数控铣床气动换刀装置的改进与维护.pdf

2 0 1 0年 8月 第3 8 卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE TOOL＆ HYDRAUL I ES Au g ．2 01 0 V0 1 ． 3 8 No ． 1 6 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 6 ． 0 4 2 数控铣床气动换刀装置的改进与维护 路 大勇 沧州职业技术学院机电系，河北沧州0 6 1 0 0 1 摘要分析X K 7 1 4 G立式数控铣床气动换刀装置典型故障的成因，提出相应的解决措施和维护要点。 关键词 增 压缸 ；背压 ；维护 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 l 6 1 0 6 1 气动换刀装置是 数控铣床及加工 中心 的重要部件 ，担负着 卸刀 和装 刀 的任 务。 图 1所示 为 X K 7 1 4 G 立式数控铣床 气动换 刀装置的原理图。卸 刀时 ，l Y A通 电，压 缩空气经换向阀 1 左 位 进 入 增 压 缸 2上 腔 ，气缸和液缸下腔 图 1 气动原理 图 的空气经换向阀 1 左位排出，液缸下行压下行程开关 5后 ，1 Y A断电 ，换 向阀回中位 ，增 压缸下 位停 止 ， 液缸活塞增力下行时，活塞杆将拉杆6下压并压缩蝶 形弹簧 7 ，拉杆下端 的刀具被顶出，主轴 内孔吹气 吹气管线 未画 出 。装刀 时 ，2 Y A通 电 ，压缩空 气 经换 向阀 1 右位进入气缸和液缸 的下腔 ，气缸上腔的 空气经换 向阀 1 右位排 出，液缸上 行压下行程开关 4 后 ，2 Y A断电，换向阀回中位 ，增压缸上位停 止，拉 杆在蝶形弹簧的作用下上移 ，其下端的卡爪将刀柄拉 紧于主轴孔内。换刀装置能否稳定 、高效 的工作 ，对 生产安全和加工效率都至关重要 。 1 故障现象及原因分析 卸刀动作缓慢 ，甚至 出现 了 “ 卸 不下 、装 不上” 的故障。 气液增压缸和直动式气缸相比，其径向尺寸小， 动作平稳，具有减速、增力的功能。排除此客观原因 造成 的液缸活塞下行较慢 外 ，通过实地观察发现 ，动 力源气压正常 0 ． 5～ 0 ． 7 M P a ，而该机 床的三位五 通换向阀安装于机床下侧的操作箱内，增压缸位于机 床顶端 ，之 间采用 8尼龙 管连 接 ，长度 5 m左 右 ， 管线多次弯转，造成卸刀时背压较大，使增压缸下行 缓慢。卸刀过程中蝶形弹簧逐渐被压缩，增压缸负载 逐渐增大，检查行程开关 5 ，安装位置正常，“ 卸不 下”的主要原因是增压缸油杯的油量偏少，使液缸 内有空气进入，增压缸推力不足，液缸活塞下行不到 位。装刀的动力由蝶形弹簧提供 ，检查发现弹簧状态 正常，而上刀卡爪及主轴内孔、刀柄有锈迹，判断 “ 装不上”的主要原因为卡爪张开不到位 ，刀柄与主 轴 内孔接触 不 良，而 前者也是 “ 卸 不下 ” 的原 因之 一 。生锈的主要原因，是由于主轴吹气清洁时带入了 水分。 2 解决措施 将三位五通换 向阀移至机 床顶端 的增 压缸一侧 ， 连接原理不变，但缩短了阀、缸之间的管线长度，减 少 了背压。 将油杯内注入规定的液压油 上限为其容量的 4 ／ 5 ，采用手 动方式 反复进 行换刀 动作 无 刀具状 态进行 ，直至油杯内没有气泡溢出。 对卡爪、主轴内孔、刀柄等进行除锈清洁，机床 外加装单独的油水分 离装置 ，每次开机前进行排水操 作 ，适 当调整油雾 器的滴油量 。 对机床进行 了上述改进和维护后 ，运行显示 ，卸 刀速度明显加快，动作完成正常。 3结束语 气动装置故障的排查应遵循由简到繁的原则 ，往 往一个较小的改进或调整，就可使故障得以排除。此 外 ，气动装置的维 护工作至关重要，比如此例 中，由 于增压缸的油杯安装于机床顶部，又有外壳的遮挡， 外部不易观察 ，很容易被忽视。有的数控机床为了加 快增压缸的下行速度，在其下腔出口处安装了快速排 气阀，笔者认为，这样虽能起到降低背压的作用，但 由于快速排 气 阀在 失压 的状态 下 ，其 A 口与排 气 口 相通 ，对 于立式数控铣床 而言，液缸活塞在 自重作用 下，可能会出现缓慢下移 ，加之活塞杆端部与拉杆端 下转第7 7页 收稿 日期 2 0 0 9 0 8 2 8 作者简介路大勇 1 9 6 5 一 ，男，副教 授，主要从 事数控机床 编程、操 作、维 修方面 的教学和科研 工作。电话 1 3 1 91 9 9 1 0 0 6， E ma i l 1 u 3 0 5 1 6 3 ． C O rn。 第 1 6期 常瑞 丽 等 基 于 L M 6 2 8的运动控制器的研究与开发 7 7 c 编写 。下位机控制 软件 主要 包括 单 片机初 始化 、 基于 L M 6 2 8的初始化 、伺服控制 、状态检测 、中断处 理 、串口通讯 以及 实时 性要 求较 高 的中断 服务 程序。 在 K e i l C 5 1 环 境下 ， 利用 P H I L I P S公 司的 P 8 9 V 5 1 R D 2 单片机做软仿真 ，可 以方便地 调试 程序。P 8 9 V 5 1 R D 2 带有 自调试功能 S o fl l C E ，可以在 K e i l V i s i o n 2编程 环境下用 K e i l M o n i t o r 一 5 1 D r i v e r 直接调试程序 ，利用 其软仿真功能，可以方便地将程序装到控制器系统板 上 ，利用单片机的串口与 P C机进行通讯 ，实现程序的 实时在线仿真。这种方 法 占用 了串 口，当要调试 串 口 以及 向 P C机传送数据时 ，利用 P 8 9 V 5 R D 2或 P 8 9 C 6 6 8 的在系统编程 I S P功能，将程序装载到单片机的存储 器中。 2系统 P I D参数的整定 P I D控制 以其 算法 简单 、鲁 棒性 好 和可 靠性 高 ， 被广 泛应用在工业控制 中。由于计算机控制是一种采 样控制 ，它 只能根据采样 时刻 的偏差 值计 算控制量 。 该系统采用 的运动控制专用芯片 L M 6 2 8具有数字 P I D 功能 ，用户只需编程输入 P I D参数 ，L M 6 2 8内部硬 件 就能完成 P I D运算 。P I D的实质是根据给定 值 r t 与 实际输出值 c t 形成控制偏差 e t r t 一 C t ，将 偏差的比例 P ，积分 I 和微分 D通过线 性 组合构成 控制量 ，通过这一控制量对被控对象进行控 制。 该 运动 控 制 器 的 P I D算 法 由 L M6 2 8完 成 ，实 验 时 只需通 过 单 片 机 向 L M6 2 8发 送 P I D 参数 ，观 察 电机 的 运 行 状 况 ，分 析 系 统 的 性 能 。 当 系 统 第 一 次连 接 时 ，可 能 循 环 相 位 不 正 确 ，很 容 易 引 起 强烈 的振 动 。较 有 效 的 办 法 是 在 开 始 时 选 择 较 小 的比例增益值 ，如选 K 1 ，这样可给电机一个较 低 的驱动 ，如 果 在 如 此 小 的 值 时 系统 仍 振 动 ， 则 电机需 要 反 向 连 接 。随 后 逐 渐 增 大 K 至 2 0观 察控制系统基本工作状况 。使 电机 回到起始位置 ， K 。 值 保持 为 0 ，直 到 轨 迹 值 被 输 入 并 且 位 移 开 始 执行。如果在 K 。 2 0时系统发生振动或 出现不能 接受的抖动 ，则减小 K 值直至振动停止。低的速 度 和加 速度 值 现 在 可 以被 输 入 大 约 为 1 0 0个 计 数 ，位 置移 动 为 1 0 0 0个 脉 冲数 ，其 中所 有 的值 均为 十进 制 。在此 期 间 尝 试 不 同的 速 度 和 加 速 度 值 ，可以了解系统极限情况 ；利用 报告指令读 出 电机期 望 位 置 和 实 际位 置 ，得 到 其 差 值 ， 即跟 踪 误 差 ，确定 电机 的受 限 程 度 。 由于 控 制 系 统 参 数 整定 比较 复杂 ，可 以通 过多 次尝 试得 到 较好 的 P I D 参 数 。 3 4轴扩展电路 数控加工中最简单的工作 台运行 为 、l ， 两个 垂直方 向。工业 用 自动 导航 小车 的运 动也 多 为两个 方 向的控制 。该控 制器 硬件设 计 了两 轴 的 电机 控制 电路 ，完全满足这 种要求 。但 对 于 较复 杂 的数 控加 工，轴数逐渐增多 ，另外现代生产对工业机器人 自 由度的要求也越来越高 ，两轴的运动控制已不能满 足要求。为了使该控制器能达到 4轴 控制 的要求 ， 作者 设计 了一 2 6针 的 双排 座 作 为 扩展 口，分 别 引 出了 P 0口的 8根线 、译码 选 择线 、单片 机读 写线 、 复位线 、L M6 2 8工 作 脉 冲 等 ，以便 扩 展 至 3 、4轴 所用 。扩展 板上 只需 2个 L M 6 2 8控制伺 服驱 动器单 元、译码电路单元 ，再对软件程序加 以完善，就可 以实现 4轴 运动控制 。 4结论 作者设计的控制器分别用 2片 L M 6 2 8设计 了2 个轴的运动控制电路，同时预留了扩展 口，可以很方 便地扩展成 4 个 轴的运 动控制器 。L M 6 2 8的数字滤波 器和轨迹参数寄存器都采用了双缓 冲器结构 ，软件编 程很容易实现多轴同步运动控制 ，如若将各个轴的滤 波系数 和轨迹参数分别装入各 自的初级寄存器 ，再对 各个轴 同时发 出 U D F和 s 1 T r 命 令 ，这些 轴就 同时开 始按给定 的参 数 运动 ，也 即 实现 了多 轴 同步运 动控 制 。 参考文献 【 1 】秦磊． 一种通用型智能运动控制单元的开发研究[ D] ． 哈尔滨 哈尔滨理工大学， 2 0 0 3 ． 【 2 】冯国楠． 现代伺服系统的分析与设计[ M] ． 北京 机械工 业出版社 ， 2 0 0 0 ． 【 3 】L M 6 2 8 P r e s i t i o n Mo t i o n C o n t r o l l e r [ M] ． 2 0 0 3 ． 【 4 】K o r e n Y o r a m． C o m p u t e r C o n t r o l o f Ma n u f a c t u r i n g S y s t e m s K o r e n [ M] ． N e w Y o r k Mc G r a w ． H i l l ， I n c ． ， 1 9 8 3 1 6 9一 l 91． 【 5 】王晓明． 电动机的单片机控制[ M] ． 北京 北京航空航天 大学 ， 2 0 0 2 ． 上接 第 1 0 6页 部距离较小 3～ 5 m m ，长 时 间静置会 造成 二者 的 接触 ，虽不至于造成掉刀 ，但 当拉杆随主轴部件 高速 旋转 时 ，可能导致二者 的熔接故障 。 参考文献 【 1 】李鄂民． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 02． 【 2 】范振武， 计云田． 液压传动及其修理[ M] ． 北京 建筑工 业出版社 ， 1 9 8 8 ．