毕业设计---加工中心无机械手自动换刀控制及常见故障分析.doc

长沙航空职业技术学院毕业论文设计题目： 加工中心无机械手自动换刀控制及常见故障分析 所在系别： 航空机械制造工程系 专业名称： 数控设备应用与维护 所在班级： 数设1001班 学生姓名： 姜铂 学 号： 08 指导教师： 黄登红 目录摘要 （02）引言 （04）第一章 加工中心自动换刀 （06）1.1 加工中心自动换刀控制的意义 （06）1.2 加工中心自动换刀方式 （06）1.3 换刀动作流程图 （07）第二章 12刀位斗笠式刀库组成结构及动作原理 （09）第三章 斗笠式刀库自动换刀装置电气/PMC控制 （10）3.1 斗笠式刀库自动换刀装置的 PMC 控制 （10） 3.2斗笠式刀库自动换刀PMC控制流程图 （14）3.3 PMC自动换刀相关输入信号地址分配图 （13）第四章 PMC程序设计与实现 （15）4.1 PMC程序设计与实现 （18）4.2系统PMC输入/输出地址分配 （18）第五章 自动换刀装置常见故障及维修 （18）5.1 刀库乱刀故障处理方法 （22）5.2刀具交换时掉刀 （22）5.3加工中心刀库自动化换刀装置常见故障及维修 （22）总结 （26）参考文献 （28）致谢 （29）附录 （30）摘要 加工中心是备有刀库，并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工的数字控制机床。工件经一次装夹后，数字控制系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。加工中心由于工序的集中和自动换刀，减少了工件的装夹、测量和机床调整等时间，使机床的切削时间达到机床开动时间的8O左右(普通机床仅为1520)；同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放时间，缩短了生产周期，具有明显的经济效果。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产。 第一台加工中心是1958年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。二十世纪70年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。这种多工序集中加工的形式也扩展到了其他类型数控机床，例如车削中心，它是在数控车床上配置多个自动换刀装置，能控制三个以上的坐标，除车削外，主轴可以停转或分度，而由刀具旋转进行铣削、钻削、铰孔和攻丝等工序，适于加工复杂的旋转体零件。加工中心按主轴的布置方式分为立式和卧式两类。卧式加工中心一般具有分度转台或数控转台，可加工工件的各个侧面；也可作多个坐标的联合运动，以便加工复杂的空间曲面。立式加工中心一般不带转台，仅作顶面加工。此外，还有带立、卧两个主轴的复合式加工中心，和主轴能调整成卧轴或立轴的立卧可调式加工中心，它们能对工件进行五个面的加工。加工中心的自动换刀装置由存放刀具的刀库和换刀机构组成。刀库种类很多，常见的有盘式和链式两类。链式刀库存放刀具的容量较大。换刀机构在机床主轴与刀库之间交换刀具，常见的为机械手；也有不带机械手而由主轴直接与刀库交换刀具的，称无臂式换刀装置。为了进一步缩短非切削时间，有的加工中心配有两个自动交换工件的托板。一个装着工件在工作台上加工，另一个则在工作台外装卸工件。机床完成加工循环后自动交换托板，使装卸工件与切削加工的时间相重合。这里我们将介绍斗笠式换刀装置（12 刀位）的结构及动作原理，在此基础上设计并实现了换刀控制的电气及 PMC 控制过程。关键字：自动换刀；无机械手；加工中心，常见故障分析引言加工中心是指在一次装夹中，能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。更为明确的说法是：加工中心就是自动换刀数控镗铣床。这就把加工中心和自动换刀数控车床和车削中心区别开来。加工中心区别于别的数控镗铣床的主要特点就在于它具有根据工艺要求自动更换所需刀具的功能，机自动换刀(ATC)机能。 加工中心的自动换刀系统,通常是由刀库和机械手组成,它是加工中心的象征,又是加工中心成败的关键环节。因此各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置,以求在激烈的竞争中取得好的效益。正因为自动换刀装置是加工中心的核心内容,各厂家都在保密,极少公开有关资料,尤其机械手部分更始如此。数控加工中心因带有由刀库和机械手组成的自动换刀装置(ATC), 能使工件在一次装夹中完成大部分甚至全部工序加工中心利用刀库实现换刀,这是目前加工中心大量使用的换刀方式。由于有了刀库,机床只要一个固定主轴夹持刀具,有利于提高主轴刚度。独立的刀库,大大增加了刀具的储存数量,有利于扩大机床的功能,并能较好地隔离各种影响加工精度的干扰因素。刀库换刀,按照换刀过程有无机械手参与,分成有机械手换刀和无机械手换刀两种情况。在有机械手换刀的过程中,使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴中拔出,与此同时,另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出,然后两者交换位置,完成换刀过程。有机械手的系统在刀库配置、与主轴的相对位置及刀具数量上都比较灵活。因而大大减少了装卸工件和换刀等辅助时间, 消除由于多次安装造成的定位误差, 比一般数控机床更能实现高精度、高效率、高度自动化加工。ATC换刀时, 根据数控系统选刀指令, 从刀库中将所需要的刀具转到取刀位置, 称为自动选刀然后由机械手从刀库和主轴上取出刀具, 进行刀具交换, 将新刀具装人主轴, 用过的旧刀具放回刀库。机械手的驱动一般的有液压驱动和电气驱动。液压驱动的机械手需要采用严格的密封，还需较复杂的缓冲机构，控制机械手动作的电磁阀都有一定的时间常数，因为换刀速度较慢。近年来国内、外先后研制出凸轮联动式单臂双抓机械手。这种机械手的优点是由电机驱动，不需要较复杂的液压系统及其密封、缓冲机构，没有漏油现象，结构简单，工作可靠。同时，机械手手臂的回转和插刀、拔刀的分解动作是联动的，部分时间可重叠，从而大大缩短了换刀时间。因此，被广泛的应用在加工领域。第一章 加工中心自动换刀1.1 加工中心自动换刀的意义为了进一步提高数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一台机床一次装来即可完成多道工序或全部工序的方向发展。因此出现了各类型的加工中心机床加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置，以便选用不同刀具，完成不同工序加工工序。从而衍伸出按有无机械手又分为不带机械手的自动换刀装置（如斗笠式换刀装置）和带机械手的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置数控机床主轴箱内只有一个主轴，设计主轴部件就有可能充分增强它的刚度，因此能满足精密加工的要求。另外刀库可以存放很大的刀具，因此能够进行复杂的零件的多工序加工，这样就明显提高了机床的适应性和加工效率。所以带刀库的自动换刀装置特别适用数控钻床、数控铣床和数控镗床。采用机械手换刀有很大的灵活性而且可以减少换刀时间。目前在加工中心上绝大多数都使用记忆式的任选换刀方式。这种方式能将刀具号和刀库中刀套位置（地址）对应地记忆在数控系统的 PC 中，不论刀具放在哪个刀套内都始终记忆着它的踪迹。刀库上装有位置检测装置（一般与电动机装在一起）可以检测出每个刀套的位置，这样刀具就可以任意取出并送回。刀库上没有机械原点，使每次选刀时，就近选取。 这里我们将介绍斗笠式换刀装置（12 刀位）的结构及动作原理。1.2加工中心自动换刀方式加工中心自动换刀系统的控制主要分为两部分：刀库选刀控制（T指令）和刀具交换控制(M06指令)。目前刀库选刀一般有四种控制方式：顺序选刀方式，刀具编码方式，刀套编码方式，计算机记忆随机换刀。顺序选刀方式是将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的每一个刀座内，刀具顺序不能搞错。更换加工工件时，刀具在刀库上的排列顺序也要改变。这种方式的缺点是同一工件上的相同的刀具不能重复使用，因此刀具的数量增加，降低了刀具和刀库的利用率，但其控制以及刀库运动等则比较简单。刀具编码方式采用了一种特殊的刀柄结构，并对每把刀具进行编码。换刀时通过编码识别装置，根据换刀指令代码，在刀库中寻找出所需要的刀具。由于每一把刀都有自己的代码，因而刀具可以放入刀库的任何一个刀座中，这种方式编程控制简单，但是编码刀柄结构复杂，容易出故障。刀套编码方式是对刀库各刀座预先编码，每把刀具放入相应刀座之后，就具有了相应刀座的编码，即刀具在刀库中的位置是固定的。缺点是用过的刀具必须放回原来的刀座，增加了辅助换刀的时间，降低了换刀效率。计算机记忆随机换刀方式是目前使用最为广泛的一种方式。这种方式的特点是刀具号和刀座号对应地记忆在计算机地存储器或可编程控制器的存储器中，不论刀具放在哪个地址，都始终记忆着它的踪迹，这样刀具可以任意取出，任意送回。刀柄采用国际通用的形式，没有编码条，结构简单，通用性能好。本文以BT50-24TOOL圆盘式刀库自动换刀为例，讨论计算机记忆随机换刀方式的PMC的控制。1.3选刀动作流程图 图1-1 选刀流程图第二章 12刀位斗笠式刀库组成结构及动作原理在加工中心上刀库选刀控制（T 指令）和刀具交换控制（M06 控制）是 PMC 控制的重要部分，通常用刀套编码方式和随机方式。 刀套编码是对刀库中的刀套进行编码，并将与刀套编码相对应的刀具一一放在指定的刀套中（如图 1），然后根据刀套的编码选刀具，刀套编码控制换刀过程需要两次完成，首先把主轴的刀具放回主轴上刀具的原来位置，然后再从刀库中取出要选择的刀具，这样换刀效率低，一般用于无机械手或刀库容量比较少的刀库选刀控制。图2-1 12刀位刀库示意图随机换刀是指刀库中的刀具与主轴的刀具任意地直接交换，随机换刀控制需要在 PMC 内部设置一个刀库的数据表，如表一所示，数据表的个数（数据表容量）是刀库的刀具总量加上主轴刀，如该刀库为12 把刀，则数据表的个数为 13（如 D0000D0012）该数据的首地址（如 D0000）为主轴的刀座号，数据表的序号（又称表内号）与刀库中的刀座号相对应，每个表内号中的内容就是对应刀座中的刀具号，当程序执行到 T 码时，PMC 通过数据检索指令，把检索到 T 码（即所选择的新刀具）所在数据表的位置（数据表内号），即新刀具在刀库的实际位置通知系统，PMC 控制刀库旋转把选择的新刀具转到换刀位置，等待换刀。在执行换刀指令（M06）时，机床主轴快速回到换刀点（一般为机床的第二参考点），并且实现主轴准停，机械手执行换刀控制，即同时交换主轴和刀库中的刀具，换刀结束后，把主轴所在数据表的地址内容改写成现在的刀具号，把主轴上的刀号（旧刀号）写入到换刀的刀具所在数据表的地址中。刀号数据表1名称数据序号刀套号刀具号D00000D00111D00222D00333D00444D00555D00666D00777D00888D00999D0101010D0111111D0121212 第三章 斗笠式刀库自动换刀装置电气/PMC控制3.1 斗笠式刀库自动换刀装置的 PMC 控制 PMC 控制包括硬件控制和软件控制两方面。硬件控制包括输入信号的接入和输出信号的控制。图3-1为电动刀库电气控制线路图。图3-2所示为电动刀库 PMC 接线图。在此例应用中，传感器信号分别接在 X2.0、X2.1 输入端口，而控制正反转接触器 KM1、KM2 的中间继电器的线圈分别由 Y50.1、Y50.2 控制。图3-1电动刀库电气控制线路图图3-2电动刀库 PMC 接线图软件完成换刀控制逻辑关系。实现换刀控制过程的流程图如:5所示。图3-3为 PMC 控制梯形图。3.2换刀控制流程图图3-3换刀控制流程图3.3换刀控制梯形图图3-4换刀控制梯形图例如，加工中心在执行 M06T1 换刀指刀令时的换刀结果是：刀库中的 T1 刀装放轴。（1） DSCH 功能指令（检索功能）到寻找新刀具的指令 T1 后（FT3 为“1”）在模拟刀库的刀号数据表中开始 T 代码数据检索出来存入 F26 地址单元中。然后 将 1 号刀所在数据表中的序号 1 存入到检索结果输出地址 D100 中，同时 R10.2为“1”。由于 R9091.0 为“0”。即断开，所以 DSCH 功能指令按规定2 位 BCD 码处理数据。（2） COIN 功能指令（比较指令）当 R10.2 为“1”时，地址 D100 的内容（指令 1 号）和地址 D200（当前刀套数据表序号 4）的内容作比较。数据一致时，输出 R10.3为“1”，不一致时，R10.3 为“0”作为刀库旋转达 ROT 功能指令的条件。（3） ROT 功能指令（旋转指令）ROT 功能指令中，旋转检索数（刀套位置个数）为 12，现在位置地址为 D200（存放当前刀套号 4），目标位置地址为 D100（存放 T1号刀具的刀套号 1），计算结果输出地址为 C1。当刀具判别指令 R10.3 为“0”，ROT 指令开始执行根据 ROT 控制条件设定，计算出刀库现在的位置与目标相差的步数为“3”步将此数据存入 C1 中，并选择出最短旋转路径，使 R10.4 置“0”，正向旋转方向输出。通过 Y50.1 正向旋转继电器，驱动刀库正向旋转“3” 步，即找到了 1 号刀位。（4） CTR 功能指令（计数指令）CTR 功能指令中，计数指令 01 号计数，地址 C1 为刀库现在的位置目标位置相差的步数的数据存储地址。R10.4 控制计数器的加计数或计数器的减计数，X2.1 为 0 时计数器不计数，当 X2.1 为 1 时计数器计数累加。当计数器累加到定值 R10.5 输出。刀库旋转后，R10.3 输出为“1”时（刀库的实际位置与刀库目标位置一致），即识虽了所要寻找的新刀具，刀库停转并定位，等待换刀。第四章 PMC程序设计与实现4.1 系统PMC输入/输出地址分配如图3-4为随机制动换刀I/O地址分配图，其中SQ3（X1.2）为刀库刀位计数信号，FR1(X10.0)为刀库电机过载信号。Y1.1为刀库电机正转控制信号，Y1.2为刀库电机反转控制信号。图4-1刀库动作输出信号地址4.2 随机制动选刀的PMC控制以FANUC数控系统专用PMC系统为例，当系统执行听指令时，使得T码时能信号F7.3置1。此时PMC刀库动作程序开始运作。首先通过DSCH指令检测目标刀位号，当目标刀位号不存在时，R15.1置1，时系统出现报警信息。随后检测目标刀位号是否在主轴上，当目标刀位号在主轴上时，使得R15.2为1，此时，R16.0，G4.3同时置1。系统检测到G4.3信号时，立即使得F7.3为0，完成T码全过程。目标刀具不在主轴上时，PMC通过ROT指令计算将旋转步数信息存入D355中，旋转方向由输出值控制。当R15.3为0时，刀库正转；当R15.3为1时，刀库反转。刀库步数计数器为0时，R15.4为1.此时G4.3为1，T码完成，同时通过XMOVE指令，将D431中的数据移动到D432中，然后将D420中的数据移动到D431中，最后将D432中的数据移动D420中。因为D431中存储的是换刀过程中被换的刀具号，通过以上的几个XMOVE指令，即使得D431和D420对调，完成数据的更新。4.3系统PMC输入/输出地址分配图4-2为刀库PMC输入/输出信号地址分配图，序号地址信号号称1X0.5为刀库换刀电动机停信号2X0.6为刀库扣刀定位信号3X0.7为主轴原点确认信号4X1.0为倒气缸缩回定位信号5X1.1为回刀气缸伸出定位信号6X1.2为主轴汽缸控制信号7X1.3为汽缸复位到位信号8X10.1为刀库电机过载信号9X10.2为刀杯液压泵过载信号10Y0.3为刀库电机控制信号11Y0.4为刀杯液压驱动信号12Y0.5为刀杯液压复位控制信号13Y0.6刀杯复位控制信号14Y0.7为主轴汽缸动作控制信号图4-2加工中心随机自动换刀PMC程序第五章 自动换刀装置常见故障及维修5.1刀库乱刀故障处理方法由于自动换刀装腔作势置是通过记忆数据表中的数据进行换刀的，如果系统 PMC 参数丢失或换刀装置拆修后，系统就会出现换刀过程中乱刀或不执行换刀动作的故障。此时应当恢复系统参数和换刀机械动作，然后对刀库的数据表进行初始化。具体操作是把计数器 01设定为 24，数据表的 D000 设定为 0，D001-D024 设定值应按实际刀库的刀座中的刀具号进行设定，最后系统断电再重新上电，系统恢复正常工作。5.2刀具交换时掉刀换刀时主轴没有准确回到换刀点或主轴准停位置偏移，机械手抓刀时没有到位就开始拔刀，都会导致换刀。处理方法是重新调整主轴换刀点位置并修改第二参考点的坐标值；检查主轴编码器与主轴的连接和编码器本身一转信号是否正确；栓查扣刀到位开关 6 位置调整是否正确及机械手转位是否良好。5.3加工中心刀库自动换刀装置常见故障及维修表二 加工中心刀库自动换刀装置常见故障及维修故障现象原因分析故障处理方法刀套破裂装刀时，被撞击转动刀库氢破裂的刀套移到旁边，然后使用六角扳手把固定螺钉开以便更换刀套未定位之前有倒动作刀库电动机过热烧坏检查电动机线关闭电源后，取下配线，栓查并排除阴碍点后更换新马达刀具的质量是否过大刀库是否有阻碍而过载刀套在准备好后要下载时却不能正降落气压是否正常检查气压气缸气缸是否漏气螺钉是否松动紧固螺钉刀具是否重（15kg）或过长（300mm）确认刀具质量刀库无法运转电源是否良好（电压是否正常）检查电源、气源气源是否供应良好（压力是否足够）检测开关是否正常工作检查每一个开头产是否正常发信号电线是否接好检查电线连接是否完好换刀时，刀掉落，而且有拉刀的情况发生刀臂被撞击并变形换新刀臂并调整刀具太重导致刀臂变形在换刀前先检查其质量刀套内夹紧压缩弹簧已经疲劳调整并跟换弹簧倒刀时刀掉落刀臂及刀具的夹刀点的校正不正确重新校正刀具质量超过所规定的限制检查总质量刀套内的弹簧夹力不够调整或更换换刀时无法回归倒刀块及刀套没有定位好（即没倒90 度）调整螺钉刀臂弯曲先用扳手旋转 ATC 来确认是否夹刀；位置正确，如果高度已修正仍不能回归则更换刀臂。电线接触不良先用换刀命令来换，如果刀没被卡信，表示电线故障夹刀及释刀的信号无法被传递调整感应器的感应装置总结通过此次毕业设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来数控行业的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。 毕业设计是我作为一名学生即将完成学业的最后一次作业，他既是对学校所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好开端，毕业设计是我对所学知识理论的检验与总结，能够培养和提高设计者独立分析和解决问题的能力；是我在校期间向学校所交的最后一份综和性作业。毕业的时间一天一天的临近，毕业设计也接近了尾声。在不断的努力下我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的大概总结，但是真的面对毕业设计时发现自己的想法基本是错误的。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识太理论化了，面对单独的课题的是感觉很茫