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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(文獻(xiàn)綜述) 第 6頁<><>
數(shù)控電動(dòng)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(shí)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(jī)床的加工效率和加工精度。電動(dòng)刀架是數(shù)控車床進(jìn)行自動(dòng)換刀的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)刀架上刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)和刀盤的開定位、定位與夾緊的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，具有傳動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣正反轉(zhuǎn)控制、PLC編程控制等數(shù)控機(jī)床的核心內(nèi)容，是每一個(gè)學(xué)習(xí)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)所必須掌握的，具有機(jī)械、電氣的綜合特點(diǎn)，同時(shí)電動(dòng)刀架在數(shù)控加工過程中容易出現(xiàn)故障，因而對(duì)于該刀架的結(jié)構(gòu)和故障分析，也是相當(dāng)重要的。而常見的電動(dòng)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(shí)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(dòng)刀架，TND360刀架，LDB4刀架，故障
1、數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢(shì)
數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢(shì)是：數(shù)控刀架開始向快速換刀、簡(jiǎn)單實(shí)用、造價(jià)低、可靠、電液組合驅(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。如下圖1所示：
圖1 10工位刀架
目前國(guó)內(nèi)數(shù)控刀架以電動(dòng)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(jiǎn)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(dòng)刀架和伺服驅(qū)動(dòng)刀架。
數(shù)控刀架的市場(chǎng)分析：國(guó)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(dòng)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(dá)10000～50000臺(tái)。
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(shí)現(xiàn)刀具自動(dòng)交換及回轉(zhuǎn)動(dòng)力刀具的傳動(dòng)。因此技術(shù)含量高，已趨向?qū)I(yè)化開發(fā)生產(chǎn)。所以對(duì)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(jī)床行業(yè)重視。
典型數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架一般由動(dòng)力源（電機(jī)或油缸、液壓馬達(dá)）、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、預(yù)分度機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、檢測(cè)裝置、接口電路、刀具安裝臺(tái)（刀盤）、動(dòng)力刀座等組成。數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的動(dòng)作循環(huán)為：T指令（換刀指令——刀盤旋轉(zhuǎn)——刀位檢測(cè)——預(yù)分——精確定位——刀盤鎖緊——結(jié)束信號(hào)。
3、數(shù)控刀架的功能
數(shù)控機(jī)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(dòng)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(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)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(dòng)刀架，有的還使用兩個(gè)回轉(zhuǎn)刀盤。加工中心則進(jìn)一步采用了刀庫(kù)和換刀機(jī)械手，定現(xiàn)了大容量存儲(chǔ)刀具和自動(dòng)交換刀具的功能，這種刀庫(kù)安放刀具的數(shù)量從幾十把到上百把，自動(dòng)交換刀具的時(shí)間從十幾秒減少到幾秒甚至零點(diǎn)幾秒。因此，刀架的性能和結(jié)構(gòu)往往直接影響到機(jī)床的切削性能、切削效率和體現(xiàn)了機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平。
4、自動(dòng)換刀裝置的基本要求
?。?）換刀時(shí)間短，以減少非加工時(shí)間；
?。?）減少換刀動(dòng)作對(duì)加工范圍的干擾；
（3）刀具重復(fù)定位精度高；
?。?）識(shí)刀、選刀可靠，換刀動(dòng)作簡(jiǎn)單可靠；
?。?）刀庫(kù)刀具存儲(chǔ)量合理；
（6）刀庫(kù)占地面積小，并能與主機(jī)配合，使機(jī)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(hù)。
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(kù)的自動(dòng)換刀裝置等多種形式，下面對(duì)這三種形式的刀架作簡(jiǎn)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(jī)床的X坐標(biāo)軸方向排列在橫向滑板上。這種刀架在刀具布置和機(jī)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(dòng)預(yù)先設(shè)定的距離后，第二把刀就到達(dá)加工位置，這樣就完成了機(jī)床的換刀動(dòng)作。這種換刀方式迅速省時(shí)，有利于提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。眾鑫機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)換刀動(dòng)作，根據(jù)加工要求可設(shè)計(jì)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(dòng)作可分為刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位和刀架鎖緊等幾個(gè)步驟。它的動(dòng)作是由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令完成的?；剞D(zhuǎn)刀架根據(jù)刀架回轉(zhuǎn)軸與安裝底面的相對(duì)位置，分為立式刀架和臥式刀架兩種。
5.3 帶刀庫(kù)的自動(dòng)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(gè)刀架，對(duì)刀具的數(shù)目也有一定限制。當(dāng)由于某種原因需要數(shù)量較多的刀具時(shí)，應(yīng)采用帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置。帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置由刀庫(kù)和刀具交換機(jī)構(gòu)組成。
6、常用刀架的簡(jiǎn)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(jī)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(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)刀盤的開定位轉(zhuǎn)動(dòng)換刀位定位和夾緊的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。要實(shí)現(xiàn)刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)換刀，就要使得刀盤的定位機(jī)構(gòu)脫開后，才能進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到位后，刀盤要定位并夾緊，才能進(jìn)行加工。
轉(zhuǎn)塔刀架的換刀傳動(dòng)是由刀架電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，刀盤的抬起是用凸輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，而刀盤在圓周方向上的分度是用槽輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，分度完成后的回復(fù)也是在碟形彈簧的作用下進(jìn)行工作的 刀盤在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，經(jīng)1：1的齒輪副將運(yùn)動(dòng)傳遞給圓光柵，由圓光柵將轉(zhuǎn)位信號(hào)送可編程控制器進(jìn)行刀位計(jì)數(shù)在加工的過程中，當(dāng)端面齒盤上的定位銷拔出后，切削力過大或撞刀時(shí)，刀盤會(huì)產(chǎn)生微量轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)圓光柵的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)就成為刀架過載報(bào)警信號(hào)，機(jī)床就會(huì)迅速停機(jī)。圓光柵將傳動(dòng)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)送給數(shù)控系統(tǒng)，正常時(shí)用于刀盤上刀具刀位的計(jì)數(shù)；撞刀時(shí)用于產(chǎn)生刀架報(bào)警信號(hào)。刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)可根據(jù)最近找刀原則實(shí)現(xiàn)正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到快速找刀的目的。
6.2 LDB4電動(dòng)刀架的結(jié)構(gòu)與工作原理
LDB4屬于四工位刀架，由電動(dòng)機(jī) 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(shí)，電動(dòng)機(jī)通過渦輪和蝸桿結(jié)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)傳
給絲杠，螺母和轉(zhuǎn)動(dòng)的刀架是鍵槽聯(lián)結(jié)，即螺母和轉(zhuǎn)動(dòng)的刀架只能做相對(duì)上下滑動(dòng)，而不能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而螺母與電機(jī)底座是通過齒面嚙合形成定位機(jī)構(gòu)，在這對(duì)嚙合齒脫開之前，螺母是不能轉(zhuǎn)動(dòng)的 ，也就是轉(zhuǎn)動(dòng)的刀架也是不能轉(zhuǎn)動(dòng)，剛剛開始，由于絲杠的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，螺母相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)的刀架向上移動(dòng)，當(dāng)嚙合齒脫開后，通過銷釘和止推槽的作用，使得絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)→螺母轉(zhuǎn)動(dòng)→刀架轉(zhuǎn)動(dòng)→進(jìn)行換刀，到指定的工位時(shí)，通過霍爾元件定位系統(tǒng)將到位信號(hào)傳遞給數(shù)控裝置系統(tǒng)，從而停止轉(zhuǎn)動(dòng)，通過霍爾元件定位系統(tǒng)和輔助定位銷釘進(jìn)行位置的定位；數(shù)控裝置控制刀架換刀電動(dòng)機(jī)進(jìn)行一定延時(shí)的反轉(zhuǎn)信號(hào)，因?yàn)橹雇其N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(dòng)，直到兩對(duì)嚙合齒重新嚙合為止，這樣完成了整個(gè)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(diǎn)：都實(shí)現(xiàn)了刀盤的抬起與鎖緊動(dòng)作，刀盤的圓周定位，實(shí)現(xiàn)了同樣的功能。兩種結(jié)構(gòu)只是機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同，而在電動(dòng)機(jī)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(jī)構(gòu)和碟形彈簧實(shí)現(xiàn)的，刀盤的圓周分度是由槽輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，槽輪實(shí)現(xiàn)的是8工位的刀盤分度；LDB4電動(dòng)刀架的抬起與鎖緊是由絲杠螺母的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，而刀架的圓周分度是由霍爾元件定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，其實(shí)現(xiàn)的是4工位的刀盤分度；結(jié)構(gòu)上是LDB4比較簡(jiǎn)單、實(shí)用。在分度精度上TND360定位精度比較高，同時(shí)比較可靠。而且TND360存在一定的報(bào)警功能，當(dāng)切削力過大或撞刀時(shí)，刀盤產(chǎn)生不是常規(guī)的微量轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)時(shí)候圓光柵就傳遞出對(duì)應(yīng)的傳感器信號(hào)，而這個(gè)信號(hào)就成為刀架的過載報(bào)警信號(hào)，這樣數(shù)控系統(tǒng)就會(huì)停機(jī)，而這個(gè)功能LDB4是沒有的。
7、常見的故障分析與診斷實(shí)例
7.1 LDB4刀架在換刀過程中找不到對(duì)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(dòng)刀架的正轉(zhuǎn)，在正轉(zhuǎn)的過程中，一個(gè)小磁塊固定不動(dòng)，4個(gè)工位的霍爾元件跟隨刀架旋轉(zhuǎn)，當(dāng)其中一個(gè)霍爾元件接近小磁塊后，發(fā)出對(duì)應(yīng)的高電平或低電平信號(hào)，當(dāng)所需要工位的霍爾元件接近小磁塊時(shí)，該信號(hào)傳遞回?cái)?shù)控系統(tǒng)，這時(shí)數(shù)控系統(tǒng)停止正轉(zhuǎn)控制，發(fā)出延時(shí)的反轉(zhuǎn)信號(hào)，控制刀架縮緊。當(dāng)對(duì)應(yīng)的霍爾元件出現(xiàn)故障或信號(hào)回傳通道出現(xiàn)故障的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的刀位信號(hào)無法反饋回?cái)?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(hào)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(gè)層次：定位霍爾元件進(jìn)行電動(dòng)機(jī)定位，定位卡銷與刀座上的卡槽進(jìn)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(shí)現(xiàn)的，而該下降的運(yùn)動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的，如果無法鎖緊，就是螺母沒有對(duì)于絲杠做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，首先是數(shù)控系統(tǒng)有無反轉(zhuǎn)信號(hào)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(dòng)機(jī)是否損壞、絲杠螺母機(jī)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(dòng)機(jī)檢查、絲杠螺母機(jī)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(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，而凸輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀盤軸向上移動(dòng)，從而抬起刀盤，而刀盤無法抬起，一者電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，無法實(shí)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(dòng)機(jī)系統(tǒng)、檢查凸輪系統(tǒng)。
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