刀具機(jī)上自動(dòng)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(gè)關(guān)鍵的問題，它關(guān)系到加工的效率、運(yùn)行的安全性和機(jī)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(jì)上避免不平衡；用鉆(銑)的方法在刀柄上去重；附加一個(gè)配重；設(shè)置徑向可調(diào)的平衡螺釘；還有通過轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)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(fèi)用，需要相當(dāng)長的平衡時(shí)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(jī)床主軸存在的不平衡以及刀具裝入機(jī)床主軸時(shí)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(dòng)平衡系統(tǒng)，即用電磁技術(shù)把切削刀具與機(jī)床主軸作為整體進(jìn)行自動(dòng)平衡(稱為整體自動(dòng)平衡系統(tǒng) TABS-Total Automatic Balancing System。它能實(shí)現(xiàn)刀具在裝入機(jī)床主軸后，與主軸一起在機(jī)床上自動(dòng)進(jìn)行平衡。平衡時(shí)刀具與主軸一起以工作的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，整個(gè)平衡過程不超過2秒。這種機(jī)上平衡方法實(shí)現(xiàn)了包括由刀具、刀柄和機(jī)床主軸組成的整個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的平衡。

圖1 整體自動(dòng)平衡系統(tǒng) TABS

這種平衡方法只要在現(xiàn)有的機(jī)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(shí)現(xiàn)整個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的平衡。

系統(tǒng)的原理和構(gòu)成

工作時(shí)，兩個(gè)測量振動(dòng)的傳感器安裝在機(jī)床主軸的外殼上，測量機(jī)床主軸在兩個(gè)平面上的振動(dòng)�？刂破魈幚韥碜灾鬏S外殼上振動(dòng)傳感器和來自刀柄上平衡環(huán)位置的信號(hào)，借助這三個(gè)信號(hào)，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(dòng)，控制器首先執(zhí)行一個(gè)自動(dòng)平衡程序：用一個(gè)允許的額定值去比較從機(jī)床主軸上測得的振動(dòng)值，然后，控制器發(fā)出傳輸能量的脈沖信號(hào)，幫助調(diào)平衡的轉(zhuǎn)子(平衡環(huán))轉(zhuǎn)動(dòng)到經(jīng)控制器計(jì)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(dòng)的平衡環(huán)是兩個(gè)配重的轉(zhuǎn)子，改變兩者的相對位置可使整個(gè)不平衡得到校正。通常狀態(tài)下這兩個(gè)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(dòng)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(gè)系統(tǒng)里還有一個(gè)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(shí)，它被裝在機(jī)床工作臺(tái)上，處于機(jī)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(gè)自動(dòng)平衡程序，計(jì)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(jī)床數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，借助在線識(shí)別和自適應(yīng)控制參數(shù)，能使機(jī)床主軸—刀具很快達(dá)到一個(gè)合理的平衡質(zhì)量。控制器能通過改變參數(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(shí)應(yīng)用，實(shí)時(shí)顯示有關(guān)的數(shù)據(jù)和圖形，如主軸的轉(zhuǎn)速、振動(dòng)的大小、配重的角位置、平衡修正向量、振動(dòng)報(bào)警和故障信號(hào)。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(shí)際效果

采用電磁方法平衡刀具和主軸實(shí)現(xiàn)了在機(jī)床上按轉(zhuǎn)速大小和主軸——刀具的重量，以0.4～1的級(jí)差進(jìn)行等級(jí)為G的平衡調(diào)節(jié)。這個(gè)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(jī)床主軸的精度，它與現(xiàn)有的平衡方法相比是一個(gè)創(chuàng)新。