數(shù)控車床刀塔改造與實施

高博 宋建東 金輝

【摘要】數(shù)控車床是目前工業(yè)上使用極其廣泛的一種設(shè)備，集機電和液壓等技術(shù)于一身，具有較高的科學(xué)技術(shù)含量。而刀塔則是數(shù)控車床的核心組件之一，故障率相對較高，因此，維護好刀塔可以有效的保證生產(chǎn)效率。對于那些故障率過高，嚴(yán)重制約生產(chǎn)，沒有維修價值的刀塔，應(yīng)及時更換或改造。本文從數(shù)控車床和刀塔的功能寫起，逐步介紹了刀塔的結(jié)構(gòu)和發(fā)展，并以此為依據(jù)，從采購、硬件連接、刀具編碼和PMC程序編寫等相關(guān)環(huán)節(jié)介紹了一個電動刀塔改造為液壓刀塔的實例，有效的降低了故障率，提高了機床的穩(wěn)定性，提升了生產(chǎn)效率。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控車床;刀塔;液壓刀塔;改造;PMC程序

1.引言

數(shù)控車床又稱CNC車床，是一種高精度、高效率的自動化機床，分為臥車和立車兩種。它是目前國內(nèi)使用量最大、覆蓋面最廣的一種數(shù)控設(shè)備，集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術(shù)為一體，在機械制造設(shè)備中具有不可替代的地位。配備多工位刀塔或動力刀塔后，數(shù)控車床可以加工直線圓柱、斜線圓柱、圓弧和各種螺紋、槽、蝸桿等復(fù)雜工件，具有直線插補、圓弧插補各種補償功能，并在復(fù)雜零件的批量生產(chǎn)中發(fā)揮了良好的經(jīng)濟效果。

數(shù)控車床刀塔是數(shù)控車床非常重要的部件，目前國內(nèi)數(shù)控刀塔以電動為主，分為立式和臥式兩種，有四工位、八工位、十工位和十二工位等，可進行正反方向旋轉(zhuǎn)，就近選刀，適用于各種數(shù)控車床。此外還有液壓刀塔和伺服刀塔等，適用于不同客戶的不同精度要求。

我公司某數(shù)控臥式車床刀塔原來采用的是電動刀塔，經(jīng)常發(fā)生故障，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。我公司早期引進的一些數(shù)控車床，其刀塔同樣已接近使用壽命，若對其進行升級改造，則會極大地提高機床的生產(chǎn)效率，延長使用壽命，提高加工性能和可靠性。該車床經(jīng)改造后效果良好，故障率大幅降低，收到生產(chǎn)一下好評。

2.數(shù)控車床刀塔作用

數(shù)控車床是利用車刀對旋轉(zhuǎn)的工件進行車削加工的機床，配以數(shù)控系統(tǒng)和多工位刀塔可以大幅度提高加工效率。在車床上可用鉸刀、擴孔鉆、鉆頭、絲錐、板牙和滾花工具等進行相應(yīng)的加工。刀塔是安放刀具的重要部件，許多刀直接參與切削工作，如臥式車床上的四方刀塔，轉(zhuǎn)塔車床的轉(zhuǎn)塔刀塔，自動車床的轉(zhuǎn)塔刀塔和天平刀塔等。這些刀塔不僅負責(zé)安放刀具，本身還需要承受很大的切削力，所以它往往成為工藝系統(tǒng)中的最脆弱一環(huán)。再加上刀塔本身處于切削液包圍的環(huán)境，導(dǎo)致刀塔在數(shù)控系統(tǒng)中故障率極高。隨著自動技術(shù)的發(fā)展，機床的刀塔也有了許多變化，特別是數(shù)控車床上采用電（液）換位的自動刀塔，實現(xiàn)了大容量存儲刀具和自動交換刀具的功能，極大的節(jié)省了裝夾刀和調(diào)整工件的時間。

3.數(shù)控車床刀塔類型

數(shù)控車床可以配備兩類刀塔：一種是廠家專用刀塔，由車床生產(chǎn)廠商自己開發(fā)，所使用的刀柄也是專用的。這種刀塔的優(yōu)點是制造成本低，但通用性差;另一種是通用刀塔，根據(jù)一定的通用標(biāo)準(zhǔn)和客戶要求，由機床生產(chǎn)廠家外購后安裝在車床上，經(jīng)過調(diào)試和參數(shù)優(yōu)化后，交付客戶使用。這種刀塔可以節(jié)省生產(chǎn)時間和人力物力，并在日后維修方面提供方便。

刀塔的結(jié)構(gòu)形式一般為回轉(zhuǎn)式，刀具沿圓周方向安裝在刀塔上，可以安裝徑向車刀、軸向車刀、鉆頭、鏜刀。車削加工中心還可以安裝軸向銑刀、徑向銑刀。還有少數(shù)數(shù)控車床的刀塔為直排式，刀具沿一條直線安裝。

按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀塔系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀塔、排式刀塔和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式。其中我們大多數(shù)車床采用回轉(zhuǎn)式刀塔，在工件復(fù)雜度不高的情況下，這種刀塔完全可以滿足普通機械加工廠家的生產(chǎn)需要。

圖1 八刀位星型液壓裝配圖

4.數(shù)控車床刀塔發(fā)展趨勢

科技迅速發(fā)展的今天，數(shù)控車床正朝著高速、高效、高精度、柔性化、環(huán)保等方面發(fā)展。數(shù)控車床的迅猛發(fā)展，需要相應(yīng)的附件大力跟進。目前國內(nèi)數(shù)控車床大多采用電動刀塔，并朝著快速換刀、電液組合驅(qū)動和伺服驅(qū)動方向發(fā)展，預(yù)計今后對數(shù)控刀塔需求量將大大增加。數(shù)控刀塔今后的發(fā)展趨勢，可以從以下幾個方面來說明：

（1）刀塔轉(zhuǎn)位時間短、轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確。這關(guān)系到刀塔的質(zhì)量，其主要取決于刀塔換刀時間和故障率。

（2）刀塔定位精度高、動作迅速、穩(wěn)定可靠。數(shù)控機床的切削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置。在加工過程中刀尖位置不能進行人工調(diào)整，因此，轉(zhuǎn)塔刀塔在結(jié)構(gòu)上必須有良好的強度、剛性和合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證轉(zhuǎn)塔刀塔在每一次轉(zhuǎn)位之后，具有高的重復(fù)定位精度。

（3）能多刀夾持、雙向轉(zhuǎn)位，并能實現(xiàn)任意刀位就近選刀。

（4）具有通用性強、應(yīng)用范圍廣，以及維修方便等優(yōu)點。

同時，刀塔設(shè)計正在向模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、高速化方向發(fā)展。

5.數(shù)控車床的液壓刀塔改造

5.1 液壓刀塔的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

如圖1所示為回轉(zhuǎn)刀塔的結(jié)構(gòu)圖，刀塔的松開和夾緊以及刀盤的分度轉(zhuǎn)位分別由液壓系統(tǒng)和液壓馬達來實現(xiàn)。安裝刀具的刀盤與主軸固定連接，換刀時，液壓缸注入壓力油，兩個與端齒盤固定的活塞拉動靜端齒盤向右移動，使得與動端齒盤脫開，即刀盤松開。當(dāng)?shù)侗P松開之后，數(shù)控系統(tǒng)判斷是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，進而液壓泵給馬達提供壓力油，帶動刀盤旋轉(zhuǎn)，即換刀。主軸帶動刀盤換刀，是通過液壓馬達帶動齒輪副，并且通過撥叉使扭矩傳遞到主軸，進而帶動刀盤旋轉(zhuǎn)的。刀盤旋轉(zhuǎn)到后，液壓馬達帶動刀盤停止轉(zhuǎn)動，與靜端齒盤固定的兩個液壓缸動作，活塞向左移動，使得靜端齒盤和動端齒盤嚙合，完成精定位和刀盤的鎖緊。當(dāng)加工工件時，液壓泵把壓力油注入缸體右腔，活塞向左移動，使刀盤一直處于緊鎖狀態(tài)，車刀加工工件，如此循環(huán)往復(fù)運動。

5.2 刀具編碼及選擇方式

5.2.1 刀具的編碼

根據(jù)數(shù)控裝置所發(fā)出的刀具選擇指令，從刀塔中挑選各工序所需要的刀具的操作稱為自動選刀。自動選刀的實現(xiàn)，需要對刀具進行編碼。對于臥式車床刀塔而言，刀具的編碼主要有以下三種方式：

（1）接近開關(guān)組合編碼

圖2 接近開關(guān)組合編碼方式示例

當(dāng)PLC讀入指定接近開關(guān)編碼信號（如圖2所示）后，則判斷刀塔目前處于該號碼刀具。

（2）開關(guān)位置識別

每把刀到位時都會有一個接近開關(guān)接通，通知PLC目前正處于這一刀位。與第一種方式相比，這種方式在編寫PLC程序時比較簡便，但是卻多出很多接近開關(guān)，增加刀塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，同時也增加了故障率。

（3）脈沖編碼器識別刀號

這種方式編碼時，系統(tǒng)會計入脈沖數(shù)量后判斷是否到達下一到位。通常需要處理該編碼器信號的電路或模塊。

本文實例中，原刀塔采用第三種編碼方式，改造后的液壓刀塔采用第一種編碼方式。

5.2.2 刀具的選擇方式

比較簡單的數(shù)控車床在選刀時只能順序旋轉(zhuǎn)，沒有反轉(zhuǎn)，也就是沒有就近選刀功能，這種刀塔無論是機械結(jié)構(gòu)，動力裝置還是PLC程序都要簡單一些，適用于工位數(shù)較少的刀塔，不適合較復(fù)雜零件的批量加工。目前大多數(shù)的數(shù)控車床都適應(yīng)就近選刀，這樣既可以節(jié)省加工時間，也能有效降低刀塔動作頻率，延長壽命，降低故障率，提高生產(chǎn)效率。本例所改造的液壓刀塔則支持就近選刀功能。

5.3 數(shù)控車床刀塔改造的實現(xiàn)

5.3.1 硬件部分

（1）購買元器件

首先，根據(jù)所購買液壓刀塔功率等參數(shù)和目前設(shè)備液壓系統(tǒng)老化程度，評估和購買所需元器件。經(jīng)評估，液壓系統(tǒng)符合要求。因此所需購買元器件包括交流接觸器3個，電磁換向閥3位4通和2位4通各1個，液壓管路，電纜等輔助元器件若干，其余相關(guān)元件采用設(shè)備原有元件。

（2）液壓刀塔

關(guān)于液壓刀塔工作原理此處不再贅述。

該液壓刀塔共有6個接近開關(guān)（PNP，ON，10-30VDC，100mA），棕色線和黑色線為電源，藍色線為信號線，四個刀位檢出開關(guān)，一個刀盤停止轉(zhuǎn)動與鎖緊允許開關(guān)和一個刀盤松開鎖緊檢出開關(guān)。配合刀盤正反轉(zhuǎn)電磁閥和刀盤松開鎖緊電磁閥，在PMC指令下完成換到功能。

該液壓刀塔的控制方式是采用三個接近開關(guān)的狀態(tài)排列組合來表示不同的刀號，并據(jù)接此狀態(tài)來確認當(dāng)前的刀位。通過液壓馬達和相應(yīng)電磁閥來執(zhí)行控制動作。表1即為所列出的刀號與接近開關(guān)的對應(yīng)關(guān)系。

表1 刀號與接近開關(guān)的對應(yīng)關(guān)系表

刀號

接近開關(guān) 1 2 3 4 5 6 7 8

D（刀具編碼3） 0 0 0 1 1 1 1 0

C（刀具編碼2） 0 0 1 1 0 0 1 1

B（刀具編碼1） 0 1 1 1 1 0 0 0

A（刀具奇效驗） 1 0 1 0 1 0 1 0

（3）PMC相關(guān)信息

本機床采用的是FANUC 0i-MA數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制單元有內(nèi)置的I/O卡，用于機床各檢測元件信號的采集和控制各種氣、液壓閥組件，指示燈等的動作。在控制單元內(nèi)置的I/O卡，其輸入點的點數(shù)為96點，輸出點點數(shù)為64點。如輸入輸出數(shù)量未能滿足要求時，就需要通過控制單元上的I/O LINK擴展I/O單元來滿足使用的要求，并在編寫PMC程序時，對各I/O設(shè)備的地址進行分配。

FANUC PMC全稱為可編程機床控制器，PMC與普通PLC的主要區(qū)別在于該PMC不僅可以對外部實實在在的I/O信號進行邏輯分析和處理，還可以從數(shù)控系統(tǒng)讀取信號（F），向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送信號（G），是日本FANUC系統(tǒng)所獨有的設(shè)備。

（4）關(guān)于配盤

因為僅僅改造刀塔，所以電路配盤較為簡單，只需將相應(yīng)接近開關(guān)接至接口信號板，并將電磁換向閥接至相應(yīng)接觸器即可，注意受空氣開關(guān)保護即可。

5.3.2 軟件部分

（1）PMC編寫步驟

第一步：將數(shù)控機床的PMC程序，使用CF卡從數(shù)控機床的ROM中傳出。使用軟件轉(zhuǎn)換成PC可讀程序，在LADDERⅢ中讀出

第二步：配合機床工作狀態(tài)，圖紙資料和FANUC系統(tǒng)說明書，找出并刪除第一二級梯形圖程序中關(guān)于刀塔部分的語句，重新編寫刀塔的控制程序。

第三步：將編寫好的程序重新轉(zhuǎn)換為NC可讀程序，傳入機床，對機床進行調(diào)試，使之符合要求，完成改造任務(wù)。

（2）梯形圖主要包含內(nèi)容

①T指令解碼。②刀具編碼處理。③換刀請求錯誤及其它報警邏輯。④自動、手動和強制執(zhí)行刀塔旋轉(zhuǎn)方式。⑤換刀邏輯和鎖緊指令。⑥刀塔正反轉(zhuǎn)和松開鎖緊控制，即相應(yīng)電磁閥輸出。⑦T指令完成。

（3）新舊梯形圖主要區(qū)別

原電動刀塔與改造后的液壓刀塔主要區(qū)別有以下幾點：①刀具編碼方式。②鎖緊動作不同。③選通信號有無。④粗定位方式不同。

下面以刀具編碼方式為例，簡單解讀部分梯形圖。

圖3～圖6為數(shù)控車床刀塔控制梯形圖。

圖3程序段的主要功能是將刀塔的各個接近開關(guān)的狀態(tài)，以每個掃描周期為頻率送至中間寄存器R0105中，利用該功能塊，可以避免將刀塔的每個輸入信號以一條程序的方式逐一編寫，簡化了程序的書寫。功能塊中8個1是將X1005的每一位狀態(tài)都傳送至R0105中。并且將R0105的狀態(tài)相應(yīng)的變化反應(yīng)給中間寄存器R570，準(zhǔn)備下一步工作。

圖3 接近開關(guān)信號狀態(tài)讀入

圖4 機床準(zhǔn)備好控制

圖4程序段表明當(dāng)機床準(zhǔn)備好后R0552.2為1，此時將R570的前4位和第7位狀態(tài)傳送給中間寄存器R502。

圖5程序段主要應(yīng)用的是譯碼功能塊，當(dāng)中間寄存器R503中的數(shù)據(jù)與譯碼器中設(shè)定的值相等時譯碼輸出，R200.1為刀塔一號刀輸出確認，以此類推。圖6程序段是五號刀至八號刀的譯碼程序。

圖5 刀號譯碼控制

圖6 刀號譯碼控制

（4）報警信息編寫

原設(shè)備共有刀塔方面的4個報警：換刀指令錯誤;奇偶校驗錯誤;換刀超時錯誤;刀塔未鎖緊。這里未對原報警信息提示進行更改，只是更換了報警觸發(fā)條件。

6.結(jié)論

本文以數(shù)控車床刀塔的發(fā)展、組成、功能及PMC程序等理論為基礎(chǔ)，闡述了對某數(shù)控臥式車床刀塔的液壓化改造過程。刀塔是數(shù)控機床的重要組成部分，是磨損率最高的組成部件，通過對該電動刀塔的液壓化改造，可以極大的降低故障率，提高生產(chǎn)效率，有力的保障了生產(chǎn)。

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