数控车床自动回转刀架控制系统简介

摘 要:由于经济型数控车床是我国当前数控车床的主流产品,所以对其自动回转刀架的研究是很有必要的。安装自动回转刀架可以减少加工误差,缩短辅助时间还可以一次完成多工序的加工。本文简单的介绍了一种自动回转刀架的设计,希望对相关人员有所帮助。

关键词:数控车床 回转刀架 正转 反转 PLC

数控机床是一种机电一体化产品,其综合了自动控制、电子计算机、自动检测及精密机械等方面的技术。该系统通过处理相应的指令程序,可以自东完成信息的输入、译码和运算,从而完成控制机床运动和加工的过程。数控机床与普通车床相比,具有加工精度高,质量稳定、适应性、效率高、操作劳动强度低等优点。

经济型数控车床是我国当前数控车床的主流产品,主要是因为其价格低廉,设备费用投入较少。我国已有十余家企业生产规模达到年产千台以上。

经济型数控车床比较适合目前国内市场的需要,所谓的经济型数控机床就是在普通的机床上面加装数控系统的自动化机床。经济型数控机床主要依靠控制系统精度和机床本身的机械传动精度这两方面来保证和提高被加工零件的精度。由于数控车床的进给传动系统必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制,所以,数控车床与普通卧室车床相比,应具有更好的精度,以确保机械传动系统的传动精度和工作稳定性。

经济型数控车床为了能在工件的一次装夹中完成多工序加工,减少多次安装所引起的加工误差,缩短辅助时间,必须带有自动回转刀架。自动回转刀架一般四工位六工位和八工位这几种形式。根据机械定位方式的不同,自动回转刀架可分为三齿盘定位型和端齿盘定位型等。根据安装方式的不同,自动回转刀架可分为卧式和立式两种。其中端齿盘定位型虽然结构较简单,但是换刀时刀架需抬起,换刀速度较慢且密封性较差。三齿盘定位型又叫免抬型相对而言结构较复杂,但其换刀时刀架不抬起,因此换刀时速度快且密封性好。

自动回转刀架为了更好的承受加工时的切削抗力,在结构上必须要求有良好的刚性和强度。自动回转刀架还要选择可靠的定位方案和合理的定位结构以保证转位具有高的重复定位精度。自动回转刀架的自动换刀由控制系统和驱动电路来实现的。

1、自动回转刀架工作过程

电动刀架由机械换刀机构、电动机、发讯盘等组成。系统发出换刀信号时,刀架电机正转,通过升降机构和减速机构将刀体上升至一定位置,离合盘带动上刀体旋转到所选择刀位,这时发讯盘发出到位到位的信号,此时刀架电机反转,完成初定为以后上刀体下降,齿牙盘啮合,完成精确定位,并通过升降机构锁紧刀架。

2、控制系统设计

此次控制设计的是采用PLC来实现的刀架换刀过程。PLC对控制刀架的I/O进行逻辑处理和运算,以实现刀架的顺序控制。系统还要设计一些相应的参数对换刀过程进行调整来保证换刀能正确进行。此次设计采用的是西门子S7-200编程软件进行程序设计。

2.1 控制电路硬件

刀架电气控制部分的主电路主要是通过控制刀架电机的正转和反转来控制刀架的正转和反转。刀架控制的PLC输入输出控制回路中每把道具都有一个固定的刀号,通过PNP型霍尔开关并接一电阻进行到位检测。

2.2 PLC控制流程

数控刀架换刀有手动换刀和通过T指令进行自动换刀两种模式。手动换刀是指将机床调到手动状态,通过刀位选择按键进行目的刀位选择,有的系统是利用记数的形式来实现,例如通过检测刀位选择信号的状态,如果按下刀位选择按键,计数器的数值发生改变,系统选择也会发生相应的改变;有的系统是利用波段开关的形式进行实现,比如说也可以采用单键换刀,一个短促的按键可以换下一个刀位。T指令换刀是直接通过编程刀号作为目的刀位进行换刀。刀架电机顺时针旋转时为选刀过程,逆时针旋转时为锁紧过程,选刀监控时间和锁紧监控时间由PLC定时器决定。

2.3 PLC控制程序

PLC程序部分包括换刀刀号或编程刀号的读入、刀位判断比较、正转寻刀监控及反转锁紧延时监控等。由于篇幅的限制,在此只介绍自动换刀过程。

自动换刀的PLC控制系统,采用字节传送指令将当前刀位开关信号转换成当前刀号存放到继电器中,在T选通信号的作用下将当前刀号和指令刀号进行比较,如果不相等则置位,刀架电机开始正向旋转;刀架在正向旋转的过程中不停的对刀位输入信号进行检测,刀架中的每把刀具各有一个霍尔位置检测开关,各个刀具按顺序依次经过发磁体位置产生相应的刀位信号。当产生的刀位信号和指令刀号相一致的时候,PLC认为所选刀具已经到位。刀具到位以后,刀架仍继续正向旋转一段时间,这一时间由时间继电器来设定,不能太长,过长会造成手动或自动换刀时目的刀位不正确,过短会造成有些刀架换不到位,特别是手动换刀时会因为找不到下一个刀位而在原位转换,这个时间的设定在调试时要根据情况具体调定。自动换刀时延时一定时间以后,电机停止正向旋转,刀架开始反转,其实就是刀架锁紧的过程,这个过程会延续一段时间,直到刀架锁紧到位停止,但反转时间也不宜过长或过短。过长有可能烧坏电机或造成电机过热空开跳闸,时间过短有可能造成刀架不能够锁紧。刀架锁紧以后,整个换刀过程结束。

当然,在设计中还要考虑一些保护和安全因素,如刀架电动机长时间旋转,而检测不到刀位信号,则认为刀架出现故障,立即停止刀架电动机,以防止将其损坏并报警提示;刀架电动机过热报警时,停止换刀过程,并禁止自动加工等。

3、结论

回转刀架在数控车床中占有重要地位。回转刀架如果转位不到位或又很大误差,会使加工的工件报废。因此在设计时除了结构的合理之外,还综合考虑了精度等。刀架的回转精度用步进电机控制,因此选用的步进电机的步距角是受刀架精度影响的。

参考文献

[2] 余雷声.《电气控制与PLC应用》.北京机械工业出版社,2002.

[2] 余雷声.《PLC在数控机床控制系统的应用与开发》.制造业自动化,2009.