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CK6140数控车床设计 --刀架与床身设计
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一、前言在除大型零件的加工，世界各工业国均已用CNC数控车床取代了大部分用于小批单件生产的普通车床，并部分取代了大批量生产的专用机床。CNC数控车床更换程序方便，更换刀具快速，可以加工轴类、盘类零件，也可以加工棒料等。用于加工棒料时，配合自动化的棒料输送系统可大大提高自动化程度。数控车床配以刀具库控制系统，还可大大减少调整时间[1]。
&&& 数控车床电动刀架是根据微机数控系统改造传统机床设备的需要, 同时兼顾刀架在机床上能够独立控制的需要而设计的, 是产品加工的直接机构。简易数控车床电动刀架通常有立式和卧式两种,按转位功能又分四工位、六工位、八工位等刀架[2]。
二、主要内容
1.国外数控机床研究发展现状
1952年美国帕森斯公司和麻省工学院研制成功了世界上第一台数控机床起，几年后日本就研制成世界第一台数控车床，之后，数字控制技术就以惊人的速度向前发展。
1960年法国制造厂在汉诺威展览会上展出第一台NC机床。
1988年第一届日国际机床展览会上和1989年汉诺威第八届国际机床展览会上以及93北京国际展览会上皆展出了大量的车削中心，其特点之一是工序集中化，可以进行车削的后续加工[3]。
1992年美国的Marccbeni Citiger-Cincom公司在日本展出7轴控制CNC单主轴多刀纵切车削中心Swiss-stylc turmingcenter，其第7轴旋转刀具的Y轴进给，可以进行偏心钻孔和用一把铣刀进行不同宽度的平面铣削[4]。
到2009年，世界上加工精度最高的3台大型超精密机床分别是美国LLNL国家实验室生产的DTM-3型卧式大型光学金刚石车床、LODTM型立式大型光学金刚石车床和英国Cranfield公司研制成功的OAGM-2500型超精密机床[5]。
2.国内数控机床研究发展现状
我国数控机床及技术也起步于1958年，近50 年的发展历程大致可分为如下阶段：第一阶段从1958 年到1979 年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件，我国机床车体设计实力差、各种机、电、液、气配套基础元部件、数控系统不过关，工作不可靠，故障频繁，且由于发展数控机床整个方针、政策、方法、步骤、措施错误，形成一哄而上，又一哄而下，二起二落。到1979年为止，我国数控机床无法正式生产，也无法在生产中正式使用。在20余年间，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。存在的主要问题包括：缺乏象日本“机电法”、“机信法”那样的指引；严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；元部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力[6]。
在20世纪90年代，只花了10多年的时间，数控机床正在成为我国装备市场的主流产品。中国数控机床的发展，呈现以下几个鲜明的特色：
1.数控机床的发展符合世界机床技术发展的潮流。
2.高档国产数控机床的研发进入了一个新阶段。
3.国产数控机床的市场占有率在不断提高。
4.国产数控机床出口额在不断攀升。
5.国产数控机床的配套能力在逐i增强，国产高档数控系统的推广应用。
6.与发达国家相比仍有一定差距，机床工具行业一定要头脑清醒，要有一种忧患意识[7]。
&&& 2004年、2005年, 为汽车行业提供的数控机床已占辽宁省数控机床总销量的50%。价值几十万的中档数控机床仅在2003年就为长春某集团提供了150多台引人关注的一点是, 在大型落地镗铣床、车铣复合加工中心及卧式车削加工中心等产品上已迅速实现产业化, 科技攻关项目实现产值已达几亿元[8]。
3.国内外刀架的研究现状与发展
圆柱销定位刀架结构是一种老结构，国内外至今还有厂家生产。
&&& 特点：
1、在方刀架上，采用4个斜形槽于底面，定位销插入一个槽内定位，手推方刀架转位，结构简单成本低;
2、确定刀具转动位置，可任意改变不同角度，操作随意。
&&& 缺点：
1、采用定位销定位，接触性能和定位精度差，每当改变刀架一次转位，对加工同一尺寸的工件，都必须重复测量，定位精度0.05~0.08mm。辅助工时增加，影响生产效率。
锥度插销定位刀架结构是我国80年代车床行业联合设计的―种曲形结构，有不少厂家生产。
&&& 特点：
1、刀架转位可实现操作联动，只需一只手操纵手柄，使端面爪和下端面转动的同时，提起锥度插销，则方刀架1转动某个刀位， 由钢球粗定位，随后锥度插销重新落人定位孔中精定位，然后再转动手柄锁紧或松开，不需两只手同时忙碌，操作方使，提高生产率;
2、由于锥度插销定位，接触无问隙，当改变方刀架转位后，重复定位精度（0.03~0.06mm)比圆柱销定位刀架高。
&&& 缺点：
1、当刀具转位后，手柄位置常不能复原位，故障多，结构比较复杂，装、拆、修不方便;
2、当刀架式转位后，加工同一零件同一尺寸工序时，尺寸一致性难以保证，重复定位精度不够高。必须每件测量，辅助工时增多。
端齿盘定位刀架结构除数控刀架外，普通车床上应用的较少。
&&& 特点：
1、方刀架转位，可以操作联动，只需一只手操纵手柄，使上端面爪略有移动，则方刀架在弹簧的作用下浮起，并与下齿盘脱开，同时端面爪进入上端面爪槽内，继续拨动手柄，则心轴连同方刀架一起转动实现转位，当改变手柄旋转方向后，在端面爪斜面的作用下压紧和松开，操作皆为联动，轻松方便;
2、采用端齿盘定位，齿盘接合力大，接触面越用越精确，刀架转位重复定位精度高，达0.005~0.01mm，满足H7精度孔的加工;
3、结构比锥度插销简单，无故障，定位零件寿命高，加工精度好。
&&& 缺点：由于采用端齿盘定位，圆周上不可能分为360齿，因此，当刀具需要转过某一特定角度时，难以满足。
从以上3种刀架结构的优缺点分析，各有其长处及不足，从实际应用来说，端齿盘定位刀架结构，刀架转位后重复定位精度高，对批量生产零件镗孔不用测量，只要细心掌握进给刻度盘值就不会出废品[9]。
TFD通用液压仿形刀架（下称TFD）是内蒙古工学院液压技术研究所同内蒙古黄河机械厂在机械电子部机床工具司和北京自动化研究所的支持下研制开发的。1987年TFD曾获省优新产品奖， l988年获省科技进步奖。现已批量生产，深受国内外用户的好评[10]。
数控转塔刀架是加工中心、数控车床必备的机床附件，尤其适宜全功能数控车床。当前，数控机床发展迅猛，一方面向高速、高效、高精度方面发展；同时，在制造行业中广泛存在原有设备的数控改造和系统升级问题。作为关键附件，高性能的数控转塔刀架对于提高机床整体运行的可靠性、稳定性和效率有着重要意义，数控转塔刀架是由数控系统来控制的[11]。
4.数控刀架的发展方向
从有关方面获悉，国产数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，预计近几年对数控刀架需求量将大大增加。
数控刀架今后的发展趋势是：随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展[12]。
5.数控机床的刀架问题
1 刀架不能启动
机械方面的原因
a. 刀架预紧力过大。当用六角扳手插入蜗杆端部旋转时不易转动，而用力时，可以转动，但下次夹紧后刀架仍不能启动。此种现象出现，可确定刀架不能启动的原因是预紧力过大，可通过调小刀架电机夹紧电流排除之。
b. 刀架内部机械卡死。当从蜗杆端部转动蜗杆时，顺时针方向转不动，其原因是机械卡死。首先，检查夹紧装置反靠定位销是否在反靠棘轮槽内，若在，则需将反靠棘轮与螺杆连接销孔回转一个角度重新打孔连接；其次，检查主轴螺母是否锁死，如螺母锁死，应重新调整；再次，由于润滑不良造成旋转件研死，此时，应拆开，观察实际情况，加以润滑处理。
电器方面的原因
a. 电源不通、电机不转。检查溶芯是否完好、电源开关是否良好接通、开关位置是否正确。当用万用表测量电容时，电压值是否在规定范围内，可通过更换保险、调整开关位置、使接通部位接触良好等相应措施来排除。除此以外，电源不通的原因还可考虑刀架至控制器断线、刀架内部断线、电刷式霍尔元件位置变化导致不能正常通断等情况。
b. 电源通，电机反转，可确定为电机相序接反。通过检查线路，变换相序排除之。
c. 手动换刀正常、机控不换刀，应重点检查微机与刀架控制器引线、微机I/O接口及刀架到位回答信号。
2 刀架连续运转、到位不停
由于刀架能够连续运转，所以，机械方面出现故障的可能性较小，主要从电气方面检查：检查刀架到位信号是否发出，若没有到位信号，则是发讯盘故障。可检查：发讯盘弹性触头是否磨坏、发讯盘地线是否断路或接触不良或漏接。此时需要更换弹性片触头或重修，针对其线路中的继电器接触情况、到位开关接触情况、线路连接情况相应地进行线路故障排除。当仅出现某号刀不能定位时，则是由于该号刀位线断路所至。
3 刀架越位过冲或转不到位
刀架越位过冲故障的机械原因可能性较大。主要是后靠装置不起征作用。首先检查后靠定位销是否灵活，弹簧是否疲劳。此时应修复定位销使其灵活或更换弹簧。其次，检查后靠棘轮与蜗杆连接是否断开，若断开，需更换连接销。若仍出现过冲现象，则可能是由于刀具太长过重，应更换弹性模量稍大的定位销弹簧。
出现刀架运转不到位(有时中途位置突然停留)，主要是由于发讯盘触点与弹性片触点错位，即刀位信号胶木盘位置固定偏移所至。此时，应重新调整发讯盘与弹性片触头位置并固定牢靠。若仍不能排除故障，则可能是发讯盘夹紧螺母松动，造成位置移动。
4 刀架不能正常夹紧
出现该故障时，首先检查夹紧开关位置是否固定不当，并调整至正常位置；其次，用万用表检查其相应线路继电器是否能正常工作，触点接触是否可靠。若仍不能排除，则应考虑刀架内部机械配合是否松动。有时会出现由于内齿盘上有碎屑造成夹紧不牢而使定位不准，此时，应调整其机械装配并清洁内齿盘。
5 其它故障现象
除以上故障外，有时还出现：无法机控选刀、夹紧后无回答信号、启动或松开手控按纽刀架返原来位置等故障现象。出现这些故障的主要原因是电路中继电器接触不良、胶木盘位置不正、电源相序不对所致，可分别读其加以调整、修复，使故障排除[13]。
数控机床的发展方向分为两种，一种是经济型数控机床，以节省成本，结构简单为主；另一种是实用型数控机床，以满足于各种零件工加。
四、参考文献
[1]& 林元仁．现代车床的发展趋势[R]．上海市机电局情报所，1996.2．
[2]& 史云霞．数控车床电动刀架维修[J]．装备制造技术，2008，(4) ：98-99
[3]& 钱德培．国外数控车床的发展趋势和我国的对策建议[J]．情报调研，：21-25．
[4]& 曹伟．我国数控机床的发展现状与对策[J]．科技创新，：150-151．
[5]& 杨桂霞，梁鑫.国内外超精密加工技术与机床的发展状况[J].专题策划视&&
&&&& 点,-11．
[6] 《WMEM》编辑部．姹紫嫣红满园春[J]．Review of CIMT )：48-51．
[7]& 沈波．浅论国产数控机床的发展方向[R]．信息产业，：115-116．
[8]& 范之鹏.论数控机床的发展[R].沈阳蓝英工业自动化装备有限公司,2008.9．
[9]& 洪达.车床刀架结构的种类[R].南京第二机床厂,:22-23．
[10] 石万生.TFD仿形刀架结构特点及其应用[J].内蒙古工学院,- 24．
[11] 吉涛,刘乘.多工位转塔刀架的数控实现[J].陕西科技大学机电学院,-116．
[12] 数控刀架发展趋势[Z]./C//454309.html．
[13] 经济型数控车床自动回转刀架的故障分析及排除.
http://www.jichuang.net/Jc_v3/Jc_baike/& 64845.html
[14] Jerzy Jedrzejewski,Wojciech Kwasny.An approach to integrating intelligent diagnostics and supervision of machine& tools.-302．
[15] Chung Yeh,Flourish Chen.A knowledge database for NC machine operating codes.2006（30）：836-843．
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