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黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計(文獻綜述) 第 6頁<><> 數(shù)控電動刀架 摘要：數(shù)控刀架是數(shù)控車床最普遍的一種輔助裝置，它可使數(shù)控車床在工件一次裝夾中完成多種甚至所有的加工工序，以縮短加工的輔助時間，減少加工過程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機床的加工效率和加工精度。電動刀架是數(shù)控車床進行自動換刀的實現(xiàn)機構(gòu)，實現(xiàn)刀架上刀盤的轉(zhuǎn)動和刀盤的開定位、定位與夾緊的運動，以實現(xiàn)刀具的自動轉(zhuǎn)換，具有傳動機械結(jié)構(gòu)、電氣正反轉(zhuǎn)控制、PLC編程控制等數(shù)控機床的核心內(nèi)容，是每一個學習數(shù)控機床結(jié)構(gòu)所必須掌握的，具有機械、電氣的綜合特點，同時電動刀架在數(shù)控加工過程中容易出現(xiàn)故障，因而對于該刀架的結(jié)構(gòu)和故障分析，也是相當重要的。而常見的電動刀架中具有典型的結(jié)構(gòu)有TND360刀架和LDB4刀架，這兩種刀架都實現(xiàn)了刀盤的正向換刀和反向鎖緊，刀盤的圓周定位功能。 關(guān)鍵字：數(shù)控車床，電動刀架，TND360刀架，LDB4刀架，故障 1、數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢 數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢是：數(shù)控刀架開始向快速換刀、簡單實用、造價低、可靠、電液組合驅(qū)動和伺服驅(qū)動方向發(fā)展。如下圖1所示： 圖1 10工位刀架 目前國內(nèi)數(shù)控刀架以電動為主，分為立式和臥式兩種。立式刀架有四、六工位兩種形式，主要用于簡易數(shù)控車床；臥式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋轉(zhuǎn)，就近選刀，用于全功能數(shù)控車床。另外臥式刀架還有液動刀架和伺服驅(qū)動刀架。 數(shù)控刀架的市場分析：國產(chǎn)數(shù)控車床今后將向中高檔發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用動力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種，近年來需要量可達10000～50000臺。 2、數(shù)控刀架的開發(fā)應(yīng)用 　　數(shù)控刀架是以回轉(zhuǎn)分度實現(xiàn)刀具自動交換及回轉(zhuǎn)動力刀具的傳動。因此技術(shù)含量高，已趨向?qū)I(yè)化開發(fā)生產(chǎn)。所以對數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的研究開發(fā)及應(yīng)用已引起數(shù)控機床行業(yè)重視。 　　典型數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架一般由動力源（電機或油缸、液壓馬達）、機械傳動機構(gòu)、預(yù)分度機構(gòu)、定位機構(gòu)、鎖緊機構(gòu)、檢測裝置、接口電路、刀具安裝臺（刀盤）、動力刀座等組成。數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的動作循環(huán)為：T指令（換刀指令——刀盤旋轉(zhuǎn)——刀位檢測——預(yù)分——精確定位——刀盤鎖緊——結(jié)束信號。 3、數(shù)控刀架的功能 　　數(shù)控機床上的刀架是安放刀具的重要部件，許多刀架還直接參與切削工作，如臥式車床上的四方刀架，轉(zhuǎn)塔車床的轉(zhuǎn)塔刀架，回轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)塔車床的回轉(zhuǎn)刀架，自動車床的轉(zhuǎn)塔刀架和天平刀架等。這些刀架既安放刀具，而且還直接參與切削，承受極大的切削力作用，所以它往往成為工藝系統(tǒng)中的較薄弱環(huán)節(jié)。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，機床的刀架也有了許多變化，特別是數(shù)控車床上采用電(液)換位的自動刀架，有的還使用兩個回轉(zhuǎn)刀盤。加工中心則進一步采用了刀庫和換刀機械手，定現(xiàn)了大容量存儲刀具和自動交換刀具的功能，這種刀庫安放刀具的數(shù)量從幾十把到上百把，自動交換刀具的時間從十幾秒減少到幾秒甚至零點幾秒。因此，刀架的性能和結(jié)構(gòu)往往直接影響到機床的切削性能、切削效率和體現(xiàn)了機床的設(shè)計和制造技術(shù)水平。 4、自動換刀裝置的基本要求 　?。?）換刀時間短，以減少非加工時間； 　?。?）減少換刀動作對加工范圍的干擾； 　?。?）刀具重復(fù)定位精度高； 　?。?）識刀、選刀可靠，換刀動作簡單可靠； 　?。?）刀庫刀具存儲量合理； 　　（6）刀庫占地面積小，并能與主機配合，使機床外觀協(xié)調(diào)美觀； 　?。?）刀具裝卸、調(diào)整、維修方便，并能得到清潔的維護。 5、數(shù)控刀架的類型 按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式，下面對這三種形式的刀架作簡單的介紹。 5.1 排式刀架 　　排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主。其結(jié)構(gòu)形式為： 　　夾持著各種不同用途刀具的刀夾沿著機床的X坐標軸方向排列在橫向滑板上。這種刀架在刀具布置和機床調(diào)整等方面都較為方便，可以根據(jù)具體工件的車削工藝要求，任意組合各種不同用途的刀具，一把刀具完成車削任務(wù)后，橫向滑板只要按程序沿X軸移動預(yù)先設(shè)定的距離后，第二把刀就到達加工位置，這樣就完成了機床的換刀動作。這種換刀方式迅速省時，有利于提高機床的生產(chǎn)效率。眾鑫機床廠生產(chǎn)的TC140全功能數(shù)控車床配置的就是排式刀架。 5.2 回轉(zhuǎn)刀架 　　回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，一般通過液壓系統(tǒng)或電氣來實現(xiàn)機床的自動換刀動作，根據(jù)加工要求可設(shè)計成四方、六方刀架或圓盤式刀架，并相應(yīng)地安裝4把、6把或更多的刀具?；剞D(zhuǎn)刀架的換刀動作可分為刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位和刀架鎖緊等幾個步驟。它的動作是由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令完成的。回轉(zhuǎn)刀架根據(jù)刀架回轉(zhuǎn)軸與安裝底面的相對位置，分為立式刀架和臥式刀架兩種。 5.3 帶刀庫的自動換刀裝置 　　上述排刀式刀架和回轉(zhuǎn)刀架所安裝的刀具都不可能太多，即使是裝備兩個刀架，對刀具的數(shù)目也有一定限制。當由于某種原因需要數(shù)量較多的刀具時，應(yīng)采用帶刀庫的自動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝置由刀庫和刀具交換機構(gòu)組成。 6、常用刀架的簡介 6.1 TND360刀架的結(jié)構(gòu)與工作原理 轉(zhuǎn)塔刀架是由換刀機構(gòu)和刀盤組成，刀盤用于刀具的安裝、刀盤的背面裝有端面齒盤，用于刀盤的定位。轉(zhuǎn)塔刀架的換刀機構(gòu)是實現(xiàn)刀盤的開定位轉(zhuǎn)動換刀位定位和夾緊的傳動機構(gòu)。要實現(xiàn)刀盤的轉(zhuǎn)動換刀，就要使得刀盤的定位機構(gòu)脫開后，才能進行轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)動到位后，刀盤要定位并夾緊，才能進行加工。 轉(zhuǎn)塔刀架的換刀傳動是由刀架電動機提供動力，刀盤的抬起是用凸輪機構(gòu)來實現(xiàn)的，而刀盤在圓周方向上的分度是用槽輪機構(gòu)來實現(xiàn)的，分度完成后的回復(fù)也是在碟形彈簧的作用下進行工作的 刀盤在轉(zhuǎn)動過程中，經(jīng)1：1的齒輪副將運動傳遞給圓光柵，由圓光柵將轉(zhuǎn)位信號送可編程控制器進行刀位計數(shù)在加工的過程中，當端面齒盤上的定位銷拔出后，切削力過大或撞刀時，刀盤會產(chǎn)生微量轉(zhuǎn)動，這時圓光柵的轉(zhuǎn)動信號就成為刀架過載報警信號，機床就會迅速停機。圓光柵將傳動轉(zhuǎn)換成脈沖信號送給數(shù)控系統(tǒng)，正常時用于刀盤上刀具刀位的計數(shù)；撞刀時用于產(chǎn)生刀架報警信號。刀盤的轉(zhuǎn)動可根據(jù)最近找刀原則實現(xiàn)正反向轉(zhuǎn)動，以達到快速找刀的目的。 6.2 LDB4電動刀架的結(jié)構(gòu)與工作原理 LDB4屬于四工位刀架，由電動機 蝸輪和蝸桿結(jié)構(gòu)絲杠和螺母結(jié)構(gòu)霍爾元件定位系統(tǒng)等組成，正轉(zhuǎn)時，電動機通過渦輪和蝸桿結(jié)構(gòu)將驅(qū)動傳 給絲杠，螺母和轉(zhuǎn)動的刀架是鍵槽聯(lián)結(jié)，即螺母和轉(zhuǎn)動的刀架只能做相對上下滑動，而不能相對轉(zhuǎn)動，而螺母與電機底座是通過齒面嚙合形成定位機構(gòu)，在這對嚙合齒脫開之前，螺母是不能轉(zhuǎn)動的 ，也就是轉(zhuǎn)動的刀架也是不能轉(zhuǎn)動，剛剛開始，由于絲杠的順時針旋轉(zhuǎn)，螺母相對于轉(zhuǎn)動的刀架向上移動，當嚙合齒脫開后，通過銷釘和止推槽的作用，使得絲杠轉(zhuǎn)動→螺母轉(zhuǎn)動→刀架轉(zhuǎn)動→進行換刀，到指定的工位時，通過霍爾元件定位系統(tǒng)將到位信號傳遞給數(shù)控裝置系統(tǒng)，從而停止轉(zhuǎn)動，通過霍爾元件定位系統(tǒng)和輔助定位銷釘進行位置的定位；數(shù)控裝置控制刀架換刀電動機進行一定延時的反轉(zhuǎn)信號，因為止推銷釘?shù)淖饔?，螺母系統(tǒng)和刀架系統(tǒng)不能反轉(zhuǎn)，因而螺母系統(tǒng)順著絲杠向下移動，直到兩對嚙合齒重新嚙合為止，這樣完成了整個換刀的過程。 6.3 兩種結(jié)構(gòu)的比較 兩種結(jié)構(gòu)的共同點：都實現(xiàn)了刀盤的抬起與鎖緊動作，刀盤的圓周定位，實現(xiàn)了同樣的功能。兩種結(jié)構(gòu)只是機械結(jié)構(gòu)的不同，而在電動機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的電氣控制上卻是完全相同的。 兩者的區(qū)別：TND360的刀盤的抬起與鎖緊是由凸輪機構(gòu)和碟形彈簧實現(xiàn)的，刀盤的圓周分度是由槽輪機構(gòu)實現(xiàn)的，槽輪實現(xiàn)的是8工位的刀盤分度；LDB4電動刀架的抬起與鎖緊是由絲杠螺母的系統(tǒng)實現(xiàn)的，而刀架的圓周分度是由霍爾元件定位系統(tǒng)實現(xiàn)的，其實現(xiàn)的是4工位的刀盤分度；結(jié)構(gòu)上是LDB4比較簡單、實用。在分度精度上TND360定位精度比較高，同時比較可靠。而且TND360存在一定的報警功能，當切削力過大或撞刀時，刀盤產(chǎn)生不是常規(guī)的微量轉(zhuǎn)動，這個時候圓光柵就傳遞出對應(yīng)的傳感器信號，而這個信號就成為刀架的過載報警信號，這樣數(shù)控系統(tǒng)就會停機，而這個功能LDB4是沒有的。 7、常見的故障分析與診斷實例 7.1 LDB4刀架在換刀過程中找不到對應(yīng)的刀位 故障分析：LDB4刀架的換刀的過程是數(shù)控系統(tǒng)控制電動刀架的正轉(zhuǎn)，在正轉(zhuǎn)的過程中，一個小磁塊固定不動，4個工位的霍爾元件跟隨刀架旋轉(zhuǎn)，當其中一個霍爾元件接近小磁塊后，發(fā)出對應(yīng)的高電平或低電平信號，當所需要工位的霍爾元件接近小磁塊時，該信號傳遞回數(shù)控系統(tǒng)，這時數(shù)控系統(tǒng)停止正轉(zhuǎn)控制，發(fā)出延時的反轉(zhuǎn)信號，控制刀架縮緊。當對應(yīng)的霍爾元件出現(xiàn)故障或信號回傳通道出現(xiàn)故障的時候，對應(yīng)的刀位信號無法反饋回數(shù)控系統(tǒng)，就出現(xiàn)了刀位故障。 排除方法：檢查霍爾元件是否出現(xiàn)故障、檢查信號通道是否暢通。 7.2 LDB4定位精度出現(xiàn)誤差 故障分析：LDB4的定位分為兩個層次：定位霍爾元件進行電動機定位，定位卡銷與刀座上的卡槽進行精確定位。如果出現(xiàn)定位精度出現(xiàn)誤差，主要是定位霍爾元件是否出現(xiàn)移位或位置出現(xiàn)誤差，或者彈簧定位卡銷出現(xiàn)故障 排除方法：檢查定位霍爾元件的位置、檢查彈簧定位卡銷系統(tǒng)。 7.3 LDB4刀位無法鎖緊 故障分析：LDB4刀架的鎖緊是依靠螺母在絲杠上的下降來實現(xiàn)的，而該下降的運動是由電動機的反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的，如果無法鎖緊，就是螺母沒有對于絲杠做相對運動，首先是數(shù)控系統(tǒng)有無反轉(zhuǎn)信號傳到24V繼電器、24V繼電器是否工作、220V反轉(zhuǎn)控制交流接觸器是否工作、刀架正反轉(zhuǎn)控制電動機是否損壞、絲杠螺母機械結(jié)構(gòu)是否卡死。 排除方法：24V繼電器檢查、220V交流接觸器檢查、電動機檢查、絲杠螺母機械結(jié)構(gòu)檢查。 7.4 TND360刀盤無法抬起 故障分析：TND360刀盤的抬起是通過電動機的正轉(zhuǎn)帶動凸輪旋轉(zhuǎn)，而凸輪的旋轉(zhuǎn)帶動刀盤軸向上移動，從而抬起刀盤，而刀盤無法抬起，一者電動機系統(tǒng)出現(xiàn)故障，無法實現(xiàn)正轉(zhuǎn)；凸輪軸系統(tǒng)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象或凸輪系統(tǒng)出現(xiàn)故障。 排除方法：檢查電動機系統(tǒng)、檢查凸輪系統(tǒng)。 參考文獻 [1] 蔡厚道.數(shù)控機床構(gòu)造[M].北京：北京理工大學出版社，2007 [2] 陳志雄.數(shù)控機床與數(shù)控編程技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003 [3] 徐夏民.數(shù)控原理與數(shù)控系統(tǒng)[M].北京：北京理工大學出版社，1996 [4] 廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007 [5] 王海勇.數(shù)控機床結(jié)構(gòu)與維修[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009