華玲芳 陸東明 張?zhí)K新 夏 平

（蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 蘇州215000）

0 引言

一個(gè)零件在加工過(guò)程中往往需要經(jīng)過(guò)多道工序，對(duì)于單功能的機(jī)床，大量的時(shí)間將用于刀具定位、裝卸零件等非切削工序上，為了縮短非切削時(shí)間，往往采用有自動(dòng)對(duì)刀裝置的數(shù)控機(jī)床，實(shí)現(xiàn)零件加工過(guò)程中的自動(dòng)對(duì)刀和定位功能。通常選用回轉(zhuǎn)的自動(dòng)換刀裝置，有四方、六角刀架，回轉(zhuǎn)刀架對(duì)于強(qiáng)度和剛度要求比較高，以便承受粗加工的切削力，更為重要的是保證刀架在每次旋轉(zhuǎn)時(shí)的精確定位。所以刀架自動(dòng)精確定位直接影響零件加工的質(zhì)量。圖1為自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)，包括可編程運(yùn)動(dòng)控制器、電動(dòng)機(jī)、刀架、霍爾元件、數(shù)控程序。

圖1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床刀架定位裝置是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)普遍感覺(jué)該內(nèi)容較抽象，不易理解。本文從實(shí)際的刀架工作原理出發(fā)，設(shè)計(jì)出了數(shù)控機(jī)床刀架自動(dòng)定位系統(tǒng)模擬裝置，并分析了其結(jié)構(gòu)原理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)基本自動(dòng)定位功能。

1 數(shù)控機(jī)床刀架工作原理

數(shù)控車(chē)床實(shí)際的電動(dòng)刀架采用蝸桿蝸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，定位和緊鎖功能主要由銷(xiāo)盤(pán)、外端齒盤(pán)、內(nèi)端齒盤(pán)組合成的三端定位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。四工位電動(dòng)刀架結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，其工作原理可通過(guò)換刀步驟分析：（1）刀架放松，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀信號(hào)，控制繼電器動(dòng)作，刀架電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)蝸桿、蝸輪將銷(xiāo)盤(pán)提升；（2）刀架轉(zhuǎn)位，當(dāng)離合銷(xiāo)進(jìn)入離合盤(pán)槽內(nèi)，離合盤(pán)帶動(dòng)離合銷(xiāo)，再帶動(dòng)銷(xiāo)盤(pán)，則銷(xiāo)盤(pán)帶動(dòng)上刀體轉(zhuǎn)位；（3）刀架定位，當(dāng)上刀體轉(zhuǎn)到所需刀位時(shí)，霍爾元件發(fā)出刀具到位信號(hào)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，反靠銷(xiāo)進(jìn)入反靠盤(pán)的槽中，離合銷(xiāo)從離合盤(pán)中爬出，刀架完成粗定位，同時(shí)銷(xiāo)盤(pán)下降端齒粘合，完成精定位；（4）刀架夾緊，刀架定位完成后，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)器制動(dòng)，維持電動(dòng)機(jī)軸上的反轉(zhuǎn)力矩，同時(shí)發(fā)出轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)束信號(hào)，電動(dòng)機(jī)斷電，換刀動(dòng)作結(jié)束。

2 四工位刀架自動(dòng)定位模擬教學(xué)裝置的設(shè)計(jì)

圖3為四工位刀架自動(dòng)定位模擬裝置實(shí)物圖，從圖中可以看出有4個(gè)工位和對(duì)應(yīng)的4個(gè)控制按鈕，每個(gè)工位上有個(gè)發(fā)光二極管，藍(lán)色箭頭為指示標(biāo)志，指示標(biāo)志對(duì)應(yīng)的是一個(gè)小磁鐵，用于霍爾傳感器檢測(cè)信號(hào)，直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶與槽輪機(jī)構(gòu)相連，槽輪通過(guò)內(nèi)嚙合與圓形工作轉(zhuǎn)臺(tái)相連。

圖2 四工位刀架結(jié)構(gòu)原理

圖3 四工位刀架自動(dòng)定位模擬裝置實(shí)物圖

2．1 槽輪機(jī)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)裝置的機(jī)械傳動(dòng)部分運(yùn)用的是槽輪結(jié)構(gòu)，來(lái)代替實(shí)際的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，槽輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、機(jī)械效率高。該裝置采用單臂內(nèi)嚙合槽輪機(jī)構(gòu)，由帶圓柱銷(xiāo)的轉(zhuǎn)臂、具有4條徑向槽的槽輪和機(jī)架組成。當(dāng)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臂上的圓柱銷(xiāo)進(jìn)入徑向槽時(shí)，撥動(dòng)槽輪轉(zhuǎn)過(guò)90°角；當(dāng)圓柱銷(xiāo)轉(zhuǎn)出徑向槽后，槽輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)一周，槽輪完成一次轉(zhuǎn)停運(yùn)動(dòng)。為了保證槽輪停歇，可在轉(zhuǎn)臂上固接一缺口圓盤(pán)，其圓周邊與槽輪上的凹周邊相配。這樣既不影響轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)，又能鎖住槽輪不動(dòng)。

2．2 霍爾傳感器

霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行工作的，圖4為霍爾效應(yīng)原理圖，一塊長(zhǎng)L、寬W、厚d的半導(dǎo)體，通有電流I，當(dāng)有外加磁場(chǎng)B的作用時(shí)，運(yùn)動(dòng)電子受洛侖磁力的作用而偏向一側(cè)，使該側(cè)形成電子的積累，這樣就形成負(fù)電荷，與它對(duì)應(yīng)的側(cè)面由于電子濃度減少，形成了正電荷，正負(fù)兩端電荷就形成了一個(gè)電場(chǎng)。當(dāng)電子受到的洛侖磁力和電場(chǎng)力兩者相等時(shí)，電子的積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)得到的霍爾電壓為：

本實(shí)驗(yàn)裝置采用的霍爾傳感器是AH41雙極鎖存霍爾器件，它由反向電壓保護(hù)器、電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、信號(hào)放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開(kāi)路的輸出級(jí)組成，其功能圖如圖5所示。

圖4 霍爾效應(yīng)原理圖

圖5 AH41霍爾傳感器功能圖

2．3 繼電器邏輯控制

電氣部分采用的是傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制電路，該電路主要靠硬件來(lái)控制，相比于用PLC控制，繼電器電路雖然線路較復(fù)雜，觸點(diǎn)有限，但能夠減小成本，也能縮小裝置空間，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)自己動(dòng)手搭電路比直接運(yùn)用PLC實(shí)現(xiàn)更能夠得到鍛煉，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。本文采用的是DRM－570024L繼電器，該繼電器有4個(gè)常閉和4個(gè)常通觸點(diǎn)，本裝置運(yùn)用到該繼電器4個(gè)，總的觸點(diǎn)數(shù)能夠滿(mǎn)足裝置的要求。

2．4 系統(tǒng)控制原理

將上述各部件整合，得到整個(gè)控制系統(tǒng)的原理框圖，如圖6所示。其元器件主要包括：AH41霍爾開(kāi)關(guān)傳感器、DRM－570024L繼電器、HT3F－SHG繼 電器、S9031NPN 三極 管、37ZYJ直流減速電機(jī)等。

圖6 控制系統(tǒng)原理框圖

整個(gè)工作過(guò)程如下：按下點(diǎn)動(dòng)按鈕，DRM－570024L繼電器線圈得電自鎖，其觸點(diǎn)閉合，37ZYJ減速電機(jī)回路閉合，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到設(shè)定的位置后，AH41型霍爾開(kāi)關(guān)傳感器檢測(cè)到磁信號(hào)，其信號(hào)線發(fā)出信號(hào)，接通三極管，驅(qū)動(dòng)HT3F－SHG繼電器線圈得電，該線圈觸點(diǎn)斷開(kāi)DRM－570024L繼電器線圈，斷開(kāi)電機(jī)回路，37ZYJ減速電機(jī)停止運(yùn)行，定位裝置停在設(shè)定位置；當(dāng)設(shè)定位置與現(xiàn)在實(shí)際位置一致時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出聲音，表示此時(shí)已經(jīng)在設(shè)定位置。

整個(gè)系統(tǒng)包括4個(gè)工位控制電路、1個(gè)報(bào)警提示電路、1個(gè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電路，通過(guò)邏輯控制實(shí)現(xiàn)刀架自動(dòng)定位的控制要求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

接通電源后，按下控制工位1的按鈕，當(dāng)裝置的原來(lái)工位不在工位1時(shí)，工作轉(zhuǎn)臺(tái)會(huì)順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)轉(zhuǎn)到工位1，同時(shí)工位1的發(fā)光二極管一直閃亮，到達(dá)工位后，工作臺(tái)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)光二極管熄滅；當(dāng)裝置的原來(lái)工位在工位1時(shí)，蜂鳴器鳴叫提示，表示已經(jīng)在工位1，工作臺(tái)不需要再運(yùn)轉(zhuǎn)。其他各按鈕類(lèi)推。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，它表明該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控機(jī)床刀架自動(dòng)定位的功能。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

四工位電動(dòng)刀架作為數(shù)控機(jī)床的三大輔助裝置之一，其對(duì)刀功能是在數(shù)控系統(tǒng)參與下由PLC控制完成的。通過(guò)實(shí)際的數(shù)控機(jī)床刀架自動(dòng)定位系統(tǒng)和學(xué)生實(shí)際接受知識(shí)效果分析，學(xué)生在學(xué)習(xí)該內(nèi)容時(shí)普遍感覺(jué)較抽象，不易理解，為了解決該問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于槽輪機(jī)構(gòu)、霍爾傳感器檢測(cè)及繼電器控制電路的教學(xué)裝置來(lái)模擬數(shù)控機(jī)床刀架自動(dòng)定位系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該模擬裝置能夠完成基本的自動(dòng)定位功能，同時(shí)在教學(xué)過(guò)程中取得了較好的效果。

［1］王細(xì)洋．機(jī)床數(shù)控技術(shù)［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012

［2］白恩遠(yuǎn)．現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床伺服及檢測(cè)技術(shù)［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002

［3］卓迪仕．?dāng)?shù)控技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1997

［4］談治國(guó)．?dāng)?shù)控車(chē)床四工位刀架的維修［J］．金屬加工：冷加工，2010（5）

［5］單成祥．傳感器的理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999

［6］陳秀寧．機(jī)械基礎(chǔ)［M］．杭州：浙江大學(xué)出版社，2009

［7］孫慧平．?dāng)?shù)控機(jī)床調(diào)試安裝技術(shù)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2008

［8］侯曉方．?dāng)?shù)控車(chē)床電動(dòng)刀架故障診斷與維修［J］．機(jī)床與液壓，2010，38（16）