数控机床自动回转刀架综述
摘要：数控机床是装备制造业的基础，振兴装备制造业首先要振兴数控机床业。一个国家 数控机床业的水平已经成为衡量该国制造业水平、工业现代化程度和国家综合竞争力的重要 标志，直接关系到国家经济建设和国防安全及战略地位。而数控车床为了能在工件的一次装 夹中完成工序加工，缩短辅助时间，减少多次装夹所引起的加工误差，必须带有自动回转刀 架。本文要对自动回转刀架的总体结构、主要的传动装置，以及以PLC 和单片机为控制系统 等方面进行分析。并对自动回转刀架的性能，要从实践中的故障分析去了解，并且要提出合 理的解决方法。
关键字：数控车床 自动刀架 转塔刀架 控制电路
0 前言 中国数控机床工业是以利用国际技术资源开始的，在摒弃了以前作为消费者和加工中心 的被动形式下，现在已经发展到了国内企业在立足自主创新的同时开始涉及以利用国际资 源、增强国际竞争能力为主旨的国际投资。近十多年来，机床借助于微电子、计算机技术 的飞速发展，正向着高精度、多功能、高速化、高效率、复合加工功能、智能化等方向迈进， 明显地反映出时代的特征。自动回转刀架是数控车床的关键部件之它用来安装各种切削加工 刀具，直接影响数控车床的切削性能和工作效率。自动回转刀架是普遍采用的换刀方式，常 用方刀架和转塔式回转刀架数控车床用转塔动力刀架为国际机床业刀架发展中一项主流应 用产品。现己广泛被国内外立、卧式中心产品采用。经济型数控车床都配有电动回转刀架, 回 转刀架除了必须具有良好的强度和刚度, 以承受粗加工的切削力和定位精度外, 同时通过 数控系统内置PLC 或独立PLC 和控制电路完成回转刀架的自动回转及找刀定位的全部动作, 所以自动回转刀架的PLC 程序设计对刀架的运行效率和稳定性具有重要的作用。
1 我国数控机床发展现状及方向
中国数控机床工业是以利用国际技术资源开始的，在摒弃了以前作为消费者和加工中心 的被动形式下，现在已经发展到了国内企业在立足自主创新的同时开始涉及以利用国际资 源、增强国际竞争能力为主旨的国际投资。其目标主要是：获取对方国际品牌效应、相应的 动态技术开发力量、国际市场销售网络以及有效的经营管理体系；用以建立桥头堡和橱窗来 推介我方具有市场竞争力但又缺少外销渠道的产品。如新瑞集团并购宁夏长城机床厂、常州 多棱机床厂；阿波罗集团并购长沙机床厂等。纵观我国数控车床近几年的发展并以第十届中 国国际机床展览会(CIMT2007)为例主要取得了以下几点跨越
。发展方向从以下几点叙述（1） 中国自主出安全的加工平台（2） 突破无芯化（3）五轴联动数控技术更加成熟（4）即可供 应网络制造（5）复合加工技术（6）数控技术与国产大重型数控机床（7）进入世界高速高 精密数控机床生产国行列（8）进入全数控化螺旋齿锥齿轮铣齿机生产国行列（9）技术上可 靠性的问题有所缓解（10）中国数控系统产业的技术得到国外认可（11）我国数控技术目前 面临的形势；发展方向 （1）专业化生产是发展的方向（2）重视旧机床及生产线数控化改 造（3）以市场需求为导向，开发中高档数控机床（4）重视复合型人才培养
2 数控刀架在数控机床中的地位及发展方向
数控机床是多品种小批量生产的高效自动化的技术群体, 它是把多工序加工、切削处 理、刀具磨损和测量等各种功能集为一体的自动化机床。随着科学技术的迅猛发展, 各种数 控机床已经进入实用化阶段, 成为生产现场的主力军。在各种数控机床中,对数控车床来说, 无论是它的开发到利用, 无论是它的使用上的优良性能和价格均很可观。在进入实用阶段后, 实现了高可靠性、高速度和高效率。目前数控车床向数控车削中心发展, 而其中数控车床与 数控车削中心的一个重要组成部分是数控转塔刀架。数控转塔刀架的工作质量直接影响到数 控机床尤其是加工中心的质量。数控转塔刀架的工作质量主要表现在换刀时间和故障率。加 工中心的故障率有 50 %以上与自动换刀装置有关, 自动换刀装置的投资常常占整台机床的 30%--50 %[ 5] 。为了相应降低整机的价格, 应在满足使用条件的前提下, 尽量选择结构简 单和可靠性高的自动换刀装置。发展方向从(1)刀架转位时间最短, 且转位准确。(2)刀架定 位精度高、动作迅速、稳定可靠。(3)可多刀夹持, 双向转位和任意刀位就近选刀。(4)应用 范围广, 维修方便等特点。
3 现代典型数控转塔刀架的结构分析
液压式这类刀架用液压缸实现刀盘锁紧,低速大扭矩液压马达驱动刀盘转位。液压缸可获 得很大的锁紧力,故刀架刚性很好。该机构适用于重负荷切削,且易双向转位就近换刀,大型 数控车床应用较多。
液压机械式这类刀架用液压缸锁紧刀盘,转位和预分度则用点电机通过机械传动装置实 现, 如槽轮机构。目前趋向采用动态性能较好的间歇凸轮转位机构。
电动势有以下几种（1）单面凸爪锁紧式是我国自行开发的小型产品刀盘主轴上固联有 单向凸爪离合器的右半。电机经蜗轮传动使主动凸爪(离合器左半)正向旋转,两个半离合器 结合,两定位多齿盘觉分开啮合,刀盘转位。到位后反向旋转,刀盘转动被预分度机构
的定位 销阻止,由于凸爪斜面作用使离合器左右两半分离,使刀盘右移实现定位锁紧。（2）双插销 反靠式这类刀架以 T 形丝杠螺母机构产生锁紧力。电机正转时丝杠移动使两多齿盘分离， 再由反靠盘及插销带动刀盘转动到位,检测装置发讯时电机反转,插销向预分度糟反靠实现 预分度。由于另一端插销斜面作用,反靠盘与之分离,电机继续反转则使丝杠连同刀盘反向位 移至多齿盘啮合锁紧。（3）双向滚子端面凸轮锁紧式类刀架采用正反方向均可实现转位锁 紧的滚子端面凸轮机构,能就近换刀
4 刀架整体结构和工作原理
4.1 结构设计
自动回转刀架必须有很好的强度和刚性结构，可以承受切削抗力。它还需要有可靠的定 位和合理的结构，保证定位的精度。刀架的自动换刀功能由驱动电路和控制系统完成。本文 采用立式转位刀架结构，因此选择蜗杆副减速。蜗杆副传动能够改变运动方向，获得传动比 大，确保传动的平稳性和高精度，整个装置小巧灵活。其上刀体的锁进玉定位机构选择端面 齿盘，使上下刀体的配合面变成梯形端面齿。当刀架锁紧时，上下端面齿啮合，此时上刀体 无法绕刀架轴旋转；进行换刀时电动机正转，上刀体抬起，等到上下端面齿脱开，上刀体围 绕中心轴转动，实现转位。本文选择螺杆一螺母副使上刀体抬起，上刀体有内螺纹，电动机 带动蜗杆绕中心轴转动时，上刀体当作螺母转动或者上下移动。当刀架锁紧时，上下刀体的 端面齿啮合，此时上刀体不和螺杆一起转动，上刀体是向上移动的。当端面齿脱离时，上刀 体才和螺杆一起转动。
4.2 换刀工作原理
电动机正转→驱动蜗杆正转→蜗轮正转→蜗轮带动连体的螺杆旋转→螺杆上的螺母即 上刀体向上移动→上刀体与下刀体的定位齿分离→上刀体正转→所选择的刀到达工作位置 →开关接通→电动机反转→蜗轮反转→蜗轮带动连体的螺杆旋转→上刀体惯性作用冲过工 作位置→上刀体和蜗轮带动连体螺杆相对旋转→上刀体向下并反转→上刀体和下刀体的定 位齿接触→上刀体停止转动并向下压紧下刀体→电动机电流增大→电动机停电→上刀体完 成换刀。该系统存在的缺点是故障率高，特别是换刀时上刀架一直转动停不下来等故障。 原 因是塔式罩内清干爽并密封后仍然会进水，并不断增加刀位置传感器开关接触不良，此外， 原来的控制器使用了W 个小继电器，也易造成其触点接触不良。经过改进实验和经验总结， 设计了全新控制系统。
5 自动回转刀架控制系统
刀架的换刀过程通过PLC对控制刀架的所有I/O信号进行逻辑处理及计算, 实现刀架的 顺序控制,
另外为了保证换刀能够正确进行, 系统还要设置一些相应的系统参数来对换刀 过程进行调整。本设计采用西门子S7 -200 编程软件进行程序设计。数控刀架换刀有两种模 式, 一种是手动换刀, 另一种是通过T 指令进行自动换刀。手动换刀是指将机床调至手动状 态, 通过刀位选择按键进行目的刀位选择,有的系统是利用波段开关的形式进行实现, 有的 系统是利用记数的形式来实现, 比如说通过检测刀位选择信号的状态, 如果按下刀位选择 按键, 计数器的数值会发生改变, 系统选择也会发生相应的改变。也可以采用单键换刀, 一 个短促的按键可以换下一个刀位。T 指令换刀是直接通过编程刀号作为目的刀位进行换刀。 刀架电机顺时针旋转时为选刀过程, 逆时针旋转时为锁紧过程, 选刀监控时间和锁紧监控 时间由PLC 定时器决定。
6 自动回转刀架典型故障的分析与排除
对于刀架，要使其正常工作，均涉及到机械、电气、控制系统等多方面的稳定、可靠 工作。刀架一旦出现某种故障现象，则可能是机械原因，也有可能是电气、控制系统方面的 原因。因此，应根据不同故障类型，找准原因，准确迅速确定故障点，方能及时排除故障。 对于刀架，要使其正常工作，均涉及到机械、电气、控制系统等多方面的稳定、可靠工作。 刀架一旦出现某种故障现象，则可能是机械原因，也有可能是电气、控制系统方面的原因。 因此，应根据不同故障类型，找准原因，准确迅速确定故障点，方能及时排除故障。故障现 象一：刀架不能启动（1）机械方面的原因1)刀架预紧力过大。2)刀架内部机械卡死。当从 蜗杆端部转动蜗杆时，顺时针方向转不动，其原因是机械卡死。首先，检查夹紧装置反靠定 位销是否在反靠棘轮槽内，若在，则需将反靠棘轮与螺杆连接销孔回转一个角度重新打孔连 接；其次，检查主轴螺母是否锁死，如螺母锁死，应重新调整；再次，由于润滑不良造成旋 转件研死，此时，应拆开，观察实际情况，加以润滑处理。（2）电器方面的原因1)电源不 通、电机不转。检查溶芯是否完好、电源开关是否良好接通、开关位置是否正确。当用万用 表测量电容时，电压值是否在规定范围内，可通过更换保险、调整开关位置、使接通部位接 触良好等相应措施来排除。除此以外，电源不通的原因还可考虑刀架至控制器断线、刀架内 部断线、电刷式霍尔元件位置变化导致不能正常通断等情况。2)电源通，电机反转。可确定 为电机相序接反。通过检查线路，变换相序排除。3)手动换刀正常、机控不换刀。此时应重 点检查微机与刀架控制器引线、微机I／O 接口及刀
架到位回答信号。故障现象二：刀架连 续运转、到位不停由于刀架能够连续运转，所以，机械方面出现故障的可能性较小，主要从 电气方面检查。1）检查刀架到位信号是否发出，若没有到位信号，则是发讯盘故障。此时 可检查：发讯盘弹性触头是否磨坏、发讯盘地线是否断路或接触不良或漏接，是否需要更换 弹性片触头或重修，针对其线路中的继电器接触情况、到位开关接触情况、线路连接情况相 应地进行线路故障排除。2）当仅出现某号刀不能定位时，则一般是由于该号刀位线断路所 至。故障现象三：刀架越位过冲或转不到位刀架越位过冲故障的机械原因可能性较大。主要 是后靠装置不起征作用。1）检查后靠定位销是否灵活，弹簧是否疲劳。此时应修复定位销 使其灵活或更换弹簧。2）检查后靠棘轮与蜗杆连接是否断开，若断开，需更换连接销。若 仍出现过冲现象则可能是由于刀具太长过重，应更换弹性模量稍大的定位销弹簧。3）出现 刀架运转不到位(有时中途位置突然停留)，主要是由于发讯盘触点与弹性片触点错位，即刀 位信号胶木盘位置固定偏移所至。此时，应重新调整发讯盘与弹性片触头位置并固定牢靠。 4）若仍不能排除故障，则可能是发讯盘夹紧螺母松动，造成位置移动。
结语
近年来，世界传统机床制造业强国正处于调整期。国内数控机床企业应抓住这一机遇， 从基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，如注重机床的数 控改造以及功能部件的可靠性和专业化生产。并继续通过并购海外先进企业或合资经营等方 式，加强国际合作，善借“外脑”助创薪提升自身技术水平。经济型数控机床价格低适合我 国市场需要，是当前的主流产品。数控车床在工件一次装夹中实现多工序加工，以减少误差、 缩短时间， 而带有自动回转刀架。刀架要求具备很好的刚度和坚硬的强度、合理的结构等 使其能高精度重复定位。它通过驱动电路和控制系统实现其功能。自动回转刀架在数控车床 中占有极其重要的地位。在数控机床使用过程中，难免会出现各种故障，在日常故障中，我 们常见的是刀架类、主轴类、螺纹加工类、系统显示类、驱动类、通信类等故障。而刀架故 障在其中占有很大比例。维修数控机床结构和控制电路比较复杂。掌握一些数控设备维修技 术可以快速判断故障所在，缩短维修时间，以降低维修成本。