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黃河科技學院畢業(yè)設計(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，實現(xiàn)刀架上刀盤的轉動和刀盤的開定位、定位與夾緊的運動，以實現(xiàn)刀具的自動轉換，具有傳動機械結構、電氣正反轉控制、PLC編程控制等數(shù)控機床的核心內容，是每一個學習數(shù)控機床結構所必須掌握的，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構和故障分析，也是相當重要的。而常見的電動刀架中具有典型的結構有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、電液組合驅動和伺服驅動方向發(fā)展。如下圖1所示：
圖1 10工位刀架
目前國內數(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，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動刀架。
數(shù)控刀架的市場分析：國產數(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)應用
數(shù)控刀架是以回轉分度實現(xiàn)刀具自動交換及回轉動力刀具的傳動。因此技術含量高，已趨向專業(yè)化開發(fā)生產。所以對數(shù)控轉塔刀架的研究開發(fā)及應用已引起數(shù)控機床行業(yè)重視。
典型數(shù)控轉塔刀架一般由動力源（電機或油缸、液壓馬達）、機械傳動機構、預分度機構、定位機構、鎖緊機構、檢測裝置、接口電路、刀具安裝臺（刀盤）、動力刀座等組成。數(shù)控轉塔刀架的動作循環(huán)為：T指令（換刀指令——刀盤旋轉——刀位檢測——預分——精確定位——刀盤鎖緊——結束信號。
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，轉塔車床的轉塔刀架，回轉式轉塔車床的回轉刀架，自動車床的轉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，刀架的性能和結構往往直接影響到機床的切削性能、切削效率和體現(xiàn)了機床的設計和制造技術水平。
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；
?。?）刀具重復定位精度高；
?。?）識刀、選刀可靠，換刀動作簡單可靠；
（5）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)調美觀；
?。?）刀具裝卸、調整、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。其結構形式為：
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后，橫向滑板只要按程序沿X軸移動預先設定的距離后，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效率。眾鑫機床廠生產的TC140全功能數(shù)控車床配置的就是排式刀架。
5.2 回轉刀架
回轉刀架是數(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)加工要求可設計成四方、六方刀架或圓盤式刀架，并相應地安裝4把、6把或更多的刀具?；剞D刀架的換刀動作可分為刀架抬起、刀架轉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?；剞D刀架根據(jù)刀架回轉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組成。
6、常用刀架的簡介
6.1 TND360刀架的結構與工作原理
轉塔刀架是由換刀機構和刀盤組成，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。轉塔刀架的換刀機構是實現(xiàn)刀盤的開定位轉動換刀位定位和夾緊的傳動機構。要實現(xiàn)刀盤的轉動換刀，就要使得刀盤的定位機構脫開后，才能進行轉動，當轉動到位后，刀盤要定位并夾緊，才能進行加工。
轉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來實現(xiàn)的，而刀盤在圓周方向上的分度是用槽輪機構來實現(xiàn)的，分度完成后的回復也是在碟形彈簧的作用下進行工作的 刀盤在轉動過程中，經1：1的齒輪副將運動傳遞給圓光柵，由圓光柵將轉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，刀盤會產生微量轉動，這時圓光柵的轉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)；撞刀時用于產生刀架報警信號。刀盤的轉動可根據(jù)最近找刀原則實現(xiàn)正反向轉動，以達到快速找刀的目的。
6.2 LDB4電動刀架的結構與工作原理
LDB4屬于四工位刀架，由電動機 蝸輪和蝸桿結構絲杠和螺母結構霍爾元件定位系統(tǒng)等組成，正轉時，電動機通過渦輪和蝸桿結構將驅動傳
給絲杠，螺母和轉動的刀架是鍵槽聯(lián)結，即螺母和轉動的刀架只能做相對上下滑動，而不能相對轉動，而螺母與電機底座是通過齒面嚙合形成定位機構，在這對嚙合齒脫開之前，螺母是不能轉動的 ，也就是轉動的刀架也是不能轉動，剛剛開始，由于絲杠的順時針旋轉，螺母相對于轉動的刀架向上移動，當嚙合齒脫開后，通過銷釘和止推槽的作用，使得絲杠轉動→螺母轉動→刀架轉動→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信號，因為止推銷釘?shù)淖饔茫菽赶到y(tǒng)和刀架系統(tǒng)不能反轉，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 兩種結構的比較
兩種結構的共同點：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。兩種結構只是機械結構的不同，而在電動機的正轉和反轉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和碟形彈簧實現(xiàn)的，刀盤的圓周分度是由槽輪機構實現(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；結構上是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，刀盤產生不是常規(guī)的微量轉動，這個時候圓光柵就傳遞出對應的傳感器信號，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，在正轉的過程中，一個小磁塊固定不動，4個工位的霍爾元件跟隨刀架旋轉，當其中一個霍爾元件接近小磁塊后，發(fā)出對應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)停止正轉控制，發(fā)出延時的反轉信號，控制刀架縮緊。當對應的霍爾元件出現(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)有無反轉信號傳到24V繼電器、24V繼電器是否工作、220V反轉控制交流接觸器是否工作、刀架正反轉控制電動機是否損壞、絲杠螺母機械結構是否卡死。
排除方法：24V繼電器檢查、220V交流接觸器檢查、電動機檢查、絲杠螺母機械結構檢查。
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帶動凸輪旋轉，而凸輪的旋轉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；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
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