论西门子802s数控车床的刀架控制设计

西门子802S数控车床的刀架控制设计摘 要数控刀架是数控机床的重要组成部分。本课题研究了西门子802S数控车床刀架控制设计。分析了数控机床的基本组成、刀架控制系统的硬件组成和刀架PLC程序及机床的有关参数。本文中所做的主要工作如下：测绘西门子802S数控车床的电气原理图、接线图。对刀架的结构进行了深入的了解，清楚刀架上的传感器信号的输入输出，分析刀架的动作过程、顺序调试刀架控制的PLC程序。绘制了刀架的机械结构图和控制电路图。 关键词：西门子802S系统；刀架控制；PLC The Design of Turret Control System for Siemens 802S of CNC Machine Tools AbstractCNC turret CNC machine tools is an important part. The research of the Siemens 802S CNC lathe turret control design. Analysis of the basic components of NC machine tools, turret control system hardware and tool carrier PLC program and the machine parameters. In this paper, the major work done by the following: Survey and Mapping Siemens 802 S CNC lathes electrical schematics, wiring diagram. Holders of the structure of an in-depth understanding and clear turret on the sensor signals in the input-output analysis tool carrier moves the process, control the order of debugging Turret PLC program. Drawing the turret of mechanical and control structure of the circuit.Key words: SIEMENS 802S system; Turret Control; PLC 目录摘 要1第一章 绪论31.1课题的研究背景31.2课题的来源及意义41.3本课题的内容6第二章 西门子802S数控车床基本组成72.1 CNC系统72.2 主轴控制驱动系统92.3 进給控制驱动系统102.4 辅助装置122.5 输入输出PLC转接口132.6 机床本体13第三章 刀架控制系统硬件组成143.1刀架的有关概况143.1.1刀架的产生143.1.2刀架的分类143.1.3刀架的几种典型结构143.2 四工位刀架的组成163.2.1四工位刀架的机械结构173.2.2四工位刀架控制电路的组成19第四章 刀架PLC程序及有关参数设置214.1 刀架的PLC程序214.2 有关参数设置29第五章结论30参考文献31致谢32 第一章 绪论1.1课题的研究背景数字程序控制机床一般简称为数控机床。它是由数控装置或计算机进行控制的一种高效能自动化机床，它综合应用了自动控制技术、计算机技术、精密测量技术、液压气动等技术。并在机床结构等方面运用了最新技术。随着科学技术的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对机械零件的加工质量要求也越来越高；单件、小批生产的机械产品所占比重越来越大，特别是在造船、航空、航天、深潜以及国防工业的各个部门，加工批量少、精度要求高、形状复杂的零件很多。像这样的产品，如果采用一般的自动机床或组合机床和自动线来加工，就显得很不经济、不合理，一般机床又不能加工。数控机床就是在这样的条件下产生和发展起来的，它能有效地适应产品不断变化、多品种、小批量的自动化生产。 数控机床就是把加工所需要的各种操作，例如变速、松夹工件、进刀、退刀、开车与停车、冷却液的自动供给等等，以及刀具相对于工件之间的位移。采用数值数据的形式通过计算机的运算，并将输入的指令变为机床的各种操作，实现零件的自动加工。随着网络技术日益普遍运用，互联网进入车间只是时间问题，这将是数字化制造的主要标志。从另一角度来看，企业资源计划如果仅仅局限于业务管理部门(人、财、物、产、供、销)或设计开发等企业上层的信息化是远远不够的，车间最底层的加工设备数控机床不能够连成网络或信息化，就必然成为制造业信息化的制约瓶颈。所以，对于现代制造工厂来说，除了要提高机床的数控化率外，更要使所拥有的数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间的底层之间及底层与上层之间通信畅通无阻。西门子公司开发的新一代西门子（SINUMERIK）802S系统是一种专门为中国市场开发的经济型数控系统，具有低档的价格和中高档的性能的性价比较高的数控系统。西门子802S数控系统采用32位微处理器，集成式PLC，分离式小尺寸操作面板和机床控制面板，具有RS232通讯接口，利用计算机可进行软件的升级和加工程序的传输；通过增加扩展模块，可具有输入，输出（I/O）64点能力，能接受多路信号和控制多路负载；可控制23个步进电机进给轴和一个伺服主轴（或变频器）；具有启动次数少，安装调试简捷，图形及中英文菜单显示，操作编程简单方便，低速运行平稳等特点，具有稳定的可靠性以及优越的性能价格比。此系统相比较同类产品是同类产品中的佼佼者，它也会对我以后在工作中遇到同类产品同类问题有很大的帮助。西门子802S数控系统为工程技术人员提供了丰富的二次开发功能。机床制造厂家通过标准的S7语言进行PLC编程，来完成机床的逻辑控制。并通过参数的设置，就可以使机床运行达到最佳的效果，以及适应各种不同的配置的需要。西门子802S数控系统还有非常丰富的人机对话中文界面，用户所需要的操作可以在中文的菜单上找到，并按相应的按键以实现操作者的要求。802S丰富的中文界面可以使用户在几天之内就能掌握机床的操作，这样就可以节约了用户大量的学习和消化的时间。在操作编程的工作中，最为突出的是802S的所有报警文本均可以用中文来编写。在802S的编程指令系统中，除了具备新颖的参数编程和轮廓编程外，还具有实用的循环子程序，有了这些强有力的编辑功能，使西门子802S的编程十分方便和灵活。1.2课题的来源及意义数控刀架是数控机床的重要组成部分，在我国被命名为机床附件，在国外被定义为机床功能件。随着数控机床的飞速发展，机床设计已由传统的统筹设计发展到模块化设计，即按照机床的功能化分模块，因此这些功能部件的性能已成为整机性能的决定因素。数控刀架作为数控车床的动作执行部件，其基本结构包括：驱动装置、分度装置、预定位装置、松开、锁紧装置、精定位装置、发信装置、装刀装置。数控刀架的换刀动作如下：系统发出指令齿盘松开刀架旋转分度到达目标工位并发信号给系统齿盘锁紧精定位系统确认后进行切削。数控刀架分类。目前，行业上应用的数控刀架按照与主机配套场合主要有分为如下高、中、低三个档次。低档数控刀架主要有沈阳精诚数控生产的系列电动数控立式刀架，系列卧式刀架。该种刀架结构简单，容易设计、制造。采用三相力矩电机驱动，三联齿定位，矩形螺纹锁紧，配套在我国简易型数控车床，受我国数控机床发展的影响，是我国的特色产品，已经形成规模化生产。中档数控刀架主要有沈阳精诚数控生产的系列电动刀架、系列电动刀架、系列液压刀架。该档次刀架，可双向选刀，刚性好，但结构复杂，对制造加工设备要求高。此类刀架在我国初具规模，但国外产品对我国市场冲击较大。高档数控刀架包括伺服刀架和动力刀架。此类刀架，我国起步较晚，还处在研究阶段，但还没有形成商品化。数控刀架的发展。数控刀架作为功能性部件配套于机床主机，但它集机械、电气于一体，是典型的机电一体化产品，数控刀架的研究开发是机械、电气、电子、材料等多学科知识的综合。当今，数控伺服刀架、动力刀架等功能部件己成为衡量数控机床水平的重要标志。它们的价格也是构成数控机床整机价格的主要成分，粗略计算数控机床数控刀架等功能部件价格已占整机成本构成的左右。目前，我国的功能部件生产发展缓慢，品种少，产业化程度低，不能满足市场要求，不得不依赖进口。由于功能部件进口价格昂贵，造成数控机床整机价格不断上升，我国生产的数控机床几乎失去了竞争优势。市场显示，同等水平的数控机床，韩国的价格几乎与我国的价格持平，出现这一现象与我们主机厂大量从国外采购数控机床所需的功能部件有很大关系。我国机床工具行业的专家、学者、企业家都已看到了功能部件产业的巨大发展前景。许多企业也已瞄准了这个市场，通过引进技术、合作生产或自主开发，初步形成了一批功能部件专业生产厂家。当前国内高水平、高质量的数控机床和加工中心还不能完全满足国内市场需求，这和与之配套的高水平的功能部件发展滞后有关，有些功能部件性能上与国际著名厂家的产品还有一些差距。我国己加入世贸组织，境外功能部件产品对我国市场的冲击将更加厉害。可以说，没有高水平功能部件生产能力的大幅提高，将严重影响我国机床行业的快速发展。伺服刀架控制器是伺服刀架和动力刀架的技术核心。高档刀架采用伺服电机作驱动源，实现位置、速度的双闭环控制，具有结构简单，容易加工制造、维护、精度高，转位快等特点。我国各大机床主机厂均依靠进口此类产品与主机配套。很明显，伺服刀架的机械结构简单，而我国目前还没有针对数控刀架的专业伺服驱动系统产品，这大大的制约了我国高档刀架发展，是我国的伺服刀架的研制处于停滞状态，因此，伺服刀架的控制器即伺服刀架的伺服电机控制是高档数控刀架的关键技术。刀库包括刀套旋转机构及换刀机械手，刀库外形为圆盘形，内部装有一个分度盘。刀库的回转运动由带抱闸的三相异步电机作动力源。三相电源通过交流接触器提供给电动机，此时抱闸打开，刀库运转，切断三相电源则抱闸闭锁，刀库立刻停止运转。通过分度盘的运动及相关检测元件组的逻辑组合，可使每个刀套准确停在换刀位置。刀套停在换刀位置后，由气缸控制刀套处于水平或垂直状态，以方便机械手换刀。刀套分度台可以顺时针或逆时针方向旋转，从而可以在最短的时间内搜索到所要更换的刀具。刀库换刀机械手的运动同样是由带抱闸的三相异步电机作动力源，通过齿轮传动机构，把电机产生的匀速旋转运动转化为机械手的规律性前进、停止以及旋转运动。齿轮传动装置配有微动开关组。这个开关组包括3组微动凸轮和3个接近开关，每组微动凸轮上装有3个微动凸轮。该微动开关组用于控制机械手夹住刀具、机械手把刀具从主轴和刀套内取出、机械手处于原始位置等。该刀库的旋转刀套及机械手的减速传动机构内都内置了一个扭矩限制器，以防止内部机械结构损坏。通过这次的毕业设计，我将对西门子802S数控车床有个更深的认识，还有使自己各方面的能力都有所提高（自学能力、动手能力、语言表达能力、文字表达能力、解决实际问题的能力）。对西门子802S数控车床的认识，可以为我以后学习各类数控机床有个好的基础。同样刀架的PLC程序能应用和设计，再要应用和设计刀库的PLC程序就容易了。为今后从事本专业的工作运用打下基础，使自己能很快的融入社会。1.3本课题的内容（1）测绘西门子802S数控车床的电气原理图、接线图；在实验室里进行实物测绘，同时查阅其相关资料进行西门子802S数控车床的电气原理图、接线图的绘制。西门子802S数控系统有主轴、进给、ECU单元、冷却、润滑、刀架等辅助装置组成。（2）设计刀架控制系统；在原有西门子802S数控车床的刀架控制系统的基础上，对其系统进行深入的研究。（3）有关机床参数、四工位刀架结构； 在实验室里查阅有关机床的参数，以及四工位刀架的结构原理图。（4）有关PLC程序设计； 在原有西门子802S数控车床PLC程序的基础上，加以改进和完善。（5）撰写有关毕业设计说明书； 经过老师的指导，撰写和整理10000左右的文稿。本设计中重点和难点就是对西门子802S数控车床刀架控制设计和PLC程序的调试,需要对刀架的结构非常了解，清楚刀架上的传感器信号的输入输出。其研究途径可根据西门子802S数控车床中原有的PLC程序，了解刀架PLC程序的整个换刀过程，然后根据实际刀架的结构进行刀架PLC程序调试。此外需绘制西门子802S数控车床的电气原理图、接线图、设计刀架控制电路；有关机床的参数、四工位刀架结构等内容，都可以在实验室里进行实物测绘，参照设计。第二章 西门子802S数控车床基本组成西门子802S数控系统电气主要组成部分有，CNC系统（包括ECU）、主轴驱动控制系统、进给驱动控制系统（包括伺服驱动控制系统、步进驱动控制系统）、辅助装置（包括刀架控制系统、润滑、冷却控制系统）及PLC输入输出转接口,机械结构部分主要有，机床床身、导轨、工作台、刀架等。（其中刀架在第3章有具体介绍）2.1 CNC系统计算机数控系统（Computer Numerical Control）简称CNC系统，是一种用计算机通过执行其存储器内的程序来实现数控功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。数控机床在CNC系统的控制下，自动地按给定的加工程序加工出工件。所以计算机数控系统是一种计算机在内的数字控制系统。CNC系统是一种位置控制系统。其控制过程是根据输入的信息（加工程序），进行数据处理、插补运算、获得理想的运动轨迹信息，然后输出到执行部件，加工出所需要的工件。CNC系统的核心是CNC装置。由于采用了计算机，使CNC装置的性能提高，促使CNC系统迅速发展。CNC 装置的工作流程主要分为输入、译码、刀具补偿、进给速度处理、插补和位置控制。输入的任务是把加工程序、控制参数和补偿数据输入到 CNC 装置中去，输入的方法有纸带阅读机输入、键盘输入、磁带和磁盘输入以及通信方式输入。CNC 的工作方式一般有两种，一种是边输入边加工，即在前一个程序段在加工时，输入后一个程序段的内容；另一种是一次性的将整个工件加工程序输入到 CNC 装置的内部存储器中，加工时再把程序段从存储器中一个一个的调出来进行处理。 随着大规模集成电路技术和表面安装技术的发展，CNC 系统硬件块及安装方式不断改进。从 CNC 系统的总体安装结构看，有整体式结构和分体式结构两种。从CNC 系统使用的CPU及结构来分，CNC 系统的硬件结构一般分为单 CPU 和多CPU 结构两大类。初期的CNC 系统和现在的一些经济型 CNC 系统采用单 CPU 结构，而多 CPU 结构可以满足数控机床高进速度、高加工精度和许多复杂功能的要求，也适应于并入FMS 和 CIMS 运行的需要，从而得到了迅速的发展，它反映了当今数控系统的新水平。 CNC 装置中还有I/O 处理、显示及诊断功能。I/O处理主要用来对CNC装置与机床之间的强电信号处理。显示的主要任务是为操作者提供方便，有工件程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示以及运动轨迹的静态图形显示。诊断功能是现代 CNC 装置必备的，可以自动对系统进行诊断显示出故障出现范围。CNC数控系统的特点有灵活性、模块化、可靠性、易于实现多功能程序控制、使用维修方便、具有通信功能。在多微处理器中，有两个或两个以上的CPU构成处理部件。各处理部件之间通过一组公用地址和数据总线进行连接。每个 CPU 都可享用系统公用存储器或 I/O 接口，并分担一部分数控功能，从而将单微处理器的 CNC 装置中顺序完成的工作，转变为多微处理器并行、同时完成的工作，因而大大增强了整个系统的性能。多微处理器结构的 CNC 装置大都采用模块化结构，根据设备要求选用功能模块构成 CNC 系统。如果某个模块出了故障，其它模块仍能工作，可靠性高。由于硬件一般是通用的，容易配置，因此只要开发新的软件就可以构成不同的 CNC 装置，便于组织规模生产，能够成批量生产并保证质量。图2-1 西门子802S数控车床系统控制图2.2 主轴控制驱动系统西门子802S数控车床的主轴变频器采用日立式L100007HFE变频器配三相异步电机，变频器采用正弦波脉宽调制控制，额定容量 1.9KVA ,额定输入电压三相交流 380V ,额定输出电流 2.5A ,输出频率范围 0-650HZ ,适用电机容量 0.75KW 。三相异步电机采用普通三相异步电机，输入电压380V，额定电流2.0A，额定功率 0.75KW ，额定转速 1390r/m 。变频器特点：VVVF通用型变频（0.2KW-7.5KW）， 结构紧凑，体积小， ISPM专利技术，集成了驱动电机的功率器件和控制电路元件， 抗电磁干扰能力强 ，速度调节旋钮标准内置 ，电网电压自动稳压，保持输出稳定 ，瞬时失电重起动， CE；UL；c-UL；C-Tick & CSA 认证，V/F特性可选恒转矩，可手动或自动提升转矩， 电流过载能力强：150%，60秒， 电机热电阻输入（PTC-输入）， 内置PID功能 ，可预设16级多步速， 载波频率0.5HZ-16HZ，连续可调加减速过程中可分段改变加减速时间。变频器主要是用于主轴的变频调速。变频器通过电流的高低来控制主轴电机的转速，指令值模拟量作为差分信号输出。ECU一侧插主轴驱动接口，插座名称：X3 SPINDLE， 插座类型：9芯D型插座（针）。如表2-1表2-1座引脚分配X3引脚信号类型引脚信号类型12345SWRF.2VOK6789BSRF.1 VOK模拟驱动中：SW （指令值）；BS（ 指令值参考地（模拟量接地）；RF1,RF2 （使能触点），信号类型：V0， 电压输出：K 开关触点，信号：每个通道提供一个电压信号和一个使能信号。SW（指令值）：模拟量电压信号，10V范围，用于输出一个转速指令值；BS（参考地）：指令值信号的参考地（模拟量接地），内部与逻辑“地”相连。RF（使能）。对继电器触点，功率部件（比如SIMODRIVE驱动装置）通过这对触点获得使能。在循环运行方式时由ECU控制使能信号。主轴电机的正反转由KA2，KA3的常开触点的动作决定。RL1B，RL1C为变频器的故障输出，接入相应的输入输出点99，108。变频器的主要功能为改变电路的频率来实现电机的转速和正反转，其控制输入由CNC的X3输入。图2-2 变频器的电气原理图主轴电机的转速是由主速指令所给定的电压来确定的，设定的额定电压为10V。就是假设当额定转速为1500r/min时，主速电压10V时主轴电机的转速为1500转每分钟；而如果额定转速变为1500r/min时，主速电压为 5V 时，主轴电机的转速就是 750 r/min。2.3 进給控制驱动系统西门子802S数控车床的进给驱动控制系统主要包括伺服驱动系统和步进驱动系统伺服系统是 CNC 装置和机床的联系环节。 CNC 装置发出的控制信息，通过伺服驱动系统，转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分，它是以机械为运动的驱动设备,电动机为控制对象,以控制器为核心,以电力电子功率变换装置为执行机构,在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。它属于特殊电动机，也叫执行电机，在自动控制系统中,用作执行元件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服驱动系统的性能对数控机床的性能在很大程度上有决定性的作用，所以对伺服驱动系统的要求也比较高，主要有：（1）进给调速范围要宽。在各种数控机床中，用于加工用刀量、被加工材料及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳的切削条件，要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围；（2）位置精度高。数控机床在加工时免除了操作者的人为误差，它是按预定的程序自动进行加工的，不可能应付事先没有预料到的情况；（3）速度响应要快。即要求跟踪指令信号的响应要快，过度时间要快；（4）低速大转距。根据数控机床的加工特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时进给驱动要有大的转距输出。西门子802S数控车床采用的步进驱动器和步进电机,是细分型高性能步进驱动器，适合驱动中小型任何两相或四机混合式步进电机。电流控制采用先进的双极性等角度恒力矩技术，每秒两万次的斩波频率。在驱动器的侧边装有一排拨码开关组，可以用来选择细分精度，以及设置动态工作电流和表态工作电流。TYPE 110 BYG 550A-2 是混合式步进电机，步进电机步进角为0.36度/0.72度，静转矩6N*m ，额定相电流 1.3A 。步进电机为 X、Z 轴电机，用来控制 X、Z 轴的正向进给和反向进给，KA10用来执行控制电机的正反转，接电机绕组 A- 和 C-，B- 和 D-短接后，再 A 接驱动的 A ，C 接驱动的 A-，B 接驱动的 B ，D 接驱动的 B- 。步进电机的控制号由 CNC 的 XS30 端输入，电源信号由 +V1 和 GND 端输入。 步进驱动器其实是一个步进电机配合使用，来控制机床工作台 X 轴移动的一个系统。步进电动机是一种将电信号转换成机械角位移的电磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，也称脉冲马达。步进电动机是一种特殊的电动机，其跟随步进驱动系统给定的输入脉冲按节拍一步一步的转动。对步进电动机施加一个电脉冲信号时，步进电动机就旋转一个固定的角度，称为一步，没一步转过的角度叫步距角。步进电动机的角位移量和输入的脉冲个数严格地成正比例，在时间上与输入脉冲同步。因此，只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电相序，便可获得所需的转角、转速及旋转方向。在无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态。图2-3 步进驱动单元框框图图2-4 外观结构图2.4 辅助装置刀架控制主要有手动换刀、程序换刀、刀架卡紧时间控制三方面。表2-2刀架信号表输入信号I0.0，I0.1，I0.2，I0.3，I0.4，I0.5刀位检测信号I0.6锁紧到位检测信号零件程序中的T码机床控制面板上的手动换刀键输出信号刀架正转（Q0.4）刀架反转（Q0.5）表2-3刀架逻辑控制表 条 件 结 果自动方式下当零件程序中的程遍刀码T不等于刀架实际刀位刀架正转有效。有效信号一直保持到刀位信号与编程T码相等，然后刀架反转信号自动生效。反转信号的保持时间由机床参数设定在点动方式下按下手动换刀键，一直按到刀架转到所要位置刀架正转信号有效，有效信号一直保持的按键松开当手动换刀键一松开刀架反转信号自动生成，并按机床参数中设定的时间保持有效在手动方式下短促按下手动换刀键刀架正转信号有效，该信号保持到一个想邻的刀位，然后自动按机床参数设定的锁紧时间产生并保持刀架反转信号2.5 输入输出PLC转接口输入输出装置是连接PLC 变频器等重要部件。表2.3.1输入/输出接线端子分配表分类元器件输入/输出标号作用输入按钮SB1X000开始按钮SB2X001停止输出A相绕组Y001A 相接正5V 电源Y000A 相接负5V 电源B相绕组Y002B 相接负5V 电源Y003B 相接正5V 电源表2.3.2各种软元件分配表各种软器件标号作用特殊状态寄存器M8002上电运行软时间继电器T0确定步进电动机转速T1状态寄存器D0转速参数存储步进状态寄存器S20第1 拍步进运行S21第2 拍步进运行S22第3 拍步进运行S23第4 拍步进运行S24第5 拍步进运行S25第6 拍步进运行S26第7 拍步进运行S27第8 拍步进运行S0初始化2.6 机床本体机床本体就是数控机床的机械结构，包括床身、箱体、立柱、导轨、工作台、主轴、进给机构、刀具交换机构等。此外，为了保证数控机床功能的充分发挥，还有一些辅助系统，如冷却、润滑、液压（或气动）、排屑、防护系统等。图2-5 机床床身第三章 刀架控制系统硬件组成3.1刀架的有关概况3.1.1刀架的产生电动刀架是数控车床重要的传统结构，由于该类刀架采用全电控制，无需另加液压或气动等其它动力源，故对简化机床控制的复杂程度带宋好处。合理的选配电动刀架，可以缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性。另外，加工工艺适应性和连续工作的工作能力也明显提高;尤其是在加工几何形状较复杂的零件时，除了控制系统能提供相应的控制算法，对执行机构发出相应的控制指令外，很重要的一点是数控机床须配备易于控制的电动刀架，以便一次装夹所需各种刀具，灵活，方便地完成各种几何形状的加工。3.1.2刀架的分类按刀架的回转轴线分类，有绕水平轴旋转分度和绕垂直轴旋转分度两大类。按装刀数来分常见的有四工位电动刀架和六工位电动刀架等。按机械定位方式分，常见的有端齿盘定位，三齿盘定位，斜板圆销转位电动刀架等。三齿盘定位电动刀架(又称为“免抬刀架”)可实现上刀体不抬起而顺利地转位换刀的要求，排除了冷却液、加工屑对刀架转位时的影响，较为可靠地解决了刀架的密封问题。斜板圆销转位电动刀架结构简单，工作可靠。 3.1.3刀架的几种典型结构（1）排刀式刀架排刀式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒类为主的机床较为常见，它的结构形式为夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床X坐标轴方向排列在横向滑板或一种称为快换台板上。这种刀架的特点之一是刀具布置和机床调整都较方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具在一把刀完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴向移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速、省时、有利于提高机床的生产效率。（2）数控车床方刀架经济型数控车床方刀架是在普通车床四方刀架的基础上发展的一种自动换刀装置，其功能和普通四方刀架一样：有四个刀位，能装夹四把不同的刀具，方刀架回转90时，刀具变换一个刀位，但方刀架的回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制的。换刀时方刀架的动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、刀架定位和刀架夹紧。完成上述动作要求，有相应的机构来实现。（3）般转塔回转刀架转塔回转刀架适用与盘类零件加工。在加工轴类零件时，可以换用四方回转刀架。由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。回转刀架动作根据数控指令进行，由液压系统通过电磁换向阀进行控制，其动作过程分为如下四个步骤：（1）、刀架抬起，（2）、刀架转位、（3）、刀架压紧，（4）、转位液压缸复位。如果定位、压紧动作正常，刀架会发出信号表示已完成换刀过程，可进行切削加工。（4）盘形自动回转刀架盘形自动回转刀架根据刀位又可分为A型、B型和C型，其中A型和B型刀架可配置12把刀具，C型可配置8把刀具。A、B型回转刀盘的外切刀可使用25mm*150mm标准刀具和刀杆截面为25mm*25mm的可调工具，C型可用尺寸为20mm*20mm*125mm的标准刀具。镗刀杆直径最大为32mm。该种刀架更换和对刀十分方便。刀位选择由刷形选择器进行，松开、夹紧位置检测由微动开关控制。整个刀架控制是一个纯电气系统，结构简单。（5）车削中心的动力刀架车削中心的动力刀架的刀盘上可以安装各种非动力辅助刀夹（车刀夹、镗刀夹、弹簧刀夹、莫氏刀柄），夹持刀具进行加工，还可安装动力刀夹进行主动切削，配合主机完成车、铣、钻、镗等各种复杂工序，实现加工程序自动化、高效化。该刀架采用端齿盘作为分度定位元件，刀架转位由三相异步电机驱动，电动机内部带有制动机构，刀位由二进制绝对编码起器识别，并可双向转位和任意刀位就近选刀。动力刀具由交流伺服电机驱动，通过同步齿形带、传动轴、传动齿轮、端面齿离合器将动力传递到动力刀夹，再通过刀夹内部的齿轮传动，刀具回转，实现主动切削。3.2 四工位刀架的组成西门子802S数控车床的电动四工位刀架采用的电机是三相异步电机，功率90W，转速1300r/min。电动四工位刀架如图31所示：刀架由电动机、蜗轮蜗杆机构，传动轴，蜗杆，下齿盘，上齿盘，定位槽，插销，丝杠螺母机构，反靠槽，霍尔开关，磁性板霍尔元件电路或干簧管、微动开关电路等组成。图31四工位刀架刀架的动作：当数控系统发出换刀指令后，通过比较电路比较目标刀具与原刀具的位置差，再来判断是否要旋转，若与原来的一样的话，刀架没有任何的动作，若不一样的话，在确定好目标刀具号后，刀盘松开并被顶起，然通过接口电路使电机正转，经传动装置、驱动蜗杆蜗轮机构,蜗轮带动丝杠螺母机构，将刀盘松开并抬起，直至两定位多齿盘脱离啮合状态，然后由插销带动刀盘转位，数控装置发出的换刀指令使霍尔开关中的某一个选通，当磁性板与被选通的霍尔开关对齐后，霍尔开关反馈信号使电机反转并夹紧的动作，插销向预分度盘上的分度槽反靠实现预分度，刀盘停止转动，通过丝杠机构使刀盘移动到齿盘重新啮合，实现精确定位。多齿盘啮合精确定位后，电机应能停止反转。换刀完成。例如，四工位自动回转刀架回转电机反转1.5s后，由数控装置自动停止，防止电机不停反转而过载毁坏。反靠机构使卜带动刀架旋转的机构，由于它必须在刀架正转时对卡死，反转时半卡死，因此该反靠槽的两个侧面一个设计成垂直面，另一个设计成倾斜面。预定位插销和预定位槽(在下齿盘上)的作用在于实现刀架的预定位。电机正转时，定位插销被插销上方的弹簧拉起，回转电机反转，插销被弹簧入预定位槽内实现刀架的预定位，精确定位采用多齿盘结构，利用其表面精度高、硬度高的梯形齿结构进行啮合以达到精确定位。整个信号走向是：操作面板或程序发出换刀指令输到CNC，CNC与PLC输出转接板来控制输出板上的中继的动作从而控制电动刀架的正反转，当从CNC插口过来正转信号为低电平信号时，由于CNC输入插口信号线低电平有效，所以相对应的中间继电器线圈得电，常开触点闭合，输出架电机正端有信号输出，通过外部电路闭合控制继电器KM1线圈得电，常开触点KA6闭合，些时刀转；当从CNC插口过来的反转信号为低电平时，相对应输出转接板中的中间继电器线圈得电，常开触点闭合，输出端有信号输出，触点闭合控制继电器KA7线圈得电，常开触点KA7闭合控制刀架电机反转。在正转与反转到位时，由刀架四工位的四个霍尔开关控制，通过霍尔开关反馈回输入转接板检测是否转到位。输到PLC输入板再经过CNC处理决定动作。图32 刀架信号走向示意图3.2.1四工位刀架的机械结构图33 数控车床刀架结构1电动机 2联轴器 3蜗杆轴 4蜗轮丝杠 5刀架底座 6粗定位盘7刀架体 8球头销 9转位套 10电涮座 11发迅体 12螺母 13，14电涮 15粗定位销该刀架可以安装四把不同的刀具，转位信号由加工程序指定。其结构图可见附图所示。下面介绍以下该刀架的结构及动作过程：当换刀指令发出后，小型电动机1起动正转，通过平键套筒联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动蜗轮4转动。蜗轮的上部外圆柱加工有外螺纹，所以该零件称蜗轮丝杠。刀架体7内孔与刀架中心轴外圆是滑配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠环绕中心轴旋转。当蜗轮开始转动时，由于在刀架底座5和刀架体7上的端面齿处在啮合状态，且蜗轮丝杠轴向固定，这时刀架体7抬起。当刀架体抬到一定距离后，端面齿脱开。转位套9用销钉与蜗轮丝杠4连接，随蜗轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开，转位套正好转过160（如图AA剖示所示），球头销8在弹簧力的作用下进入转位套9的槽中，带动刀架体转位。刀架体7转动时带动电刷座10转动，当转到程序指定的刀号时，定位销15在弹簧的作用下进入粗定位盘6的槽中进行粗定位，同时电刷13、14接触导通，使电机1反转，由于粗定位槽的限制，刀架体7不能转动，使其在该位置垂直落下，刀架体7和刀架底座5上是端面齿啮合，实现精确定位。电动机继续反转，此时蜗轮停止转动，蜗杆轴3继续转动，随夹紧力增加，转距不断增大时，达到一定值时，在传感器的控制下，电机1停止转动。译码装置由发信体11、电刷13、14组成，电刷13负责发信，电刷14负责位置判断。当刀架定位出现过位或不到位时，可松开螺母12调好发信体11与电刷14的相对位置。这种刀架在经济型数控车床及普通车床的数控化改造中得到广泛的应用。3.2.2四工位刀架控制电路的组成西门子802S数控车床采用的电动刀架的电气控制分强电和弱电两部分，强电部分由三相电源驱动三相交流异步电动机正、反向旋转，从而实现电动刀架的松开、转位、锁紧等动作；弱电部分主要由位置传感器发讯盘采用霍儿传感器发讯。该电动刀架的电动机采用三相异步电机。图34强电控制回路图35 刀架控制回路第四章 刀架PLC程序及有关参数设置4.1 刀架的PLC程序I/O配置如下：信号说明输入信号接口：X2003I0.0刀架位置码：T1I0.1刀架位置码：T2I0.2刀架位置码：T3I0.3刀架位置码：T4I0.4刀架位置码：T5I0.5刀架位置码：T6I0.6刀架位锁紧到位信号机床面板用户定义键用户键K 4手动换刀输出信号接口：X2005Q0.4刀架正转Q0.5刀架反转输入信号说明： LAP可控制每个刀位均有反馈信号的刀架。I0.0到I0.5作为刀架反馈信号。如果是四工位的刀架，应该利用PLC参数将I0.4，I0.5屏蔽掉。 如果刀架有锁紧到位信号，应该将信号连接到I0.6，如果没有到位信号则应该将I0.6屏蔽掉。（1）西门子802S数控车床的PLC程序如下： 输出的初始化程序。在子程序开始时，当前所有的数值都要初始化。 通过复位键退出紧急状态。读入当前的被激活的刀号。在如下的情况下不允许换刀。读入当前刀位号。在JOG模式下换刀控制。在自动或手动输入模式下