四工位立式回轉刀架機電系統設計

彭勃

摘 要：本設計是基于數控機床的自動回轉刀架仿真。主要的工作可以分成兩部分，一部分是機構仿真，另一部分是電氣控制。機構仿真是先對四工位立式回轉刀架的工作原理的分析和對零件進行結構設計。電氣控制就是把程序導入到PLC中來控制刀架電動機中的兩個繼電器，從而實現對刀架的正反轉控制，而且電機的停轉可以通過限位開關的開關信號來控制，實現自動換刀。

關鍵詞：自動回轉刀架；刀架控制原理；刀架電氣控制系統仿真

1 數控機床刀架的介紹

自動換刀系統是數控機床的重要組成部分。機床的加工性能受刀具夾持原件的結構特性及它與機床主軸的連接方式的直接影響。而機床的換刀效率受到刀庫結構形式及刀具交換裝置工作方式的影響，而整機的成本造價又受自動換刀系統本身及相關結構的復雜程度的直接影響。

2 數控刀架的工作原理及電氣設計

電氣是機械的控制中心，也就是說電氣原理的設計可以實現機械動作的復雜操作控制。下面我們通過數控刀架的電氣知識霍爾效應、刀架的接線原理圖和具體的經濟型刀架換刀過程等，對電氣原理的運用做進一步的了解。

2.1 數控車床四工位刀架換刀工作原理

電機會在接到換刀鍵或者換刀的指令后正轉，蝸桿、渦輪、軸、軸套由于花鍵的定位作用，同聯軸器一同轉動。軸套外圓上有兩處凸起，能夠限位軸套，使軸套在套筒內孔中的螺旋槽內作滑動，因刀架與上端齒盤同套筒相連，此時會因套筒的滑動被舉起，使上下齒盤分開，刀架抬起，當套筒繼續轉動時，刀架會被帶動旋轉90°（如不到刀位，刀架還可以繼續轉180°、270°、360°），而且此時控制裝置能夠收到由微動開關發出的檢測信號，直到刀架轉到指定位置，控制裝置會根據微動開關提供的刀架已經到達指定位置的信號，使電動機反轉，此時定位銷會使刀架定位不再回轉，刀架則向下移動，上下端齒盤重新壓合。當蝸桿繼續轉動，產生軸向位移，壓縮彈簧，曲面壓縮開關使電機停止旋轉，從而完成一次轉位。微機系統的控制目的就是指四工位自動回轉刀架上的四把刀具中的任意一把轉到指定的工作位置。

2.2 數控刀架電氣控制系統設計

2.2.1 霍爾原理在刀架中運用的簡單概述 一臺數控機床能夠進行生產加工的衡量標準即是它的精度，如果精度不能滿足需求，它就不能進行生產，而霍爾元件檢測的精確性卻在很大程度上保障著數控機床的精度。在數控機床上，常用霍爾接近開關來檢測刀位。首先，在換刀開關接通時會發出換刀信號，隨后放大器在電機的驅動下正轉，刀架被抬起，電機則繼續正轉，霍爾元件會在刀架每轉過一個工位時進行檢測，判斷是否為所需刀位。若不是所需刀位，電機繼續正轉，直到所需刀架轉到工位。

那么從電路的角度來看，當整個電路被接通時，正轉線圈自鎖，換刀開關處于自動檔的位置控制開關進行自動換刀。而霍爾元件會在刀架轉到所需刀位時自動斷開，停止電機。此時翻轉電路接通，延遲反轉，刀架下降并壓緊。所以從這個過程中我們可以看出來霍爾元件在數控機床中不但起到了檢測與反饋作用，也是數控機床精度的可靠性保障。

2.2.2 四工位刀架PLC接線原理圖 機床PLC控制著數控機床刀架，而普通的四工位刀架用于普通機床，所以控制比較簡單。我們要分析數控機床的控制原理，其實就是分析車床刀架的換刀過程，而換刀過程其實就是PLC對控制刀架所有I/O信號進行邏輯處理與計算。另外換刀過程也需要設置一些相對應的系統參數來保證正常進行。在我們分析之前，還得先了解關于刀架控制的電氣部分。刀架控制電氣部分如下圖所示。圖中a是控制刀架的正反轉，是強電部分；圖b控制的是兩個交流接觸器導通和關閉，實現圖a中強電部分的控制，是弱電部分；圖c部分是直接控制刀架的部分電路，控制繼電器回路及PLC的輸入及輸出回路。

圖中各器件的作用如下：

①M——刀架電動機；

②QF1——刀架電動機帶過載保護的電源空開；

③Km1，Km2——刀架電動機正、反轉控制交流接觸器；

④KA1，KA2——刀架電動機正、反轉控制中間繼電器；

⑤S1～S4——刀位檢測霍爾開關；

⑥SB1——啟動按鈕；

⑦SB2——停止按鈕；

⑧C——電容給刀架單項電機不項。

接線圖回路圖簡析：假設，當1號刀在PLC輸入/輸出電路中輸入時，同時選擇手動刀。KAI線圈就會因為SB1的閉合而進行翻轉，當KA1觸點斷開后，便能實現互鎖。而KA1觸點的導通（KA1始終處于閉合狀態）會使的KM2線圈得電反轉，便能夠實現雙重互鎖。此時刀架正轉接觸器回路導通，強電回路中的KM2觸點閉合后會使刀架進行正轉。霍爾元件會準確的檢測到1號刀架是否到達信號位，如果到達，刀架定位鎖緊，電機停轉，直到結束。其他3把刀換刀方式依次類推。

以上為四工位立式回轉刀架機電系統設計，該設計對于四工位回轉刀架的設計和仿真有著重要的參考作用，并且在學習和教研中已經取得重要進步，證明該設計的思路是正確有效的！