毕业设计论文fanuc数控车床的刀架控制系统设计管理资料Word下载.docx
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六工位刀架梯形图.......................................................................................14
第3章数控车刀架常见故障分析...............................................................................15数控车刀架机械与电气故障分析排除...........................15
数控车床刀架常见故障的实例分析............................16
刀架使用注意事项..........................................17
附录............................................................................................................................22
第1章机械结构
刀架总述
数控刀架安装在数控车床的滑板上。
它上面可以装夹多把刀具，在加工中实现自动换刀刀架的作用是装夹车刀，孔加工刀具及螺纹刀具并能准确迅速的选择刀具进行对工件的切削。
刀架滑板由纵向（Z轴）滑板和横向（X轴）滑板组成，Z轴滑板安装在床身导轨上，可以沿床身纵向运动，横向滑板安装在纵向滑板上，能沿纵向滑板的导轨进行横向运动，刀架滑板的作用是安装在其上的刀架刀具在加工中实现纵向和横向的进给运动。
数控车床的刀架分类
自动回转刀架按其工作原理可分为：
如固1-1所示，电机经弹簧安全离合器至蜗轮副带动螺母旋转，螺母举起刀架使端齿盘的上盘与下盘分离，随即带动刀架旋转到位，然后发信号使电机反转锁紧，使刀架换位，进行切削加工。
螺母升降式零件多，但加力可靠，精度较高，许多刀架都利用这种原理设计。
图1-1螺旋转位刀架图1-2十字槽轮转位
1-内装信号盘2-刀架3-端齿盘4-电机5-安全离合器A-销钉B-十字
1-2所示，是利用槽轮原理转位及锁紧（还要加定位销）。
销钉A每转—周，刀架转60°
。
十字槽轮式体积大，零件多，目前使用较少。
，继续旋转，则棘轮机构推动刀架转60°
，然后利用接触开关或霍尔元件发出信号，使电机反转，重新锁紧刀架。
凸台棘爪式重复定位精度相对较低。
，由摆动阀芯，可带动刀架转位的拨爪，还有一个向下拉紧的小油缸组成，油缸可产生1000kg以上的拉紧力。
这种转位刀架的特点是转位可靠，但液压件制造难，且有油漏及发热等问题。
上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定限制。
当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。
带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。
常见带刀库的换刀装置
图1-3换刀装置
蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮组成的；
它是由交错轴斜齿圆柱齿轮传动演变而来。
为了改善啮合状况，常将蜗轮分度圆柱面的母线改为圆弧形，使之将蜗杆部分地包住，并用与蜗杆形状和参数相同的滚刀范成加工蜗轮，这样啮合齿廓间的接触为线接触，可传递较大的动力。
蜗杆传动用于传递两根空间交错轴间的运动和动力，两轴间的夹角可为任意值，通常为90°
蜗杆的优点：
传动比大：
在动力传动中，单级传动比在8～80；
只传递运动或用于分度时，单级传动比可达1000；
蜗轮蜗杆由于传动比大，因而结构紧凑；
传动平稳、没有噪音。
当蜗杆分度圆导程角小于轮齿间的当量摩擦角时，蜗杆传动具有自锁性
蜗杆传动的主要缺点：
效率低，摩擦磨损大。
当蜗杆主动时，效率一般为70%～80%；
具有自锁性能时，。
为了减摩耐磨，蜗轮齿圈常需用青铜制造，成本较高。
蜗杆轴向力较大，致使轴承受力损害较大。
蜗杆传动的类型：
按蜗杆齿螺旋方向，有左旋蜗杆和右旋蜗杆，为方便切制，一般采用右旋蜗杆。
按蜗杆螺旋线头数，有单头蜗杆和多头蜗杆。
按蜗杆齿面硬度，有软面蜗杆和硬面蜗杆。
软面蜗杆只经调质处理，用于低速轻载及不重要的传动中。
硬面蜗杆可用渗碳钢淬火或中碳钢表面淬火获得，蜗杆齿面必须磨削。
硬面蜗杆精度高，承载大，多用于大动力传动中。
按蜗杆分度曲面形状不同，蜗杆传动可以分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥蜗杆传动。
其分度曲面分别是圆柱面、圆环面和圆锥面。
圆柱蜗杆传动包括普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动两类。
蜗轮蜗杆传动的两轴相互交叉垂直；
蜗杆可以看成为在圆柱体沿着螺旋线绕有一个齿（单头）或几个齿（多头）的螺旋，涡轮就像个斜齿轮，但它的齿包着蜗杆。
在粘合时，蜗杆转意转，就带动涡轮转过一个齿（单头蜗杆）或几个齿（多头蜗杆），因此蜗轮蜗杆传动的速比i=蜗杆的头数Z1/涡轮的齿数Z2。
特点：
1.可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑
2.两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机
构.
，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小。
当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。
如在其重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起安全保护作用。
，磨损较严重。
蜗轮蜗杆啮合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大，故摩擦损耗大、效率低。
另一方面，相对滑动速度大使齿面磨损严重、发热严重，为了散热和减小磨损，常采用价格较为昂贵的减摩性与抗磨性较好的材料及良好的润滑装置，因而成本较高。
1：
常见故障
（1）．减速机发热和漏油。
为了提高效率，蜗轮减速机一般均采用有色金属做蜗轮，蜗杆则采用较硬的钢材。
由于是滑动摩擦传动，运行中会产生较多的热量，使减速机各零件和密封之间热膨胀产生差异，从而在各配合面形成间隙，润滑油液由于温度的升高变稀，易造成泄漏。
造成这种情况的原因主要有四点，一是材质的搭配不合理；
二是啮合摩擦面表面的质量差；
三是润滑油添加量的选择不正确；
四是装配质量和使用环境差
（2）．蜗轮磨损。
蜗轮一般采用锡青铜，配对的蜗杆材料用45钢淬硬至HRC4555，。
减速机正常运行时磨损很慢，某些减速机可以使用10年以上。
如果磨损速度较快，就要考虑选型是否正确，是否超负荷运行，以及蜗轮蜗杆的材质、装配质量或使用环境等原因
（3）．传动小斜齿轮磨损。
一般发生在立式安装的减速机上，主要与润滑油的添加量和油品种有关。
立式安装时，很容易造成润滑油量不足，减速机停止运转时，电机和减速机间传动齿轮油流失，齿轮得不到应有的润滑保护。
减速机启动时，齿轮由于得不到有效润滑导致机械磨损甚至损坏。
2：
解决方法
（1）．保证装配质量。
可购买或自制一些专用工具，拆卸和安装减速机部件时，尽量避免用锤子等其他工具敲击；
更换齿轮、蜗轮蜗杆时，尽量选用原厂配件和成对更换；
装配输出轴时，要注意公差配合；
要使用防粘剂或红丹油保护空心轴，防止磨损生锈或配合面积垢，维修时难拆卸。
（2）．润滑油和添加剂的选用。
蜗齿减速机一般选用220#齿轮油，对重负荷、启动频繁、使用环境较差的减速机，可选用一些润滑油添加剂，使减速机在停止运转时齿轮油依然附着在齿轮表面，形成保护膜，防止重负荷、低速、高转矩和启动时金属间的直接接触。
添加剂中含有密封圈调节剂和抗漏剂，使密封圈保持柔软和弹性，有效减少润滑油漏。
（3）．减速机安装位置的选择。
位置允许的情况下，尽量不采用立式安装。
立式安装时，润滑油的添加量要比水平安装多很多，易造成减速机发热和漏油。
数控车床六工位刀架换刀工作原理
按下换刀键或输入换刀指令后，电机正转，并经联轴器，由滑键带动蜗杆、涡轮、轴、轴套转动。
轴套的外圆上有两处凸起，可在套筒内孔中的螺旋槽内滑动，从而举起与套筒相连的刀架及上端齿盘，使齿盘与下端齿盘分开，完成刀架抬起动作。
刀架抬起后，轴套仍在继续转动，同时带动刀架转过60°
（如不到位，刀架还可继续转位120°
、180°
、240°
、300°
、360°
），并由微动开关发出信号给数控装置。
刀架转到位后，由微动开关的信号使电动机反转，利用销使刀架定位而不再随轴套回转，于是刀架向下移动，上下端齿盘合拢压紧。
蜗杆继续转动并产生轴向位移，压缩弹簧，套筒的外圆曲面压缩开关使电动机停止旋转，从而完成一次转位。
对于六工位自动回转刀架来说，它最多装有六把刀具，微机系统控制的任务，就是选中任意一把刀具，让其回转到工作位置。
现以其中任意一把刀具1#刀为例简述刀架换刀的过程。
图为1#刀转到工作位置的流程图：
图1-4换刀流程图
经济型数控车床刀架式在普通车床六方位刀架的基础上发展的一种自动换刀装置，其功能和普通四方位刀架一样：
有个刀位，能夹持六把不同功能的刀具，方刀架回转60°
时，刀架交换一个刀位，但方刀架回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制的。
换刀时方刀架的动作顺序是：
刀架抬起、刀架转位、刀架定位和夹紧。
完成上述动作要求，要有相应的机构来实现，下面就以四工位刀架为例来说明其结构与原理，如图1-5所示。
图1-5刀架结构
1—电动机；
2—联轴器；
3—涡轮轴；
4—蜗轮丝杠；
5—刀架底座；
6—粗定位盘；
7—刀架体；
8—球头销；
9—转位套；
10—电刷座；
11—发信体；
12—螺母；
—电刷；
15—粗定位销；
该刀架可以安装6把不同的刀具，转位信号由加工程序指定。
当换刀指令发出后，小型电动机1启动正转，通过平键套筒联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动蜗轮丝杠4转动。
涡轮的上部外圆柱加工有外螺纹，所以该零件称为蜗轮丝杠。
刀架体7内孔加工有内螺纹，与涡轮丝杠旋合。
蜗轮丝杠与刀架中心轴外圆是滑动配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠环绕中心轴旋转。
当涡轮开始旋转时，由于刀架底座5和刀架体7上的端面齿处在黏合状态，且涡轮丝杠轴向固定，这时刀架体7抬起。
当刀架体抬至一定距离后，端面齿脱开。
转位套9用销钉与蜗轮丝杠4连接，随蜗轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开，转位套正好转过160°
（如图A-A所示），球头销8在弹簧力的作用下进入转位套9的槽中，带动刀架体转位。
刀架体7转动时带着电刷10转动，当转到程序指定的刀号时，定位销15在弹簧力的作用下进入粗定位盘6的中进行粗定位，同时电刷13、14接触导通，使电动机1反转，由于粗定位槽的限制，刀架体7不能转动，使其在该位置上垂直落下，刀架体7和刀架底座5上的端面齿黏合，实现精确定位。
电动机继续反转，此时涡轮停止转动，蜗杆轴3继续转动，随着夹紧力的增加，转矩不断扩大，达到一定值时，在传感器控制下，电动机1停止转动。
译码装置由发信体11、电刷13、14组成，电刷13负责发信，电刷14负责位置判断。
刀架不定期会出现过位或不到位时，可松开螺母12调好发信体11与电刷14的相对位置。
这种刀架在经济型数控车床及普及车床的控制化改造中广泛运用。
通常为90°
第2章：
数控车刀架电气控制系统设计
电气是机械的大脑，通过对电气原理的设计可以执行复杂的机械动作。
本章主要讲述的是数控刀架电气知识，通过对霍尔效应、刀架的接线原理图和具体的经济型刀架换刀过程的梯形图介绍让我们对刀架的电气原理运用有更深一步的认识。
精度是一台数控机床的生命，假如机床丧失了精度也就丧失了加工生产的意义了，数控机床精度的保障很大一部分源于霍尔元件的检测精准性。
在数控机床上常用到的是霍尔接近开光：
霍尔元件是一种磁敏元件。
利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。
当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。
这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。
用霍尔开关检测刀位。
首先，得到换刀信号，即换刀开关接通先接通。
随后电机通过驱动放大器正转，刀架抬起，电机继续正转，刀架转过一个工位，霍尔元件检测是否为所需刀位，若是，则电机停转延时再反转刀架下降压紧，若不是，电机继续正转，刀架继续转位直至所需刀位。
图2-1霍尔元件执行图
接通整个电路电源，将换刀开关置于自动挡，再按下开始开关进行换刀，正传线圈自锁，自动进行换刀。
当转到所需刀位时，刀位对应霍尔元件自动断开，电机停止正转。
并接通反转电路，延时反转，刀架下降并压紧。
从执行图与分析中可以看出霍尔元件在数控机床中的重要作用。
它不但起到了检测与反馈作用，而且也是数控机床精度可靠性的保障。
数控机床刀架是由机床PLC来进行控制，对于普通的四工位刀架来说，控制比较简单，一般用于普通的车床。
我们分析车床刀架的控制原理其实就是指刀架的整个换刀过程，刀架的换刀过程其实是通过PLC对控制刀架的所有I/O信号进行逻辑处理及计算。
实现刀架的顺序控制。
另外为了保证换刀能够正确进行，系统一般还要设置一些相应的系统参数来对换刀过程进行调整。
在分析之前，我们首先了解刀架控制的电气部分。
刀架电气控制部分如图2-2所示。
图中的a是刀架控制的强电部分，主要是控制刀架电机的正转和反转，来控制刀架的正转和反转；
图b是刀架控制的交流控制回路，主要是控制两个交流接触器的导通和关闭来实现a中的强电控制；
图c部分是刀架控制的继电器控制回路及PLC的输入及输出回路，整个过程的控制最终是由这个模块来完成的。
（a）强电电路（b）接触器电路（c）PLC输入/输出电路
图2-2刀架控制接线回路
图中各器件的作用如下：
序号名称含义
1M2刀架电动机
2QF3刀架电动机带过载保护的电源空开
3KM5、KM6刀架电动机正、反转控制交流接触器
4KA1由急停控制的中间继电器
5KA6、KA7刀架电动机正、反转控制中间继电器
6S1~S4刀位检测霍尔开关
7SB11手动刀位选择按钮
8SB12手动换刀启动按钮
9RC3三相灭弧器
10RC9、RC10单相灭弧器
自动刀架控制涉及到的I/O信号如下：
PLC输入信号：
~：
1~6号刀到位信号输入；
：
手动刀位选择按钮信号输入；
手动换刀启动按钮信号输入；
PLC输出信号：
刀架正转继电器控制输出；
刀架反转继电器控制输出。
接线回路图简析：
假设，PLC输入/输出电路中输入1号刀同时选择手动刀选择。
这时，SB11闭合KA6线圈得电反转KA6触点断开实现互锁。
接触器回路中的KA6触点导通（KA1始终处于闭合状态）KM5线圈得电反转KM5反转触点断开实现双重互锁。
刀架正转接触器回路导通，在强电回路总的KM5触点闭合刀架正转。
当霍尔元件检测到1号刀的到位信号时，刀架开始定位锁紧，电机停转，换到结束。
其他3把刀换刀方式依次类推。
六工位刀架梯形图
PLC的概述与波形图的简析
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC,PLC自1966年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大。
PLC=ProgrammablelogicController，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
是工业控制的核心部分。
第3章：
数控车刀架常见故障分析
1．刀架不能启动
机械方面：
刀架预紧力过大。
当用六角扳手插入蜗杆端部旋转时不易转动，而用力时，可以转动，但下次夹紧后刀架仍不能启动。
此种现象出现，可确定刀架不能启动的原因是预紧力过大，可通过调小刀架电机夹紧电流排除之。
刀架内部机械卡死。
当从蜗杆端部转动蜗杆时，顺时针方向转不动，其原因是机械卡死。
首先，检查夹紧装置反靠定位销是否在反靠棘轮槽内，若在，则需将反靠棘轮与螺杆连接销孔回转一个角度重新打孔连接；
其次，检查主轴螺母是否锁死，如螺母锁死，应重新调整；
再次，由于润滑不良造成旋转件研死，此时，应拆开，观察实际情况，加以润滑处理。
电气方面：
电源不通、电机不转。
检查溶芯是否完好、电源开关是否良好接通、开关位置是否正确。
当用万用表测量电容时，电压值是否在规定范围内，可通过更换保险、调整开关位置、使接通部位接触良好等相应措施来排除。
除此以外，电源不通的原因还可考虑刀架至控制器断线、刀架内部断线、电刷式霍尔元件位置变化导致不能正常通断等情况。
电源通，电机反转。
可确定为电机相序接反。
通过检查线路，变换相序排除之。
手动换刀正常、机控不换刀。
此时应重点检查微机与刀架控制器引线、微机I/O接口及刀架到位回答信号。
2．刀架连续运转、到位不停
由于刀架能够连续运转，所以，机械方面出现故障的可能性较小，主要从电气方面检查。
检查刀架到位信号是否发出，若没有到位信号，则是发讯盘故障。
此时可检查：
发讯盘弹性触头是否磨坏、发讯盘地线是否断路或接触不良或漏接，是否需要更换弹性片触头或重修，针对其线路中的继电器接触情况、到位开关接触情况、线路连接情况相应地进行线路故障排除。
当仅出现某号刀不能定位时，则一般是由于该号刀位线断路所至。
3．刀架越位过冲或转不到位
刀架越位过冲故障的机械原因可能性较大。
主要是后靠装置不起征作用。
检查后靠定位销是否灵活，弹簧是否疲劳。
此时应修复定位销使其灵活或更换弹簧。
检查后靠棘轮与蜗杆连接是否断开，若断开，需更换连接销。
若仍出现过冲现象，则可能是由于刀具太长过重，应更换弹性模量稍大的定位销弹簧。
出现刀架运转不到位（有时中途位置突然停留），主要是由于发讯盘触点与弹性片触点错位，即刀位信号胶木盘位置固定偏移所至。
此时，应重新调整发讯盘与弹性片触头位置并固定牢靠。
4．刀架不能正常夹紧
出现该故障时应当:
检查夹紧开关位置是否固定不当，并调整至正常位置。
用万用表检查其相应线路继电器是否能正常工作，触点接触是否可靠。
若仍不能排除，则应考虑刀架内部机械配合是否松动。
有时会出现由于内齿盘上有碎屑造成夹紧不牢而使定位不准，此时，应调整其机械装配并清洁内齿盘。
在机械加工领域中，数控机床是集电力电子、自动控制、电机、传感器、计算机、机床、液压、气动等技术于一体的典型机电产品。
它具有加工柔性好、精度高、生产效率高等优点。
但在使用中也易出现问题，一旦出现了故障，往往比较棘手，尤其是在加工精度稳定性方面，轻则零件加工精度降低，重则导致零件报废甚至整个生产线停产。
引起加工精度不稳定的因素是多方面的，刀架定位精度不准确是主要因素。
以CK6140数控车床为例，针对电动刀架发生定位精度不稳定现象做进一步的分析及其检修过程。
1.数控车床的故障现象现有10台CK6140D数控车床，系统配置采用FANUCoi-D系统。
经过一个月时间使用发现其中有1台机床加工尺寸精度不稳定（30个零件之中有6个件尺寸达不到图纸要求）造成了小批量零件报废，～mm之间。
经过各项检测，引起此故障的原因是由于刀架定位精度不准确。
2.刀架定位精度不准确的原因刀架动作顺序：
换刀信号→电机正转→刀盘转位→刀位信号→电机反转→初定位→精定位夹紧→电机过流停转→换刀信息反馈→换刀结束。
刀架的电气控制原理：
电动刀架的电气控制分强电和弱电两部分，强电部分由三相电源驱动三相交流异步电机正反方向旋转，从而实现电动刀架的松开、转位、锁紧等动作；
弱电部分由位置传感器（霍尔元件）组成，每个霍尔元件对应电动刀架一个工位。
其控制原理图（如上图）。
对刀架控制工作原理及刀架机械传动原理进行分析，得知影响刀架的重复定位精度产生误差的原因：
刀盘连接部件松动；
定位牙盘内有污物；
霍尔元件开关位置不良，造成电器控制失效；
每次刀盘到位的夹紧力不均。
2.刀架的检修过程
（1）对刀架机械传动部分进行检修。
检修时拆下箱盖板发现此刀架传动螺杆与传动轴有污物，此时需进行刀架清洗上油。
通过检修可以对刀架连接部件的松动、定位牙盘内的污物、霍尔元件开关位置的不良造成电器控制失效等故障排除。
（2）检修刀盘到位后的夹紧力不均导致加工精度不稳定。
从刀架控制原理可以看出，刀架电机是采用AC380V电源，正转由K1继电器控制，反转由K2控制，RC是抗干扰夹弧器，拆开刀架控制盒盖板，输入换刀指令，T2计算机输出TL+正转信号，K1继电器吸合，三相主触点闭合，电机得电正转。
当二号刀到位后，霍尔元件与磁钢导通，发出到位信号送回数控系统，系统按到反馈信号电平后，中断正转信号。
同时发出TL-反转信号，K2继电器吻合，反三相主触点闭合，电机反转使刀架锁紧。
K2继电器吸合时，用万用表测量其输出电压是否为AC380V。
如果此电压不是AC380V，将可以断定K2中间继电器。
继电器触点接触不良，引起输出AC380V三相电压不平衡。
电机反转锁紧刀架时，保护空气开关没有出现过流断路，以致换刀时间短，电机反转瞬间。
以上故障至使电机反
转功率不够，N，刀盘夹紧力不够造成刀盘定位精度不准。
此时应该拆下刀架控制盒，拔下K2中间继电器，并更换，更换后，再连接好线路。
刀架控制电路可以不采用刀架厂生产的刀架控制盒，而直接用交流接触器代替刀架控制盒K1，K2
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