高博 宋建东 金辉
【摘要】数控车床是目前工业上使用极其广泛的一种设备，集机电和液压等技术于一身，具有较高的科学技术含量。而刀塔则是数控车床的核心组件之一，故障率相对较高，因此，维护好刀塔可以有效的保证生产效率。对于那些故障率过高，严重制约生产，没有维修价值的刀塔，应及时更换或改造。本文从数控车床和刀塔的功能写起，逐步介绍了刀塔的结构和发展，并以此为依据，从采购、硬件连接、刀具编码和PMC程序编写等相关环节介绍了一个电动刀塔改造为液压刀塔的实例，有效的降低了故障率，提高了机床的稳定性，提升了生产效率。
【关键词】数控车床;刀塔;液压刀塔;改造;PMC程序
1.引言
数控车床又称CNC车床，是一种高精度、高效率的自动化机床，分为卧车和立车两种。它是目前国内使用量最大、覆盖面最广的一种数控设备，集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体，在机械制造设备中具有不可替代的地位。配备多工位刀塔或动力刀塔后，数控车床可以加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹、槽、蜗杆等复杂工件，具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果。
数控车床刀塔是数控车床非常重要的部件，目前国内数控刀塔以电动为主，分为立式和卧式两种，有四工位、八工位、十工位和十二工位等，可进行正反方向旋转，就近选刀，适用于各种数控车床。此外还有液压刀塔和伺服刀塔等，适用于不同客户的不同精度要求。
我公司某数控卧式车床刀塔原来采用的是电动刀塔，经常发生故障，严重影响正常生产。我公司早期引进的一些数控车床，其刀塔同样已接近使用寿命，若对其进行升级改造，则会极大地提高机床的生产效率，延长使用寿命，提高加工性能和可靠性。该车床经改造后效果良好，故障率大幅降低，收到生产一下好评。
2.数控车床刀塔作用
数控车床是利用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床，配以数控系统和多工位刀塔可以大幅度提高加工效率。在车床上可用铰刀、扩孔钻、钻头、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的加工。刀塔是安放刀具的重要部件，许多刀直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀塔，转塔车床的转塔刀塔，自动车床的转塔刀塔和天平刀塔等。这些刀塔不仅负责安放刀具，本身还需要承受很大的切削力，所以它往往成为工艺系统中的最脆弱一环。再加上刀塔本身处于切削液包围的环境，导致刀塔在数控系统中故障率极高。随着自动技术的发展，机床的刀塔也有了许多变化，特别是数控车床上采用电（液）换位的自动刀塔，实现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，极大的节省了装夹刀和调整工件的时间。
3.数控车床刀塔类型
数控车床可以配备两类刀塔：一种是厂家专用刀塔，由车床生产厂商自己开发，所使用的刀柄也是专用的。这种刀塔的优点是制造成本低，但通用性差;另一种是通用刀塔，根据一定的通用标准和客户要求，由机床生产厂家外购后安装在车床上，经过调试和参数优化后，交付客户使用。这种刀塔可以节省生产时间和人力物力，并在日后维修方面提供方便。
刀塔的结构形式一般为回转式，刀具沿圆周方向安装在刀塔上，可以安装径向车刀、轴向车刀、钻头、镗刀。车削加工中心还可以安装轴向铣刀、径向铣刀。还有少数数控车床的刀塔为直排式，刀具沿一条直线安装。
按换刀方式的不同，数控车床的刀塔系统主要有回转刀塔、排式刀塔和带刀库的自动换刀装置等多种形式。其中我们大多数车床采用回转式刀塔，在工件复杂度不高的情况下，这种刀塔完全可以满足普通机械加工厂家的生产需要。
图1 八刀位星型液压装配图
4.数控车床刀塔发展趋势
科技迅速发展的今天，数控车床正朝着高速、高效、高精度、柔性化、环保等方面发展。数控车床的迅猛发展，需要相应的附件大力跟进。目前国内数控车床大多采用电动刀塔，并朝着快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展，预计今后对数控刀塔需求量将大大增加。数控刀塔今后的发展趋势，可以从以下几个方面来说明：
（1）刀塔转位时间短、转位准确。这关系到刀塔的质量，其主要取决于刀塔换刀时间和故障率。
（2）刀塔定位精度高、动作迅速、稳定可靠。数控机床的切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置。在加工过程中刀尖位置不能进行人工调整，因此，转塔刀塔在结构上必须有良好的强度、刚性和合理的定位结构，以保证转塔刀塔在每一次转位之后，具有高的重复定位精度。
（3）能多刀夹持、双向转位，并能实现任意刀位就近选刀。
（4）具有通用性强、应用范围广，以及维修方便等优点。
同时，刀塔设计正在向模块化、标准化、高速化方向发展。
5.数控车床的液压刀塔改造
5.1 液压刀塔的结构组成及工作原理
如图1所示为回转刀塔的结构图，刀塔的松开和夹紧以及刀盘的分度转位分别由液压系统和液压马达来实现。安装刀具的刀盘与主轴固定连接，换刀时，液压缸注入压力油，两个与端齿盘固定的活塞拉动静端齿盘向右移动，使得与动端齿盘脱开，即刀盘松开。当刀盘松开之后，数控系统判断是正转还是反转，进而液压泵给马达提供压力油，带动刀盘旋转，即换刀。主轴带动刀盘换刀，是通过液压马达带动齿轮副，并且通过拨叉使扭矩传递到主轴，进而带动刀盘旋转的。刀盘旋转到后，液压马达带动刀盘停止转动，与靜端齿盘固定的两个液压缸动作，活塞向左移动，使得静端齿盘和动端齿盘啮合，完成精定位和刀盘的锁紧。当加工工件时，液压泵把压力油注入缸体右腔，活塞向左移动，使刀盘一直处于紧锁状态，车刀加工工件，如此循环往复运动。
5.2 刀具编码及选择方式
5.2.1 刀具的编码
根据数控装置所发出的刀具选择指令，从刀塔中挑选各工序所需要的刀具的操作称为自动选刀。自动选刀的实现，需要对刀具进行编码。对于卧式车床刀塔而言，刀具的编码主要有以下三种方式：
（1）接近开关组合编码
图2 接近开关组合编码方式示例
当PLC读入指定接近开关编码信号（如图2所示）后，则判断刀塔目前处于该号码刀具。
（2）开关位置识别
每把刀到位时都会有一个接近开关接通，通知PLC目前正处于这一刀位。与第一种方式相比，这种方式在编写PLC程序时比较简便，但是却多出很多接近开关，增加刀塔结构复杂性，同时也增加了故障率。
（3）脉冲编码器识别刀号
这种方式编码时，系统会计入脉冲数量后判断是否到达下一到位。通常需要处理该编码器信号的电路或模块。
本文实例中，原刀塔采用第三种编码方式，改造后的液压刀塔采用第一种编码方式。
5.2.2 刀具的选择方式
比较简单的数控车床在选刀时只能顺序旋转，没有反转，也就是没有就近选刀功能，这种刀塔无论是机械结构，动力装置还是PLC程序都要简单一些，适用于工位数较少的刀塔，不适合较复杂零件的批量加工。目前大多数的数控车床都适应就近选刀，这样既可以节省加工时间，也能有效降低刀塔动作频率，延长寿命，降低故障率，提高生产效率。本例所改造的液压刀塔则支持就近选刀功能。
5.3 数控车床刀塔改造的实现
5.3.1 硬件部分
（1）购买元器件
首先，根据所购买液压刀塔功率等参数和目前设备液压系统老化程度，评估和购买所需元器件。经评估，液压系统符合要求。因此所需购买元器件包括交流接触器3个，电磁换向阀3位4通和2位4通各1个，液压管路，电缆等辅助元器件若干，其余相关元件采用设备原有元件。
（2）液压刀塔
关于液压刀塔工作原理此处不再赘述。
该液压刀塔共有6个接近开关（PNP，ON，10-30VDC，100mA），棕色线和黑色线为电源，蓝色线为信号线，四个刀位检出开关，一个刀盘停止转动与锁紧允许开关和一个刀盘松开锁紧检出开关。配合刀盘正反转电磁阀和刀盘松开锁紧电磁阀，在PMC指令下完成换到功能。
该液压刀塔的控制方式是采用三个接近开关的状态排列组合来表示不同的刀号，并据接此状态来确认当前的刀位。通过液压马达和相应电磁阀来执行控制动作。表1即为所列出的刀号与接近开关的对应关系。
表1 刀号与接近开关的对应关系表
刀号
接近开关 1 2 3 4 5 6 7 8
D（刀具编码3） 0 0 0 1 1 1 1 0
C（刀具编码2） 0 0 1 1 0 0 1 1
B（刀具编码1） 0 1 1 1 1 0 0 0
A（刀具奇效验） 1 0 1 0 1 0 1 0
（3）PMC相关信息
本机床采用的是FANUC 0i-MA数控系统，该系统控制单元有内置的I/O卡，用于机床各检测元件信号的采集和控制各种气、液压阀组件，指示灯等的动作。在控制单元内置的I/O卡，其输入点的点数为96点，输出点点数为64点。如输入输出数量未能满足要求时，就需要通过控制单元上的I/O link扩展I/O单元来满足使用的要求，并在编写PMC程序时，对各I/O设备的地址进行分配。
FANUC PMC全称为可编程机床控制器，PMC与普通PLC的主要区别在于该PMC不仅可以对外部实实在在的I/O信号进行逻辑分析和处理，还可以从数控系统读取信号（F），向数控系统发送信号（G），是日本FANUC系统所独有的设备。
（4）关于配盘
因为仅仅改造刀塔，所以电路配盘较为简单，只需将相应接近开关接至接口信号板，并将电磁換向阀接至相应接触器即可，注意受空气开关保护即可。
5.3.2 软件部分
（1）PMC编写步骤
第一步：将数控机床的PMC程序，使用CF卡从数控机床的ROM中传出。使用软件转换成PC可读程序，在LADDERⅢ中读出
第二步：配合机床工作状态，图纸资料和FANUC系统说明书，找出并删除第一二级梯形图程序中关于刀塔部分的语句，重新编写刀塔的控制程序。
第三步：将编写好的程序重新转换为NC可读程序，传入机床，对机床进行调试，使之符合要求，完成改造任务。
（2）梯形图主要包含内容
①T指令解码。②刀具编码处理。③换刀请求错误及其它报警逻辑。④自动、手动和强制执行刀塔旋转方式。⑤换刀逻辑和锁紧指令。⑥刀塔正反转和松开锁紧控制，即相应电磁阀输出。⑦T指令完成。
（3）新旧梯形图主要区别
原电动刀塔与改造后的液压刀塔主要区别有以下几点：①刀具编码方式。②锁紧动作不同。③选通信号有无。④粗定位方式不同。
下面以刀具编码方式为例，简单解读部分梯形图。
图3～图6为数控车床刀塔控制梯形图。
图3程序段的主要功能是将刀塔的各个接近开关的状态，以每个扫描周期为频率送至中间寄存器R0105中，利用该功能块，可以避免将刀塔的每个输入信号以一条程序的方式逐一编写，简化了程序的书写。功能块中8个1是将X1005的每一位状态都传送至R0105中。并且将R0105的状态相应的变化反应给中间寄存器R570，准备下一步工作。
图3 接近开关信号状态读入
图4 机床准备好控制
图4程序段表明当机床准备好后R0552.2为1，此时将R570的前4位和第7位状态传送给中间寄存器R502。
图5程序段主要应用的是译码功能块，当中间寄存器R503中的数据与译码器中设定的值相等时译码输出，R200.1为刀塔一号刀输出确认，以此类推。图6程序段是五号刀至八号刀的译码程序。
图5 刀号译码控制
图6 刀号译码控制
（4）报警信息编写
原设备共有刀塔方面的4个报警：换刀指令错误;奇偶校验错误;换刀超时错误;刀塔未锁紧。这里未对原报警信息提示进行更改，只是更换了报警触发条件。
6.结论
本文以数控车床刀塔的发展、组成、功能及PMC程序等理论为基础，阐述了对某数控卧式车床刀塔的液压化改造过程。刀塔是数控机床的重要组成部分，是磨损率最高的组成部件，通过对该电动刀塔的液压化改造，可以极大的降低故障率，提高生产效率，有力的保障了生产。
参考文献
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