数控车床刀塔改造与实施

数控车床刀塔改造与实施

【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，与静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