数控铣床刀库改装装置
2023-10-17 来源： 浙江交通技师学院 作者：傅 凯
摘要：随着我们对加工工艺的深入了解，加工中心起到重要的作用。设备改造、产品创新设计、生产工艺改进等都是需要突破的难点。数控铣床的自动化换刀就是众多项目中的一个。我们通过分析企业需求，制定设备改造方案，完成自动换刀装置支架的设计和制造、刀库系统的设计、刀库的安装及位置调整、系统调试及运行等任务，最终完成对数控铣床的自动化改造，将机械手自动换刀代替以前的人工手动换刀，使生产提高了效率，降低了成本。作为技师研修的内容，我们通过参与项目，学习巩固了专业知识，并运用到实际当中。
关键词：数控铣床；自动换刀装置；改造
1、刀库类型的确定
自动换刀装置有斗笠式刀库，圆盘式刀库，链式刀库等类型。这部分内容是《机床与数控机床》的专业知识，查阅资料，根据需求进行分析，确定刀库的使用参数，选用合适的刀库。当前设备数控铣床，所加工产品的刀具在 20 把以内，通过分析每种刀库的特点和企业需求，确定了自动换刀装置选用圆盘式刀库，刀具容量24 把以及刀库的参数指标。
2、支架的设计
支架和是连接刀库机床的连接件，支架的设计使用到《机械CAD/CAM》以及《机械基础》专业知识，通过测量机床和刀库尺寸以及刀库的重量，对支架进行结构设计，运用 CAD 软件实体进行造型仿真，优化支架结构，完成支架的图纸设计。
图 1 刀库安装位置仿真图
支架的机加工部分由我们加工完成，包括平面铣削、槽铣削、键的加工。这部分专业知识在《机加工实训》《数控加工实训》中学习到。
图 2 支架设计图
3、刀库安装
利用龙门架将支架吊装至主轴立柱的预留安装位置；将立柱与支架的安装面清理干净，保证配合面安装准确；将支架的定位键插入立柱键槽；移动支架使其与立柱通过定位键准确定位；用紧固螺栓将支架固定在立柱上；在立柱上安装用于调整支架位置的螺栓部件。
利用龙门架将自动换刀装置吊装至机床附近，并拆除自动换刀装置的支承附件；将自动换刀装置吊装至支架位置，调整自动换刀装置并用螺栓将其固定在支架上。连接信号线、动力线、接通气路。
4、系统的设计
系统的设计是一项综合性很强的任务，在这个任务运用《电工与电子技术》《机床电控与 PLC》的专业知识。
（1）电气系统设计。自动换刀装置分度电机和刀臂电机的控制的强电部分设计。M2、M6 分别为自动换刀装置分度电机和刀臂电机。KM02 和 KM03 分别为自动换刀装置正、反转控制接触器，正反电机之间互锁。KM06 为刀臂电机接触器，由于刀臂电机只做一个方向的运转，刀臂顺逆旋转靠内部机械结构转换，故换刀动作只有一个接触器。QF03、QF06 为空气断路器，当过载时切断电路，保证安全运行。ZM02、ZM06 为吸收电路，用于改进电动机在开通和关断时所承受的电压和电流波形。
图 3 电气原理图
（2）接触器电路的设计。该部分主要是实现 PMC 的输出信号的变化接通或断开的控制，KA02、KA03、KA06 分别控制 KM02、KM03、KM06 线圈得电的物理中间继电器。
（3） 倒刀回刀动作的控制。分别由物理继电器 KA04、KA05控制 YV2、YV3 电磁阀。
5、机床调试
在与这部分任务用到了《数控机床维修》《数控原理与应用》的专业知识。在调试之前，设置系统参数，将 K 参数中 K3.3=1K5.5=1，实现单步换刀（M80-M86）。
（1）自动换刀装置位置调整。这部分内容自动换刀装置与主轴相对位置的确定十分重要，关系到换刀能否顺利完成。顺序执行 M80（刀套垂直）、M81（刀臂持刀）、M82（刀位松）、M83（换刀）、M84（刀位紧）、M85（刀臂原点）、M86（刀套水平）指令，使换刀臂处于换刀位置（M83），将一刀柄锥面均匀涂抹红丹油放置在刀臂上，用于调整自动换刀装置位置，这时调整支架上 X 向、Y 向微调螺钉用来调整自动换刀装置位置，同时在手轮模式下，Z 轴上下移动主轴，使主轴锥孔与刀柄锥面轻轻接触，观察主轴锥孔上红丹油的分布情况，直至红丹油均匀分布在主轴锥孔面上。锁紧支架螺钉，这样自动换刀装置的位置调整完毕。
图 4 接触器设计图
图 5 气动电磁阀电路图
（2）机床第二参考点设置（换刀点）。在调试之前，机床回机械原点，执行回零操作，一般机械原点高于换刀点。设置系统参数，将 K 参数中 K3.3=1 K5.5=1。输入 #1326 号系统参数 Z 50，#1851号参数 APC 置 1，重新开关机，#1851 号参数 APZ 置 1，再次重新开机，此时调整前的参数设置完毕。在手轮模式下移动 Z 轴，使主轴锥孔与刀柄轻微接触，Z 轴上移 0.3mm，将这一位置作为 Z 轴第二参考点即换刀点。将换刀点与机床原点 Z 向差值输入到#1241 号参数 Z 值，机床第二参考点即换刀点设置完毕。
（3）主轴定位的设置。数控机床为了完成 ATC 的动作过程，必须设置主轴准停机构。由于刀具装在主轴上，切削时切削转矩不可能仅靠锥孔的摩擦力来传递，因此在主轴前端设置一个突键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与突键对准，才能顺利换刀：为此，主轴必须准确停在某固定的角度上。由此可知主轴准停是实现 ATC 过程的重要环节。主轴准停的设定通过 #4031 号参数设置，保证主轴凸键与刀柄键槽对准。
（4）换刀操作验证。顺序执行 M80-M86 指令，单步完成换刀动作，检查换刀动作是否正确顺利。
（5）刷新自动换刀装置。通过 PMC 将刀座号与刀具号设为一致，即主轴为零号刀，一号刀位对应一号刀、二号刀位对应二号刀。
（6）参数复位。调试结束之后，要将参数复位，需要复位的参数有 #1320，#1326，K3.3，K5.5。
6、结束语
在这个项目中通过阅资料，根据企业需求进行分析，确定刀库的参数，选用了合适的刀库；通过测量机床和刀库尺寸以及刀库的重量，对支架进行结构设计，运用 CAD 软件实体进行造型仿真，优化支架结构，完成支架的图纸设计；参与了刀库系统的部分设计任务；完成了刀库位置的调整任务；能根据要求对机床参数进行设置。
在这个项目的实施过程中应用到了《机床与数控机床》、《机械 CAD/CAM》、《机械基础》、《机加工实训》、《数控加工实训》、《电工与电子技术》、《机床电控与 PLC》、《数控机床维修》、《数控原理与应用》等专业知识，一边学习一边应用，对知识点有了更深刻的
认识，在对刀库改装中起到了良好的效果。
数控铣床自动换刀装置改造项目的完成，同时也促进了企业之间的技术发展，推动了科研的步伐，为数控专业更好的学习理解专业知识提供了条件。提高了生产效率，节约了人力资源；改造后的机床能够承担工艺复杂、工序繁多和批量生产等零件的加工任务。通过测试，熟练操作工手动换刀一次平均时间为 19 秒，而自动换刀一次时间为 6 秒。对于多工序、多刀具的的产品生产可以大大提高生产效率，减少生产成本。
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