四工位立式回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭勃

摘 要：本設(shè)計(jì)是基于數(shù)控機(jī)床的自動回轉(zhuǎn)刀架仿真。主要的工作可以分成兩部分，一部分是機(jī)構(gòu)仿真，另一部分是電氣控制。機(jī)構(gòu)仿真是先對四工位立式回轉(zhuǎn)刀架的工作原理的分析和對零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電氣控制就是把程序?qū)氲絇LC中來控制刀架電動機(jī)中的兩個(gè)繼電器，從而實(shí)現(xiàn)對刀架的正反轉(zhuǎn)控制，而且電機(jī)的停轉(zhuǎn)可以通過限位開關(guān)的開關(guān)信號來控制，實(shí)現(xiàn)自動換刀。

關(guān)鍵詞：自動回轉(zhuǎn)刀架；刀架控制原理；刀架電氣控制系統(tǒng)仿真

1 數(shù)控機(jī)床刀架的介紹

自動換刀系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。機(jī)床的加工性能受刀具夾持原件的結(jié)構(gòu)特性及它與機(jī)床主軸的連接方式的直接影響。而機(jī)床的換刀效率受到刀庫結(jié)構(gòu)形式及刀具交換裝置工作方式的影響，而整機(jī)的成本造價(jià)又受自動換刀系統(tǒng)本身及相關(guān)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度的直接影響。

2 數(shù)控刀架的工作原理及電氣設(shè)計(jì)

電氣是機(jī)械的控制中心，也就是說電氣原理的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械動作的復(fù)雜操作控制。下面我們通過數(shù)控刀架的電氣知識霍爾效應(yīng)、刀架的接線原理圖和具體的經(jīng)濟(jì)型刀架換刀過程等，對電氣原理的運(yùn)用做進(jìn)一步的了解。

2.1 數(shù)控車床四工位刀架換刀工作原理

電機(jī)會在接到換刀鍵或者換刀的指令后正轉(zhuǎn)，蝸桿、渦輪、軸、軸套由于花鍵的定位作用，同聯(lián)軸器一同轉(zhuǎn)動。軸套外圓上有兩處凸起，能夠限位軸套，使軸套在套筒內(nèi)孔中的螺旋槽內(nèi)作滑動，因刀架與上端齒盤同套筒相連，此時(shí)會因套筒的滑動被舉起，使上下齒盤分開，刀架抬起，當(dāng)套筒繼續(xù)轉(zhuǎn)動時(shí)，刀架會被帶動旋轉(zhuǎn)90°（如不到刀位，刀架還可以繼續(xù)轉(zhuǎn)180°、270°、360°），而且此時(shí)控制裝置能夠收到由微動開關(guān)發(fā)出的檢測信號，直到刀架轉(zhuǎn)到指定位置，控制裝置會根據(jù)微動開關(guān)提供的刀架已經(jīng)到達(dá)指定位置的信號，使電動機(jī)反轉(zhuǎn)，此時(shí)定位銷會使刀架定位不再回轉(zhuǎn)，刀架則向下移動，上下端齒盤重新壓合。當(dāng)蝸桿繼續(xù)轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生軸向位移，壓縮彈簧，曲面壓縮開關(guān)使電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，從而完成一次轉(zhuǎn)位。微機(jī)系統(tǒng)的控制目的就是指四工位自動回轉(zhuǎn)刀架上的四把刀具中的任意一把轉(zhuǎn)到指定的工作位置。

2.2 數(shù)控刀架電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 霍爾原理在刀架中運(yùn)用的簡單概述 一臺數(shù)控機(jī)床能夠進(jìn)行生產(chǎn)加工的衡量標(biāo)準(zhǔn)即是它的精度，如果精度不能滿足需求，它就不能進(jìn)行生產(chǎn)，而霍爾元件檢測的精確性卻在很大程度上保障著數(shù)控機(jī)床的精度。在數(shù)控機(jī)床上，常用霍爾接近開關(guān)來檢測刀位。首先，在換刀開關(guān)接通時(shí)會發(fā)出換刀信號，隨后放大器在電機(jī)的驅(qū)動下正轉(zhuǎn)，刀架被抬起，電機(jī)則繼續(xù)正轉(zhuǎn)，霍爾元件會在刀架每轉(zhuǎn)過一個(gè)工位時(shí)進(jìn)行檢測，判斷是否為所需刀位。若不是所需刀位，電機(jī)繼續(xù)正轉(zhuǎn)，直到所需刀架轉(zhuǎn)到工位。

那么從電路的角度來看，當(dāng)整個(gè)電路被接通時(shí)，正轉(zhuǎn)線圈自鎖，換刀開關(guān)處于自動檔的位置控制開關(guān)進(jìn)行自動換刀。而霍爾元件會在刀架轉(zhuǎn)到所需刀位時(shí)自動斷開，停止電機(jī)。此時(shí)翻轉(zhuǎn)電路接通，延遲反轉(zhuǎn)，刀架下降并壓緊。所以從這個(gè)過程中我們可以看出來霍爾元件在數(shù)控機(jī)床中不但起到了檢測與反饋?zhàn)饔?，也是?shù)控機(jī)床精度的可靠性保障。

2.2.2 四工位刀架PLC接線原理圖 機(jī)床PLC控制著數(shù)控機(jī)床刀架，而普通的四工位刀架用于普通機(jī)床，所以控制比較簡單。我們要分析數(shù)控機(jī)床的控制原理，其實(shí)就是分析車床刀架的換刀過程，而換刀過程其實(shí)就是PLC對控制刀架所有I/O信號進(jìn)行邏輯處理與計(jì)算。另外換刀過程也需要設(shè)置一些相對應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)來保證正常進(jìn)行。在我們分析之前，還得先了解關(guān)于刀架控制的電氣部分。刀架控制電氣部分如下圖所示。圖中a是控制刀架的正反轉(zhuǎn)，是強(qiáng)電部分；圖b控制的是兩個(gè)交流接觸器導(dǎo)通和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)圖a中強(qiáng)電部分的控制，是弱電部分；圖c部分是直接控制刀架的部分電路，控制繼電器回路及PLC的輸入及輸出回路。

圖中各器件的作用如下：

①M(fèi)——刀架電動機(jī)；

②QF1——刀架電動機(jī)帶過載保護(hù)的電源空開；

③Km1，Km2——刀架電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制交流接觸器；

④KA1，KA2——刀架電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制中間繼電器；

⑤S1～S4——刀位檢測霍爾開關(guān)；

⑥SB1——啟動按鈕；

⑦SB2——停止按鈕；

⑧C——電容給刀架單項(xiàng)電機(jī)不項(xiàng)。

接線圖回路圖簡析：假設(shè)，當(dāng)1號刀在PLC輸入/輸出電路中輸入時(shí)，同時(shí)選擇手動刀。KAI線圈就會因?yàn)镾B1的閉合而進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，當(dāng)KA1觸點(diǎn)斷開后，便能實(shí)現(xiàn)互鎖。而KA1觸點(diǎn)的導(dǎo)通（KA1始終處于閉合狀態(tài)）會使的KM2線圈得電反轉(zhuǎn)，便能夠?qū)崿F(xiàn)雙重互鎖。此時(shí)刀架正轉(zhuǎn)接觸器回路導(dǎo)通，強(qiáng)電回路中的KM2觸點(diǎn)閉合后會使刀架進(jìn)行正轉(zhuǎn)。霍爾元件會準(zhǔn)確的檢測到1號刀架是否到達(dá)信號位，如果到達(dá)，刀架定位鎖緊，電機(jī)停轉(zhuǎn)，直到結(jié)束。其他3把刀換刀方式依次類推。

以上為四工位立式回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)對于四工位回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)和仿真有著重要的參考作用，并且在學(xué)習(xí)和教研中已經(jīng)取得重要進(jìn)步，證明該設(shè)計(jì)的思路是正確有效的！