數控車床刀塔改造與實施

高博 宋建東 金輝

【摘要】數控車床是目前工業上使用極其廣泛的一種設備，集機電和液壓等技術于一身，具有較高的科學技術含量。而刀塔則是數控車床的核心組件之一，故障率相對較高，因此，維護好刀塔可以有效的保證生產效率。對于那些故障率過高，嚴重制約生產，沒有維修價值的刀塔，應及時更換或改造。本文從數控車床和刀塔的功能寫起，逐步介紹了刀塔的結構和發展，并以此為依據，從采購、硬件連接、刀具編碼和PMC程序編寫等相關環節介紹了一個電動刀塔改造為液壓刀塔的實例，有效的降低了故障率，提高了機床的穩定性，提升了生產效率。

【關鍵詞】數控車床;刀塔;液壓刀塔;改造;PMC程序

1.引言

數控車床又稱CNC車床，是一種高精度、高效率的自動化機床，分為臥車和立車兩種。它是目前國內使用量最大、覆蓋面最廣的一種數控設備，集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術為一體，在機械制造設備中具有不可替代的地位。配備多工位刀塔或動力刀塔后，數控車床可以加工直線圓柱、斜線圓柱、圓弧和各種螺紋、槽、蝸桿等復雜工件，具有直線插補、圓弧插補各種補償功能，并在復雜零件的批量生產中發揮了良好的經濟效果。

數控車床刀塔是數控車床非常重要的部件，目前國內數控刀塔以電動為主，分為立式和臥式兩種，有四工位、八工位、十工位和十二工位等，可進行正反方向旋轉，就近選刀，適用于各種數控車床。此外還有液壓刀塔和伺服刀塔等，適用于不同客戶的不同精度要求。

我公司某數控臥式車床刀塔原來采用的是電動刀塔，經常發生故障，嚴重影響正常生產。我公司早期引進的一些數控車床，其刀塔同樣已接近使用壽命，若對其進行升級改造，則會極大地提高機床的生產效率，延長使用壽命，提高加工性能和可靠性。該車床經改造后效果良好，故障率大幅降低，收到生產一下好評。

2.數控車床刀塔作用

數控車床是利用車刀對旋轉的工件進行車削加工的機床，配以數控系統和多工位刀塔可以大幅度提高加工效率。在車床上可用鉸刀、擴孔鉆、鉆頭、絲錐、板牙和滾花工具等進行相應的加工。刀塔是安放刀具的重要部件，許多刀直接參與切削工作，如臥式車床上的四方刀塔，轉塔車床的轉塔刀塔，自動車床的轉塔刀塔和天平刀塔等。這些刀塔不僅負責安放刀具，本身還需要承受很大的切削力，所以它往往成為工藝系統中的最脆弱一環。再加上刀塔本身處于切削液包圍的環境，導致刀塔在數控系統中故障率極高。隨著自動技術的發展，機床的刀塔也有了許多變化，特別是數控車床上采用電（液）換位的自動刀塔，實現了大容量存儲刀具和自動交換刀具的功能，極大的節省了裝夾刀和調整工件的時間。

3.數控車床刀塔類型

數控車床可以配備兩類刀塔：一種是廠家專用刀塔，由車床生產廠商自己開發，所使用的刀柄也是專用的。這種刀塔的優點是制造成本低，但通用性差;另一種是通用刀塔，根據一定的通用標準和客戶要求，由機床生產廠家外購后安裝在車床上，經過調試和參數優化后，交付客戶使用。這種刀塔可以節省生產時間和人力物力，并在日后維修方面提供方便。

刀塔的結構形式一般為回轉式，刀具沿圓周方向安裝在刀塔上，可以安裝徑向車刀、軸向車刀、鉆頭、鏜刀。車削加工中心還可以安裝軸向銑刀、徑向銑刀。還有少數數控車床的刀塔為直排式，刀具沿一條直線安裝。

按換刀方式的不同，數控車床的刀塔系統主要有回轉刀塔、排式刀塔和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式。其中我們大多數車床采用回轉式刀塔，在工件復雜度不高的情況下，這種刀塔完全可以滿足普通機械加工廠家的生產需要。

圖1 八刀位星型液壓裝配圖

4.數控車床刀塔發展趨勢

科技迅速發展的今天，數控車床正朝著高速、高效、高精度、柔性化、環保等方面發展。數控車床的迅猛發展，需要相應的附件大力跟進。目前國內數控車床大多采用電動刀塔，并朝著快速換刀、電液組合驅動和伺服驅動方向發展，預計今后對數控刀塔需求量將大大增加。數控刀塔今后的發展趨勢，可以從以下幾個方面來說明：

（1）刀塔轉位時間短、轉位準確。這關系到刀塔的質量，其主要取決于刀塔換刀時間和故障率。

（2）刀塔定位精度高、動作迅速、穩定可靠。數控機床的切削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置。在加工過程中刀尖位置不能進行人工調整，因此，轉塔刀塔在結構上必須有良好的強度、剛性和合理的定位結構，以保證轉塔刀塔在每一次轉位之后，具有高的重復定位精度。

（3）能多刀夾持、雙向轉位，并能實現任意刀位就近選刀。

（4）具有通用性強、應用范圍廣，以及維修方便等優點。

同時，刀塔設計正在向模塊化、標準化、高速化方向發展。

5.數控車床的液壓刀塔改造

5.1 液壓刀塔的結構組成及工作原理

如圖1所示為回轉刀塔的結構圖，刀塔的松開和夾緊以及刀盤的分度轉位分別由液壓系統和液壓馬達來實現。安裝刀具的刀盤與主軸固定連接，換刀時，液壓缸注入壓力油，兩個與端齒盤固定的活塞拉動靜端齒盤向右移動，使得與動端齒盤脫開，即刀盤松開。當刀盤松開之后，數控系統判斷是正轉還是反轉，進而液壓泵給馬達提供壓力油，帶動刀盤旋轉，即換刀。主軸帶動刀盤換刀，是通過液壓馬達帶動齒輪副，并且通過撥叉使扭矩傳遞到主軸，進而帶動刀盤旋轉的。刀盤旋轉到后，液壓馬達帶動刀盤停止轉動，與靜端齒盤固定的兩個液壓缸動作，活塞向左移動，使得靜端齒盤和動端齒盤嚙合，完成精定位和刀盤的鎖緊。當加工工件時，液壓泵把壓力油注入缸體右腔，活塞向左移動，使刀盤一直處于緊鎖狀態，車刀加工工件，如此循環往復運動。

5.2 刀具編碼及選擇方式

5.2.1 刀具的編碼

根據數控裝置所發出的刀具選擇指令，從刀塔中挑選各工序所需要的刀具的操作稱為自動選刀。自動選刀的實現，需要對刀具進行編碼。對于臥式車床刀塔而言，刀具的編碼主要有以下三種方式：

（1）接近開關組合編碼

圖2 接近開關組合編碼方式示例

當PLC讀入指定接近開關編碼信號（如圖2所示）后，則判斷刀塔目前處于該號碼刀具。

（2）開關位置識別

每把刀到位時都會有一個接近開關接通，通知PLC目前正處于這一刀位。與第一種方式相比，這種方式在編寫PLC程序時比較簡便，但是卻多出很多接近開關，增加刀塔結構復雜性，同時也增加了故障率。

（3）脈沖編碼器識別刀號

這種方式編碼時，系統會計入脈沖數量后判斷是否到達下一到位。通常需要處理該編碼器信號的電路或模塊。

本文實例中，原刀塔采用第三種編碼方式，改造后的液壓刀塔采用第一種編碼方式。

5.2.2 刀具的選擇方式

比較簡單的數控車床在選刀時只能順序旋轉，沒有反轉，也就是沒有就近選刀功能，這種刀塔無論是機械結構，動力裝置還是PLC程序都要簡單一些，適用于工位數較少的刀塔，不適合較復雜零件的批量加工。目前大多數的數控車床都適應就近選刀，這樣既可以節省加工時間，也能有效降低刀塔動作頻率，延長壽命，降低故障率，提高生產效率。本例所改造的液壓刀塔則支持就近選刀功能。

5.3 數控車床刀塔改造的實現

5.3.1 硬件部分

（1）購買元器件

首先，根據所購買液壓刀塔功率等參數和目前設備液壓系統老化程度，評估和購買所需元器件。經評估，液壓系統符合要求。因此所需購買元器件包括交流接觸器3個，電磁換向閥3位4通和2位4通各1個，液壓管路，電纜等輔助元器件若干，其余相關元件采用設備原有元件。

（2）液壓刀塔

關于液壓刀塔工作原理此處不再贅述。

該液壓刀塔共有6個接近開關（PNP，ON，10-30VDC，100mA），棕色線和黑色線為電源，藍色線為信號線，四個刀位檢出開關，一個刀盤停止轉動與鎖緊允許開關和一個刀盤松開鎖緊檢出開關。配合刀盤正反轉電磁閥和刀盤松開鎖緊電磁閥，在PMC指令下完成換到功能。

該液壓刀塔的控制方式是采用三個接近開關的狀態排列組合來表示不同的刀號，并據接此狀態來確認當前的刀位。通過液壓馬達和相應電磁閥來執行控制動作。表1即為所列出的刀號與接近開關的對應關系。

表1 刀號與接近開關的對應關系表

刀號

接近開關 1 2 3 4 5 6 7 8

D（刀具編碼3） 0 0 0 1 1 1 1 0

C（刀具編碼2） 0 0 1 1 0 0 1 1

B（刀具編碼1） 0 1 1 1 1 0 0 0

A（刀具奇效驗） 1 0 1 0 1 0 1 0

（3）PMC相關信息

本機床采用的是FANUC 0i-MA數控系統，該系統控制單元有內置的I/O卡，用于機床各檢測元件信號的采集和控制各種氣、液壓閥組件，指示燈等的動作。在控制單元內置的I/O卡，其輸入點的點數為96點，輸出點點數為64點。如輸入輸出數量未能滿足要求時，就需要通過控制單元上的I/O LINK擴展I/O單元來滿足使用的要求，并在編寫PMC程序時，對各I/O設備的地址進行分配。

FANUC PMC全稱為可編程機床控制器，PMC與普通PLC的主要區別在于該PMC不僅可以對外部實實在在的I/O信號進行邏輯分析和處理，還可以從數控系統讀取信號（F），向數控系統發送信號（G），是日本FANUC系統所獨有的設備。

（4）關于配盤

因為僅僅改造刀塔，所以電路配盤較為簡單，只需將相應接近開關接至接口信號板，并將電磁換向閥接至相應接觸器即可，注意受空氣開關保護即可。

5.3.2 軟件部分

（1）PMC編寫步驟

第一步：將數控機床的PMC程序，使用CF卡從數控機床的ROM中傳出。使用軟件轉換成PC可讀程序，在LADDERⅢ中讀出

第二步：配合機床工作狀態，圖紙資料和FANUC系統說明書，找出并刪除第一二級梯形圖程序中關于刀塔部分的語句，重新編寫刀塔的控制程序。

第三步：將編寫好的程序重新轉換為NC可讀程序，傳入機床，對機床進行調試，使之符合要求，完成改造任務。

（2）梯形圖主要包含內容

①T指令解碼。②刀具編碼處理。③換刀請求錯誤及其它報警邏輯。④自動、手動和強制執行刀塔旋轉方式。⑤換刀邏輯和鎖緊指令。⑥刀塔正反轉和松開鎖緊控制，即相應電磁閥輸出。⑦T指令完成。

（3）新舊梯形圖主要區別

原電動刀塔與改造后的液壓刀塔主要區別有以下幾點：①刀具編碼方式。②鎖緊動作不同。③選通信號有無。④粗定位方式不同。

下面以刀具編碼方式為例，簡單解讀部分梯形圖。

圖3～圖6為數控車床刀塔控制梯形圖。

圖3程序段的主要功能是將刀塔的各個接近開關的狀態，以每個掃描周期為頻率送至中間寄存器R0105中，利用該功能塊，可以避免將刀塔的每個輸入信號以一條程序的方式逐一編寫，簡化了程序的書寫。功能塊中8個1是將X1005的每一位狀態都傳送至R0105中。并且將R0105的狀態相應的變化反應給中間寄存器R570，準備下一步工作。

圖3 接近開關信號狀態讀入

圖4 機床準備好控制

圖4程序段表明當機床準備好后R0552.2為1，此時將R570的前4位和第7位狀態傳送給中間寄存器R502。

圖5程序段主要應用的是譯碼功能塊，當中間寄存器R503中的數據與譯碼器中設定的值相等時譯碼輸出，R200.1為刀塔一號刀輸出確認，以此類推。圖6程序段是五號刀至八號刀的譯碼程序。

圖5 刀號譯碼控制

圖6 刀號譯碼控制

（4）報警信息編寫

原設備共有刀塔方面的4個報警：換刀指令錯誤;奇偶校驗錯誤;換刀超時錯誤;刀塔未鎖緊。這里未對原報警信息提示進行更改，只是更換了報警觸發條件。

6.結論

本文以數控車床刀塔的發展、組成、功能及PMC程序等理論為基礎，闡述了對某數控臥式車床刀塔的液壓化改造過程。刀塔是數控機床的重要組成部分，是磨損率最高的組成部件，通過對該電動刀塔的液壓化改造，可以極大的降低故障率，提高生產效率，有力的保障了生產。

參考文獻

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