回輪式車床數(shù)控改造中回轉(zhuǎn)刀架的控制研究

田曉文，趙慶志，孫 哲，席港港

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博255091）

回輪式車床刀架的回轉(zhuǎn)軸線與主軸軸線平行，上面沿圓周均勻地分布著許多軸向孔（通常為12～16個），供裝夾刀具之用，當(dāng)裝刀孔轉(zhuǎn)到最高位置時，其軸線與主軸軸線在同一直線上，回輪車床可進(jìn)行車外圓、鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔和加工螺紋等，由于同時安裝多把刀具，工件在一次安裝中，多把刀具分別對工件進(jìn)行鉆、擴(kuò)、鉸等加工，所以可減少輔助時間以及加工時間，實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工［1]．回輪式車床加工零件時，工人勞動強(qiáng)度大，與數(shù)控機(jī)床相比效率低，且目前市場上沒有數(shù)控回輪車床，所以回輪車床的數(shù)控化改造迫在眉捷．本文針對回輪車床數(shù)控化改造中回輪刀架的分度定位控制進(jìn)行研究，以期在提高被加工工件的加工精度的同時，提高生產(chǎn)效率和工人操作的安全性，降低勞動強(qiáng)度，為企業(yè)帶來比較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益．

1 回輪式車床回轉(zhuǎn)刀架機(jī)構(gòu)原理

普通回輪式車床回輪刀盤上的刀具定位原理如圖1所示．首先手工順時針轉(zhuǎn)動操作定位手柄6，則撥爪4帶動定位軸3向右移動壓縮彈簧5，定位軸銷從定位銷座2中拔出；換刀后，手工操作刀盤定位手柄向左擺動，同時在復(fù)位彈簧5的作用下，使定位軸3左端的錐銷插入定位銷座2，鎖定回輪刀盤．在零件的加工過程中，每更換一次刀具，操作者必須重復(fù)上述的動作，勞動強(qiáng)度很大．

圖1 刀具定位原理圖

2 數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)

2．1 回轉(zhuǎn)刀架動力傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)控改造后回輪車床的刀架轉(zhuǎn)位如圖2所示：刀盤齒輪6由小齒輪5帶動轉(zhuǎn)動，刀盤齒輪6的齒數(shù)Z1＝144，上面均勻分布了圖3所示的16個分度定位孔，小齒輪5的齒數(shù)Z2＝18，兩齒輪模數(shù)均為2mm．130ST－M10015型交流伺服電機(jī)1帶動同步齒型帶輪傳動副2、3、4轉(zhuǎn)動，帶輪4固定在小齒輪5所在的齒輪軸上，數(shù)控系統(tǒng)控制交流伺服電機(jī)1轉(zhuǎn)動，帶動刀盤齒輪6轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)自動換刀．同步帶傳動無需潤滑，成本低，且傳動精度高［2]．

圖2 回輪刀架動力傳動圖

2．2 回轉(zhuǎn)刀架自動定位方案設(shè)計(jì)

圖3 回輪刀架刀盤齒輪圖

回轉(zhuǎn)刀架需選擇合理的定位機(jī)構(gòu)和可靠的定位方案［3]．如圖4所示，本方案用電磁鐵來代替手工操作定位銷軸，因?yàn)槎ㄎ讳N插入定位銷座的長度是6mm，所以額定工作行程要大于6mm，設(shè)額定工作行程δ≥10mm．原機(jī)床手工換刀扳動定位手柄時，只需克服復(fù)位彈簧的彈力即可．根據(jù)上述條件選擇了常州市武進(jìn)繼電器廠生產(chǎn)的型號為MQ30120的電磁鐵，其參數(shù)為：外型尺寸Φ72mm×120mm，工作電壓24V（6A），初吸力13～15kg，最終吸力25～30kg，完全符合本方案的要求［4]．加工一個法蘭盤2，在機(jī)床外殼和法蘭頸上分別攻上螺紋，用螺母將法蘭固定在機(jī)床上，而法蘭盤跟電磁鐵用法蘭螺栓固定．安裝時應(yīng)注意保證電磁鐵芯跟定位軸的軸線在同一直線上，在機(jī)床外殼適合的地方攻上螺紋即可．電磁鐵的安裝位置使鐵芯與定位軸接觸不到，需要加工一個兩邊有螺紋的小軸，來連接定位軸與電磁鐵芯，小軸只承受軸向力．

圖4 電磁鐵定位方案原理圖

回輪車床數(shù)控化改造選用凱恩帝公司生產(chǎn)的K100Ti－D車床用數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動部件，構(gòu)成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)．該數(shù)控系統(tǒng)原功能M32為潤滑泵開，M33原功能為潤滑泵關(guān)，而數(shù)控化改造后，這兩個功能變?yōu)镸32電磁鐵通電，M33電磁鐵斷電．如圖5所示，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行M32時，繼電器線圈得24V直流電，繼電器常開觸點(diǎn)閉合，電磁鐵通電，鐵芯向右移動，帶動定位軸拔出定位孔；當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行M33時，繼電器常開觸點(diǎn)斷開，電磁鐵斷電，鐵芯在定位彈簧的作用下復(fù)位，使定位軸插入定位孔，刀盤固定不動．

2．3 電子齒輪傳動比的設(shè)置

電子齒輪比就是對伺服電機(jī)接受到數(shù)控系統(tǒng)的脈沖頻率進(jìn)行放大或者縮小，其中一個參數(shù)為分子，一個為分母．如果分子大于分母就是放大，分子小于分母就是縮小．該功能是數(shù)控機(jī)床進(jìn)給位置控制中經(jīng)常使用的一種功能．?dāng)?shù)控系統(tǒng)發(fā)出進(jìn)給指令脈沖，在控制機(jī)床進(jìn)給部件移動的時候，可以不用顧及機(jī)械的減速比和編碼器的脈沖數(shù)，將與數(shù)控系統(tǒng)輸入指令脈沖相當(dāng)?shù)奈恢靡苿恿吭O(shè)定為任意值，以達(dá)到控制位置的目的［5]．對于該功能需要解決的問題是如何設(shè)置電子齒輪比，使交流伺服電機(jī)的步距角達(dá)到正確控制刀架換刀的要求．

圖5 M32功能原理圖

2．4 刀架精確換刀方案設(shè)計(jì)

回輪式車床的回輪刀架一次可裝夾6～8把刀，工件一次安裝可完成多個工步［1]，所以在回輪車床的數(shù)控化改造中，怎樣編程實(shí)現(xiàn)自動換刀，也是需要解決的問題．

如圖3所示，回輪車床刀架上共有分度定位孔16個，相鄰兩孔間隔22．5°．電機(jī)軸轉(zhuǎn)180°，刀架轉(zhuǎn)，所以就把X坐標(biāo)電子齒輪傳動比設(shè)為，執(zhí)行G01 U10 F90；電機(jī)軸轉(zhuǎn)180°，刀架分度盤轉(zhuǎn)22．5°，定位軸正好可以插入第二把刀所對應(yīng)的定位孔．執(zhí)行G01 U20 F90；電機(jī)軸轉(zhuǎn)360°，刀架分度盤轉(zhuǎn)45°，定位軸正好可以插入第三把刀所對應(yīng)的定位孔．執(zhí)行G01 U30 F90；電機(jī)軸轉(zhuǎn)540°，刀架分度盤轉(zhuǎn)67．5°，定位軸正好可以插入第四把刀所對應(yīng)的定位孔，依次類推．

2．5 數(shù)控化改造后溝槽的車削方案

當(dāng)回輪車床刀具定位時，刀盤上的裝刀孔隨即轉(zhuǎn)到最高位置，其軸線與主軸軸線在同一直線上，使得車床鉆孔、鉸孔非常方便．但當(dāng)回輪車床加工帶溝槽的零件時，需手工操作刀盤定位手柄使刀盤轉(zhuǎn)動繼而帶動刀具轉(zhuǎn)動一定長度的圓弧，才能車削溝槽，如圖6中孔1和孔3所示，因此自動換刀代替手工換刀也需解決車削溝槽的問題．

圖6 制動泵零件圖

回輪車床數(shù)控化改造后車削溝槽時，對好刀后，需要先執(zhí)行M32，讓刀盤可轉(zhuǎn)動．通過編程使得電機(jī)軸轉(zhuǎn)動一定的角度，帶動刀盤上的刀具轉(zhuǎn)動需要的角度，進(jìn)行溝槽的加工．如溝槽深1mm，刀具中心線到刀盤圓心的距離R＝100mm，刀尖到孔內(nèi)壁的距離為1．5mm，則刀盤需要轉(zhuǎn)動的角度α為

當(dāng)執(zhí)行G01 U10 F90；電機(jī)軸轉(zhuǎn)180°，刀架分度盤轉(zhuǎn)22．5°，現(xiàn)在需刀架分度盤轉(zhuǎn)1．43°，則應(yīng)執(zhí)行G01 U0．64 F90；可實(shí)現(xiàn)該溝槽的車削．

3 應(yīng)用實(shí)例

如圖6所示，在數(shù)控化的回輪車床上加工孔1、孔2、孔3，其步驟如下：

1）依據(jù)圖樣要求，確定工藝方案及走刀路線．

2）選用刀具．刀盤齒輪上均勻分布16個定位孔，按順時針給各定位孔編號，分別為1號刀位置、2號刀位置…16號刀位置．加工時需用6把刀，第1把刀用來預(yù)鉆中心孔，放在1號刀位置，刀尖離端面90mm；第2把刀用來鉆孔，放在3號刀位置；第3把刀用來加工孔2，放在5號刀位置；第4把刀用來鉸孔，作為孔1的最終加工，放在7號刀位置；第5把刀用來加工孔3，放在9號刀位置；第6把刀用來加工內(nèi)孔倒角，放在11號刀的位置．

3）工件坐標(biāo)系確定．用1號大中心孔刀來對刀，然后清零，作為工件坐標(biāo)系原點(diǎn)，測出1號刀刀尖到其余各刀刀尖的距離，比1號刀長的為負(fù)數(shù)，比1號刀短的為正數(shù)．

4）精加工編程．其中與換刀以及切溝槽相關(guān)的00001號程序?yàn)椋?/p>

N0030G01W－98 F90；（1號刀預(yù)鉆孔深8mm）

N0070G01U20 F90；（換3號刀鉆孔）

N0100G01U20 F90；（換5號刀車內(nèi)槽）

N0140G01U0．64W－8 F40；（5號刀X向切寬度為8mm的槽）

N0180G01U20 F90；（換7號刀，鉸孔）

N0220G01 U20 F90（換9號刀）

N0260G01 U0．57 W－1．5 F40；（9號刀X向切寬度為1．5mm槽）

N0300 M30；（程序結(jié)束，返回程序開頭）

4 結(jié)束語

對回輪車床刀架的研究可使機(jī)床換刀方便，定位準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)加工自動化．對回輪車床數(shù)控化的研究，使機(jī)床操作簡單、減輕了操作者的勞動強(qiáng)度，使零件工序集中，加工精度高，質(zhì)量好，有利于提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益［6]．

［1] 鄭申，張瑞乾．多工位數(shù)控轉(zhuǎn)塔動力刀架設(shè)計(jì)［J] ．機(jī)械研究與應(yīng)用，2010（5）：84－86．

［2] 劉春時，宋威，馬仕龍．軸向刀架動力模塊的傳動方案研究［J] ．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（12）：260－261．

［3] 王懷棟．?dāng)?shù)控車床自動回轉(zhuǎn)刀架控制系統(tǒng)簡介［J] ．?dāng)?shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（3）：12－13．

［4] 盧新波，謝憲旺，張中明．電磁鐵相關(guān)技術(shù)參數(shù)的分析［J] ．液壓氣動與密封，2010（11）：36－38．

［5] 高榮．電子齒輪在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用［J] ．機(jī)床與液壓，2007（6）：250－251．

［6] 趙中敏．普通機(jī)床數(shù)控化改造主要部件的確定方法［J] ．機(jī)床電器，2008（2）：20－23．