田曉文，趙慶志，孫 哲，席港港

（山東理工大學機械工程學院，山東淄博255091）

回輪式車床刀架的回轉軸線與主軸軸線平行，上面沿圓周均勻地分布著許多軸向孔（通常為12～16個），供裝夾刀具之用，當裝刀孔轉到最高位置時，其軸線與主軸軸線在同一直線上，回輪車床可進行車外圓、鉆孔、擴孔、鉸孔和加工螺紋等，由于同時安裝多把刀具，工件在一次安裝中，多把刀具分別對工件進行鉆、擴、鉸等加工，所以可減少輔助時間以及加工時間，實現復合加工［1]．回輪式車床加工零件時，工人勞動強度大，與數控機床相比效率低，且目前市場上沒有數控回輪車床，所以回輪車床的數控化改造迫在眉捷．本文針對回輪車床數控化改造中回輪刀架的分度定位控制進行研究，以期在提高被加工工件的加工精度的同時，提高生產效率和工人操作的安全性，降低勞動強度，為企業(yè)帶來比較好的經濟和社會效益．

1 回輪式車床回轉刀架機構原理

普通回輪式車床回輪刀盤上的刀具定位原理如圖1所示．首先手工順時針轉動操作定位手柄6，則撥爪4帶動定位軸3向右移動壓縮彈簧5，定位軸銷從定位銷座2中拔出；換刀后，手工操作刀盤定位手柄向左擺動，同時在復位彈簧5的作用下，使定位軸3左端的錐銷插入定位銷座2，鎖定回輪刀盤．在零件的加工過程中，每更換一次刀具，操作者必須重復上述的動作，勞動強度很大．

圖1 刀具定位原理圖

2 數控回轉刀架的設計

2．1 回轉刀架動力傳動結構設計

數控改造后回輪車床的刀架轉位如圖2所示：刀盤齒輪6由小齒輪5帶動轉動，刀盤齒輪6的齒數Z1＝144，上面均勻分布了圖3所示的16個分度定位孔，小齒輪5的齒數Z2＝18，兩齒輪模數均為2mm．130ST－M10015型交流伺服電機1帶動同步齒型帶輪傳動副2、3、4轉動，帶輪4固定在小齒輪5所在的齒輪軸上，數控系統(tǒng)控制交流伺服電機1轉動，帶動刀盤齒輪6轉動，實現自動換刀．同步帶傳動無需潤滑，成本低，且傳動精度高［2]．

圖2 回輪刀架動力傳動圖

2．2 回轉刀架自動定位方案設計

圖3 回輪刀架刀盤齒輪圖

回轉刀架需選擇合理的定位機構和可靠的定位方案［3]．如圖4所示，本方案用電磁鐵來代替手工操作定位銷軸，因為定位銷插入定位銷座的長度是6mm，所以額定工作行程要大于6mm，設額定工作行程δ≥10mm．原機床手工換刀扳動定位手柄時，只需克服復位彈簧的彈力即可．根據上述條件選擇了常州市武進繼電器廠生產的型號為MQ30120的電磁鐵，其參數為：外型尺寸Φ72mm×120mm，工作電壓24V（6A），初吸力13～15kg，最終吸力25～30kg，完全符合本方案的要求［4]．加工一個法蘭盤2，在機床外殼和法蘭頸上分別攻上螺紋，用螺母將法蘭固定在機床上，而法蘭盤跟電磁鐵用法蘭螺栓固定．安裝時應注意保證電磁鐵芯跟定位軸的軸線在同一直線上，在機床外殼適合的地方攻上螺紋即可．電磁鐵的安裝位置使鐵芯與定位軸接觸不到，需要加工一個兩邊有螺紋的小軸，來連接定位軸與電磁鐵芯，小軸只承受軸向力．

圖4 電磁鐵定位方案原理圖

回輪車床數控化改造選用凱恩帝公司生產的K100Ti－D車床用數控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用交流伺服電機作為驅動部件，構成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)．該數控系統(tǒng)原功能M32為潤滑泵開，M33原功能為潤滑泵關，而數控化改造后，這兩個功能變?yōu)镸32電磁鐵通電，M33電磁鐵斷電．如圖5所示，當數控系統(tǒng)執(zhí)行M32時，繼電器線圈得24V直流電，繼電器常開觸點閉合，電磁鐵通電，鐵芯向右移動，帶動定位軸拔出定位孔；當數控系統(tǒng)執(zhí)行M33時，繼電器常開觸點斷開，電磁鐵斷電，鐵芯在定位彈簧的作用下復位，使定位軸插入定位孔，刀盤固定不動．

2．3 電子齒輪傳動比的設置

電子齒輪比就是對伺服電機接受到數控系統(tǒng)的脈沖頻率進行放大或者縮小，其中一個參數為分子，一個為分母．如果分子大于分母就是放大，分子小于分母就是縮?。摴δ苁菙悼貦C床進給位置控制中經常使用的一種功能．數控系統(tǒng)發(fā)出進給指令脈沖，在控制機床進給部件移動的時候，可以不用顧及機械的減速比和編碼器的脈沖數，將與數控系統(tǒng)輸入指令脈沖相當的位置移動量設定為任意值，以達到控制位置的目的［5]．對于該功能需要解決的問題是如何設置電子齒輪比，使交流伺服電機的步距角達到正確控制刀架換刀的要求．

圖5 M32功能原理圖

2．4 刀架精確換刀方案設計

回輪式車床的回輪刀架一次可裝夾6～8把刀，工件一次安裝可完成多個工步［1]，所以在回輪車床的數控化改造中，怎樣編程實現自動換刀，也是需要解決的問題．

如圖3所示，回輪車床刀架上共有分度定位孔16個，相鄰兩孔間隔22．5°．電機軸轉180°，刀架轉，所以就把X坐標電子齒輪傳動比設為，執(zhí)行G01 U10 F90；電機軸轉180°，刀架分度盤轉22．5°，定位軸正好可以插入第二把刀所對應的定位孔．執(zhí)行G01 U20 F90；電機軸轉360°，刀架分度盤轉45°，定位軸正好可以插入第三把刀所對應的定位孔．執(zhí)行G01 U30 F90；電機軸轉540°，刀架分度盤轉67．5°，定位軸正好可以插入第四把刀所對應的定位孔，依次類推．

2．5 數控化改造后溝槽的車削方案

當回輪車床刀具定位時，刀盤上的裝刀孔隨即轉到最高位置，其軸線與主軸軸線在同一直線上，使得車床鉆孔、鉸孔非常方便．但當回輪車床加工帶溝槽的零件時，需手工操作刀盤定位手柄使刀盤轉動繼而帶動刀具轉動一定長度的圓弧，才能車削溝槽，如圖6中孔1和孔3所示，因此自動換刀代替手工換刀也需解決車削溝槽的問題．

圖6 制動泵零件圖

回輪車床數控化改造后車削溝槽時，對好刀后，需要先執(zhí)行M32，讓刀盤可轉動．通過編程使得電機軸轉動一定的角度，帶動刀盤上的刀具轉動需要的角度，進行溝槽的加工．如溝槽深1mm，刀具中心線到刀盤圓心的距離R＝100mm，刀尖到孔內壁的距離為1．5mm，則刀盤需要轉動的角度α為

當執(zhí)行G01 U10 F90；電機軸轉180°，刀架分度盤轉22．5°，現在需刀架分度盤轉1．43°，則應執(zhí)行G01 U0．64 F90；可實現該溝槽的車削．

3 應用實例

如圖6所示，在數控化的回輪車床上加工孔1、孔2、孔3，其步驟如下：

1）依據圖樣要求，確定工藝方案及走刀路線．

2）選用刀具．刀盤齒輪上均勻分布16個定位孔，按順時針給各定位孔編號，分別為1號刀位置、2號刀位置…16號刀位置．加工時需用6把刀，第1把刀用來預鉆中心孔，放在1號刀位置，刀尖離端面90mm；第2把刀用來鉆孔，放在3號刀位置；第3把刀用來加工孔2，放在5號刀位置；第4把刀用來鉸孔，作為孔1的最終加工，放在7號刀位置；第5把刀用來加工孔3，放在9號刀位置；第6把刀用來加工內孔倒角，放在11號刀的位置．

3）工件坐標系確定．用1號大中心孔刀來對刀，然后清零，作為工件坐標系原點，測出1號刀刀尖到其余各刀刀尖的距離，比1號刀長的為負數，比1號刀短的為正數．

4）精加工編程．其中與換刀以及切溝槽相關的00001號程序為：

N0030G01W－98 F90；（1號刀預鉆孔深8mm）

N0070G01U20 F90；（換3號刀鉆孔）

N0100G01U20 F90；（換5號刀車內槽）

N0140G01U0．64W－8 F40；（5號刀X向切寬度為8mm的槽）

N0180G01U20 F90；（換7號刀，鉸孔）

N0220G01 U20 F90（換9號刀）

N0260G01 U0．57 W－1．5 F40；（9號刀X向切寬度為1．5mm槽）

N0300 M30；（程序結束，返回程序開頭）

4 結束語

對回輪車床刀架的研究可使機床換刀方便，定位準確，實現加工自動化．對回輪車床數控化的研究，使機床操作簡單、減輕了操作者的勞動強度，使零件工序集中，加工精度高，質量好，有利于提高經濟效益和社會效益［6]．

［1] 鄭申，張瑞乾．多工位數控轉塔動力刀架設計［J] ．機械研究與應用，2010（5）：84－86．

［2] 劉春時，宋威，馬仕龍．軸向刀架動力模塊的傳動方案研究［J] ．機械設計與制造，2010（12）：260－261．

［3] 王懷棟．數控車床自動回轉刀架控制系統(tǒng)簡介［J] ．數字技術與應用，2011（3）：12－13．

［4] 盧新波，謝憲旺，張中明．電磁鐵相關技術參數的分析［J] ．液壓氣動與密封，2010（11）：36－38．

［5] 高榮．電子齒輪在數控機床中的應用［J] ．機床與液壓，2007（6）：250－251．

［6] 趙中敏．普通機床數控化改造主要部件的確定方法［J] ．機床電器，2008（2）：20－23．