刀具機上自動平衡系統(tǒng)

  隨著高速切削加工的不斷普及，刀具的平衡越來越成為一個關(guān)鍵的問題，它關(guān)系到加工的效率、運行的安全性和機床主軸的壽命。

現(xiàn)在常用的刀具平衡方法有：從結(jié)構(gòu)設(shè)計上避免不平衡；用鉆(銑)的方法在刀柄上去重；附加一個配重；設(shè)置徑向可調(diào)的平衡螺釘；還有通過轉(zhuǎn)動一對可調(diào)的平衡環(huán)來平衡刀具。所有這些方法都存在一個共同的問題，即必須與平衡儀配套使用，這就增加了購置設(shè)備的費用，需要相當(dāng)長的平衡時間；而且平衡的對象只局限于刀具和刀柄的組件，沒有考慮機床主軸存在的不平衡以及刀具裝入機床主軸時由于安裝的不同心引起的不平衡。

為了克服上述平衡方法存在的問題，必須提出新的平衡概念并開發(fā)新的平衡方法。為此，Kennametal Hertel公司推出了一種整體自動平衡系統(tǒng)，即用電磁技術(shù)把切削刀具與機床主軸作為整體進(jìn)行自動平衡(稱為整體自動平衡系統(tǒng) TABS-Total Automatic Balancing System。它能實現(xiàn)刀具在裝入機床主軸后，與主軸一起在機床上自動進(jìn)行平衡。平衡時刀具與主軸一起以工作的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，整個平衡過程不超過2秒。這種機上平衡方法實現(xiàn)了包括由刀具、刀柄和機床主軸組成的整個旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的平衡。

圖1 整體自動平衡系統(tǒng) TABS

這種平衡方法只要在現(xiàn)有的機床上配置kennametal/Baadyne電磁平衡系統(tǒng)，并采用Kennametal Hertel公司的電磁平衡刀柄就可實現(xiàn)整個旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的平衡。

系統(tǒng)的原理和構(gòu)成

工作時，兩個測量振動的傳感器安裝在機床主軸的外殼上，測量機床主軸在兩個平面上的振動�？刂破魈幚韥碜灾鬏S外殼上振動傳感器和來自刀柄上平衡環(huán)位置的信號，借助這三個信號，控制器能測出主軸的轉(zhuǎn)速，相位角和平衡環(huán)的位置，并將它們的值顯示出來。

圖2 平衡系統(tǒng)原理

為了減少振動，控制器首先執(zhí)行一個自動平衡程序：用一個允許的額定值去比較從機床主軸上測得的振動值，然后，控制器發(fā)出傳輸能量的脈沖信號，幫助調(diào)平衡的轉(zhuǎn)子(平衡環(huán))轉(zhuǎn)動到經(jīng)控制器計算后的位置；最后通過反復(fù)的測量、比較與調(diào)整，逐漸逼近并最終達(dá)到允許的額定值。

刀柄上可轉(zhuǎn)動的平衡環(huán)是兩個配重的轉(zhuǎn)子，改變兩者的相對位置可使整個不平衡得到校正。通常狀態(tài)下這兩個轉(zhuǎn)子由永久磁鐵保持在某一位置上，既使非常大的轉(zhuǎn)速變化或劇烈振動也不能改變它們的位置，只有在相應(yīng)的程序指令下才改變其位置。

在這個系統(tǒng)里還有一個調(diào)節(jié)架，內(nèi)部裝有與刀柄平衡環(huán)位置相對應(yīng)的線圈環(huán)，相當(dāng)于定子。使用時，它被裝在機床工作臺上，處于機床主軸行程可達(dá)到的范圍內(nèi)，但又不妨礙加工過程和換刀。

平衡過程

為了達(dá)到平衡，裝有平衡環(huán)的刀柄(具)進(jìn)入調(diào)節(jié)架里，控制器進(jìn)行主軸的轉(zhuǎn)速、相位角、平衡環(huán)初始位置的非接觸式測量。然后，控制器執(zhí)行一個自動平衡程序，計算刀柄上平衡環(huán)的位置。接著控制器發(fā)出傳輸能量的脈沖，從固定的調(diào)節(jié)架線圈上無接觸地把能量傳到配重的平衡環(huán)上，利用所產(chǎn)生的磁力改變兩平衡環(huán)的相對位置，達(dá)到平衡的效果。

平衡調(diào)整可在2秒內(nèi)完成，而主軸仍以工作速度旋轉(zhuǎn)著�？刂破髦貜�(fù)執(zhí)行測量和調(diào)整循環(huán)，直至達(dá)到所要控制的平衡值。

圖3 平衡過程圖

控制器通過標(biāo)準(zhǔn)的切削參數(shù)輸出/入口或RS232串行口與機床數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，借助在線識別和自適應(yīng)控制參數(shù)，能使機床主軸—刀具很快達(dá)到一個合理的平衡質(zhì)量�？刂破髂芡ㄟ^改變參數(shù)精確地設(shè)置系統(tǒng)的工作方式、門檻值和用戶的允許值。

控制器可以與控制加工的軟件同時應(yīng)用，實時顯示有關(guān)的數(shù)據(jù)和圖形，如主軸的轉(zhuǎn)速、振動的大小、配重的角位置、平衡修正向量、振動報警和故障信號。此外，該系統(tǒng)還具有用鼠標(biāo)控制平衡系統(tǒng)以及用手調(diào)節(jié)平衡重量的位置的功能。

實際效果

采用電磁方法平衡刀具和主軸實現(xiàn)了在機床上按轉(zhuǎn)速大小和主軸——刀具的重量，以0.4～1的級差進(jìn)行等級為G的平衡調(diào)節(jié)。這個平衡方法由于減少了高速下刀具的不平衡量，從而提高了加工的精度及表面質(zhì)量，延長了刀具壽命和保持了機床主軸的精度，它與現(xiàn)有的平衡方法相比是一個創(chuàng)新。