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1、江苏省徐州机电工程高等职业学校 届高职毕业论文 第16页1 绪论数字控制机床用数字代码形式的信息，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六方刀架，通过学习此课题使我明白加工盘类零件加工时选用数控车床六角回转刀架，而加工轴类零件时却选用的是四方回转刀架，刀架在机械加工中具有重要的作用，它能保证加工精度，提高产品质量，减轻工人的劳动强度，保证安全，提高劳动生产率，能以优质、高效、低耗的工艺去完成零件的加工和产品的装配。而使用了分度钻的好处在于，可采用多工位加工，能使加工工序集中，从而减轻工人的劳动强度和提
2、高生产率。使用刀架的最根本目的是获得好的经济效益。所以设计刀架也和其它技术工作一样，不仅是一个技术问题，而且是个经济问题。每当设计一套刀架之前，都要进行必要的技术经济分析，使所设计的刀架获得最佳的经济效果。对设计刀架进行经济技术分析时，应从精度设计和结构设计两方面考虑。精度设计技术分析，一般来说，刀架的精度越高加工出合格的工件的可能性越大。加工工件的质量越稳定，刀架的易损件的使用寿命也越长。但从另一方面看，工件的制造精度越高，从而会急剧增加刀架的制造成本，工件的加工成本也随之增加；反之，刀架制造的精度越小，将会使刀架在夹具中易损件，需频繁地更换，维修周期短，增加维修费用，从而增加了工件的加工成
3、本。所以刀架精度的设计准则是：应使夹具的设计精度与工件的加工精度要求相适应，不可盲目地提高刀架的精度要求。从原则上讲对加工精度要求高的工件，刀架的精度只能略高于工件要求的加工精度，这虽然会使易损件使用期限缩短，更换频繁，但仍比提高刀架的制造精度经济、合理。对加工精度要求不高的工件，刀架的设计精度要求应以夹具制造车间的平均经济精度为下限而不必过。. 数控刀架的发展趋势是：随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。1.1 项目背景 数控机床是先进制造业的基础机械，是最典型的多品种、小批量、高技术含量的机电一体化产品。近期我国在数控机床的发展方面，主要采用跟踪高级型
4、、发展普及型、扩大经济型，以普及型为主的策略，重点发展。 最近几年，我国数控机床呈现高速发展、展销两旺的态势。在今后相当长的一段时间内，受我国国民经济增长平稳，固定资产投资增长的强劲拉动，机床工具行业仍将持续、稳定增长，经济效益逐步提高。数控刀架作为数控机床必须的功能部件，直接影响机床的性能和可靠性，是机床故障的高发点。目前我国数控机床主机厂刀架资源有以下五个来源：（1）主机厂自制；（2）来自意大利和德国；（3）来自烟台环球机床附件集团有限公司；（4）来自江苏常州地区若干企业；（5）来自台湾地区。其中常州地区的刀架生产企业占据经济性刀架的主流市场。1.2 项目开发的目的意义 本课题是我校在企业
5、“华中数控股份有限公司”的相关人员协助下自行完成的。目前，我们过多的是实习操作，在操作过程中难免会有一些故障出现，对于数控机床刀架作为数控机床必需的功能部件，直接影响机床的性能和可靠性，是机床故障的高发点，因此，我们在熟悉机床运行及刀架结构后，更要深入透彻的研究刀架所会出现的故障，通过对刀架故障研究学习，既巩固了以前与刀架及机床相关知识，也知道刀架故障一般出现在机械方面，电气方面和参数方面，并通过这三方面进行故障排除，通过学习，知识面更广，也为以后进入企业打下坚固的基础，利用所学知识为企业减轻负担，提高生产效率及经济效益。1.3 数控机床刀架目前存在的问题和解决办法存在问题：（1） 控制粗，自
6、诊断功能弱，故障率高，排除时间长；（2） 无锁紧状态、智能识别功能；（3） 控制通用性差；（4） 影响中高档刀架的推广。解决办法：首先按刀架的不同控制方式进行分类，将各种刀架的控制系统程序都集中在单片机上，通过刀架选择开关确定对不同刀架的控制。其次根据刀架发讯装置的不同，设计专用的接口电路。经过这样设计的刀架控制系统可以控制电动单向转、电动双向转、液压等各类型刀架且可兼容4工位、6工位、8工位、12工位等多种规格刀架。实现刀架控制程序的通用性。其次独立的刀架控制系统可与CNC连接，一方面可以大大简化CNC侧刀架控制程序的编制工作，另一方面可以实现经济型数控系统对双向转刀架的控制。该刀架控制系统
7、也可以脱离CNC单独使用，其内装的刀架自检测程序可控制刀架运行，在刀架发生故障时用以判断故障在刀架侧或在CNC侧。根据各种刀架的控制过程，将刀架运行过程中可能出现的各种故障，制作出诊断表，分配故障代码，给出故障报警，方便用户维修。对于电动单向转刀架的锁紧控制。采用电流检测，做到控制精确，以延长刀架的使用寿命、减少故障率。1.4 完成论文（设计）的条件 完成此论文具有充分的条件，硬件设施一应俱全，在校内拥有国家级实训基地，为我们提供了充足且多样化的数控机床，还设有相应的维修实验室，在实验室内，设备齐全，利于我们刀架故障维修实习及电工实习，还有机房以便软件学习、设计。在软件方面即理论专业知识的学习
8、，我们学习了电工电子、机床电气控制、机械制图、机械基础、数控机床、数控故障诊断与维护等基础理论知识。 实践是检验真理的唯一途径，在学习专业知识后，进行了相应的实习，如：电工实习、钳工实习、故障维修实习，还有数控车床、铣床的实习，并取得了数控车床高级工证，铣床中级工证，对于计算机的学习，学习了CAD、UG软件，通过理论知识的学习和动手操作实践，使之互相巩固，相互促进，汲取各方面知识，更有利于提升发现问题、分析问题、解决问题的能力，实现自我价值。1.5 项目特色和创新点 本项目采用单片机作为整个控制系统的中心控制部件，以实现刀架的智能化控制。具有以下特色：（1） 通用性好。能控制多种型号的刀架，并
9、可兼容多种CNC系统。方便生产厂家及用户，做到通用性强，减少维修环节，减少成本。（2） 自动识别相序。能自动识别相序的排列，使现场安装简单，易于操作。避免相序接错后刀架的堵转，进而避免故障率，提高刀架的使用寿命。（3） 锁紧状态智能化识别。自动识别锁紧力的大小，做到出厂刀架的锁紧力基本相同，降低刀架制作难度，确保刀架的精度和使用寿命，增强产品的竞争力。（4） 宽电压使用。对刀架控制器的电源作相应处理，使控制系统的使用较少的受电源的波动。（5） 故障自诊断及报警。本控制系统能根据刀架产生故障时不同的现象，将其分类，并在显示窗口上显示出来，使维修人员能尽快找到故障点，减少维修时间并减少维修人员的工
10、作量。（6） 自检测、监测功能。本功能作为刀架控制系统的一个扩展功能。可作为刀架生产厂家在刀架出厂时控制刀架做老化试验。1.6 主要技术参数机床一般采用四工位和六工位刀台。刀具用T1位数指令来选择刀具的功能。T1T4（或T6）指定相应的刀台中的任意一把，刀台接受T指令后正转，通过刀台霍尔元件找到刀台位，正转停止，反转接通，刀台锁紧。目前，CNC系统还可进行刀具半径补偿、刀具长度补偿以及刀具寿命管理和自动刀具测量等。下表2-1和2-2是CK6140数控车床刀架的主要技术参数表格2-1技术参数项目单位技术参数刀架快速移动速度X/Zm/min3/6刀位数4刀方尺寸mm2020X向行程mm200Z向行
11、程mm800表格2-2代码G代码组功能G4007取消刀尖补偿G41刀尖半径R补偿（左）G42刀尖半径R补偿（右）1.7 主要技术指标(1) 可以控制电动单向转、电动双向转、液压等各类型刀架(2) 能够自动识别相序(3) 能够识别锁紧状态(4) 允许电源电压波动的范围达15%(5) 本产品设计完成后将达到功能完善、性能优良、运行可靠、自动化程度高等特点。2数控机床刀架故障诊断研究方案2.1 数控机床刀架基本概念及工作原理经济型数控车床具有手动和自动两种，刀架有4工位、6工位、8工位、12工位等多种规格刀架，其中常用的为方刀架。方刀架是在普通车床四方刀架的基础上发展的一种自动换刀装置，其功能和普通
12、四方刀架一样，有四个刀位，能装夹四把不同功能的刀具，方刀架回转90时，刀具交换一个刀位，但方刀架的回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制。2.1.1 数控车床刀架(1) 数控机床方刀架 （见附录）换刀时方刀架的动作顺序是：刀架抬起刀架转位刀架定位夹紧刀架。(2) 数控机床六角回转刀架 （见附录）(3) 盘形自动回转刀架(4) 车削中心用动力刀架2.1.2 加工中心自动换刀装置(1) 转塔式自动换刀装置(2) 180回转式换刀装置(3) 回转插入式换刀装置(4) 二轴转动式换刀装置(5) 无机械手交换刀具方式(6) 机械手换刀为完成上述动作要求，要有相应的辅助机构来实现，下面就介绍一下常见数控车
13、床刀架的工作顺序的完成步骤。这样才会达到功能完善、性能优良、运行可靠、自动化程度高等特点。刀架动作顺序如图所示：具体工作顺序为：当主机系统发出转位信号后，刀架电动机转动，电机带动蜗轮转动，蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮与螺杆用键连接，螺杆转动把夹紧轮往上抬，从而使三齿圈（内齿圈、外齿圈、夹紧圈）都松开。这时，离合销进入离合盘槽内，反靠销同时脱离反靠盘槽子，上刀体开始转动，当上刀体转到对应的刀位时，磁钢与发讯盘上的霍尔元件相对应，发出到位信号。系统收到信号后发出电机反转延时信号，电机反转，上刀体稍有反转，反靠销进入反靠盘槽子实行初定位，离合销脱离离合盘槽子，夹紧轮往下压紧内外齿圈直至锁紧，延时结束。主机
14、系统指令下一道工序。2.2 数控机床刀架故障诊断机械方面数控机床刀架机械结构装配图及零件拆分图并加以标注说明（机械结构图及零件拆分图见附录）2.3 数控机床刀架故障诊断电气方面强电 控制电机正、反转电路图弱电 控制电路 刀位信号线（电路图及明细表见附录）2.4数控机床刀架故障实例分析与故障排除2.4.1 常见故障及排故分析：一、在数控车床的使用过程中，自动回转刀架常常会发生故障。现在简单介绍一下常用车床回转刀架中常见的故障及排除措施。故障1：刀架不转位（一般系统会提示刀架位置信号错误）。原因分析：刀架继电器过载后断开。刀架电动机380V相位错误。由于刀架只能顺时针转动（刀架内部有方向定位机械机
15、构），若三相位接错，刀架电动机一通电就反转，则刀架不能转动。刀架电动机三相电缺相。刀架位置信号所用的24V电源故障。刀架内中心轴上的推力球轴承被轴向定位盘压死，轴承不能转动，使得刀架电动机不能带动刀架转动。拆下零件检查原因，发现由于刀架转位带来的震动，使得螺钉松动，定位键长时间承受正反方向的切向力，会使得定位键损坏，螺母和定位盘向下移动，给轴承施加较大轴向力，使其转动不得。控制系统内的“系统位置板”故障，刀架到位后，“系统位置板”应能检测到刀架位置信号。排除措施：检查机床强电线路，拆开刀架，调整推力球轴承向间隙，更换损坏零件，检查24V电源，更换“系统位置板”。故障2：刀架转位，但刀架锁不紧或不到位，用手扳动时，刀架可左右晃动。原因分析：刀架电动机反转电路故障，电动机不反转，因为当刀具转动到位后，电动机应即刻反转，将刀架落下，定位并锁定于刀
