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有关数控机床中六工位的转塔动力刀架的优化分析

作者：许峰 陈春满

来源：《科技传播》2013年第05期

摘 要 本文针对数控机床转塔动力刀架的工作特点，从系统结构设计到软件编程等方面，介绍了数控机床的六工位转塔动力刀架优化方法。本文所提方法皆经过生产实践的检验，有助于数控机床操作人员对转塔动力刀架操控能力的提高。 关键词 转塔动力刀架；数控机床；数控应用技术

中图分类号TG659 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）86-0125-02 0引言

数控机床由于加工精度高、成品率高及投入的加工综合成本低等优点，广泛应用于机械加工和生产过程中。目前，数控车床和数控车削中心主要采用的加工工具是转塔动力刀架系统。普通车床一般采用的普通刀架系统，由操作人员人工换刀，操作效率低下，过程复杂。数控机床采用自动换刀系统，可以实现四工位、六工位、八工位和多工位加工。由于采用自动转塔动力刀架系统，因此，可大幅度提高加工效率和精度。如何在设计和应用中进一步提高加工精度，更大发挥转塔动力刀架的优势，本文将从多个角度，详细分析数控机床六工位动力刀架系统的优化方法 [1]。

1 数控机床转塔动力刀架的优化分析

目前，采用转塔动力刀架系统的数控机床，主要是数控车床，而数控车床正在向数控车削中心方向转化。数控车削中心的主要加工设备也是自动刀架系统。在整个数控车床或数控车削加工中心设备投入中，刀架系统的造价占据一半左右。该系统发生故障超过一半也与自动刀架系统有关。可想而知，自动刀架系统在数控车削加工中心和数控车床中所占据的重要地位。也就说，想提高数控车削加工系统的加工精确度和加工效率就必须从机械结构和系统控制方面优化自动刀架系统。

1.1 数控车削加工自动刀架系统的优化指标

数控车床和数控车削中心的刀架系统的自动换刀过程如图1所示。刀架系统分为两大类，一是带有刀库的自动换刀系统，一般由刀库、换刀机械手和伺服驱动系统组成。二是转塔动力刀架系统。这类系统将刀具固定在转塔上，根据加工需要转动转塔，从而更换刀具，实现加工目的。采用转塔换刀系统，有四项指标是衡量数控转塔刀架系统性能的优劣的标准。一是转位

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夹紧时间，二是故障率，三是转位准确度，四是换刀时间。转位夹紧时间是以转位45°、180°后夹紧刀具的时间；转位精度是指转塔转位到达后重新定位的精度；故障率就是指发生故障的频率，一般多发生在机械部分。换刀时间就是指刀具转换的时间，包括了转位夹紧时间。一般由机械结构决定换刀时间长短。目前，国内产品的四项指标与国外产品差距很大，虽然沈阳车床数控刀架分厂和中国烟台机床附件厂生产的转塔刀架装置指标比较高，但是都是采用的国外技术生产的，国内自行设计和生产的产品相比之下相差较多。国外主要厂家为德国的SAUTAR和意大利的Baruffadi，仅以中心高度160mm为例，其转位45°并夹紧的时间为0.8s左右而国内较好产品在1.6s以上。因此，提高系统工作效率和加工精度是当务之急。转塔动力刀架系统应该从两方面优化，即系统结构和程序控制。下面就这两个方面进行优化分析。 1.2 系统结构设计优化

在机床加工过程中，切削的加工精度取决于刀尖的位置。数控自动转塔刀架系统在工作过程一切自动运行，不能由人工调整。因此，要求刀架装置在结构上具有较高的强度和刚度。这样就要求设计转塔刀架机械系统时，切削力的计算一定准确，具体公式可详见文献[2]。另外，定位装置设计也对转塔转位精确性有很大影响。定位装置主要依靠定位传感器，早期的定位传感器采用接触式行程开关，触点容易老化失效。现在产品一般采用霍尔传感器。但是都是开关式的，只能粗定位，还需要采用复杂的机械齿轮装置进行精确定位。因此，机构复杂，容易出现问题。这样可以采用霍尔线性位移传感器，可以精确测量转塔转位置变化实现精确定位。

1.3 程序设计优化

在数控车床和数控车削加工中心使用之前，首先是要求系统编程人员根据加工对象的要求，编写好硬件驱动程序。其中，刀具转换程序的好坏也直接关系到转塔刀架运转的情况。因此，运行可靠、精确的控制程序就相当重要。在选刀程序设计时，一般原则是就近选刀。任意工位的选刀算法需要两个参数，一是判断转塔转动方向，二是计算出转动的步数。另外，系统会时刻记录刀号，根据刀架工位编码器检测刀架的转移工位，编写程序即可实际要求，实现立刻选刀。另外，电机控制也是非常重要的加工精度保证。在以电机驱动为主的转塔刀架系统中，电机驱动的准确程度影响系统定位，因此，可采用伺服电机、步进电机等高精度位置控制电机作为驱动源。在转塔执行刀具夹紧动作时，需要编写程序控制电机在夹紧完成后持续通电200毫秒，保证夹紧到位。类似这样的操作较多，需要编程时考虑周全。 1.4 转塔动力刀架装置的保养和维护

保证转塔动力刀架装置正常运行，降低故障的可能性是刀架系统精确运转的前提和基础。因此，日常的维护工作就显得至关重要。在转塔刀架系统中主要有两个部件在运行过程中经常出现故障。一是位置传感器。无论采用行程开关传感器还是霍尔传感器，长时间使用都有因灰尘、老化、油污等原因失灵。因此，在使用中注意清洁和检测，保证信号检测的正常。另外，刀架转塔一定注意防水防尘，一般刀架采用O型密封圈或防水环，防止冷却液、铁屑等进入

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刀架系统，从而腐蚀或损害减速齿轮。因此，在装配、安装过程中，一定注意不要划伤或损坏密封圈或防水环。 2结论

本文根据转塔换刀系统的各个环节的特点，详尽介绍了优化数控转塔换刀系统优化的方法和技巧。当然，在数控车床和数控车削中心生产实践过程中，不仅仅应用这些方法进行优化数控自动转塔刀架系统，相信还有更多、更好的系统优化方法可以在实际生产过程中得到推广和应用。 参考文献

[1]陈代隆，于天标，王洁.多工位液压数控转塔刀架[J].沈阳工业大学学报，1999（8）.