周中吉

(上海振華重工(集團)股份有限公司 上海 200125)

對于數(shù)控車床來說，其刀架作為中心組件之一，發(fā)揮著關鍵作用，當下，立式和臥式兩種電動刀架在數(shù)控車床刀架中運用比較廣泛。在此之中，四工位和六工位兩種立式刀架模式被運用于簡便數(shù)控車床中；八工位、十工位、十二工位等臥式刀架基本用于全功能復雜型數(shù)控車床之中，其具備正向和反向旋轉的功能。電動刀架屬于數(shù)控車床核心結構之一，若是能夠確保正確使用電動換刀架，便能夠有效提升生產(chǎn)效率、提升加工精度，能夠更好地應用至復雜零構件加工之中。

1 自動換刀機構

1.1 自動換刀裝置

零件加工成功完成需經(jīng)過多種工序疊加，尤其是單功能機床會將很多時間浪費在更換刀具、裝卸零件等操作上，這樣一來，可用于切削加工的時間就會大大縮減。基于此，為高效利用切削時間，可在數(shù)控機床加工零件過程中融入自動換刀裝置。目前，包含自動換刀裝置的數(shù)控機床發(fā)展較為迅速。其與精密數(shù)控轉臺相配合使用，可有效提升機器的加工速度。自動換刀裝置擁有儲備刀具的功能，同時能在加工時間的限制之內(nèi)盡快實現(xiàn)更換刀具的目標。同時，自動換刀裝置還自帶重復定位系統(tǒng)，能有效增強加工精度，此外還具有存儲刀具數(shù)量多、結構較為緊促、應用安全的優(yōu)勢。依據(jù)數(shù)控機床的不同類型、工藝范圍不同、刀具種類和純儲高量等不同，相應的也要選擇差異化的自動換刀裝置。

1.2 用于數(shù)控車床的回轉刀架

回轉刀具作為自動換刀裝置的類別之一，具備相對簡易的操作特性，以刀架數(shù)量為出發(fā)點，又可分為四方刀架（在回轉刀架上安裝4 把刀具）和六角刀架（在回轉刀架上安裝6把刀具）[1-2]，也可根據(jù)施工需要安裝多把刀具。操作人員可根據(jù)數(shù)控裝置的指令自動實現(xiàn)更換刀具的目標?；剞D刀架的強度與剛度需滿足設計需求，這樣才能在粗加工中承擔更大的切削抗力。刀尖的位置決定了車削加工的精度，安裝自動換刀裝置的數(shù)控車床一旦開始加工，不能中途人工調(diào)整刀具的位置，所以，為使回轉刀架轉位后有更加準確的重復定位并且實現(xiàn)0.001～0.005 mm 的精度誤差限制，需創(chuàng)建科學的定位方案和完整的定位結構。

2 PLC控制車床刀架

2.1 電動刀架及其工作原理

根據(jù)圖1 所示內(nèi)容，電動刀架的動作切換控制主要由繼電器KA1、KA2管控，可以做到電機的正反轉切換。當?shù)都苄D時，每一工位中的霍爾元件會有序轉換為有效狀態(tài)，系統(tǒng)則可迅速把握T1、T2、T3 及T4 的狀態(tài)和變化，從而選擇和評判出刀具、刀號是否與所需相符，如果符合，電機則呈現(xiàn)出反向旋轉、鎖緊刀具的狀態(tài)。系統(tǒng)的順利運行取決于電動刀架各時序的切換狀況和間隔狀況，同時運動刀架生產(chǎn)廠家所推薦的指標是否合理一定程度上影響著反向鎖緊的所需時間，太長則會出現(xiàn)電機升溫乃至燒損的后果。因此，應在交流380 V 進線位置科學設置快速熔斷器、熱繼電器等，以保障電動刀架的安全運行。

圖1 電氣原理圖

2.2 刀架的選用

因定位準確且速度快，電動刀架在數(shù)控車床刀架中應用更為廣泛。手動、液壓驅動是傳統(tǒng)車床刀架的主要形式。可選用電動刀架，以提升數(shù)控車床的操作準確性，根據(jù)藏刀數(shù)量的差異性，可將刀架類型分為臥式轉塔刀架和立式電動刀架。前者一般裝有8～12 把刀，后者多為四工位或六工位。

2.3 電動刀架的電機控制

刀架種類多樣，有簡易刀架也有自動刀架。霍爾元件是簡易刀架評判刀位時的主要工具；自動刀架則包含位置編碼和雙向換刀等功能，其中一些也具備電動刀具。既可通過用普通異步電動機控制刀架旋轉，也可應用伺服電機。車床所需的刀架均可在刀架的生產(chǎn)廠家中購買。不同的廠家，刀架生產(chǎn)方式不同，自然也包含不同的控制方法，即使相同廠家所生產(chǎn)的刀架也可能受型號不同的限制，采用不同的控制方法和控制時序。總體來說，三相異步電動機往往被用于驅動電動刀架。若想呈現(xiàn)出刀架正或反轉的效果，可將直流繼電器與交流接觸器進行融合，并與三相交流電源進行匹配。

2.4 刀架刀位信號監(jiān)控

在機床的使用過程中，可能會出現(xiàn)刀位檢測信號出現(xiàn)故障的情況，一旦出現(xiàn)此種情況，換刀過程難以順利實現(xiàn)，也會出現(xiàn)PLC 應用程序搜索不到目標刀具的狀況。一般情況下，刀架中進入冷卻液時會損壞霍爾元件或造成單位信號線斷掉。通過觀察刀架的時序圖發(fā)現(xiàn)：檢測信號不會出現(xiàn)全“0”或者全“1”的狀態(tài)。刀架電機并未開始轉動，但檢測信號卻呈現(xiàn)出“0”或者“1”的狀況，此時很可能是刀架硬件產(chǎn)生故障，這時要利用報警信號燈及時向工作人員傳輸故障信號，并對其進行立即檢修，找出故障位置。

2.5 換刀時間監(jiān)控

對啟動換刀和查找到目標刀具的流程來說，設置時間監(jiān)控是十分重要的[1]。若出現(xiàn)信號故障或編程錯誤都會使自動換刀裝置無法找到目標刀位，也就無法完成自動換刀的操作，因而對PLC 應用程序進行換刀時間監(jiān)控，可有效避免上述情況的出現(xiàn)。

2.5.1 時序分析

PLC應用程序會迅速察覺到數(shù)控系統(tǒng)信號接口發(fā)出的換刀指令，并對當前刀具的存在位置進行監(jiān)控和評判，標出目標刀位方向，將電機啟動后，刀架遵循就近原則，向著目標方向旋轉。處于旋轉狀態(tài)時，可通過PLC應用程序接收編碼器所發(fā)出的到位信號和選通信號，精準評判出目標刀位的存在位置。若實際刀位與目標位相一致且選通信號出現(xiàn)了下降沿，預定位電磁鐵被PLC 應用程序所控制而開始工作。同時，預定位傳感器的下降沿還需進一步監(jiān)控，當出現(xiàn)下降沿時，要及時采取措施：控制電機方向，旋轉，將刀架鎖緊[2]。倘若鎖緊程序被啟動時，PLC 應用程序則要深度獲取到目前刀位和選通信號的上升沿。目前刀位和目標刀位重合一致，并監(jiān)測到選通信號出現(xiàn)了上升沿，需對預定位進行控制，關閉電磁鐵，關停刀架電機，換刀程序完成。換刀時有兩個重要時間：d1=30 ms，d2=60 ms，整個換刀過程是否順利與這兩個時間息息相關。若預定位電磁鐵不能吸合或刀架電機反向時間與設定值不相符時，刀架可能會出現(xiàn)鎖不緊的情況。PLC掃描時間、繼電器滯后時間會影響d1、d2。因此，PLC 應用程序需設定更短的掃描周期，一般情況可設置數(shù)控系統(tǒng)的配置參數(shù)來達到上述目標。實踐表明，將PLC 掃描時間設定在12 ms左右，能較好地滿足控制時序要求。

2.5.2 按就近找刀原則明確換刀方向

判斷刀架的旋轉方向屬于PLC應用程序的重要任務[3]。換刀指令通過信號接口發(fā)出后，PLC應用程序確定就近找到方向時要參照實際刀位。應以就近找刀原則為基礎確定換刀方向。

3 數(shù)控車床自動換刀PLC控制

數(shù)控車床電動刀架所包含刀具的功能具有多樣性。為順利實現(xiàn)換刀操作，應以旋轉分度為基礎展開定位。以電動刀架BWD40-1 為例，其屬于六工位刀架，傳動工具為蝸桿蝸輪。刀架電動機正轉則可完成刀架松開分度，電動機反轉則可實現(xiàn)鎖緊定位。而電動機的正轉和反轉則由接觸器KM6、KM7 掌控。同時刀架的松開和縮緊狀況則可由微動行程開關SQ1 監(jiān)控。刀架電動機所包含的角度編碼器可進一步對刀架分度進行監(jiān)察。圖2為展現(xiàn)出具體的控制電路圖。

圖2 數(shù)控車床電動刀架電氣控制線路

3.1 電氣設計要求

（1）換刀指令下發(fā)至機床后，刀架電動機則呈現(xiàn)正向運轉的狀態(tài)，運行松開分度的任務。注意檢測轉位時間，將其設成10 s。當分度時間超過特定數(shù)值時，系統(tǒng)將以溫度故障報警信號的方式來進行提醒。

（2）順利實現(xiàn)刀架分度后，電動機呈現(xiàn)出反轉運行的態(tài)勢，可以縮緊狀態(tài)對目標換刀方向進行監(jiān)控。同時應在0.7 s限制內(nèi)完成電動機反轉控制，避免電機發(fā)熱情況的出現(xiàn)。

（3）電動機呈現(xiàn)正向或反向運轉狀況時，應對正向運轉停止和反向運轉開始的延時時間展開掌控。

（4）自動換刀指令下發(fā)后，刀架對刀位進行鎖緊，同時監(jiān)測其信號[4]。順利查找到鎖緊到位的信號后便可實行換刀操作。

（5）自動換刀過程中要對電機進行保護，一旦出現(xiàn)過載、短路、溫度過高等意外情況，及時發(fā)出報警信號。在自動換刀時，若程序T 碼指令產(chǎn)生故障——T=0 或T＞7時則以報警信號的方式來進行提示。

3.2 電動刀架PLC控制

根據(jù)圖2 內(nèi)容，角度編碼器查找到的實際刀號所包含的信號地址分別為X2.1、X2.2、X2.3[2]。X2.6 展現(xiàn)的是任一轉達選通輸入信號就接通的地址。在地址D302 借助NUME 指令（常數(shù)指令）寫入當前刀架的實際位置，再將其進行判別。當前刀號的位置與PLC 應用程序選擇的換刀位置通過判別指令進行判斷，若數(shù)值相同說明換刀位置與當前位置一致；倘若數(shù)值存在差異，則要進行分度控制?？筛鶕?jù)數(shù)字0和7進行操作評判指令和比較指令的對比，若PLC 應用程序呈現(xiàn)出T碼=0或T碼＞7的狀況，則說明程序T碼出現(xiàn)了故障，需停止分度操作。倘若T 碼和實際刀號具有差異性，PLC應用程序則會下發(fā)分度指令，繼電器R0.3=1，刀架電動機呈現(xiàn)正轉態(tài)勢，此時輸入繼電器Y2.4=1。通蝸桿蝸輪開始傳動，刀盤轉位則需對凸輪進行松開操作，這時，X2.1、X2.2、X2.3 分別代表角度編碼器的轉位信號，刀架變換到指定換到位置后，系統(tǒng)就會下發(fā)判斷一致性的命令，此時COIN 信號R0.0=1 以及刀架分度到位信號也就是繼電器R0.4=1。定時器TMR01=50 ms，刀架電動機則會對Y2.4信號進行阻斷，對定時器02下達反轉運行指令，延時之后系統(tǒng)下達刀架電動機反轉指令同時輸出Y2.5 信號，電動機開始反轉定位，對凸輪展開鎖緊的同時下達刀架鎖緊到位信號（X2.5），在反轉后對定時器03的延時命令進行終止，TMR03=0.6 s，下達電動機反轉停止信號（R0.7=1），對刀架電動機反轉運轉輸出信號Y2.5 進行阻斷。刀架鎖緊到位時發(fā)出的信號（X2.5）連接到PLC 應用程序完成T 輔助功能，R1.1=1。順利實現(xiàn)自動換刀控制之后，系統(tǒng)對信號G4.3=1 的命令終止，對刀架分度指令R0.3 展開阻斷。在換刀時，出現(xiàn)以下信號要立即停止操作：TMR04 代表超時，X2.4代表電動機過載而引起的溫度升高，X2.7代表斷路器QF1故障。

3.3 電動刀架的調(diào)試

3.3.1 刀架預緊力超標

施工過程中若是使用扳手來松動蝸桿端部，必須使用很大的力氣才能成功轉動蝸桿，如果夾緊后的刀架無法用于后續(xù)施工之中，很有可能是由于具體增加的預緊力未在標準限制之內(nèi)。面對這一問題的有效解決方式則是適當調(diào)低刀架電機、加緊電流。

3.3.2 刀架內(nèi)部機械卡死

若旋轉導架中的蝸桿不能順利轉動，極有可能是因為機械卡死的原因。為解決這一問題，第一，要對螺母的鎖死狀況進行觀察，倘若螺母呈現(xiàn)鎖死態(tài)勢，則需及時展開修復；第二，對夾緊設備的反靠定位銷在反靠棘輪槽中的位置進行判斷，如果恰好處于槽內(nèi)，則要對反靠棘輪的角度進行變動，實行打孔操作，確保其和螺桿連接銷孔良好的結合；第三，工作人員對潤滑系統(tǒng)的質(zhì)量進行評判，若確實由于潤滑系統(tǒng)的質(zhì)量問題，則應對具體原因進行考察并對潤滑系統(tǒng)進行修復。

3.3.3 電源連接不上，電機無法工作

遇到這一問題應先對線路進行檢查，觀察電源開關是否通電，開關位置是否擺放正確。若呈現(xiàn)出電源順利接通、電機反轉的狀況，則表示電機相序接反，操作人員應及時監(jiān)測和整理線路的變換相序。

4 常見故障及排除方法

考慮到電動刀架對整個數(shù)控車床的工作來說至關重要，承擔著非常核心的功能，極易出現(xiàn)損壞，且刀架運行狀況將直接影響到整個機床的工作狀態(tài)，極有可能拉低生產(chǎn)效率。為此，該研究整理和歸納出具體操作過程中的常見問題。

（1）隨意下達換刀指令，刀架呈現(xiàn)出不斷轉動的狀況[5-6]。無論系統(tǒng)做出何種換刀指令的時候，刀架均維持高速旋轉，此時表明刀架只能接收到換刀的提示，無法接受其他信號指示，進而表明系統(tǒng)中霍爾元件無法正常工作，經(jīng)檢測，霍爾元件并無故障、電源能夠照常工作，所有接線完全正確。

（2）在換刀時，系統(tǒng)停止工作。根據(jù)數(shù)控車床的要求，刀架的熱保護繼電器常閉信號大多存在于急?；芈分?，倘若出現(xiàn)刀架反轉、卡死或缺相等狀況，電流則會迅速上升，熱保護繼電器也難以運行，發(fā)出急停報警，接收到信號后，機床將暫停工作，此時無法成功換刀。待工作人員檢查校正所有線路之后，將線路全部調(diào)整無誤，刀架才能恢復工作。

（3）當電動刀架鎖無法擰緊的時候，可通過以下幾大方法進行處理：①倘若反鎖時間過短，則需將系統(tǒng)反鎖時間參數(shù)設置在1.2～1.3 s的限制之內(nèi)；②對刀架電機正反轉接觸器的接線狀況展開全面監(jiān)測；③在機械鎖緊機構產(chǎn)生問題時，應對整個刀架進行拆卸，并對傳動銷的折斷情況、蝸輪蝸桿表層的損害狀況進行考察和梳理，仔細檢驗中軸是否出現(xiàn)了斷裂，根據(jù)實際情況及時更換磨損嚴重的機械構件。

（4）未能有效進行刀臺換到位或過沖太大。究其原因，在于機械傳動停止運行、電機難以反轉或發(fā)信盤位置偏差等，為有效處理這一問題，應先把刀架上的霍爾元件與磁鋼連接上，確保刀位無誤。

5 結語

數(shù)控車床的發(fā)展得益于計算機技術，在數(shù)控車床上應用電動刀架提高了工作效率。為此，對電動刀架的PLC編程設計展開探究是十分關鍵的。該文基于數(shù)控機床自動換刀裝置的基本介紹后，從自動換刀裝置選用刀架、電機控制、車床刀架控制對PLC應用程序的調(diào)試方法進行了介紹，以期為后續(xù)研究提供借鑒。