xíng）式設計了主軸頭快（kuài）速接頭結構。由圖（tú）1 可見，在旋轉（zhuǎn）主軸上開有多個槽位，每個槽位內裝有（yǒu）一個鎖緊（jǐn）鋼珠。鎖緊套（tào）套在（zài）旋轉主軸上，通過撥叉的動可利用鎖緊鋼珠（zhū）實現對電極夾頭的鎖緊與鬆開。具體原理為：當伸縮氣缸收縮（suō）時，撥叉（chā）帶動鎖緊套向上運動，旋轉主軸槽孔內的鎖緊鋼珠退到鎖緊套的容退空間中，電極夾頭與（yǔ）旋轉主軸鬆開；同理（lǐ），可將電（diàn）極夾頭鎖緊在旋轉（zhuǎn）主軸（zhóu）內。

1. 電極夾頭2. 鎖緊套3. 鎖緊鋼珠4. 鎖緊主軸

5. 微型帶導杆氣缸6. 磁性開關7. 撥（bō）叉

圖1 主軸頭快速接頭結構圖（電（diàn）極夾頭鎖緊（jǐn）狀態）

為適應（yīng）主軸頭快換接頭裝置的需要，設計了兩種夾緊結（jié）構的電極夾頭。鑽夾頭型式結構簡單、裝夾方便，可（kě）裝夾直徑0.3~3 mm 的電極絲（圖2a）；彈性夾頭型式選用1A 型固定式彈簧夾頭，夾緊可（kě）靠，具有極高的夾持（chí）精度和係（xì）統剛性。夾持體連接（jiē）杆上分（fèn）布3 個凹槽，自上而下依次為：刀座夾槽（cáo）、鎖緊槽和手爪夾槽，分別（bié）供電極庫刀夾夾持、旋轉軸鋼珠（zhū）鎖緊和機械手夾持。由於放電加（jiā）工（gōng）管狀電極的（de）內孔需充入高壓水，為防止工作液外泄，在夾持體頂管安（ān）裝E041 橡膠止水塞，通過與旋轉主軸上相（xiàng）應錐麵的壓緊實現密封（fēng）。

1. 鑽夾頭2、8. 夾持連接杆（gǎn）3、7. 止水塞（sāi）4. 刀座夾槽

5. 鎖緊槽6. 手爪夾槽9. 彈簧（huáng）夾頭10. 鎖緊螺（luó）母

（a）鑽夾頭夾持體（b）彈性夾頭夾持體

圖2 兩種電極夾頭結構

2.自動更換電極裝置的（de）結構及原理

2.1 鏈式電（diàn）極庫的設計

為適應管狀電極又細又長的特點，鏈式電極庫采用平置（zhì）式布局，具體結構見圖3。由4080 工業鋁（lǚ）型材12 作為基體，通過滑塊螺（luó）母連接上底板4、下底板13 和鏈條張（zhāng）緊器（qì）2。電極庫的驅動采（cǎi）用步進（jìn）電（diàn）機5、減速器6 及鏈輪轂、鏈條完成任意電極夾頭的選取。鏈式電極庫的主動鏈輪10 采用上下底板支撐（chēng），具有（yǒu）良好的剛性；從（cóng）動鏈輪1 由鏈條（tiáo）張緊器采用懸臂支撐，可方便地補償因磨損造（zào）成的鏈條伸（shēn）長，防止振跳、齧合不準確及跳齒、脫鏈等現象產生。目前，鏈條張緊器（qì）已有專業廠商生（shēng）產，不必（bì）自行設計（jì），本文采用了Span-Box Size1 型重型鏈條張緊器。為（wéi）保障鏈式電極庫的定位剛性，將抓取位置設置在主動鏈輪側。

在鏈式電極庫的上底板裝有零點接近（jìn）傳感（gǎn）器3和定位傳感器7。本鏈式電極（jí）庫采（cǎi）用增量型編碼器（qì），為（wéi）避免斷電時電極夾（jiá）頭（tóu）發生移動，機床（chuáng）每次（cì）開機後，鏈式電極庫必須（xū）進（jìn）行回零操作，使高位計數器找到標準參考點，在此選用E2B-M12KS02-M1-B1經（jīng）濟型接近傳感器，其檢測距離為2 mm。由於該鏈式電極庫結構小，不（bú）適宜用分度凸輪進行機械式精確定位，且因鏈條磨損、節距發生變化，單（dān）靠電氣補償的電氣控製也不能解決電（diàn）極庫的精確定位。目前，國內外大多采用通過2 個精定位感應開（kāi）關傳（chuán）回模擬量，或是轉化為數字量（liàng）後用差值來控製電（diàn）極庫電機正轉或反轉，最終實現電極庫的精確定位[5]，在此選用ZX-EM02T 線性接近型智能傳感器，搭配ZX-EDA41 放大型（PNP 型）單元，其（qí）輸出電流為4~20 mA，檢測距離（lí）為（wéi）2 mm。為檢測鏈式電極庫抓取位置電極夾頭的有無，在下底板裝有（yǒu）E3Z-LS81 距（jù）離設定型光電傳感器9，設定距（jù）離為（wéi）90 mm。

1. 從動鏈輪2. 鏈條張緊器3. 零點傳（chuán）感器4. 上底板5. 步進電機6. 減（jiǎn）速器（qì）7. 定位傳感器8. 氣爪

9. 光電傳感器10. 主動鏈輪（lún）11. 帶導杆氣缸12. 4080 工業鋁型材13. 下底板14. 環形導軌

圖3 鏈式電極庫結構圖

鏈式電極庫中的（de）鏈條單元均具有橫向與縱向（xiàng）的組裝間隙，加之電極（jí）夾頭懸掛在鏈條上（shàng），在（zài）重力作用下（xià）略有（yǒu）下垂，並對（duì）鏈條（tiáo）產生偏轉力矩（jǔ），使刀夾一端發生翹起，鏈條（tiáo）隨之扭轉，運轉（zhuǎn）時易發生電極夾（jiá）頭脫落事故（gù）及產生噪音，影響工作性（xìng）能。為使鏈條運（yùn）轉順（shùn）暢（chàng），提高傳（chuán）動精（jīng）度與可（kě）靠性，設計了鏈條支撐（chēng）機構（圖4）。在電極（jí）夾頭安裝架上裝有2 個螺釘軸承，1 號螺釘軸承與下底板的1 號約束麵接（jiē）觸，2 號螺釘軸承（chéng）與環形導軌的2 號接觸麵接觸。2 個螺釘軸（zhóu）承呈上下布置且一（yī）前一後，1 號螺釘軸承起支（zhī）撐作用，2 號螺釘（dìng）軸（zhóu）承克（kè）服了因偏重引起的翹（qiào）起和對（duì）鏈條的扭轉作用，使（shǐ）鏈輪僅傳遞運動。

圖4 支撐部件結（jié）構圖

2.2 機械手的設計

更換機械手安裝在（zài）鏈（liàn）式電極庫的下底板上，采用單臂式機械手形式，由薄型（xíng）帶導杆直線氣缸11和（hé）氣（qì）爪8 組成（圖3）。機械手工作過程（chéng）中需對（duì）3 個位（wèi）置進行檢測：

（1）起（qǐ）始位置：氣（qì）缸未（wèi）伸（shēn）出（chū）的位置。機械手在該位置不（bú）和（hé）工作（zuò）中的鏈式（shì）電極庫發（fā）生幹涉。

（2）抓取位置：機械手在該位置控製擺動氣爪的夾緊與鬆開，用於在電極庫中取（qǔ）放指定的電極夾頭。

（3）更換位置：氣缸伸出的極（jí）限位置。主軸運動到其（qí）正上方配合機械手實現更換電極夾頭。

上述3 個位置由安裝在伸縮氣缸（gāng）上的3 個磁性開關實現控製，同時，氣（qì）爪上也配有氣爪開合檢測（cè）磁性開關。為（wéi）使機械手與鏈式電極庫及（jí）主軸頭配合流暢，不發生碰撞、噪聲，需對機（jī）械手的這3 個工作位置（zhì）進行調校[6]。

3.電極夾頭交換過程

本文（wén）設計（jì）的自動更（gèng）換電（diàn）極裝（zhuāng）置采用單臂式機械手進行電極夾頭的更換，且適合采用固定更換方式，即電極夾頭編號和刀夾（jiá）號始終對應，電極夾頭在（zài）主軸上使用（yòng）完畢後仍歸還到原來的刀夾上。

當電極絲消耗完畢或需加（jiā）工不同直徑的小（xiǎo）孔（kǒng）時，發出更換電極夾（jiá）頭的指令（lìng）。下麵（miàn）以主軸上1 號電極（jí）夾頭管狀電極（jí）消耗完畢、需5 號電極夾頭為例，說明自動更換電極裝置的工作過程（chéng）。

（1）係統收到更換電（diàn）極夾頭（tóu）指令後，將鏈式（shì）電極庫1 號刀夾旋轉至抓取位置（圖5a）。鏈式電極庫的光電（diàn）傳（chuán）感器檢測抓取位（wèi）置有無電極夾頭，如果沒有電極夾頭，可繼續進行，否則係統報警。

（2）W 軸帶動其運動底板上升至指定（dìng）位置，Z 軸帶動主軸頭上升至更換位置（zhì）（圖5b）。

（3）機械手伸出至更換位置，氣爪（zhǎo）夾（jiá）緊主軸上的1 號電（diàn）極夾頭，主軸頭上的伸（shēn）縮氣缸帶動鎖（suǒ）緊（jǐn）套向上運動，鎖緊鋼珠（zhū）脫出，主（zhǔ）軸和電極夾頭鬆（sōng）開。Z軸帶動主軸頭上升至零點位置（zhì）（圖（tú）5c）。

（4）機械手收回至抓取位置，抓取到位磁性開關發（fā）訊，氣爪打（dǎ）開，1 號電極夾頭放（fàng）置在鏈式電極庫中（zhōng）。機械手繼續（xù）收回至起（qǐ）始位置（圖5d）。

（5）采用最短路徑原則判（pàn）斷鏈式電極庫的旋轉（zhuǎn）方向，經粗定位、精定位（wèi），將5 號電極夾頭旋轉（zhuǎn）至抓取位置（圖5e）。

（6）機械手伸出至（zhì）抓取位置，抓取到位磁性開關發訊，氣爪夾緊5 號電極夾頭。機（jī）械（xiè）手繼續伸出至更換位置（zhì）停止。主軸頭下降至交換（huàn）點，與電極（jí）夾頭夾持部位吻合，將5 號電極夾（jiá）頭裝入主軸頭，鎖緊氣缸帶動鎖緊套向下運動，鎖緊鋼珠將電極夾頭鎖緊（圖5f）。

（7）機械手退回至（zhì）起始位置（圖5g）。

（8）主（zhǔ）軸頭（tóu）帶動低速電機旋轉，自動穿入眼模孔，更換過程完畢（圖5h）。

圖5 自動更換電極裝（zhuāng）置工（gōng）作過程圖

4. 結束語

本文設計了適用於（yú）電火花小孔加工機床的電極夾頭更換的鏈式電極庫及與之（zhī）配合的主軸頭快速接頭結構，適用於群孔加工，提升了（le）自動化水平和求心定位精（jīng）度，滿足了市場需要。同時，對於小（xiǎo）型平置式鏈式電極庫的設計具有一定的參考價值。

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