毕业设计（论文）数控车床刀架电气控制系统的设计

1、第一章：绪论1.1课题研究的背景数控机床是数字控制机床（computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面，都有飞速发展。数控机床的加工特点：(1).加工精度高，具有稳定的加工质量(2)可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件(3)加工零件改变时，一般

2、只需要更改数控程序，可节省生产准备时间(3)机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的35倍）；(4)机床自动化程度高，可以减轻劳动强度(5)对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速

3、膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15年。同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。

4、总的来说就是随着中国经济的快速发展数控专业的人才比较匮乏。1.2课题研究的意义当今的市场，国际合作的格局逐渐形成，产品竞争日趋激烈，高效率、高精度加工手段的需求在不断升级，用户的个性化要求日趋强烈，专业化、专用化、高科技的机床越来越得到用户的青睐。随着高性能机床的不断问世给我们的生活带来了许多的方便。更多高档的汽车，更加先进的飞机，噪声更低的螺旋桨，以及我们国家正在研制的航空母舰等等这所有的一切的发展都是建立在先进的机床基础之上的。可见，数控机床在今后发展中所展现的重要意义了。同样，为了保证数控机床的精度与机床息息相关的数控刀架也是我们不容忽视的重点研究课题。1.3课题设计任务与要求本课题研究

5、的任务大致可以分为以下三部分1.完成数控车床刀架电气控制系统的设计2.完成数控车床刀架机械构图的绘制3.完成数控车床刀架常见故障分析通过对本课题的研究与学习使我们能够对数控车床有更深一步的了解，明白数控车床刀架的电气与机械的工作原理并初步掌握与之相关的知识，如：霍尔效应，蜗轮蜗杆机械原理，刀架的各种分类，plc控制的梯形图等。能够解决较简单的数控车刀架故障。第二章：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

6、识。2.1霍尔原理及在刀架中运用的简单概述2.1.1霍尔效应与工作原理所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，

7、特别适合于大电流传感。若把霍尔元件置于电场强度为e、磁场强度为h的电磁场中，则在该元件中将产生电流i，元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度e成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值p可由p=eh确定。利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。霍尔元件应用霍尔效应的半导体。2.1.2霍尔效应的广泛运用霍尔效应在应用技术中特别重要。如果对位于磁场(b)中的导体(d)施加一

8、个电压(iv)，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压(uh)，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。根据霍尔效应做成的霍尔器件，就是以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关的功能。 讫今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在分电器上作信号传感器、abs系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关，等等。霍尔效应是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象

9、。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。2.1.3 霍尔元件在刀架中运用的简单概述 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

10、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。nc系统 t功能指令霍尔元件驱动放大与逻辑保护电路执行元件刀位选择换刀指令（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，

11、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。2.2四工位刀架plc接线原理图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

12、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。刀架正传刀架反转1号刀位信号2号刀位信号3号刀位信号4号刀位信号手动刀选择手动刀启动刀架电机刀架强电刀架反转刀架正转 (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 1 m2 刀架电动机 2 qf3 刀架电动机带过载保护的电源空开 3 km5、km6 刀架电动机

13、正、反转控制交流接触器 4 ka1 由急停控制的中间继电器 5 ka6、ka7 刀架电动机正、反转控制中间继电器 6 s1s4 刀位检测霍尔开关 7 sb11 手动刀位选择按钮 8 sb12 手动换刀启动按钮 9 rc3 三相灭弧器 10 rc9、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： x3.0x3.3：14号刀到位信号输入； x30.6：手动刀位选择按钮信号输入； x30.7：手动换刀启动按钮信号输入； plc输出信号： y0.6：刀架正转继电器控制输出； y0.7：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

14、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。2.3四工位刀架plc梯形图与原理运用2.3.1plc的概述与波形图的简析可编程控制器(programmable controller)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(programmable logi

15、c controller)，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(personal computer)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 = programmable logic controller，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

16、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。下面是刀架的波形图换刀过程。刀架到达符合工位后，电机正传停止，将其作为记忆信号。当这个记忆延时50ms，电机刀架锁紧，电机停止，去掉记忆信号。四工位三工位二工位一工位（图2-3 四工位波形图）电机反转停电机正转锁紧开关波形图简析：图示为四号刀到位信号的波形图。 首先刀架处于锁紧的状态，输入运行刀架时当到达第1根虚线，锁紧处于低电平，刀架松开。这时电动机正转处于高电平，电机开始正转。这时，刀架分别经过一工位、二工位、三工位，直到到达第2根虚线，检测到四号刀的到位信号处于高电平，电机正转电平处于0这是电机不

17、转。大约过50ms电机开始反转，在反转的某一瞬间电机的锁紧开关的低电平变成了高电平，电机开始锁紧。这时电机仍处于反转状态，当达到某一值时电机的反转处于低电平，电机开始了停转。四号刀的换刀过程就结束了，其他的三把刀换刀过程依次类推。2.3.2plc梯形图运用梯形图是plc使用得最多的图形编程语言，被称为plc的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。plc梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电

18、器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与plc存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“on”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“off”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。下图是四工位刀架的plc梯形图与文字解释：(表2-1)序号地址地址相应地作用1x4.0x4.2刀架转动刀位对应的输入信号2x8.4急停输入信号3x5.4循环启动输入信号4f7.0辅助功能m的选通信号5f7.2

19、主轴转速s的选通信号6f7.3刀具功能t的选通信号7r指令内部继电器8y0.4刀架正转9y0.5刀架反转10g5.0辅助功能m结束信号11g5.2s功能完成应答结束信号12g5.3t功能完成应答结束信号13g8.4急停输出信号14g4.3无论s、t、m完成应答，都会结束信号15g7.2循环启动输出信号16tmrb定时器17（图2-4 梯形图）梯形图的解析：首先打开急停开光x8.4电源启动，刀具功能t型号f7.3接受到具体的刀号触点闭合。内部寄存器r420.0线圈得电。然后通过sub25decb译码。接下来根据译码得到的具体刀具信号对应的刀位寄存器触点闭合正转线圈y0.4得电，电机正转。经过一段

20、时间通过霍尔元件的检测刀具到达正确的位置，具体的正转刀位触点断开反转刀位触点闭合，同时对应刀位的内部寄存器仍然处于导通状态。寄存器r420.2线圈得电，紧接着反转线圈y0.5得电同时反转触点y0.5闭合实现自锁。通过延时继电器的作用延时一段时间后反转电机启动实现刀架的精确定位。那么换刀程序就结束了。第三章：数控车刀架机械结构设计机械部件是一位忠实的执行者，他会义无反顾的执行接收到的指令。本章主要是对数控刀架的机械原理方面的介绍，通过对数控刀架的分类、换刀流程和经济型数控车床四工位刀架换刀的具体过程让我们对数控刀架的机械方面有深一步的认识。3.1数控车刀架分类与换刀流程3.1.1数控车刀架的分类

21、 1.排刀式刀架一般用于小规格的数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。在排刀式刀架中，夹持着各种不同用途的刀具沿着机床x坐标方向排列在横向滑板上。刀具的典型布置方式如图3-1，所示：常见排刀式刀架 （图3-1）这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿x轴移动预先设定的距离，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这样换刀方式迅速省时，有利于提高机床的效率。2.回转刀架回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，是一种最简单的自动换刀装置。回转刀架上回转头各刀座用于安装或支持各

22、种不同用途的刀具，通过回转头的旋转、分度和定位，实现机床的自动换刀。回转刀架分度准确、定位可靠、重复定位精度高、转位速度快、夹紧性好，可以保障数控车床的高精度和高效率。回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。数控机床使用的回转刀架是比较简单的自动换刀装置，常用的类型有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。回转刀架根据刀架回转轴与安装地面的相对位置，又分为立式刀架和卧式刀架两种，立式回转轴垂直于机床主轴，多用于经济型数控车床，卧式回转刀架的回转轴平行于机床主轴，可径向与轴向安装刀具。常见回转刀架结构 （图3-2） 3.

23、带刀库的自动换刀装置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3-3）3.1.2四工位刀架的换刀流程换刀系统接收到换刀指令后,系统首先读取刀号存储单元中存储的当前刀位号码,并将该存储单元中的刀位号与换刀指令给出的刀位号比较,如果相同,则不需换刀,系统继续向下执行程序；如果当前刀位号码与换刀指令给出的刀位号不相同,刀架电机正转,并不断检测刀位到位信号,当检测到刀位到位信号后，停止刀架运转,过一段时间后电机反转

24、,同时启动定时器(电机反转的时间必须严格控制,时间过短,刀架无法锁紧,时间过长,会导致电机过载而烧毁) 延时时间一到,电机停止旋转,完成换刀过程。对于四工位自动回转刀架来说，它最多装有4 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3-4 换刀流程图）3.2数控车刀架传动装置的原理与运用3.2.1蜗轮蜗杆的概述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

25、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880；只传递运动或用于分度时，单级传动比可达1000；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，效率为0.4左右。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

26、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。3.2.2蜗轮蜗杆的工作原理与特点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

27、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.3.蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小。4.具有自锁性。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。5.传动效率较低，磨损较严重。蜗轮蜗杆啮合传动时

28、，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。3.2.3蜗轮蜗杆常见原因及解决方法 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

29、；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，或40cr淬硬hrc5055后经蜗杆磨床磨削至粗糙度ra0.8m。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

30、）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

31、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。3.3数控车四工位刀架换刀工作原理经济型数控车床刀架式在普通车床四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：有四个刀位，能夹持四把不同功能的刀具，方刀架回转90度时，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3-5所示。（图3-5） 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

32、架体；8球头销；9转位套；10电刷座；11发信体；12螺母；13.14电刷；15粗定位销；该刀架可以安装4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

33、，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，

34、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第四章：数控车刀架常见故障分析4.1数控车刀架机械与电气故障分析排除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

35、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

36、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

37、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。4.2数控

38、车床刀架常见故障的实例分析正传nc刀具接口三相电源在机械加工领域中，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。 反转（图4-1）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s

39、inuner1k802d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，其加工误差范围在0.030.08 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

40、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。3 .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ac380 v 电源，正转由k1 继电器控制，反转由

41、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ac380 v。如果此电压不是ac380 v，将可以断定k2 中间继电器。继电器触点接触不良，引起输出ac380 v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，是因电机反相锁紧力达不到1.2 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 中间继电器拖动刀架电机。这样可以增强刀架控制线路的稳定性。最后对多个零件进行试加工，结果显示，尺寸准确。表明故障已经排除。第五章：总结通过一个多月的努力，在老师与同学们的指导帮助下，我的数控车床刀架电气控制系统设计及故障诊断论文终于顺利完成了。本论文的结构大致分为三部分。第一部分介绍的是数控刀架的电气方面知识，第二