识读刀架线路

引出任务

连接刀架电动机主回路和控制回路。

学习目标

·能识读实验台刀架回路图纸;

·能根据图纸连接实验台的刀架回路;

·熟悉数控车床的换刀过程;

·能根据刀架部分的故障现象分析故障原因并排查。

相关知识

一、数控车床刀架的结构

(一) 刀架作用

数控刀架安装在数控车床的滑板上。它上面可以装夹多把刀具，在加工中实现自动换刀。刀架的作用是装夹各种车刀并准确迅速地选择刀具对工件进行切削。刀架滑板由纵向(Z轴) 滑板和横向 (X轴) 滑板组成，Z轴滑板安装在床身导轨上，可以沿床身纵向运动，横向滑板安装在纵向滑板上，能沿纵向滑板的导轨进行横向运动。刀架滑板的作用是使安装在其上的刀架刀具在加工过程中实现纵向和横向的进给运动。

(二) 数控车床的刀架分类

1． 排刀式刀架

排刀式刀架一般用于小规格的数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。在排刀式刀架中，夹持着各种不同用途的刀具沿着机床X坐标方向排列在横向滑板上。刀具的典型布置方式如图3-2所示。

图3-2 常见排刀式刀架

这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴移动预先设定的距离，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的效率。

2． 回转刀架

回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，是一种最简单的自动换刀装置(图3-3)。回转刀架上回转头各刀座用于安装或支持各种不同用途的刀具，通过回转头的旋转、分度和定位，实现机床的自动换刀。回转刀架分度准确、定位可靠、重复定位精度高、转位速度快、夹紧性好，可以保障数控车床的高精度和高效率。回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力; 同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。

图3-3 常见回转刀架

数控机床使用的回转刀架是比较简单的自动换刀装置，常用的类型有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。回转刀架根据刀架回转轴与安装地面的相对位置，又分为立式刀架和卧式刀架两种，立式回转轴垂直于机床主轴，多用于经济型数控车床，卧式回转刀架的回转轴平行于机床主轴，可径向与轴向安装刀具。

3． 带刀库的自动换刀装置

上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定限制。当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成，如图3-4所示。

图3-4 常见带刀库的换刀装置

(三) 数控车床四工位刀架

1． 换刀工作原理

按下换刀键或输入换刀指令后，电动机正转，并经联轴器，由滑键带动蜗杆、蜗轮、轴、轴套转动。轴套的外圆上有两处凸起，可在套筒内孔中的螺旋槽内滑动，从而举起与套筒相连的刀架及上端齿盘，使上端齿盘与下端齿盘分开，完成刀架抬起动作。刀架抬起后，轴套仍在继续转动，同时带动刀架转过90° (如不到位，刀架还可继续转位180°、270°、360°)，并由微动开关发出信号给数控装置。刀架转到位后，由微动开关的信号使电动机反转，利用销使刀架定位而不再随轴套回转，于是刀架向下移动，上下端齿盘合拢压紧。蜗杆继续转动并产生轴向位移，压缩弹簧，套筒的外圆曲面压缩开关使电动机停止旋转，从而完成一次转位。

对于四工位自动回转刀架来说，它最多装有4把刀具，微机系统控制的任务，就是选中任意一把刀具，让其回转到工作位置。现以选取1#刀为例简述刀架换刀的过程，如图3-5所示。

图3-5 1#刀转到工作位置的流程图

经济型数控车床刀架是在普通车床四方位刀架的基础上发展的一种自动换刀装置，其功能和普通四方位刀架一样，有四个刀位，能夹持四把不同功能的刀具，四方刀架回转90°时，刀架交换一个刀位，但四方刀架回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制的。换刀时四方刀架的动作顺序是: 刀架抬起、刀架转位、刀架定位和夹紧。上述动作要求，要由相应的机构来实现，下面就以四工位刀架为例来说明其结构与原理，如图3-6所示。

该刀架可以安装4把不同的刀具，转位信号由加工程序指定。当换刀指令发出后，小型电动机1启动正转，通过平键套筒联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动蜗轮丝杠4转动。蜗轮的上部外圆柱加工有外螺纹，所以该零件称为蜗轮丝杠。刀架体7内孔加工有内螺纹，与蜗轮丝杠旋合。蜗轮丝杠与刀架中心轴外圆是滑动配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠环绕中心轴旋转。当蜗轮开始旋转时，由于刀架底座5和刀架体7上的端面齿处在黏合状态，且蜗轮丝杠轴向固定，这时刀架体7抬起。当刀架体抬至一定距离后，端面齿脱开。转位套9用销钉与蜗轮丝杠4连接，随蜗轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开，转位套正好转过160° (如图A-A所示)，球头销8在弹簧力的作用下进入转位套9的槽中，带动刀架体转位。刀架体7转动时带着电刷座10转动，当转到程序指定的刀号时，定位销15在弹簧力的作用下进入粗定位盘6的凹槽中进行粗定位，同时电刷13、14接触导通，使电动机1反转，由于粗定位槽的限制，刀架体7不能转动，其在该位置上垂直落下，刀架体7和刀架底座5上的端面齿黏合，实现精确定位。电动机继续反转，此时蜗轮停止转动，蜗杆轴3继续转动，随着夹紧力的增加，转矩不断扩大，达到一定值时，在传感器控制下，电动机1停止转动。

图3-6 四工位刀架结构简图

1—电动机; 2—联轴器; 3—蜗杆轴; 4—蜗轮丝杠; 5—刀架底座; 6—粗定位盘;7—刀架体; 8—球头销; 9—转位套; 10—电刷座; 11—发信体; 12—螺母;13、14—电刷; 15—粗定位销

译码装置由发信体11，电刷13、14组成，电刷13负责发信，电刷14负责位置判断。刀架不定期出现过位或不到位时，可松开螺母12，调好发信体11与电刷14的相对位置。

这种刀架在经济型数控车床及普及型车床的控制化改造中运用广泛。

二、刀架电气控制原理

(一) 刀架的工作过程

刀架是数控机床实现刀具装夹和自动换刀的主要装置。刀架电动机的启停、转向受控于PLC。其工作过程为: 数控系统发出换刀信号，控制继电器动作，电动机正转，通过蜗轮、蜗杆、螺杆将销盘上升至一定高度时，离合销进入离合盘槽，离合盘带动离合销，离合销带动销盘，销盘带动上刀体转位，当上刀体转到所需刀位时，霍尔元件电路发出到位信号，电动机反转，反靠销进入反靠盘槽，离合销从离合盘槽中退出，刀架完成粗定位。同时销盘下降，端齿啮合，完成精定位并将刀架锁死。如图3-7所示为换刀机构控制信号传输流程框图。

图3-7 换刀机构控制信号传输流程

(二) 刀架的电气控制

电动刀架的电气控制分强电和弱电两部分。强电部分由三相电源驱动三相交流异步电动机正、反旋转从而实现电动刀架的松开、转位和锁紧等动作，如图3-8所示。弱电部分主要由位置传感器——发信盘构成，发信盘采用霍尔传感器发信。该数控电动刀架的电动机采用三相异步电动机，功率为90W，转速为1300r/min。电气控制和连接详见本实验台附带的电气原理图册。

图3-8 刀架正、反转

实施

1． 分析图纸

图3-1包含刀架电动机的主回路。由图可知: 合上QF1、QF2之后，由KM1控制刀架电动机正转，用于寻找刀具; KM2控制刀架电动机反转，用于反向锁紧刀架。查KM1和KM2的线圈回路，可知在220A和220B回路中，接有相关控制电源。

2． 连接

(1) 连接刀架电动机主电路。

由前面的电源回路可知，在QF2之后，线号变成U11、V11、W11。U11、V11、W11经由端子排转接后分成三路: 一路接至伺服变压器的进线端，一路接至KM1接触器的常开主触点，一路接至KM2接触器的常开主触点。由KM1和KM2的常开主触点出来后，线号为U2、V2、W2，将KM1和KM2常开主触点出来的线任意两相倒相，来控制电动机的正反转。同时需要注意，主灭弧器RC3出来的三根线也要和U2、V2、W2接至一起。

(2) 连接刀架电动机控制电路。

220A经由端子排转接后，连至中间继电器KA4的常开触点 (KA4的常开触点位置是继电器板上K8与K7之间)，由KA4的常开触点一端K7出来后，线号变为111，111接至KM2上的常闭辅助触点一端，由KM2上的常闭触点另一端出来，线号变为113，113接至KM1的线圈一端，由KM1的线圈另一端出来，线号即为220B，220B接至端子排。

另一组220A连至中间继电器KA5的常开触点 (KA5的常开触点位置是继电器板上K10与K9之间)，由KA5的常开触点一端K9出来后，线号变为112，112接至KM1上的常闭辅助触点一端，由KM1上的常闭触点另一端出来，线号变为114，114接至KM2的线圈一端，由至KM2的线圈另一端出来，线号即为220B，220B接至端子排或接至KM1的线圈出线端。