四工位刀架自動定位模擬教學裝置的研發(fā)

華玲芳 陸東明 張?zhí)K新 夏 平

（蘇州高等職業(yè)技術學校，江蘇 蘇州215000）

0 引言

一個零件在加工過程中往往需要經(jīng)過多道工序，對于單功能的機床，大量的時間將用于刀具定位、裝卸零件等非切削工序上，為了縮短非切削時間，往往采用有自動對刀裝置的數(shù)控機床，實現(xiàn)零件加工過程中的自動對刀和定位功能。通常選用回轉(zhuǎn)的自動換刀裝置，有四方、六角刀架，回轉(zhuǎn)刀架對于強度和剛度要求比較高，以便承受粗加工的切削力，更為重要的是保證刀架在每次旋轉(zhuǎn)時的精確定位。所以刀架自動精確定位直接影響零件加工的質(zhì)量。圖1為自動回轉(zhuǎn)刀架機電系統(tǒng)，包括可編程運動控制器、電動機、刀架、霍爾元件、數(shù)控程序。

圖1 自動回轉(zhuǎn)刀架機電系統(tǒng)

數(shù)控機床刀架定位裝置是一個較為復雜的系統(tǒng)，學生在學習時普遍感覺該內(nèi)容較抽象，不易理解。本文從實際的刀架工作原理出發(fā)，設計出了數(shù)控機床刀架自動定位系統(tǒng)模擬裝置，并分析了其結構原理，通過實驗結果驗證了該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)基本自動定位功能。

1 數(shù)控機床刀架工作原理

數(shù)控車床實際的電動刀架采用蝸桿蝸輪傳動機構，定位和緊鎖功能主要由銷盤、外端齒盤、內(nèi)端齒盤組合成的三端定位機構實現(xiàn)。四工位電動刀架結構原理如圖2所示，其工作原理可通過換刀步驟分析：（1）刀架放松，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀信號，控制繼電器動作，刀架電機正轉(zhuǎn)，通過蝸桿、蝸輪將銷盤提升；（2）刀架轉(zhuǎn)位，當離合銷進入離合盤槽內(nèi)，離合盤帶動離合銷，再帶動銷盤，則銷盤帶動上刀體轉(zhuǎn)位；（3）刀架定位，當上刀體轉(zhuǎn)到所需刀位時，霍爾元件發(fā)出刀具到位信號，電機反轉(zhuǎn)，反靠銷進入反靠盤的槽中，離合銷從離合盤中爬出，刀架完成粗定位，同時銷盤下降端齒粘合，完成精定位；（4）刀架夾緊，刀架定位完成后，電動機制動器制動，維持電動機軸上的反轉(zhuǎn)力矩，同時發(fā)出轉(zhuǎn)動結束信號，電動機斷電，換刀動作結束。

2 四工位刀架自動定位模擬教學裝置的設計

圖3為四工位刀架自動定位模擬裝置實物圖，從圖中可以看出有4個工位和對應的4個控制按鈕，每個工位上有個發(fā)光二極管，藍色箭頭為指示標志，指示標志對應的是一個小磁鐵，用于霍爾傳感器檢測信號，直流電動機通過皮帶與槽輪機構相連，槽輪通過內(nèi)嚙合與圓形工作轉(zhuǎn)臺相連。

圖2 四工位刀架結構原理

圖3 四工位刀架自動定位模擬裝置實物圖

2．1 槽輪機構

實驗裝置的機械傳動部分運用的是槽輪結構，來代替實際的蝸輪蝸桿機構，槽輪機構的優(yōu)點是結構簡單、工作可靠、機械效率高。該裝置采用單臂內(nèi)嚙合槽輪機構，由帶圓柱銷的轉(zhuǎn)臂、具有4條徑向槽的槽輪和機架組成。當連續(xù)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)臂上的圓柱銷進入徑向槽時，撥動槽輪轉(zhuǎn)過90°角；當圓柱銷轉(zhuǎn)出徑向槽后，槽輪停止轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)一周，槽輪完成一次轉(zhuǎn)停運動。為了保證槽輪停歇，可在轉(zhuǎn)臂上固接一缺口圓盤，其圓周邊與槽輪上的凹周邊相配。這樣既不影響轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動，又能鎖住槽輪不動。

2．2 霍爾傳感器

霍爾傳感器是利用霍爾效應進行工作的，圖4為霍爾效應原理圖，一塊長L、寬W、厚d的半導體，通有電流I，當有外加磁場B的作用時，運動電子受洛侖磁力的作用而偏向一側，使該側形成電子的積累，這樣就形成負電荷，與它對應的側面由于電子濃度減少，形成了正電荷，正負兩端電荷就形成了一個電場。當電子受到的洛侖磁力和電場力兩者相等時，電子的積累達到動態(tài)平衡，此時得到的霍爾電壓為：

本實驗裝置采用的霍爾傳感器是AH41雙極鎖存霍爾器件，它由反向電壓保護器、電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、信號放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開路的輸出級組成，其功能圖如圖5所示。

圖4 霍爾效應原理圖

圖5 AH41霍爾傳感器功能圖

2．3 繼電器邏輯控制

電氣部分采用的是傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制電路，該電路主要靠硬件來控制，相比于用PLC控制，繼電器電路雖然線路較復雜，觸點有限，但能夠減小成本，也能縮小裝置空間，對于學生來說自己動手搭電路比直接運用PLC實現(xiàn)更能夠得到鍛煉，從而達到良好的教學效果。本文采用的是DRM－570024L繼電器，該繼電器有4個常閉和4個常通觸點，本裝置運用到該繼電器4個，總的觸點數(shù)能夠滿足裝置的要求。

2．4 系統(tǒng)控制原理

將上述各部件整合，得到整個控制系統(tǒng)的原理框圖，如圖6所示。其元器件主要包括：AH41霍爾開關傳感器、DRM－570024L繼電器、HT3F－SHG繼 電器、S9031NPN 三極 管、37ZYJ直流減速電機等。

圖6 控制系統(tǒng)原理框圖

整個工作過程如下：按下點動按鈕，DRM－570024L繼電器線圈得電自鎖，其觸點閉合，37ZYJ減速電機回路閉合，電機運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到設定的位置后，AH41型霍爾開關傳感器檢測到磁信號，其信號線發(fā)出信號，接通三極管，驅(qū)動HT3F－SHG繼電器線圈得電，該線圈觸點斷開DRM－570024L繼電器線圈，斷開電機回路，37ZYJ減速電機停止運行，定位裝置停在設定位置；當設定位置與現(xiàn)在實際位置一致時，蜂鳴器會發(fā)出聲音，表示此時已經(jīng)在設定位置。

整個系統(tǒng)包括4個工位控制電路、1個報警提示電路、1個電機運轉(zhuǎn)電路，通過邏輯控制實現(xiàn)刀架自動定位的控制要求。

3 實驗結果

接通電源后，按下控制工位1的按鈕，當裝置的原來工位不在工位1時，工作轉(zhuǎn)臺會順時針方向運轉(zhuǎn)到工位1，同時工位1的發(fā)光二極管一直閃亮，到達工位后，工作臺停止運轉(zhuǎn)，發(fā)光二極管熄滅；當裝置的原來工位在工位1時，蜂鳴器鳴叫提示，表示已經(jīng)在工位1，工作臺不需要再運轉(zhuǎn)。其他各按鈕類推。實驗結果如表1所示，它表明該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控機床刀架自動定位的功能。

表1 實驗結果

4 結語

四工位電動刀架作為數(shù)控機床的三大輔助裝置之一，其對刀功能是在數(shù)控系統(tǒng)參與下由PLC控制完成的。通過實際的數(shù)控機床刀架自動定位系統(tǒng)和學生實際接受知識效果分析，學生在學習該內(nèi)容時普遍感覺較抽象，不易理解，為了解決該問題，設計了一套基于槽輪機構、霍爾傳感器檢測及繼電器控制電路的教學裝置來模擬數(shù)控機床刀架自動定位系統(tǒng)，實驗結果證明，該模擬裝置能夠完成基本的自動定位功能，同時在教學過程中取得了較好的效果。

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