董海云

北京金隅科技學(xué)校，北京 102403

數(shù)控車床是集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術(shù)為一體的機電一體化產(chǎn)品，是提高制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率必不可少的重要手段，數(shù)控車床帶有自動換刀裝置，自動換刀裝置的功能就是儲備一定數(shù)量的刀具并完成刀具的自動交換。數(shù)控車床上使用的回轉(zhuǎn)刀架換刀是一種常見的自動換刀裝置。

1 車床四工位電動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理

數(shù)控車床上使用的回轉(zhuǎn)刀架一般是立式的，具有四工位（裝有四把刀具）或六工位，由數(shù)控機床發(fā)出的脈沖指令進(jìn)行回轉(zhuǎn)和換刀。對于使用回轉(zhuǎn)刀架的數(shù)控機床，在加工過程中，回轉(zhuǎn)刀架不但可以存儲刀具，而且在切削時要連同刀具一起承受切削力，在加工過程中要完成刀具交換轉(zhuǎn)位、定位夾緊等動作。

圖1 四工位自動回轉(zhuǎn)刀架傳動結(jié)構(gòu)示意圖

四工位電動刀架一般由電動機、機械換刀機構(gòu)、發(fā)訊盤等組成如圖1所示，自動回轉(zhuǎn)刀架換刀具體的換刀動作如下：數(shù)控系統(tǒng)輸出換刀信號——PLC控制信號輸出（控制電路中繼電器-接觸器動作）——刀架電機正向?qū)さ堕_始——刀架抬起（螺桿將銷盤上升到一定高度）——刀架正轉(zhuǎn)（離合銷進(jìn)入離合盤槽，離合盤槽帶動銷盤，銷盤帶動上刀體轉(zhuǎn)位）——檢測元件檢測到刀位信號——刀架電機開始反轉(zhuǎn)并鎖緊——刀架電機斷電——加工順序進(jìn)行。

2 四工位電動回轉(zhuǎn)刀架的電路調(diào)試

目前數(shù)控車床刀架基本為電動刀架，電動刀架具有很多種類。以用霍爾元件檢測到位的刀架最為常見。圖2為刀架的電路控制系統(tǒng)硬件接線圖，刀架采用三相異步電動機驅(qū)動，刀架檢測采用霍爾元件。電氣控制為控制直流繼電器，繼電器再驅(qū)動交流接觸器接通三相交流電源，使刀架電動機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

圖2 刀架的電路控制系統(tǒng)硬件接線圖

刀架在電動機正轉(zhuǎn)換刀，反轉(zhuǎn)鎖緊。刀架反轉(zhuǎn)鎖緊時刀架電機實際上是一種堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此刀架電機反轉(zhuǎn)的時間不能太長，否則可能導(dǎo)致刀架電機的損壞。刀架上每一個刀位都配備一個霍爾元件?；魻栐某B(tài)是截止，當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)到工作位置時，利用磁體和霍爾元件導(dǎo)通，將刀架位置狀態(tài)發(fā)送到PLC數(shù)字輸入，通過PLC的數(shù)字輸出，控制直流繼電器，繼電器再驅(qū)動交流接觸器接通三相交流電源，使刀架電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

3 四工位刀架的PLC控制

由數(shù)控裝置和可編程控制器協(xié)調(diào)配和完成對數(shù)控機床的控制，數(shù)控機床上應(yīng)用的PLC有兩類：“內(nèi)裝型”（Bulid-in Type）PLC和“獨立型”（Stand-alone Type）PLC，現(xiàn)在使用的PLC以內(nèi)裝式居多。可編程控制器主要負(fù)責(zé)完成與邏輯運算有關(guān)的一些動作。

刀架的順序控制是由PLC通過對刀架的全部I/O信號(xs10、11和xs20、21)的掃描，進(jìn)行邏輯處理及計算來實現(xiàn)的，為了保證手動換刀和通過T指令進(jìn)行自動換刀這兩種換刀方式的正確性，在系統(tǒng)中設(shè)置一些相應(yīng)的PMC參數(shù)來進(jìn)行保證，手動換刀是用按鈕啟動的，自動換刀是用T指令觸發(fā)的，換刀動作、延時控制時間及相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置如下：

1）刀架電機接收到PLC相應(yīng)信號后正轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)有一個最大時間（一般為8s），在參數(shù)設(shè)計時有一個參數(shù)保證，用P2--換刀超時時間來保證；2）霍爾元件檢測到所選刀位的有效信號后，停止刀架電動機，并延時（100ms），此時間控制用P4—正轉(zhuǎn)延時時間來控制；3）延時結(jié)束后刀架電動機反轉(zhuǎn)鎖死刀架，并延時（600ms）, 此時間控制用P3—刀具鎖緊時間來控制；4）延時結(jié)束后停止刀架電動機，換刀完成。

在設(shè)計PLC時，還要考慮機床整體安全互鎖方面的因素，主要有以下幾點：

1）刀架電機在正轉(zhuǎn)時不能反轉(zhuǎn)，此在軟件也設(shè)計就會與硬件互鎖相呼應(yīng)，起到雙重互鎖的作用；

2）數(shù)控機床出現(xiàn)急停、限位、進(jìn)給驅(qū)動報警或主軸報警時都要禁止刀具的換刀動作；

3）刀架電動機長 時間旋轉(zhuǎn)（如8s），而 檢測不到刀位信號，則應(yīng)給停止刀架電機，防止刀架電機被損壞并應(yīng)報警提示；

圖3 刀架換刀控制流程圖

4）刀架電機過熱報警時，停止換刀過程，并禁止自動加工。

按照以上的換刀的動作和互鎖要求，根據(jù)圖2的硬件接線圖中的接線設(shè)計和圖3的換刀流程圖，進(jìn)行四工位刀架的PLC控制。PLC程序按定時循環(huán)掃描的方式執(zhí)行，與換刀相關(guān)的程序掃描周期為16ms，用plc1_time表示。程序中利用這一點實現(xiàn)定時（延時）功能。

需要說明的是，在系統(tǒng)的PMC參數(shù)中，可以通過修改參數(shù)值的方法來改變各個時間的設(shè)定的值，在調(diào)試時可以進(jìn)行方便的設(shè)置和修改。

4 四工位刀架常見故障及排除方法

現(xiàn)以數(shù)控車床上常見的四工位刀架為例對數(shù)控機床刀架典型的各種故障現(xiàn)象加以分析，確定其排除方法，其它類型的刀架，雖結(jié)構(gòu)、尺寸、元器件型號等各有差異，但故障原因大多雷同，也可參照此法排除。

數(shù)控車床的刀架是一個典型的機電一體化的自動化機械，對于刀架的故障檢測和分析，要有綜合整體的概念，既要耐心細(xì)致的分析電氣故障又要分析機械故障，必要時，要綜合的進(jìn)行逐個排除，并要認(rèn)真地進(jìn)行經(jīng)驗的總結(jié)和概括，為以后的故障的診斷和排除積累經(jīng)驗。

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