四工位刀架自動定位模擬教學裝置的研發

華玲芳 陸東明 張蘇新 夏 平

（蘇州高等職業技術學校，江蘇 蘇州215000）

0 引言

一個零件在加工過程中往往需要經過多道工序，對于單功能的機床，大量的時間將用于刀具定位、裝卸零件等非切削工序上，為了縮短非切削時間，往往采用有自動對刀裝置的數控機床，實現零件加工過程中的自動對刀和定位功能。通常選用回轉的自動換刀裝置，有四方、六角刀架，回轉刀架對于強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時的精確定位。所以刀架自動精確定位直接影響零件加工的質量。圖1為自動回轉刀架機電系統，包括可編程運動控制器、電動機、刀架、霍爾元件、數控程序。

圖1 自動回轉刀架機電系統

數控機床刀架定位裝置是一個較為復雜的系統，學生在學習時普遍感覺該內容較抽象，不易理解。本文從實際的刀架工作原理出發，設計出了數控機床刀架自動定位系統模擬裝置，并分析了其結構原理，通過實驗結果驗證了該裝置能夠實現基本自動定位功能。

1 數控機床刀架工作原理

數控車床實際的電動刀架采用蝸桿蝸輪傳動機構，定位和緊鎖功能主要由銷盤、外端齒盤、內端齒盤組合成的三端定位機構實現。四工位電動刀架結構原理如圖2所示，其工作原理可通過換刀步驟分析：（1）刀架放松，數控系統發出換刀信號，控制繼電器動作，刀架電機正轉，通過蝸桿、蝸輪將銷盤提升；（2）刀架轉位，當離合銷進入離合盤槽內，離合盤帶動離合銷，再帶動銷盤，則銷盤帶動上刀體轉位；（3）刀架定位，當上刀體轉到所需刀位時，霍爾元件發出刀具到位信號，電機反轉，反靠銷進入反靠盤的槽中，離合銷從離合盤中爬出，刀架完成粗定位，同時銷盤下降端齒粘合，完成精定位；（4）刀架夾緊，刀架定位完成后，電動機制動器制動，維持電動機軸上的反轉力矩，同時發出轉動結束信號，電動機斷電，換刀動作結束。

2 四工位刀架自動定位模擬教學裝置的設計

圖3為四工位刀架自動定位模擬裝置實物圖，從圖中可以看出有4個工位和對應的4個控制按鈕，每個工位上有個發光二極管，藍色箭頭為指示標志，指示標志對應的是一個小磁鐵，用于霍爾傳感器檢測信號，直流電動機通過皮帶與槽輪機構相連，槽輪通過內嚙合與圓形工作轉臺相連。

圖2 四工位刀架結構原理

圖3 四工位刀架自動定位模擬裝置實物圖

2．1 槽輪機構

實驗裝置的機械傳動部分運用的是槽輪結構，來代替實際的蝸輪蝸桿機構，槽輪機構的優點是結構簡單、工作可靠、機械效率高。該裝置采用單臂內嚙合槽輪機構，由帶圓柱銷的轉臂、具有4條徑向槽的槽輪和機架組成。當連續轉動的轉臂上的圓柱銷進入徑向槽時，撥動槽輪轉過90°角；當圓柱銷轉出徑向槽后，槽輪停止轉動。轉臂轉一周，槽輪完成一次轉停運動。為了保證槽輪停歇，可在轉臂上固接一缺口圓盤，其圓周邊與槽輪上的凹周邊相配。這樣既不影響轉臂轉動，又能鎖住槽輪不動。

2．2 霍爾傳感器

霍爾傳感器是利用霍爾效應進行工作的，圖4為霍爾效應原理圖，一塊長L、寬W、厚d的半導體，通有電流I，當有外加磁場B的作用時，運動電子受洛侖磁力的作用而偏向一側，使該側形成電子的積累，這樣就形成負電荷，與它對應的側面由于電子濃度減少，形成了正電荷，正負兩端電荷就形成了一個電場。當電子受到的洛侖磁力和電場力兩者相等時，電子的積累達到動態平衡，此時得到的霍爾電壓為：

本實驗裝置采用的霍爾傳感器是AH41雙極鎖存霍爾器件，它由反向電壓保護器、電壓調整器、霍爾電壓發生器、信號放大器、史密特觸發器和集電極開路的輸出級組成，其功能圖如圖5所示。

圖4 霍爾效應原理圖

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的繼電器邏輯控制電路，該電路主要靠硬件來控制，相比于用PLC控制，繼電器電路雖然線路較復雜，觸點有限，但能夠減小成本，也能縮小裝置空間，對于學生來說自己動手搭電路比直接運用PLC實現更能夠得到鍛煉，從而達到良好的教學效果。本文采用的是DRM－570024L繼電器，該繼電器有4個常閉和4個常通觸點，本裝置運用到該繼電器4個，總的觸點數能夠滿足裝置的要求。

2．4 系統控制原理

將上述各部件整合，得到整個控制系統的原理框圖，如圖6所示。其元器件主要包括：AH41霍爾開關傳感器、DRM－570024L繼電器、HT3F－SHG繼 電器、S9031NPN 三極 管、37ZYJ直流減速電機等。

圖6 控制系統原理框圖

整個工作過程如下：按下點動按鈕，DRM－570024L繼電器線圈得電自鎖，其觸點閉合，37ZYJ減速電機回路閉合，電機運轉，轉到設定的位置后，AH41型霍爾開關傳感器檢測到磁信號，其信號線發出信號，接通三極管，驅動HT3F－SHG繼電器線圈得電，該線圈觸點斷開DRM－570024L繼電器線圈，斷開電機回路，37ZYJ減速電機停止運行，定位裝置停在設定位置；當設定位置與現在實際位置一致時，蜂鳴器會發出聲音，表示此時已經在設定位置。

整個系統包括4個工位控制電路、1個報警提示電路、1個電機運轉電路，通過邏輯控制實現刀架自動定位的控制要求。

3 實驗結果

接通電源后，按下控制工位1的按鈕，當裝置的原來工位不在工位1時，工作轉臺會順時針方向運轉到工位1，同時工位1的發光二極管一直閃亮，到達工位后，工作臺停止運轉，發光二極管熄滅；當裝置的原來工位在工位1時，蜂鳴器鳴叫提示，表示已經在工位1，工作臺不需要再運轉。其他各按鈕類推。實驗結果如表1所示，它表明該裝置能夠實現數控機床刀架自動定位的功能。

表1 實驗結果

4 結語

四工位電動刀架作為數控機床的三大輔助裝置之一，其對刀功能是在數控系統參與下由PLC控制完成的。通過實際的數控機床刀架自動定位系統和學生實際接受知識效果分析，學生在學習該內容時普遍感覺較抽象，不易理解，為了解決該問題，設計了一套基于槽輪機構、霍爾傳感器檢測及繼電器控制電路的教學裝置來模擬數控機床刀架自動定位系統，實驗結果證明，該模擬裝置能夠完成基本的自動定位功能，同時在教學過程中取得了較好的效果。

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