一种碳刷曲面研磨数控机床的制作方法

本发明属于碳刷研磨加工技术领域，具体涉及一种碳刷曲面研磨数控机床。

背景技术：

碳刷(carbonbrush)也叫电刷，作为一种滑动接触件，被广泛的应用在许多电气设备中。碳刷的应用材质主要有石墨，浸脂石墨，金属(含铜，银)石墨。碳刷装置主要用于在电动机或发电机或其他旋转机械的固定部分和转动部分之间传递能量或信号，它一般是纯碳加凝固剂制成，外型一般是方块，卡在金属支架上，里面有弹簧把它紧压在转轴上，电机转动的时候，将电能通过换相器输送给线圈，由于其主要成分是碳，称为碳刷，它是易磨损的，因此应定期维护更换，并清理积碳。

碳刷作为电机机组中电能传递的枢纽，其状态的好坏直接影响电机机组的正常工作，进而影响了整个电机系统的可靠等级，一旦碳刷出现磨损过度、断裂等现象，需要立即更换。为保证机组重新启动后能在最短时间内在电机机组换向器表面形成均匀氧化薄膜进而减小电机机组换向器表面的异常磨损且碳刷与电机机组换向器的接触面达到最充分的弧度吻合，使得单个碳刷的使用寿命延长，更换新碳刷前必须对其进行快速、高效且高精度的加工。

目前碳刷的加工工艺主要有两种，一种是采用砂轮机进行人工研磨，另一种是采用电脑控制的数控雕刻机。人工研磨在研磨的过程中存在不少缺陷：首先，碳刷工作面弧度取决于研磨砂轮的半径，研磨过程中砂轮表面极易附着碳粉且不易清理，碳粉的积累会造成砂轮失效，而失效的砂轮无法保证研磨的精度及研磨面光滑度，继续对碳刷进行加工会导致其表面工艺达不到要求；其次，人工研磨单次研磨的碳刷数量极少，基本是一次只能加工一个碳刷，导致研磨耗时长；再次，人工研磨中无法保证研磨的力度和方向，导致加工的成功率并不高。

而采用电脑控制数控雕刻机的研磨方式中最重要就是合理设计研磨刀具和碳刷夹具，碳刷的表面精度要求很高，其中研磨刀具的材质、精度和与碳刷接触面的吻合设计直接影响加工后碳刷的表面精度，常规的研磨刀具由于在数控驱动中加工路径及控制精度的影响，使得碳刷表面研磨精度会受到较大影响，而且碳刷夹具对碳刷的固定是否可靠同样影响碳刷的加工精度，特别是在需要同时夹持多个待研磨碳刷进行多个碳刷一次性加工以提升研磨效率的场合碳刷夹具的结构及其固定方式对碳刷表面精度影响较大，目前的数控雕刻机无法满足上述需求。同时数控雕刻机加工碳刷需要配置水路、气动等外围设备，这样会导致整个装置体积庞大，不利于便携使用，而碳刷加工的过程中容易产生碳粉，随着碳粉的累积易造成电机进线口线路的短路引发事故，再者加工过程中需要连接电脑并编程控制，操作十分复杂。

因此，亟需寻求一种高研磨精度、高效、体积小、安全、操作便捷且成功率高的碳刷研磨装置。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种碳刷曲面研磨数控机床，其通过优化的刀具结构设计并配合加工驱动路径，同时结合具有多块碳刷夹持并可靠固定功能的夹具，可以实现对碳刷高精度和高效率的研磨加工。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种碳刷曲面研磨数控机床，所述碳刷曲面研磨数控机床包括具有中空外壳的机床本体、设置在机床本体的壳体内部上方的导轨、底座设置在所述导轨上并可相对导轨移动的主轴电机、以及设置于机床本体的壳体内部下方的用于装夹待研磨碳刷的托盘；

所述主轴电机下部设置有用于研磨碳刷的刀具，其包括设置在刀柄一端的刀具本体以及设置在刀柄另一端并用于与主轴电机连接的刀轴，其中该刀具本体外周沿周向间隔布置有多个用于研磨的弧形刀，各弧形刀之间形成刀槽，以此形成与刀轴同轴的环形刀组，且所述环形刀组上的各弧形刀的研磨面与待研磨碳刷的曲面形状匹配；

所述托盘上设置有碳刷固定夹具，该夹具包括固定在机床本体的壳体内底部的基座、设置在基座上的碳刷安放槽以及设置在碳刷安放槽顶部的盖板，所述碳刷安放槽为并列布置的多个，用于同时夹持安装多个待研磨碳刷，所述盖板用于从顶部夹紧固定安放在所述碳刷安放槽内的待研磨碳刷，在所述主轴电机相对导轨的移动同时带动刀轴旋转过程中可实现对安放在所述碳刷安放槽内的多个待研磨碳刷的研磨加工。

作为本发明的进一步改进，所述环形刀组上的各弧形刀与换向器弧度一致，使得所述碳刷的研磨弧面与换向器弧面能匹配。

作为本发明的进一步改进，所述环形刀组上的各弧形刀数量为两个或多个，沿刀具外周环向上均匀间隔布置。

作为本发明的进一步改进，所述环形刀组上的各弧形刀在环向上的宽度相同或不同。

作为本发明的进一步改进，所述盖板的两端设有轴孔，所述基座对应轴孔的位置设有销轴,所述销轴与轴孔相匹配，实现所述盖板与基座的活动链接，且所述盖板的两端分别设有调节旋钮，所述基座对应所述调节旋钮的位置设有螺纹孔，所述调节旋钮的一端设有螺杆，另一端设有旋钮把手，通过该把手旋转可将所述螺杆拧入所述螺纹孔内，实现所述盖板与基座的固定连接。

作为本发明的进一步改进，机床本体的外壳内上部还设置有伸缩轴，其与所述主轴电机的底座动力连接，动力驱动所述伸缩轴可带动所述主轴电机沿导轨移动。

作为本发明的进一步改进，所述机床本体的外壳一侧设置有控制箱，所述用于驱动伸缩轴的动力机构及用于控制所述主轴电机旋转的控制单元设置于其中。

作为本发明的进一步改进，所述机床本体的外壳为封闭外壳，且其侧部设置有吸尘口，研磨产生的碳粉可通过该吸尘口被集中处理。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明的碳刷曲面研磨数控机床中，采用多片弧面刀作为研磨刀具，共同布置于连接杆的一端，其弧面与换向器弧度一致，这样即可确保碳刷研磨弧面与换向器弧面能充分吻合，通过刀具的平移和旋转等多自由度运动和多片刀具随连接杆一起转动，实现在一次圆周运动中，多次对碳刷进行研磨，从而快速成型。

(2)本发明的碳刷曲面研磨数控机床中，夹具的底部设有多个碳刷安放槽，且其顶部设于盖板，盖板一边通过销轴与基座实现铰接，另一边通过调节旋钮实现螺纹固定连接，不仅可以实现一次夹紧多块待研磨电刷，而且通过盖板的压紧，碳刷装夹稳定可靠，有效保证碳刷的研磨精度。

(3)本发明的碳刷曲面研磨数控机床，能极大缩短单个碳刷研磨所需时间，提高研磨成功率和研磨精度，进而提高主变维护保养效率，保证全船电力系统的安全、连续、可靠。

(4)本发明的碳刷曲面研磨数控机床中，主变流机组碳刷研磨装置以三自由度的自动数控雕刻机为母型，采用一键式启停操作，可自动完成碳刷研磨，加工过程中无需手动控制，单次运行可研磨多只碳刷。

(5)本发明的碳刷曲面研磨数控机床中，机床封闭于一体化的机床壳体中，加工环境不影响外界环境，具有体积小、研磨时间短、精度高，安全性高等优点。

附图说明

图1为本发明实施例一种碳刷曲面研磨数控机床的三维结构示意图；

图2为本发明实施例一种碳刷曲面研磨数控机床的碳刷曲面研磨数控机床主视图；

图3为图2的a-a剖视图；

图4(a)为本发明实施例中一种碳刷曲面研磨数控机床的研磨刀具的主视图；

图4(b)为本发明实施例中一种碳刷曲面研磨数控机床的研磨刀具的三维结构示意图；

图5为本发明实施例中一种碳刷曲面研磨数控机床的研磨刀具与碳刷研磨的示意图；

图6(a)为本发明实施例一种碳刷曲面研磨数控机床的碳刷固定夹具的主视图；

图6(b)为本发明实施例一种碳刷曲面研磨数控机床的碳刷固定夹具的三维结构示意图；

图7为本发明实施例一种碳刷曲面研磨数控机床控制箱的主电路硬件系统示意图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-碳刷固定夹具、2-研磨刀具、3-主轴电机、4-伸缩轴、5-步进电机、6-导轨、7-安装基座、8-碳刷、9-研磨曲面、101-基座、102-盖板、103-调节旋钮、104-碳刷安放槽、201-夹持器、202-刀槽、203-刀轴、204-刀柄。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明的优选实施例的碳刷曲面研磨数控机床的三维结构示意图。如图1所示，该碳刷曲面研磨数控机床包括机床本体、碳刷固定夹具1及托盘、研磨刀具2、主轴电机3、控制箱，其中控制箱位于研磨机床本体外壳的一侧，碳刷固定夹具1及托盘设于外壳壳体内的底部，该碳刷固定夹具1设有多个碳刷安放槽便于同时安放多个待研磨碳刷，主轴电机3设于碳刷固定夹具1的上方，研磨刀具2设于该主轴电机3的底端，确保其恰好于碳刷曲面接触，控制箱控制主轴电机3驱动研磨刀具2转动，以对碳刷进行研磨。

图2为本发明实施例一种碳刷曲面研磨数控机床的碳刷曲面研磨数控机床主视图，图3为图2的a-a剖视图。如图2所示，该碳刷曲面研磨数控机床还包括伸缩轴4和导轨6，其中，伸缩轴4设于机床本体的壳体顶部，便于主轴电机3沿其运动。伸缩轴4的两侧间隔一定距离分别设有导轨6。如图3所示，导轨6上卡设有安装基座7，该安装基座7与伸缩轴4固定连接，其可在伸缩轴4的作用下沿导轨6运动，伸缩轴4的一端设有步进电机5，步进电机5驱动伸缩轴4伸缩，带动安装基座7进而带动主轴电机沿导轨6运动，实现对多个碳刷的研磨加工。该结构能极大缩短单个碳刷研磨所需时间，提高研磨成功率和研磨精度，进而提高主变维护保养效率，保证电力系统的安全、连续、可靠。导轨6可以为并列设置的两个或多个，具体结构本发明不做限定，便于基座7安装并相对移动的结构均可适用。

图4(a)为本发明实施例一种碳刷曲面研磨数控机床的研磨刀具的主视图，图4(b)为本发明实施例一种碳刷曲面研磨数控机床的研磨刀具的三维结构示意图。如图4(a)和4(b)所示，研磨刀具2包括夹持器201、刀具本体、刀轴203及刀柄204。其中，夹持器201的一端与主轴电机3的输入轴连接，另一端夹持住刀轴203，刀轴203末端设置所述刀柄204，刀具本体位于刀柄204另一端。刀具本体的外周侧面上设有多个弧形刀，各弧形刀之间形成刀槽202，以此形成与刀轴同轴的环形刀组，各弧形刀的研磨面与待研磨碳刷的曲面形状匹配，用于对碳刷进行研磨。

本发明的实施例中，弧形刀的数量为4个，优选沿着中心轴周向对称布置，相应地，各弧形刀之间形成刀槽202。弧形刀的弧形刀刃的弧面形状根据所需碳刷的曲面形状而定，多片弧形刀随连接杆一起转动，实现在一次圆周运动中，多次对碳刷进行研磨，从而快速成型。本发明中对弧形刀的具体数量不作限定，可以根据具体需求进行设置。

图5为本发明实施例一种碳刷曲面研磨数控机床的研磨刀具与碳刷研磨的示意图。如图5所示，采用弧面刀作为研磨刀具2，其弧面与换向器弧面一致，这样可确保碳刷8的研磨弧面9与换向器弧面能充分吻合，通过刀具2的平移和旋转等多自由度运动，实现将所述初始碳刷8研磨成具有所需曲面的碳刷成品。本发明较佳实施例中，碳刷研磨装置可以以三自由度的自动数控雕刻机为母型，采用一键式启停操作，可自动完成碳刷研磨，加工过程中无需手动控制，单次运行可研磨多只(例如4只)碳刷。

图6(a)为本发明实施例一种碳刷曲面研磨数控机床的碳刷固定夹具的主视图，图6(b)为本发明实施例一种碳刷曲面研磨数控机床的碳刷固定夹具的三维结构示意图。如图6(a)和图6(b)所示，该碳刷固定夹具1包括基座101、盖板102、调节旋钮103及碳刷安放槽104。其中，基座101为台阶状结构，其一侧设有多个碳刷安放槽104，用于安放待研磨的碳刷。碳刷安放槽104的顶部设有盖板102，盖板102的两端设有轴孔，基座101对应该轴孔的位置设有销轴,销轴与轴孔匹配，实现盖板102与基座101的活动链接，便于盖板102打开取出碳刷8或者关闭压紧碳刷8。如图6(b)所示，在盖板102的两端分别设有调节旋钮103，基座101对应该调节旋钮103的位置设有螺纹孔，调节旋钮103的一端设有螺杆，另一端设有旋钮把手，便于手持并旋转将螺杆拧入螺纹孔内，实现盖板102与基座101的固定连接。该夹具的底部设有多个碳刷安放槽104，且其顶部设有盖板102，盖板102一边通过销轴与基座101实现铰接，另一边通过调节旋钮103实现螺纹固定连接，该结构不仅可以实现一次夹紧多块待研磨电刷，而且通过盖板102的压紧，碳刷装夹稳定可靠，可以有效保证碳刷的研磨精度。

图7为本发明实施例一种碳刷曲面研磨数控机床控制箱的主电路系统示意图。如图7所示，主电路系统主要由plc控制器、传感器、步进电机驱动器、变频器、辅助电源组成。其中，plc控制器是控制系统的核心部件，接收传感器信号并反馈相应的脉冲信号给步进驱动器，用来控制主轴电机变频器启停,传感器则用于脉冲零位检测和右极限位检测保护并将信号反馈给plc控制器，而步机驱动器接受来自plc控制器的位置脉冲计数控制步进电机运转，精确实现主轴电机的位置移动，从而实现研磨刀具左右移动，同时主轴变频器接受plc启停信号控制主轴电机运转，实现主轴刀具高速旋转，而辅助电源由交流输入电源提供，交流380v输入电源经变压器降压至交流220v后送入电源模块，转换为24v直流电源，向步进电机驱动器、触摸屏供电。控制箱的软件系统则按照建立系统数学模型、理论分析确定控制策略、编制软件、软件测试等步骤最后固化最优软件，软件采用模块化设计方法，便于测试和软件升级，可保证系统的可靠运行，达到一键式启停效果。在一个优选实施例中，上述主电路系统可以容置于一个控制箱中，并优选将控制箱设置于机床本体的外侧一侧，并可与外壳一体，这种布置不但结构紧凑、便于移动，而且可以整体化形成封闭结构，便于一体化控制。

作为本发明实施例一种碳刷曲面研磨数控机床的一个优选实施例，该碳刷曲面研磨数控机床本体的外壳为封闭结构，侧面设有吸尘口，加工过程中可使用外接普通吸尘器实现无尘加工，同时机床外壳在碳刷研磨部分设有玻璃窗口，可用于观察碳刷的加工过程。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。