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數(shù)控銑床刀庫改裝裝置
2023-9-19  來源：浙江交通技師學(xué)院   作者：傅 凱


     摘要：隨著我們對加工工藝的深入了解，加工中心起到重要的作用。設(shè)備改造、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、生產(chǎn)工藝改進(jìn)等都是需要突破的難點。數(shù)控銑床的自動化換刀就是眾多項目中的一個。我們通過分析企業(yè)需求，制定設(shè)備改造方案，完成自動換刀裝置支架的設(shè)計和制造、刀庫系統(tǒng)的設(shè)計、刀庫的安裝及位置調(diào)整、系統(tǒng)調(diào)試及運行等任務(wù)，最終完成對數(shù)控銑床的自動化改造，將機(jī)械手自動換刀代替以前的人工手動換刀，使生產(chǎn)提高了效率，降低了成本。作為技師研修的內(nèi)容，我們通過參與項目，學(xué)習(xí)鞏固了專業(yè)知識，并運用到實際當(dāng)中。

     關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床；自動換刀裝置；改造

     準(zhǔn)備工作：（1）準(zhǔn)備支架，刀庫。（2）準(zhǔn)備中間繼電器 5 個，接觸器 3 個，空氣開關(guān) 2 個。（3）準(zhǔn)備電線，紅色 22v，藍(lán)色 24v，黑色380v。動力線，信號線。（4）準(zhǔn)備工具，扳手、六角扳手、潤滑油、小刀、扎帶等。
  
     1、刀庫類型的確定
  
    自動換刀裝置有斗笠式刀庫，圓盤式刀庫，鏈?zhǔn)降稁斓阮愋?。這部分內(nèi)容是《機(jī)床與數(shù)控機(jī)床》的專業(yè)知識，查閱資料，根據(jù)需求進(jìn)行分析，確定刀庫的使用參數(shù)，選用合適的刀庫。當(dāng)前設(shè)備數(shù)控銑床，所加工產(chǎn)品的刀具在 20 把以內(nèi)，通過分析每種刀庫的特點和企業(yè)需求，確定了自動換刀裝置選用圓盤式刀庫，刀具容量24 把以及刀庫的參數(shù)指標(biāo)。
  
     2、支架的設(shè)計
  
     支架和是連接刀庫機(jī)床的連接件，支架的設(shè)計使用到《機(jī)械CAD/CAM》以及《機(jī)械基礎(chǔ)》專業(yè)知識，通過測量機(jī)床和刀庫尺寸以及刀庫的重量，對支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，運用 CAD 軟件實體進(jìn)行造型仿真，優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)，完成支架的圖紙設(shè)計。


圖 1 刀庫安裝位置仿真圖

    支架的機(jī)加工部分由我們加工完成，包括平面銑削、槽銑削、鍵的加工。這部分專業(yè)知識在《機(jī)加工實訓(xùn)》《數(shù)控加工實訓(xùn)》中學(xué)習(xí)到。

 
   
圖 2 支架設(shè)計圖

     3、刀庫安裝
  
    利用龍門架將支架吊裝至主軸立柱的預(yù)留安裝位置；將立柱與支架的安裝面清理干凈，保證配合面安裝準(zhǔn)確；將支架的定位鍵插入立柱鍵槽；移動支架使其與立柱通過定位鍵準(zhǔn)確定位；用緊固螺栓將支架固定在立柱上；在立柱上安裝用于調(diào)整支架位置的螺栓部件。
  
    利用龍門架將自動換刀裝置吊裝至機(jī)床附近，并拆除自動換刀裝置的支承附件；將自動換刀裝置吊裝至支架位置，調(diào)整自動換刀裝置并用螺栓將其固定在支架上。連接信號線、動力線、接通氣路。

    4、系統(tǒng)的設(shè)計
  
    系統(tǒng)的設(shè)計是一項綜合性很強(qiáng)的任務(wù)，在這個任務(wù)運用《電工與電子技術(shù)》《機(jī)床電控與 PLC》的專業(yè)知識。
  
   （1）電氣系統(tǒng)設(shè)計。自動換刀裝置分度電機(jī)和刀臂電機(jī)的控制的強(qiáng)電部分設(shè)計。M2、M6 分別為自動換刀裝置分度電機(jī)和刀臂電機(jī)。KM02 和 KM03 分別為自動換刀裝置正、反轉(zhuǎn)控制接觸器，正反電機(jī)之間互鎖。KM06 為刀臂電機(jī)接觸器，由于刀臂電機(jī)只做一個方向的運轉(zhuǎn)，刀臂順逆旋轉(zhuǎn)靠內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，故換刀動作只有一個接觸器。QF03、QF06 為空氣斷路器，當(dāng)過載時切斷電路，保證安全運行。ZM02、ZM06 為吸收電路，用于改進(jìn)電動機(jī)在開通和關(guān)斷時所承受的電壓和電流波形。


圖 3 電氣原理圖
  
    （2）接觸器電路的設(shè)計。該部分主要是實現(xiàn) PMC 的輸出信號的變化接通或斷開的控制，KA02、KA03、KA06 分別控制 KM02、KM03、KM06 線圈得電的物理中間繼電器。

    （3） 倒刀回刀動作的控制。分別由物理繼電器 KA04、KA05控制 YV2、YV3 電磁閥。

     5、機(jī)床調(diào)試
  
     在與這部分任務(wù)用到了《數(shù)控機(jī)床維修》《數(shù)控原理與應(yīng)用》的專業(yè)知識。在調(diào)試之前，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，將 K 參數(shù)中 K3.3=1K5.5=1，實現(xiàn)單步換刀（M80-M86）。

    （1）自動換刀裝置位置調(diào)整。這部分內(nèi)容自動換刀裝置與主軸相對位置的確定十分重要，關(guān)系到換刀能否順利完成。順序執(zhí)行 M80（刀套垂直）、M81（刀臂持刀）、M82（刀位松）、M83（換刀）、M84（刀位緊）、M85（刀臂原點）、M86（刀套水平）指令，使換刀臂處于換刀位置（M83），將一刀柄錐面均勻涂抹紅丹油放置在刀臂上，用于調(diào)整自動換刀裝置位置，這調(diào)整支架上 X 向、Y 向微調(diào)螺釘用來調(diào)整自動換刀裝置位置，同時在手輪模式下，Z 軸上下移動主軸，使主軸錐孔與刀柄錐面輕輕接觸，觀察主軸錐孔上紅丹油的分布情況，直至紅丹油均勻分布在主軸錐孔面上。鎖緊支架螺釘，這樣自動換刀裝置的位置調(diào)整完畢。



圖 4 接觸器設(shè)計圖


圖 5 氣動電磁閥電路圖


   （2）機(jī)床第二參考點設(shè)置（換刀點）。在調(diào)試之前，機(jī)床回機(jī)械原點，執(zhí)行回零操作，一般機(jī)械原點高于換刀點。設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，將 K 參數(shù)中 K3.3=1 K5.5=1。輸入 #1326 號系統(tǒng)參數(shù) Z 50，#1851號參數(shù) APC 置 1，重新開關(guān)機(jī)，#1851 號參數(shù) APZ 置 1，再次重新開機(jī)，此時調(diào)整前的參數(shù)設(shè)置完畢。在手輪模式下移動 Z 軸，使主軸錐孔與刀柄輕微接觸，Z 軸上移 0.3mm，將這一位置作為 Z 軸第二參考點即換刀點。將換刀點與機(jī)床原點 Z 向差值輸入到#1241 號參數(shù) Z 值，機(jī)床第二參考點即換刀點設(shè)置完畢。
  
   （3）主軸定位的設(shè)置。數(shù)控機(jī)床為了完成 ATC 的動作過程，必須設(shè)置主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)。由于刀具裝在主軸上，切削時切削轉(zhuǎn)矩不可能僅靠錐孔的摩擦力來傳遞，因此在主軸前端設(shè)置一個突鍵，當(dāng)?shù)毒哐b入主軸時，刀柄上的鍵槽必須與突鍵對準(zhǔn)，才能順利換刀：為此，主軸必須準(zhǔn)確停在某固定的角度上。由此可知主軸準(zhǔn)停是實現(xiàn) ATC 過程的重要環(huán)節(jié)。主軸準(zhǔn)停的設(shè)定通過 #4031 號參數(shù)設(shè)置，保證主軸凸鍵與刀柄鍵槽對準(zhǔn)。

   （4）換刀操作驗證。順序執(zhí)行 M80-M86 指令，單步完成換刀動作，檢查換刀動作是否正確順利。

   （5）刷新自動換刀裝置。通過 PMC 將刀座號與刀具號設(shè)為一致，即主軸為零號刀，一號刀位對應(yīng)一號刀、二號刀位對應(yīng)二號刀。

   （6）參數(shù)復(fù)位。調(diào)試結(jié)束之后，要將參數(shù)復(fù)位，需要復(fù)位的參數(shù)有 #1320，#1326，K3.3，K5.5。

    6、 結(jié)束語
  
    在這個項目中通過閱資料，根據(jù)企業(yè)需求進(jìn)行分析，確定刀庫的參數(shù)，選用了合適的刀庫；通過測量機(jī)床和刀庫尺寸以及刀庫的重量，對支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，運用 CAD 軟件實體進(jìn)行造型仿真，優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)，完成支架的圖紙設(shè)計；參與了刀庫系統(tǒng)的部分設(shè)計任務(wù)；完成了刀庫位置的調(diào)整任務(wù)；能根據(jù)要求對機(jī)床參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
  
    在這個項目的實施過程中應(yīng)用到了《機(jī)床與數(shù)控機(jī)床》、《機(jī)械 CAD/CAM》、《機(jī)械基礎(chǔ)》、《機(jī)加工實訓(xùn)》、《數(shù)控加工實訓(xùn)》、《電工與電子技術(shù)》、《機(jī)床電控與 PLC》、《數(shù)控機(jī)床維修》、《數(shù)控原理與應(yīng)用》等專業(yè)知識，一邊學(xué)習(xí)一邊應(yīng)用，對知識點有了更深刻的認(rèn)識，在對刀庫改裝中起到了良好的效果。數(shù)控銑床自動換刀裝置改造項目的完成，同時也促進(jìn)了企業(yè)之間的技術(shù)發(fā)展，推動了科研的步伐，為數(shù)控專業(yè)更好的學(xué)習(xí)理解專業(yè)知識提供了條件。提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了人力資源；改造后的機(jī)床能夠承擔(dān)工藝復(fù)雜、工序繁多和批量生產(chǎn)等零件的加工任務(wù)。通過測試，熟練操作工手動換刀一次平均時間為 19 秒，而自動換刀一次時間為 6 秒。對于多工序、多刀具的的產(chǎn)品生產(chǎn)可以大大提高生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)成本。

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