一、摇臂钻床概述

钻床是一种孔加工机床，可进行钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的加工。钻床的种类很多，有台钻、立钻、卧钻、专门化钻床和摇臂钻床等。在各类钻床中，摇臂钻床操作方便、灵活，使用范围广，具有典型性，特别适合在单件或批量生产中加工多孔的大型零件。

1.摇臂钻床的主要结构及运动形式

摇臂钻床的外形如图4-11 所示。它主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱和工作台等组成。内立柱固定在底座上，在它外面套着空心的外立柱，外立柱可绕着内立柱回转一周。当夹紧装置松开时，外立柱可绕着固定的内立柱回转360°，夹紧装置夹紧时，则不能转动。摇臂一端的套筒部分与外立柱滑动配合，借助丝杆，摇臂可沿着外立柱上下移动，但两者不能作相对移动，所以摇臂将与外立柱一起相对内立柱回转。摇臂沿外立柱上下移动后，也由夹紧装置将其夹紧。主轴箱是一个复合的部件，它具有主轴及主轴旋转部件和主轴进给的全部变速和操纵机构。主轴箱可沿着摇臂上的水平导轨作径向移动。当进行加工时，可利用特殊的夹紧机构将外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，主轴箱紧固在摇臂导轨上，然后进行钻削加工。

图4-11　摇臂钻床的外形

1—底座；2—内立柱；3—外立柱；4—摇臂升降丝杠；5—摇臂；6—主轴箱；7—主轴；8—工作台

摇臂钻床主轴的旋转为主运动，主轴轴向运动为进给运动，辅助运动包括摇臂沿外力柱的垂直运动，主轴箱沿摇臂径向水平移动，摇臂与外力柱一起相对于内立柱的回转运动。

外立柱、摇臂和主轴箱的运动，它们都有夹紧装置和固定位置。摇臂的升降及夹紧放松由一台异步电动机拖动，摇臂的回转和主轴箱的径向移动采用手动，立柱的夹紧松开由一台电动机拖动一台齿轮泵供给夹紧装置所用的压力油来实现，同时通过电气联锁来实现主轴箱的夹紧与放松。摇臂钻床的主轴旋转和摇臂升降不容许同时进行，以保证安全生产。

2.摇臂钻床的电力拖动特点及其控制要求

（1）由于摇臂钻床的运动部件较多，为简化传动装置，使用多电机拖动，主电动机承担主钻削及进给任务；而摇臂升降及其夹紧放松、立柱夹紧放松和冷却泵各由一台电动机拖动。

（2）为了适应多种加工方式的要求，主轴及进给应在较大范围内调速。这些调速都是机械调速，用手柄操作变速箱调速，对电动机无任何调速要求。从结构上看，主轴变速机构与进给变速机构应该放在一个变速箱内，而且两种运动由一台电动机拖动是合理的。

（3）为了加工螺纹，主轴要求正反转。摇臂钻床的正反转一般用机械方法实现，即靠摩擦离合器实现，或由液压系统实现，电动机只需单方向旋转。

（4）摇臂沿外立柱的升降由电动机拖动，外立柱沿内力柱的回转运动则是由外力作用控制的，但必须先将外立柱放松。

（5）应具有相应的联锁与保护。

二、Z35 型摇臂钻床

Z35 型摇臂钻床是最常用的立式钻床，适用于成批生产时加工多孔的大型零件。Z35型摇臂钻床型号的含义如图4-12 所示。

图4-12　Z35 型摇臂钻床型号的含义

图4-13 所示为Z35 型摇臂钻床的电气控制线路示意。

1.主电路分析

Z35 型摇臂钻床共有4 台电动机。M1 为冷却泵电动机。M2 为主电动机，其由接触器KM1 控制，只要求单向旋转，带动主轴及进给传动系统，主轴正反转由机械手柄操作。M3 为摇臂升降电动机，由接触器KM2 和KM3 控制其正反转，实现摇臂的升降。M4 是控制立柱的夹紧与放松，由接触器KM4 和KM5 控制其正反转，实现立柱的夹紧或放松。

由于摇臂要绕立柱转动，因此安装在回旋部件上的电动机M2、M3、M4 及其他电气设备的电源，是通过装在摇臂升降机体壳上的汇流环W 来供电和接地的（M2 装在主轴箱顶部，M3 和M4 安装在立柱顶部）。

2.控制线路分析

变压器TC 将380 V 交流电变成220 V 作为控制电源，另一个副边绕组为局部照明灯提供36 V 电源。

图4-13　Z35 型摇臂钻床的电气控制线路示意

Z35 钻床采用十字开关操作，这样操作起来方便，而且能实现各运动间的互锁保护。十字开关由4 个微动开关和操作手柄组成，塑料盖板上有十字形孔槽。操作手柄可分别扳到孔槽中的5 个不通位置：上、下、左、右、中。手柄置于中间位置时，4 个微动开关不受压，处于断开状态。手柄置于其他任一位置时，都有一对应的微动开关受压，其触头闭合，当手柄离开这一位置时，其触头分断。因此，任何时刻，只能有一个微动开关闭合，从而实现了各种运动的互锁保护。

手柄所处位置与相应受压开关为：左——SA1，右——SA2，上——SA3，下—SA4。

（1）零压保护。KV 为零压继电器，首先合上电源开关QS1，然后把十字手柄扳到左边，这时SA1 受压闭合，KV 得电并自锁。此时即使将SA1 分断，KV 线圈也能依靠其自锁触头的闭合而保持通电，因此一旦电源断电，就能起到零压保护的作用。

（2）主轴电动机的控制。将手柄扳向右方，这时SA2 闭合，接触器KM1 的线圈通过KV 的常开触头及SA2 触头得电，主轴电动机M2 启动。将十字开关扳回中间位置时，SA2分断，接触器KM1 断开，电动机M2 停止运行。

（3）摇臂升降控制。摇臂升降前必须将夹紧装置放松，升降完毕后又必须夹紧，这个过程必须是自动完成的。当需要使摇臂上升时，将手柄扳到向上位置，微动开关SA3 压合，接触器KM2 通电，电动机M3 正转，带动传动装置将摇臂夹紧装置放松，在放松的同时，将位置开关SQ2 的常开触头SQ2-2 撞动使其闭合，为夹紧摇臂作准备。当夹紧装置放松后，电动机将会带动升降装置使摇臂上升，到了需要的位置后，将十字手柄扳回中间位置，SA3 分断，KM2 断电，其常闭触头闭合使KM3 通电，电动机反转，带动夹紧装置将摇臂夹紧。夹紧后，SQ2-2 分断，KM3 断电，电动机M3 停转，摇臂上升结束。

若要使摇臂下降，则将十字开关扳到向下位置，此时SA4 闭合，KM3 得电，电动机M3 反转，松开夹紧装置，且使SQ2-1 闭合，为夹做准备，其工作过程和上升时相同，这里不再重复。

位置开关SQ1 作限位保护，防止摇臂上升或下降过程中超过极限位置。当摇臂上升到上限位置时，SQ1-1 断开，KM2 断电，电动机停转，摇臂停止上升。当摇臂下降至极限位置时，SQ1-2 分断，电动机停转，摇臂停止下降。

（4）立柱的夹紧与松开控制。由KM4 和KM5 来控制电动机M4，实现立柱的夹紧与松开，立柱的夹紧放松属短时操作，因此采用点动控制。当需要让摇臂回转时，必须将夹紧装置松开，推动摇臂，才可以实现摇臂与外立柱一起绕内立柱转动。不做回转运动时，应保持内外立柱之间是夹紧的。

按下启动按钮SB1，KM4 通电吸合，电动机M4 正转启动，带动齿轮油泵，送出高压油，经油路系统和机械传动系统将内外立柱松开，松开SB1，电动机就停转。需要夹紧立柱时，按下启动按钮SB2，接触器KM5 得电吸合，电动机M4 反转，带动齿轮油泵送出反向高压油，通过液压系统和机械传动系统将内外立柱间夹紧，松开SB2，M4 停转。

（5）冷却泵控制。当需要冷却液时，合上QS2，电动机M1 启动，送出冷却液。

（6）照明线路。变压器TC 供应36V 安全电压给照明电路，SA5 作为接通或断开照明电路的开关，熔断器FU3 作短路保护。(www.daowen.com)

3.保护环节

FU1 实现总的短路保护，FU2 用作M3 和M4 的短路保护。FR 用作主电动机M2 的过载保护，其余电动机为短时工作，所以不设过载保护。

4.电气线路常见故障分析

（1）主轴电动机不能启动。首先检查熔断器FU1 的熔断丝是否熔断，其次，检查十字开关的位置是否能压动微动开关，微动开关的触头是否完好，接触器KM1 的触头是否良好。此外，连接导线的螺钉松动，电网电压过低，使零压继电器KV 不能吸合也是造成电动机无法启动的原因。

（2）摇臂升降失灵。

①摇臂上升或下降后，不能完全夹紧。主要原因是位置开关SQ2 的位置调整不当，SQ2-1或SQ2-2 过早分断，使摇臂还没有完全夹紧时就停止了夹紧动作。

②摇臂上升或下降时不能及时停止。这种故障也是位置开关SQ2 位置不当所引起的。例如，在十字开关扳到向下位置时，KM3 吸合，电动机反转，首先松开夹紧装置，并压合位置开关SQ2 使SQ2-1 闭合，为下降后的夹紧作准备。但如果SQ2 的位置不当，反而使SQ2-2 闭合，这样，当十字开关扳回中间位置时，KM3 通过SQ2-2 继续通电，使摇臂一直下降，即使到下限保护开关SQ1 断开时，仍不能停下。一旦发生这种现象，必须立刻关断电源开关QS1，使机床断电，重新调整位置开关后再运行使用。

③摇臂升降电动机反复正反转，不能停止。出现这一现象的原因是位置开关SQ2 的两对触头的动触头位置太近，没有足够的间隙。当上升运动完成后，将十字开关扳回中间位置，KM2 断电，由于SQ2-2 闭合，因此KM3 吸合，电动机M3 反转，摇臂夹紧，同时带动齿轮使SQ2-2 分断，KM3 释放。但由于惯性作用，SQ2 开关的机械部分在撞击SQ2-2的动触头使其分断后，又撞击SQ2-1 的动触头使SQ2-1 闭合。这样KM2 又通电，M3 又正转起来。如此循环，使夹紧、放松动作不停重复。

摇臂的升、降、夹紧、放松是由电气和机械相互配合实现的，在维修时，要对电气和机械部分都加以检查。

（3）立柱夹紧与松开失灵。按钮SB1、SB2 接触不良，或者接触器KM4、KM5 的常闭触头接触不良，主电路熔断器FU1、FU2 熔断等，都会导致立柱松紧电动机M4 不能启动，从而造成立柱控制失灵。

三、Z3040 型摇臂钻床

Z3040 型摇臂钻床是在Z35 型摇臂钻床基础上的更新产品。它取消了Z35 型钻床的汇流环供电方式，而改为了直接由机床底座进线，由外立柱顶部引出再进入摇臂后面的电气壁龛。对内、外立柱、主轴箱及摇臂的夹紧放松和其他一些环节，采用了先进的液压技术。其电气控制线路如图4-14 所示。

图4-14　Z3040 型摇臂钻床的电气控制线路示意

1.液压系统介绍

Z3040 型摇臂钻床有两套液压控制系统，一个是操纵机构液压系统，另一个是夹紧机构液压系统。

操纵机构液压系统安装在主轴箱内，实现主轴正反转、停车制动、空挡、预选及变速控制。它的液压泵由主轴电动机M1 拖动。主轴电动机启动后，将操纵手柄置于相应位置（5 个位置）时，通过液压油阀使压力油作相应的分配，液压系统就能实现对主轴的相应操作。

夹紧机构液压系统安装在摇臂背后的电器盒下部，实现夹紧和松开主轴箱、摇臂和立柱的控制。液压泵由液压泵电动机M3 拖动。通过电磁阀控制液压油油压传输路径，并配合液压电动机的正反转，就可以实现主轴箱与摇臂、摇臂与外立柱及外立柱与内立柱之间的夹紧和松开控制。

2.电气控制线路分析

（1）主电路分析。主轴电动机M1 为单方向旋转，由接触器KM1 控制。主轴的正反转由机床液压系统操纵机构配合正反转摩擦离合器实现，并由热继电器FR1 作电动机过载保护。摇臂升降电动机M2 由正、反转接触器KM2、KM3 控制来实现正反转。在操纵摇臂升降时，控制电路首先使液压泵电动机M3 启动旋转，送出压力油，经液压系统将摇臂松开，然后才使M2 启动，拖动摇臂上升或下降。当摇臂移动到位后，控制电路首先使M2先停下，再自动通过液压系统将摇臂夹紧，最后液压泵电动机才停转。M2 为短时工作，不用设过载保护。

M3 由接触器KM4、KM5 实现正、反转控制，热继电器FR2 作过载保护。M4 为冷却泵电动机，由开关SA1 控制。

（2）主轴电动机的控制。按钮SB1、SB2 与接触器KM1 构成主轴电动机的单方向旋转控制电路。M1 启动后，指示灯HL3 亮，表示主轴电动机在旋转。

（3）摇臂升降的控制。摇臂的升降、松开与夹紧是一套连贯的动作，需要电动机与夹紧机构液压系统紧密配合。按钮SB3、SB4 及正、反转接触器KM2、KM3 组成具有双重互锁的电动机正、反转点动控制电路，控制摇臂的上升、下降。控制液压泵电动机的接触器KM4、KM5 与电磁阀YV 配合，完成摇臂的夹紧与松开。KM5 通电、YV 断电时，摇臂夹紧，KM4、YV 通电时，摇臂松开。

以摇臂上升为例，按下摇臂上升点动按钮SB3，时间继电器KT 线圈通电，瞬动常开触头KT 闭合，接触器KM4 线圈通电，液压泵电动机M3 反向启动旋转，拖动液压泵送出压力油。同时KT 的断电延时断开触头KT 闭合，电磁阀YV 线圈通电，液压泵送出的压力油经二位六通阀进入摇臂夹紧机构的松开油腔，推动活塞和菱形块将摇臂松开。SQ3 复位，其常闭触头闭合，为KM5 通电做准备。摇臂松开时，活塞杆通过弹簧片压下行程开关SQ2，发出摇臂松开信号，即常闭触头SQ2 断开，KM4 线圈失电，电动机M3 停转，液压泵停止供油，摇臂处于松开状态。SQ2 的常开触头闭合，线圈KM2 得电，摇臂升降电动机M2 正向启动旋转，摇臂上升。

当摇臂上升到所需位置时，松开按钮SB3，KM2 线圈失电，摇臂升降电动机M2 断电，但还将惯性转动，此时不能启动电动机M3 夹紧摇臂。KT 线圈断电，其断电延时闭合触头KT 断电延时1～3 s，在这期间，KM5 线圈仍处于断电状态，电磁阀YV 仍处于通电状态，这样就确保了摇臂升降电动机在断开电源后直到完全停止运转才能开始摇臂的夹紧动作。

时间继电器KT 断电延时时间到后，常闭触头KT 闭合，由于SQ3 常闭触头闭合，KM5 线圈通电吸合，液压泵电动机M3 正向启动，拖动液压泵，供出压力油。同时常开触头KT 断开，电磁阀YV 线圈断电，这时压力油经二位六通阀进入摇臂夹紧油腔，反向推动活塞和菱形块，将摇臂夹紧。活塞杆通过弹簧片压下行程开关SQ3，其常闭触头SQ3 断开，KM5 线圈断电，M3 停止旋转，实现摇臂夹紧，上升过程结束。

摇臂升降的极限保护由行程开关SQ1 来实现。当摇臂在正常位置时，SQ1 的两对触头已调整在接通位置。当摇臂上升或下降到极限位置时，其对应触头断开，切断上升或下降接触器KM2 或KM3，使M2 停止运转，摇臂停止移动，从而实现限位保护。

（4）主轴箱、立柱松开与夹紧的控制。主轴箱和摇臂之间、外立柱和内立柱之间的夹紧与松开是同时进行的。主轴箱、立柱的夹紧与松开也是由液压泵电动机的转向与电磁阀配合来实现的。

按下按钮SB5，接触器KM4 线圈通电，液压泵电动机M3 反转，拖动液压泵送出压力油，这时电磁阀YV 线圈处于断电状态，压力油经二位六通阀进入主轴箱与立柱松开油腔，推动活塞和菱形块，使主轴箱与立柱松开。由于YV 线圈断电，压力油不能进入摇臂松开油腔，摇臂仍处于夹紧状态。当主轴箱与立柱松开时，行程开关SQ4 没有受压，常闭触头SQ4闭合，指示灯HL1 亮，表示主轴箱与立柱确已松开。可以手动操作主轴箱在摇臂的水平导轨上移动，也可推动摇臂使外立柱绕内立柱作回转移动。当移动到位后，按下夹紧按钮SB6，此时接触器KM5 线圈通电，M3 正转，拖动液压泵送出压力油至夹紧油腔，使主轴箱与立柱夹紧。夹紧完成后，SQ4 动作，常开触头闭合，HL2 亮，指示主轴箱与立柱已夹紧，这时可以松开SB6，KM5 断电，M3 停转，夹紧过程结束，这时可以进行切削加工。

（5）联锁、保护环节。熔断器FU1 作为总电路和电动机M1、M4 的短路保护。熔断器FU2 为电动机M2、M3 及控制变压器T 一次侧的短路保护。熔断器FU3 为照明电路的短路保护。热继电器FR1、FR2 为电动机M1、M3 的长期过载保护。

组合开关SQ1 为摇臂上升、下降的极限位置保护，行程开关SQ2 实现摇臂松开到位与开始升降的联锁，SQ3 实现摇臂完全夹紧与液压泵电动机M3 停止旋转的联锁。时间继电器KT 实现摇臂升降电动机M2 断开电源待惯性旋转停止后再进行摇臂夹紧的联锁，摇臂升降电动机M2 正反转具有双重互锁。SB5 与SB6 常闭触头接入电磁阀YV 线圈电路实现在进行主轴箱与立柱夹紧、松开操作时，压力油不能进入摇臂夹紧油腔的联锁。

3.照明与信号指示电路

HL1 为主轴箱、立柱松开指示灯，灯亮表示已松开，可以手动操作主轴箱沿摇臂水平移动或摇臂回转。HL2 为主轴箱、立柱夹紧指示灯，灯亮表示已夹紧，可以进行钻削加工。HL3 为主轴旋转工作指示灯。

照明灯EL 由控制变压器T 供给36V 安全电压，经开关SA2 操作实现钻床局部照明。

4.常见故障分析

（1）摇臂不能上升（或下降）。摇臂移动的前提是摇臂首先要完全松开，压下SQ2，KM4 线圈断电，KM2 线圈得电，M3 停转而M2 启动。此时摇臂方可上升。若SQ2 位置改变，造成活塞杆压不上SQ2，KM2 不能吸合，升降电动机不能得电旋转，摇臂不能上升。有时也会出现液压系统故障，如液压泵卡死、不转，油路堵塞或气温太低时油的黏度增大，使摇臂不能完全松开，活塞杆也就压不下SQ2，摇臂也不能上升。另外电动机M3 电源相序接反，当按下SB3 摇臂上升按钮时，液压泵电动机反转，使摇臂夹紧，压不上SQ2，摇臂也就不能上升或下降。

若SQ2 动作正常，则说明故障发生在接触器KM2 或升降电动机M2 上。

（2）摇臂移动后不能夹紧。摇臂升降后能自动夹紧，夹紧动作完成后，SQ3 触头断开，M3 停转。若摇臂夹不紧，说明摇臂控制电路能够动作，只是夹紧力不够。原因可能是SQ3 安装不当或松动移位，在摇臂还没有充分夹紧时SQ3 就动作了，使M3 停止转动而停止了夹紧动作。另外一个原因可能是KM5 线圈电路出现故障。