立式电动刀架刀位检测常见三种方式的比较分析

王凤平 孙洪强

(湖北三江航天万山特种车辆有限公司，湖北孝感 432000)

电动刀架是数控车床的组成部分之一，分为立式和卧式两大类。立式刀架有四、六工位两种形式，卧式刀架有八、十、十二等工位形式［1］。数控车床在加工复杂工件时，为了提高工效，往往需要一次装夹多种刀具，因此必须配备易于控制的电动刀架。本文仅以经济型数控车床最常配备的立式四工位电动刀架(简称“四方刀架”)为例，总结实践中经常见到的3种刀具位置检测方式，对比分析其中的工作原理。

1 刀具位置检测发信装置的比较

四方刀架旋转一周，等分4个刀位:T1、T2、T3、T4。不同位置的刀具旋转换位到工作位置，控制系统必须能够正确识别当前刀号，才能够保证换刀正常进行。我公司在用几台FANUC 0-TC系统数控车床，配备的四方刀架都是通过磁感应原理测量刀位，由传感器发出信号，再由FANUC系统PMC接收并处理。同样是检测刀位号的功能，可以设计出几种不同方案。通过实践观察，总结常见3种方式如下:

(1)计数式:随着刀架旋转，工作位置每经过1把刀具，计数传感器发出一次计数信号，定位传感器同时也发出一个定位信号。

(2)扫描式:每个刀位设传感器，系统根据换刀指令向各个刀位传感器发出扫描信号，扫描指定的传感器在刀位到达工作位置时发出反馈信号。

(3)定位式:每个刀位设传感器，对应发出本刀位是否在工作位置的信号。

以上3种工作方式对应的3种发信装置如图1所示，详细原理后续展开分析。

2 计数式刀具位置检测原理分析

四方刀架计数式发信装置如图1a所示，包括随刀架换刀而转动的旋转圆盘、固定不动的固定圆盘。其中旋转圆盘对应T1、T2、T3、T4位置安装4块定位磁钢，固定圆盘则相应有两个接近开关分别作为计数传感器和定位传感器。

在数控车床FANUC数控系统PMC中，参数D407记忆当前刀号，参数F153指示换刀目的刀号，经过软件计算，换刀步数存于参数D405，详见表1。

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计数式刀位检测电路、换刀流程及部分梯形图程序详见图2。系统读取换刀指令，若当前刀号与目的刀号一致则不换刀;若不一致则换刀启动，刀架开始正转。刀架工作位置每经过1把刀具，端口X20.5就收到1个高电平计数信号，软件CTR计数器按D405参数递减计数。若计数到且收到端口X20.4高电平定位信号，则刀架反转锁紧，换刀结束，参数D407更新为当前刀号数值。

梯形图中，除流程图已说明的符号外，补充说明如下:F149.1表示“系统复位”信号［2］，R640.4表示“自动/非自动”状态信号，X4.3表示“单步手动换刀”信号，X21.6表示“刀架电动机过流检出”信号。

3 扫描式刀具位置检测原理分析

四方刀架扫描式发信装置如图1b所示，旋转圆盘对应T1、T2、T3、T4位置安装4个霍尔元件传感器，刀具定位磁钢固定安装在刀架工作位置可感应区间。

扫描式刀位检测电路、换刀流程及部分梯形图程序详见图3。系统读取换刀指令，经过译码比较，输出四工位扫描信号 Y53.1、Y53.2、Y53.3、Y53.4。刀架正向旋转，直至收到端口X8.0低电平刀位反馈信号则停止正转，待反向锁紧则换刀结束。

梯形图中，F150.3表示“系统T功能指令”信号，F153表示“T功能 BCD 代码”［2］。

4 定位式刀具位置检测原理分析

四方刀架定位式发信装置如图1c所示，旋转圆盘对应T1、T2、T3、T4位置安装4个霍尔元件传感器，刀具定位磁钢固定安装在刀架工作位置可感应区间。

定位式刀位检测电路、换刀流程及部分梯形图程序详见图4。系统读取换刀指令，刀具位置码由端口X20.0、X20.1、X20.2、X20.3 输入，高电平表示该号刀具不在工位，低电平表示该号刀具在工位。软件获知刀具位置之后，再通过译码扫描来判断换刀是否到位，输出信号控制刀架正反方向旋转动作。

5 刀具位置检测原理对维修的指导意义

数控车床常见的故障中，刀架类故障占有相当大的比例［3］。分析解决刀架故障，应有整体概念和经验。刀架控制必须采集刀具位置信息，通过前述比较分析，我们知道了3种不同的刀位检测方式，如果不能辨识面对的是哪一种，实践中就不能继续有效分析。我公司维修中，曾发生过将“计数式”误认为“定位式”、或将“扫描式”误判为“定位式”，以致找不出刀架故障根源的事例。

刀位检测环节的诊断是刀架故障分析中的关键一步，技术理论是维修实践的先导，只有理解具体是哪种检测方式和原理，才能按照逻辑关系正确判断，提出相应的解决方案。

6 结语

本文通过研究，对技术资料删繁就简、集中测绘对比、重新绘制流程图等，总结了现实遇到的四方刀架刀具位置检测3种方式。并主要依据笔者测绘成果，对3种检测原理进行了认真分析。实际工作中，由于设备资料繁杂、分散、不统一或不完整，现场维修人员不一定能很快读懂图纸，并与实物完全对应准确。希望本文对于指导立式电动刀架故障维修、缩短故障判断时间等，能够起到助益作用。

［1］彭永忠.电动刀架的换刀原理及故障诊断［J］.中国科技信息，2010(7).

［2］白斌.数控系统参数应用技巧［M］.北京:化学工业出版社，2009.

［3］袁林，付福起，李海滨.数控车床刀架典型故障分析及排除［J］.制造技术与机床，2010(1):128-130.