MJ—50型数控车床电动刀架设计【说明书+CAD】
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黄河科技学院毕业设计(文献综述) 第 6页数控电动刀架摘要：数控刀架是数控车床最普遍的一种辅助装置，它可使数控车床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度。电动刀架是数控车床进行自动换刀的实现机构，实现刀架上刀盘的转动和刀盘的开定位、定位与夹紧的运动，以实现刀具的自动转换，具有传动机械结构、电气正反转控制、PLC编程控制等数控机床的核心内容，是每一个学习数控机床结构所必须掌握的，具有机械、电气的综合特点，同时电动刀架在数控加工过程中容易出现故障，因而对于该刀架的结构和故障分析，也是相当重要的。而常见的电动刀架中具有典型的结构有TND360刀架和LDB4刀架，这两种刀架都实现了刀盘的正向换刀和反向锁紧，刀盘的圆周定位功能。关键字：数控车床，电动刀架，TND360刀架，LDB4刀架，故障1、数控刀架的发展趋势 数控刀架的发展趋势是：数控刀架开始向快速换刀、简单实用、造价低、可靠、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。如下图1所示：图1 10工位刀架目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。立式刀架有四、六工位两种形式，主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。 数控刀架的市场分析：国产数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，近年来需要量可达1000050000台。 2、数控刀架的开发应用数控刀架是以回转分度实现刀具自动交换及回转动力刀具的传动。因此技术含量高，已趋向专业化开发生产。所以对数控转塔刀架的研究开发及应用已引起数控机床行业重视。 典型数控转塔刀架一般由动力源（电机或油缸、液压马达）、机械传动机构、预分度机构、定位机构、锁紧机构、检测装置、接口电路、刀具安装台（刀盘）、动力刀座等组成。数控转塔刀架的动作循环为：T指令（换刀指令刀盘旋转刀位检测预分精确定位刀盘锁紧结束信号。 3、数控刀架的功能数控机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架，转塔车床的转塔刀架，回转式转塔车床的回转刀架，自动车床的转塔刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力作用，所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。随着自动化技术的发展，机床的刀架也有了许多变化，特别是数控车床上采用电(液)换位的自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，定现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。因此，刀架的性能和结构往往直接影响到机床的切削性能、切削效率和体现了机床的设计和制造技术水平。 4、自动换刀装置的基本要求（1）换刀时间短，以减少非加工时间； （2）减少换刀动作对加工范围的干扰； （3）刀具重复定位精度高； （4）识刀、选刀可靠，换刀动作简单可靠； （5）刀库刀具存储量合理； （6）刀库占地面积小，并能与主机配合，使机床外观协调美观； （7）刀具装卸、调整、维修方便，并能得到清洁的维护。 5、数控刀架的类型按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式，下面对这三种形式的刀架作简单的介绍。 5.1 排式刀架 排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。其结构形式为： 夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的X坐标轴方向排列在横向滑板上。这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率。众鑫机床厂生产的TC140全功能数控车床配置的就是排式刀架。 5.2 回转刀架 回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，一般通过液压系统或电气来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架，并相应地安装4把、6把或更多的刀具。回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀架根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，分为立式刀架和卧式刀架两种。 5.3 带刀库的自动换刀装置 上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定限制。当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。 6、常用刀架的简介6.1 TND360刀架的结构与工作原理转塔刀架是由换刀机构和刀盘组成，刀盘用于刀具的安装、刀盘的背面装有端面齿盘，用于刀盘的定位。转塔刀架的换刀机构是实现刀盘的开定位转动换刀位定位和夹紧的传动机构。要实现刀盘的转动换刀，就要使得刀盘的定位机构脱开后，才能进行转动，当转动到位后，刀盘要定位并夹紧，才能进行加工。转塔刀架的换刀传动是由刀架电动机提供动力，刀盘的抬起是用凸轮机构来实现的，而刀盘在圆周方向上的分度是用槽轮机构来实现的，分度完成后的回复也是在碟形弹簧的作用下进行工作的 刀盘在转动过程中，经1：1的齿轮副将运动传递给圆光栅，由圆光栅将转位信号送可编程控制器进行刀位计数在加工的过程中，当端面齿盘上的定位销拔出后，切削力过大或撞刀时，刀盘会产生微量转动，这时圆光栅的转动信号就成为刀架过载报警信号，机床就会迅速停机。圆光栅将传动转换成脉冲信号送给数控系统，正常时用于刀盘上刀具刀位的计数；撞刀时用于产生刀架报警信号。刀盘的转动可根据最近找刀原则实现正反向转动，以达到快速找刀的目的。6.2 LDB4电动刀架的结构与工作原理LDB4属于四工位刀架，由电动机 蜗轮和蜗杆结构丝杠和螺母结构霍尔元件定位系统等组成，正转时，电动机通过涡轮和蜗杆结构将驱动传给丝杠，螺母和转动的刀架是键槽联结，即螺母和转动的刀架只能做相对上下滑动，而不能相对转动，而螺母与电机底座是通过齿面啮合形成定位机构，在这对啮合齿脱开之前，螺母是不能转动的 ，也就是转动的刀架也是不能转动，刚刚开始，由于丝杠的顺时针旋转，螺母相对于转动的刀架向上移动，当啮合齿脱开后，通过销钉和止推槽的作用，使得丝杠转动螺母转动刀架转动进行换刀，到指定的工位时，通过霍尔元件定位系统将到位信号传递给数控装置系统，从而停止转动，通过霍尔元件定位系统和辅助定位销钉进行位置的定位；数控装置控制刀架换刀电动机进行一定延时的反转信号，因为止推销钉的作用，螺母系统和刀架系统不能反转，因而螺母系统顺着丝杠向下移动，直到两对啮合齿重新啮合为止，这样完成了整个换刀的过程。6.3 两种结构的比较两种结构的共同点：都实现了刀盘的抬起与锁紧动作，刀盘的圆周定位，实现了同样的功能。两种结构只是机械结构的不同，而在电动机的正转和反转的电气控制上却是完全相同的。两者的区别：TND360的刀盘的抬起与锁紧是由凸轮机构和碟形弹簧实现的，刀盘的圆周分度是由槽轮机构实现的，槽轮实现的是8工位的刀盘分度；LDB4电动刀架的抬起与锁紧是由丝杠螺母的系统实现的，而刀架的圆周分度是由霍尔元件定位系统实现的，其实现的是4工位的刀盘分度；结构上是LDB4比较简单、实用。在分度精度上TND360定位精度比较高，同时比较可靠。而且TND360存在一定的报警功能，当切削力过大或撞刀时，刀盘产生不是常规的微量转动，这个时候圆光栅就传递出对应的传感器信号，而这个信号就成为刀架的过载报警信号，这样数控系统就会停机，而这个功能LDB4是没有的。7、常见的故障分析与诊断实例7.1 LDB4刀架在换刀过程中找不到对应的刀位故障分析：LDB4刀架的换刀的过程是数控系统控制电动刀架的正转，在正转的过程中，一个小磁块固定不动，4个工位的霍尔元件跟随刀架旋转，当其中一个霍尔元件接近小磁块后，发出对应的高电平或低电平信号，当所需要工位的霍尔元件接近小磁块时，该信号传递回数控系统，这时数控系统停止正转控制，发出延时的反转信号，控制刀架缩紧。当对应的霍尔元件出现故障或信号回传通道出现故障的时候，对应的刀位信号无法反馈回数控系统，就出现了刀位故障。排除方法：检查霍尔元件是否出现故障、检查信号通道是否畅通。7.2 LDB4定位精度出现误差故障分析：LDB4的定位分为两个层次：定位霍尔元件进行电动机定位，定位卡销与刀座上的卡槽进行精确定位。如果出现定位精度出现误差，主要是定位霍尔元件是否出现移位或位置出现误差，或者弹簧定位卡销出现故障排除方法：检查定位霍尔元件的位置、检查弹簧定位卡销系统。7.3 LDB4刀位无法锁紧故障分析：LDB4刀架的锁紧是依靠螺母在丝杠上的下降来实现的，而该下降的运动是由电动机的反转来实现的，如果无法锁紧，就是螺母没有对于丝杠做相对运动，首先是数控系统有无反转信号传到24V继电器、24V继电器是否工作、220V反转控制交流接触器是否工作、刀架正反转控制电动机是否损坏、丝杠螺母机械结构是否卡死。排除方法：24V继电器检查、220V交流接触器检查、电动机检查、丝杠螺母机械结构检查。7.4 TND360刀盘无法抬起故障分析：TND360刀盘的抬起是通过电动机的正转带动凸轮旋转，而凸轮的旋转带动刀盘轴向上移动，从而抬起刀盘，而刀盘无法抬起，一者电动机系统出现故障，无法实现正
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