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       1 引言

       90 年代以來, 數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普及及發(fā)展, 數(shù)控加工中心在制造業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)制造的加工中心主要是面向生產(chǎn)領(lǐng)域, 其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高,封閉性強(qiáng), 價(jià)格昂貴, 難于滿足教學(xué)與培訓(xùn)需要。

       V 40 0 立式加工中心是我校新近研制的教學(xué)型立式加工中心, 整體布局采用開放式動(dòng)柱T 型結(jié)構(gòu), 控制系統(tǒng)采用基于IPC 的模塊化開放式數(shù)控系統(tǒng), 系統(tǒng)界面友好, 具有較強(qiáng)的在線幫助。該加工中心控制功能豐富, 教學(xué)培訓(xùn)功能突出, 操作使用安全可靠性強(qiáng)。并具有一定切削加工能力。加工中心刀庫是實(shí)現(xiàn)多工序連續(xù)加工的重要裝置, 其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其控制實(shí)現(xiàn)是加工中心設(shè)計(jì)制造中的關(guān)鍵之一。這里以V4 0 立式加工中心為例, 根據(jù)教學(xué)型加工中心的特點(diǎn)要求, 探討了刀庫結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

       2 刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

       刀庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)的基本原則是: 根據(jù)教學(xué)型加工中心的設(shè)計(jì)要求, 該刀庫設(shè)計(jì)注重功能完善, 開放式結(jié)構(gòu)、操作使用安全可靠等特點(diǎn)。V 40 型加工中心刀庫部分采用H CK 一U P 刀庫的設(shè)計(jì)形式, 由主軸直接完成取刀動(dòng)作。見圖1 :其主要參數(shù)是: 刀庫容量: 10 把; 最大刀具重量: 6K g , 最大刀具長(zhǎng)度: 2 4 0 m m , 刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)速度: l 刀位/ 秒。

       2.1 刀庫的驅(qū)動(dòng)

       刀庫由90 w 普通電機(jī)經(jīng)減速后通過外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng), 該方式由于利用槽輪機(jī)構(gòu)采用機(jī)械式分度定位, 可靠性較高。同時(shí)電氣控制簡(jiǎn)單, 制造成本較低。為了減小槽輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)的沖擊, 設(shè)計(jì)時(shí)采取如下措施: (l) 使槽輪的實(shí)際外圓半徑Ra略大于槽輪名義外圓半徑R , 即槽輪名義外圓半徑R =, 實(shí)際外圓半徑R a =, 以消除滾子開始進(jìn)人槽時(shí)滾子與槽兩側(cè)頂端的間隙。(2) 減小和消除滾子和槽之間的間隙。(3 )適當(dāng)調(diào)整支撐軸承的預(yù)緊力, 增加槽輪組件的回轉(zhuǎn)負(fù)載, 增加回轉(zhuǎn)阻尼

       2. 2 刀位的控制實(shí)現(xiàn)

       刀庫上的刀位信號(hào)由兩支開關(guān)聯(lián)合發(fā)出, 在刀庫的一號(hào)刀位上安裝一只感應(yīng)塊, 在支架上安裝相應(yīng)檢測(cè)開關(guān)(圖中未表示出來), 機(jī)床開機(jī)后, 刀庫自動(dòng)回轉(zhuǎn)尋找一號(hào)刀位, 刀庫處于初始狀態(tài)。其余刀位信號(hào)由安裝在槽輪轉(zhuǎn)臂上的感應(yīng)塊配合接近開關(guān)進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù), 曲柄每回轉(zhuǎn)一周即刀庫轉(zhuǎn)過一個(gè)刀位觸發(fā)一次, 送出停止電機(jī)及啟動(dòng)剎車信號(hào)b 通過控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向,實(shí)現(xiàn)刀庫的雙向選刀。

       2. 3 安全控制

       教學(xué)型加工中心設(shè)計(jì)突出的特征就是安全設(shè)計(jì)。由于學(xué)生與工廠操作技工在使用時(shí)在熟練程度的差異, 針對(duì)刀庫部分特別加強(qiáng)了使用的安全控制。

       (l) 安全防撞設(shè)計(jì): 刀庫的刀臂本體與底座連接支架之間增加了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸, 操作使用時(shí)如有不當(dāng)?shù)淖笠苹蛏咸?span>, 刀臂本體可以反時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度, 刀臂本體與連接支架之間的行程開關(guān)斷開, 產(chǎn)生不正確的動(dòng)作信號(hào), 控制系統(tǒng)及時(shí)停機(jī)。(2) 刀盤上10 對(duì)刀爪的轉(zhuǎn)動(dòng)銷軸上, 增加了安全剪斷槽的設(shè)計(jì), 該銷軸按承受刀具規(guī)格重量的4 倍設(shè)計(jì), 意外動(dòng)作時(shí), 如必須發(fā)生結(jié)構(gòu)型破壞, 應(yīng)優(yōu)先剪斷銷軸。

       3 刀庫控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

       v 40 o 教學(xué)型加工中心采用基于IPC 的模塊化開放式數(shù)控系統(tǒng), 系統(tǒng)界面友好, 具有較強(qiáng)的在線幫助, 安全性強(qiáng)。刀庫控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是通過開放式數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置PMC 來完成。

       PMC 程序傳統(tǒng)上一般采用梯形圖編制, 而開放式數(shù)控系統(tǒng)則提供了功能更強(qiáng)、更靈活高效的C + + 語言供用戶開發(fā)PM C 軟件。

       整體PMC 軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路. 程序中每一子模塊都可以在N C 的人機(jī)接口PLc 參數(shù)設(shè)置欄中將其置為 “ 開” 、“關(guān)”狀態(tài), 以適應(yīng)不同功能的加工中心需要。為了程序的通用性, 最大刀號(hào)在C NC 參數(shù)中設(shè)定, 程序?qū)⒆疃搪窂竭x刀處理為一般函數(shù)運(yùn)算, 可適用于不同刀具數(shù)目的機(jī)床。

       自動(dòng)換刀模塊的軟件框圖如圖所示, 整個(gè)換刀過程由10 步動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。1 )z 軸回?fù)Q刀位; 2) 主軸準(zhǔn)停; 3 )x 、Y 軸回?fù)Q刀位; 4 )松刀吹氣;5) 主軸抬起; 6) 計(jì)算最佳選刀路徑; 7 )目標(biāo)刀具旋轉(zhuǎn)到位; 8) 主軸下移抓刀; 9) 主軸右移到完成位; 10 )解除主軸準(zhǔn)停。

       4 結(jié)論

       教學(xué)型加工中心刀庫結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì), 體現(xiàn)了教學(xué)型加工中心設(shè)計(jì)的原則。該系統(tǒng)在V4 0 加工中心上經(jīng)過一年多的使用, 各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。刀庫結(jié)構(gòu)開放性好, 系統(tǒng)調(diào)整方便靈活, 成本低廉, 學(xué)生學(xué)習(xí)培訓(xùn)安全性強(qiáng)。它除了能較好的完成加工要求外, 對(duì)于學(xué)生理解和掌握刀庫的結(jié)構(gòu)及控制原理發(fā)揮了較好的作用。