1 引言

       90 年代以来, 数控加工技术得到迅速的普及及发展, 数控加工中心在制造业得到了越来越广泛的应用。目前国内企业生产制造的加工中心主要是面向生产领域, 其结构复杂、精度高,封闭性强, 价格昂贵, 难于满足教学与培训需要。

       V 40 0 立式加工中心是我校新近研制的教学型立式加工中心, 整体布局采用开放式动柱T 型结构, 控制系统采用基于IPC 的模块化开放式数控系统, 系统界面友好, 具有较强的在线帮助。该加工中心控制功能丰富, 教学培训功能突出, 操作使用安全可靠性强。并具有一定切削加工能力。加工中心刀库是实现多工序连续加工的重要装置, 其结构设计及其控制实现是加工中心设计制造中的关键之一。这里以V4 0 立式加工中心为例, 根据教学型加工中心的特点要求, 探讨了刀库结构及其控制系统的设计方法。

       2 刀库的结构设计

       刀库结构设计依据的基本原则是: 根据教学型加工中心的设计要求, 该刀库设计注重功能完善, 开放式结构、操作使用安全可靠等特点。V 40 型加工中心刀库部分采用H CK 一U P 刀库的设计形式, 由主轴直接完成取刀动作。见图1 :其主要参数是: 刀库容量: 10 把; 最大刀具重量: 6K g , 最大刀具长度: 2 4 0 m m , 刀库转动速度: l 刀位/ 秒。

       2.1 刀库的驱动

       刀库由90 w 普通电机经减速后通过外啮合槽轮机构进行驱动, 该方式由于利用槽轮机构采用机械式分度定位, 可靠性较高。同时电气控制简单, 制造成本较低。为了减小槽轮机构运动时的冲击, 设计时采取如下措施: (l) 使槽轮的实际外圆半径Ra略大于槽轮名义外圆半径R , 即槽轮名义外圆半径R =, 实际外圆半径R a =, 以消除滚子开始进人槽时滚子与槽两侧顶端的间隙。(2) 减小和消除滚子和槽之间的间隙。(3 )适当调整支撑轴承的预紧力, 增加槽轮组件的回转负载, 增加回转阻尼

       2. 2 刀位的控制实现

       刀库上的刀位信号由两支开关联合发出, 在刀库的一号刀位上安装一只感应块, 在支架上安装相应检测开关(图中未表示出来), 机床开机后, 刀库自动回转寻找一号刀位, 刀库处于初始状态。其余刀位信号由安装在槽轮转臂上的感应块配合接近开关进行累计计数, 曲柄每回转一周即刀库转过一个刀位触发一次, 送出停止电机及启动刹车信号b 通过控制电机的旋转方向,实现刀库的双向选刀。

       2. 3 安全控制

       教学型加工中心设计突出的特征就是安全设计。由于学生与工厂操作技工在使用时在熟练程度的差异, 针对刀库部分特别加强了使用的安全控制。

       (l) 安全防撞设计: 刀库的刀臂本体与底座连接支架之间增加了一个转动轴, 操作使用时如有不当的左移或上提, 刀臂本体可以反时针转动一个角度, 刀臂本体与连接支架之间的行程开关断开, 产生不正确的动作信号, 控制系统及时停机。(2) 刀盘上10 对刀爪的转动销轴上, 增加了安全剪断槽的设计, 该销轴按承受刀具规格重量的4 倍设计, 意外动作时, 如必须发生结构型破坏, 应优先剪断销轴。

       3 刀库控制系统的实现

       v 40 o 教学型加工中心采用基于IPC 的模块化开放式数控系统, 系统界面友好, 具有较强的在线帮助, 安全性强。刀库控制系统的实现是通过开放式数控系统内置PMC 来完成。

       PMC 程序传统上一般采用梯形图编制, 而开放式数控系统则提供了功能更强、更灵活高效的C + + 语言供用户开发PM C 软件。

       整体PMC 软件设计采用模块化的结构设计思路. 程序中每一子模块都可以在N C 的人机接口PLc 参数设置栏中将其置为 “ 开” 、“关”状态, 以适应不同功能的加工中心需要。为了程序的通用性, 最大刀号在C NC 参数中设定, 程序将最短路径选刀处理为一般函数运算, 可适用于不同刀具数目的机床。

       自动换刀模块的软件框图如图所示, 整个换刀过程由10 步动作实现。1 )z 轴回换刀位; 2) 主轴准停; 3 )x 、Y 轴回换刀位; 4 )松刀吹气;5) 主轴抬起; 6) 计算最佳选刀路径; 7 )目标刀具旋转到位; 8) 主轴下移抓刀; 9) 主轴右移到完成位; 10 )解除主轴准停。

       4 结论

       教学型加工中心刀库结构及控制系统设计, 体现了教学型加工中心设计的原则。该系统在V4 0 加工中心上经过一年多的使用, 各项指标达到设计要求。刀库结构开放性好, 系统调整方便灵活, 成本低廉, 学生学习培训安全性强。它除了能较好的完成加工要求外, 对于学生理解和掌握刀库的结构及控制原理发挥了较好的作用。