回轮式车床数控改造中回转刀架的控制研究

田晓文，赵庆志，孙 哲，席港港

（山东理工大学机械工程学院，山东淄博255091）

回轮式车床刀架的回转轴线与主轴轴线平行，上面沿圆周均匀地分布着许多轴向孔（通常为12～16个），供装夹刀具之用，当装刀孔转到最高位置时，其轴线与主轴轴线在同一直线上，回轮车床可进行车外圆、钻孔、扩孔、铰孔和加工螺纹等，由于同时安装多把刀具，工件在一次安装中，多把刀具分别对工件进行钻、扩、铰等加工，所以可减少辅助时间以及加工时间，实现复合加工［1]．回轮式车床加工零件时，工人劳动强度大，与数控机床相比效率低，且目前市场上没有数控回轮车床，所以回轮车床的数控化改造迫在眉捷．本文针对回轮车床数控化改造中回轮刀架的分度定位控制进行研究，以期在提高被加工工件的加工精度的同时，提高生产效率和工人操作的安全性，降低劳动强度，为企业带来比较好的经济和社会效益．

1 回轮式车床回转刀架机构原理

普通回轮式车床回轮刀盘上的刀具定位原理如图1所示．首先手工顺时针转动操作定位手柄6，则拨爪4带动定位轴3向右移动压缩弹簧5，定位轴销从定位销座2中拔出；换刀后，手工操作刀盘定位手柄向左摆动，同时在复位弹簧5的作用下，使定位轴3左端的锥销插入定位销座2，锁定回轮刀盘．在零件的加工过程中，每更换一次刀具，操作者必须重复上述的动作，劳动强度很大．

图1 刀具定位原理图

2 数控回转刀架的设计

2．1 回转刀架动力传动结构设计

数控改造后回轮车床的刀架转位如图2所示：刀盘齿轮6由小齿轮5带动转动，刀盘齿轮6的齿数Z1＝144，上面均匀分布了图3所示的16个分度定位孔，小齿轮5的齿数Z2＝18，两齿轮模数均为2mm．130ST－M10015型交流伺服电机1带动同步齿型带轮传动副2、3、4转动，带轮4固定在小齿轮5所在的齿轮轴上，数控系统控制交流伺服电机1转动，带动刀盘齿轮6转动，实现自动换刀．同步带传动无需润滑，成本低，且传动精度高［2]．

图2 回轮刀架动力传动图

2．2 回转刀架自动定位方案设计

图3 回轮刀架刀盘齿轮图

回转刀架需选择合理的定位机构和可靠的定位方案［3]．如图4所示，本方案用电磁铁来代替手工操作定位销轴，因为定位销插入定位销座的长度是6mm，所以额定工作行程要大于6mm，设额定工作行程δ≥10mm．原机床手工换刀扳动定位手柄时，只需克服复位弹簧的弹力即可．根据上述条件选择了常州市武进继电器厂生产的型号为MQ30120的电磁铁，其参数为：外型尺寸Φ72mm×120mm，工作电压24V（6A），初吸力13～15kg，最终吸力25～30kg，完全符合本方案的要求［4]．加工一个法兰盘2，在机床外壳和法兰颈上分别攻上螺纹，用螺母将法兰固定在机床上，而法兰盘跟电磁铁用法兰螺栓固定．安装时应注意保证电磁铁芯跟定位轴的轴线在同一直线上，在机床外壳适合的地方攻上螺纹即可．电磁铁的安装位置使铁芯与定位轴接触不到，需要加工一个两边有螺纹的小轴，来连接定位轴与电磁铁芯，小轴只承受轴向力．

图4 电磁铁定位方案原理图

回轮车床数控化改造选用凯恩帝公司生产的K100Ti－D车床用数控系统，该系统采用交流伺服电机作为驱动部件，构成半闭环位置控制系统．该数控系统原功能M32为润滑泵开，M33原功能为润滑泵关，而数控化改造后，这两个功能变为M32电磁铁通电，M33电磁铁断电．如图5所示，当数控系统执行M32时，继电器线圈得24V直流电，继电器常开触点闭合，电磁铁通电，铁芯向右移动，带动定位轴拔出定位孔；当数控系统执行M33时，继电器常开触点断开，电磁铁断电，铁芯在定位弹簧的作用下复位，使定位轴插入定位孔，刀盘固定不动．

2．3 电子齿轮传动比的设置

电子齿轮比就是对伺服电机接受到数控系统的脉冲频率进行放大或者缩小，其中一个参数为分子，一个为分母．如果分子大于分母就是放大，分子小于分母就是缩小．该功能是数控机床进给位置控制中经常使用的一种功能．数控系统发出进给指令脉冲，在控制机床进给部件移动的时候，可以不用顾及机械的减速比和编码器的脉冲数，将与数控系统输入指令脉冲相当的位置移动量设定为任意值，以达到控制位置的目的［5]．对于该功能需要解决的问题是如何设置电子齿轮比，使交流伺服电机的步距角达到正确控制刀架换刀的要求．

图5 M32功能原理图

2．4 刀架精确换刀方案设计

回轮式车床的回轮刀架一次可装夹6～8把刀，工件一次安装可完成多个工步［1]，所以在回轮车床的数控化改造中，怎样编程实现自动换刀，也是需要解决的问题．

如图3所示，回轮车床刀架上共有分度定位孔16个，相邻两孔间隔22．5°．电机轴转180°，刀架转，所以就把X坐标电子齿轮传动比设为，执行G01 U10 F90；电机轴转180°，刀架分度盘转22．5°，定位轴正好可以插入第二把刀所对应的定位孔．执行G01 U20 F90；电机轴转360°，刀架分度盘转45°，定位轴正好可以插入第三把刀所对应的定位孔．执行G01 U30 F90；电机轴转540°，刀架分度盘转67．5°，定位轴正好可以插入第四把刀所对应的定位孔，依次类推．

2．5 数控化改造后沟槽的车削方案

当回轮车床刀具定位时，刀盘上的装刀孔随即转到最高位置，其轴线与主轴轴线在同一直线上，使得车床钻孔、铰孔非常方便．但当回轮车床加工带沟槽的零件时，需手工操作刀盘定位手柄使刀盘转动继而带动刀具转动一定长度的圆弧，才能车削沟槽，如图6中孔1和孔3所示，因此自动换刀代替手工换刀也需解决车削沟槽的问题．

图6 制动泵零件图

回轮车床数控化改造后车削沟槽时，对好刀后，需要先执行M32，让刀盘可转动．通过编程使得电机轴转动一定的角度，带动刀盘上的刀具转动需要的角度，进行沟槽的加工．如沟槽深1mm，刀具中心线到刀盘圆心的距离R＝100mm，刀尖到孔内壁的距离为1．5mm，则刀盘需要转动的角度α为

当执行G01 U10 F90；电机轴转180°，刀架分度盘转22．5°，现在需刀架分度盘转1．43°，则应执行G01 U0．64 F90；可实现该沟槽的车削．

3 应用实例

如图6所示，在数控化的回轮车床上加工孔1、孔2、孔3，其步骤如下：

1）依据图样要求，确定工艺方案及走刀路线．

2）选用刀具．刀盘齿轮上均匀分布16个定位孔，按顺时针给各定位孔编号，分别为1号刀位置、2号刀位置…16号刀位置．加工时需用6把刀，第1把刀用来预钻中心孔，放在1号刀位置，刀尖离端面90mm；第2把刀用来钻孔，放在3号刀位置；第3把刀用来加工孔2，放在5号刀位置；第4把刀用来铰孔，作为孔1的最终加工，放在7号刀位置；第5把刀用来加工孔3，放在9号刀位置；第6把刀用来加工内孔倒角，放在11号刀的位置．

3）工件坐标系确定．用1号大中心孔刀来对刀，然后清零，作为工件坐标系原点，测出1号刀刀尖到其余各刀刀尖的距离，比1号刀长的为负数，比1号刀短的为正数．

4）精加工编程．其中与换刀以及切沟槽相关的00001号程序为：

N0030G01W－98 F90；（1号刀预钻孔深8mm）

N0070G01U20 F90；（换3号刀钻孔）

N0100G01U20 F90；（换5号刀车内槽）

N0140G01U0．64W－8 F40；（5号刀X向切宽度为8mm的槽）

N0180G01U20 F90；（换7号刀，铰孔）

N0220G01 U20 F90（换9号刀）

N0260G01 U0．57 W－1．5 F40；（9号刀X向切宽度为1．5mm槽）

N0300 M30；（程序结束，返回程序开头）

4 结束语

对回轮车床刀架的研究可使机床换刀方便，定位准确，实现加工自动化．对回轮车床数控化的研究，使机床操作简单、减轻了操作者的劳动强度，使零件工序集中，加工精度高，质量好，有利于提高经济效益和社会效益［6]．

［1] 郑申，张瑞乾．多工位数控转塔动力刀架设计［J] ．机械研究与应用，2010（5）：84－86．

［2] 刘春时，宋威，马仕龙．轴向刀架动力模块的传动方案研究［J] ．机械设计与制造，2010（12）：260－261．

［3] 王怀栋．数控车床自动回转刀架控制系统简介［J] ．数字技术与应用，2011（3）：12－13．

［4] 卢新波，谢宪旺，张中明．电磁铁相关技术参数的分析［J] ．液压气动与密封，2010（11）：36－38．

［5] 高荣．电子齿轮在数控机床中的应用［J] ．机床与液压，2007（6）：250－251．

［6] 赵中敏．普通机床数控化改造主要部件的确定方法［J] ．机床电器，2008（2）：20－23．