毕业设计（论文）-数控刀架系统原理和维修.doc

第一章 数控机床的概述1.1 数控机床简介1.1.1 数控机床的产生在机械制造行业中，机床是一种主要的生产设备。机械制造行业的产品，其结构日趋复杂，精度和性能要求日趋提高，因此对生产设备机床也相应地提出了高效率、高精度和高自动化的要求。数控机床是为了解决单件、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的。1952年美国PARSONS公司与麻省理工学院合作研制了第一台三坐标数控铣床，它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等多方面的技术成果，是一种新型的机床，可用于加工复杂曲面零件。该铣床的研制成功是机械制造行业中的一次技术革命，使机械制造行业的发展进入了一个新的阶段。从第一台数控机床问世到现在的半个世纪中，数控技术的发展非常迅速，几乎所有品种的机床都实现了数控化。数控机床的应用领域也从航空工业部门渐渐扩大到汽车、造船、机床、建筑等民用机械制造行业。此外，还出现了金属成型类数控机床：如数控折弯机、数控弯管机、数控步冲机等;特种加工数控机床：如数控线切割机、数控火焰切割机、数控激光切割机床等；其他还有：数控绘图机、数控三坐标测量机等。特别是相继出现的自动换刀数控机床、直接数字控制系统、自适应控制系统、柔性制造系统、计算机集成制造系统等，进一步说明，数控机床已经成为组成现代机械制造生产系统，实现计算机辅助设计、制造、检测与生产管理等全部生产过程自动化的基本设备。1.1.2 数控机床的特点数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点。(1)能适应不同零件的自动加工。数控机床是按照被加工零件的数控程序来进行自动加工的，当改变加工零件时，只要改变数控程序，不必更换凸轮、靠模、样板或镗模等专用工艺装备。因此，生产准备周期短，有利于机械产品的更新换代。 （2）生产效率和加工精度高、加工质量稳定。数控机床上可以采用较大的切削用量，有效地节省了机动工时。还有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，使辅助时间大为缩短，而且无需工序间的检验与测量，所以，比普通机床的生产效率高3-4倍甚至更高。同时由于数控机床本身的精度较高，还可以利用软件进行精度校正和补偿，又因为它是根据数控程序自动运行加工，可以避免人为的误差，因此，不但加工精度高，而且质量稳定。（3）能高效优质完成复杂型面零件的加工，其生产效率比之通用机床加工可提高十几倍甚至几十倍。（4）工序集中，一机多用。数控机床，特别是自动换刀的数控机床，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工，这样可以减少装夹误差，节约工序之间的运输、测量和装夹等辅助时间，还可以节省机床的占地面积，带来较高的经济效益。（5）数控机床是一种高技术的设备，有利于现代化生产管理，大大降低了操作者的体力劳动强度。1.2 数控机床的控制原理和组成1.2.1 数控机床的控制原理数控机床是一种高度自动化的机床，在加工工艺与加工表面形成方法上，与普通机床是基本相同的，最根本的不同在于实现自动化控制的原理与方法上。数控机床是用数字化的信息来实现自动控制的，将于加工零件有关的信息工件与刀具相对运动轨迹的尺寸参数（进给执行部件的进给尺寸），切削加工的工艺参数（主运动和进给运动的速度、切削深度等），以及各种辅助操作（主运动变速、刀具更换、冷却润滑液启停、工件加紧松开等）等加工信息用规定的文字、数字和符号组成的代码，按一定的格式编写成加工程序单，将加工程序通过控制介质输入到控制装置中，由数控装置经过分析处理后，发出各种与加工程序相对应的信号和指令控制机床进行自动加工。这一数字控制的原理与过程通过下述数控机床的组成将得到更明确的说明。1.2.2 数控机床的组成数控机床主要由信息载体、输入输出装置、数控系统、可编程逻辑控制系统、伺服驱动系统、位置检测系统、机床主体等部分组成，其基本组成结构如图1-1所示。1.输入输出装置输入装置的作用是将记录在信息载体（如磁盘）上的数控加工程序读入数控系统的内存储器。目前广泛应用的输入方式是利用数控机床上的通讯接口通过计算机进行数据传输，也可利用网络技术进行远程数据传输。对于简单数控加工程序可采用手动数据输入方式（MDI方式），利用数控系统控制面板上的输入键直接将零件加工程序输入数控系统的内存储器。输出装置的作用是为操作人员提供必要的加工信息，如程序代码、切削用量、刀具位置、各种故障信息和操作提示等。常用的输出装置有显示器和打印机等，可对输出信息进行显示和打印。2.数控系统数控系统是数控机床的核心。其主要作用是对输入的零件加工程序的命令进行信息处理后，输出控制命令到相应的执行部件（如伺服驱动、驱动装置、PLC等）完成零件加工程序所要求的工作。数控系统由硬件和软件组成。现代数控系统普遍采用通用计算机作为其主要硬件部分，包括CPU、存储器、系统总线和输入输出接口等。软件部分主要是主控制系统软件，其控制方式有数据运算处理控制（机床运动行程量控制）和时序逻辑控制两大类，主控制器内的插补运算模块根据读入的零件加工程序，通过译码、编译等信息处理后，进而控制机床各个坐标轴的移动。时序逻辑控制主要由可编程控制器PLC完成，它根据机床加工过程中的各个动作要求进行协调，按各检测信号进行逻辑判断，从而控制机床有条不紊地按序工作。3.可编程逻辑控制系统可编程逻辑控制系统的主要功能是接受可编程控制器PLC输出的主轴变速和换向，启动或停止，刀具选择和更换，分度工作台转位和锁紧，工件加紧或松夹，切削液的开启或关闭等辅助操作信号，经功率放大后直接驱动相应的执行元件，完成数控加工自动操作。4.伺服驱动系统伺服驱动系统的作用是接受来自数控系统的位置控制信息，将其换成相应坐标轴的进给运动和精度定位运动，完成数控机床最后的控制环节，因此，其伺服精度和动态响应特性将直接影响数控机床的加工精度和表面质量。伺服驱动系统包括主轴伺服和进给伺服两个单元。主轴伺服单元接受来自PLC的转向和转速指令，经过功率放大后驱动主轴电动机转动。进给伺服单元在每个插补周期内接受数控系统的位置指令，经过功率放大后驱动进给电动机转动，同时完成速度控制和反馈控制。伺服驱动系统的执行器件有功率步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。5.位置检测系统位置检测系统的作用是通过传感器检测伺服电动机的转角位移或数控机床工作台的直线位移，并转换成电信号反馈给伺服系统，由伺服系统中的位置比较环节对控制位移量与实际位移量进行比较，根据比较的差值调整控制信号，提高控制精度。6.机床主体机床主体指的是数控机床的机械部分，是实现零件加工的执行部件。它主要由主运动部件（主轴）、进给运动部件（工作台、拖板及传动机构）、支撑件（立柱、床身等）、特殊装置、刀库和辅助装置（冷却、润滑、排屑、转位、夹紧装置等）等组成。数控机床的机械结构部分与普通机床相似，但传动结构和变速系统较为简单，在精度、刚度、抗振性等方面要求较高，因而采取了一些特殊结构，如滚珠丝杆副、直线滚动导轨副等。图1-1 数控机床的组成结构1.3 数控机床的分类 数控机床的种类繁多，各行各业都有一套自己的分类方法。就机床行业而言，数控机床就多达几百种，为了便于了解和研究，可以从以下不同的角度对其进行科学的分类。 1.3.1按用途分类 1.金属切削类数控机车金属切削类数控机车有数控车床,数控铣床,数控钻床,数控镗床,数控磨床,数控镗铣床等.2.金属成形类数控机床金属成行类数控机车有数控折弯机,数控弯管机和数控冲床等.3.数控特种加工机床数控特种加工机床有数控线切割机,数控电火花加工机床,数控激光加工机床等.1.3.2按运动方式分类1. 点位控制点位控制的特点是，刀具或工作台只能实现从一个位置到另一个位置的精确移动，在移动和定位过程中不进行任何加工，数控系统只需控制行程终点的坐标值。2. 点位直线控制点位直线控制的特点是，刀具或工作台不但能实现从一个位置到另一个位置的精确移动，而且能实现平行于坐标轴成45度斜线进行直线切削加工，但不能沿任意斜率的直线进行加工。3. 轮廓控制轮廓控制也称连续控制，其特点是数控系统能对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续控制，在加工中，需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度和位移控制，将工件加工成一定得轮廓形状。1.3.3 按控制方式分类1. 闭环控制系统闭环控制系统是在机床移动部件（如工作台）上直接安装有直线位置检测装置，将检测到得实际位置反馈到数控系统中，与位置指令进行比较，用比较后的差值控制移动部件移动，直到差值消除时才停止移动。位置检测装置有光栅、感应同步器和磁栅等。2. 半闭环控制半闭环控制系统是在伺服电机上同轴安装，或在滚珠丝杠轴端安装有角位移检测装置，通过测量角位移间接地测量出移动部件的直线位移，然后反馈至数控系统中，控制方式同闭环控制系统。能实现角位移检测的装置有光电编码器、旋转变压器。3. 开环控制系统开环控制系统是不带位置反馈的控制系统，这种系统通常使用步进电动机作为执行元件。进给传动链的误差不能进行校正补偿，所以控制精度低，位置精度低。 第二章 数控刀架系统2.1自动回转刀架自动换刀装置2.1.1经济型数控车床方刀架数控机床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置。按数控装置发出的脉冲指令回转,换刀。由于数控机床的切削加工精度在很大程度上取决于刀尖的位置,加之在加工过程中刀尖位置不能进行人工调整,因此回转刀架在结构上必须有良好的强度和刚性,以及合理的定位结构,以保证回转刀架在每一次转位之后具有尽可能高的重复定位精度。 图2-1 盘行自动回转刀架结构1-刀架； 2、3-鼠牙盘； 4-滑块； 5-蜗轮； 6-轴； 7-蜗杆； 8、9、10-传动齿轮； 11-电动机； 12-微动开关； 13-小轴； 14-圆盘； 15-压板； 16-调节楔铁该刀架的工作过程为：刀架接收数控装置的指令松开刀盘转到指令要求的位置夹紧刀盘发转位结束的信号。转位开始时，电磁制动器断电，电动机11开始转动，通过齿轮8、9、10带动蜗杆7旋转，从而使蜗轮内孔有螺纹，与轴6上的螺纹配合。这时轴6不能回转，当蜗轮转动时，使轴6沿轴向左移动，因为刀架1与轴6、活动鼠牙盘2是固定在一起的，所以刀盘和鼠牙盘也向左移动，鼠牙盘2和3脱开。在轴6上有两个对称槽,内装滑块4，在鼠牙盘脱开后，蜗轮转到一定角度与蜗轮固定在一起的圆盘14上的凸块便碰到滑块4，蜗轮便通过圆盘14上的凸块带动滑块4，连同轴6、刀盘一起进行转位。当转到要求位置后，刷形选位器发出信号，使电动机反转，圆盘14上的凸块与滑块脱离，不再带动轴6转动，蜗轮5与轴6上的螺纹使轴6右移，鼠牙盘2、3结合定位，电磁制动器通电，维持电动机轴上的反转力矩，保证鼠牙盘之间有一定的压紧力。最后电动机断电，同时轴6右端的小轴13压下微动开关12，发出转位结束信号。刀具在刀盘上由压板15及调节楔铁16来夹紧，更换刀具和对刀十分方便。刀架的选位由刷形选位器进行。松开、夹紧位置检测则由微动开关12实行，整个刀架是一个纯电气系统，结构简单。212数控车床四工位换刀装置图2-2 数控车床四工位刀架结构1-直流伺服电动机；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-转为套；10-电刷座；11-发信号；12-螺母； 13、14-电刷；15-粗定位销图2-2所示为经济型数控机床常用方刀架结构，该刀架可以安装四把不同的刀具转位信号有加工程序指定。其工作过程为：刀架抬起刀架转位刀架定位夹紧刀架。（1）刀架抬起 当数控机装置发出换刀指令后，电动机1启动正常，通过套筒连轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动蜗轮丝杠4转动。刀架体7的内孔加工有螺纹，与蜗轮丝杠旋合，蜗轮与丝杠为整体结构。蜗轮丝杠内孔与刀架中心轴式间隙配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠绕中心轴旋转。当蜗轮开始转动时，由于刀架底座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，因此刀架体7抬起。 （2）刀架转位 当刀架体抬至一定距离后，刀架底座5和刀架体7的端面齿脱开，转位套9用销钉与蜗轮丝杠4联接，随蜗轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开时转位套正好转过160（如图所示），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。 （3）刀架定位 刀架体7转动时带着电刷座10转动，当转到程序指定的刀号时，粗定位销15在弹簧力的作用下进入粗定位盘6的槽中进行粗定位，同时电刷13接触导体使电动机1翻转。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上的端面齿啮合实现精确定位。（4）夹紧刀架 电动机继续反转，此时蜗轮停止转动，涡杆轴3自身转动，当两端面齿增加到一定夹紧力时，电动机1停止转动。译码装置由发信体13.14组成，电刷13负责发信号，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。2.2回转刀架电气控制装置2.2.1电气控制系统的组成机电设备的电气控制系统的硬件部分一般由控制显示输入、输出的人机界面、控制器和检测装置构成，图如下：图2-3 电气控制系统的基本组成控制器是一个以计算机为核心的系统，控制过程实质上是控制器对预定指令信息与检测到得执行信息进行分析，比较再将其差值进行处理，放大及综合运算并转换后，经功率放大元件将处理后的信号放大，传向执行元件，控制执行元件按指令信号执行，完成要求的运动。执行元件一般与机电设备的工作机构相连接，进而使机电设备的被控量（如位移速度、加速度、力及转矩等量）达到预定目标。机电设备的人机界面是机电一体化的人机接口，机电设备控制系统采用微机控制一般采用标准的个人计算机的人机接口结构，由PC键盘、显示器和打印机组成。其他的如LED显示器/键盘，液晶显示屏/触摸式键盘等也可以作为人机接口，并且可以防止灰尘等干扰因素，提高可靠性，当然有时也可采用简单的可编程控制的方式。检测装置的功能是利用各种传感器从被控对象提取所要求的信号，并将该信号转化为电信号，再经过中间转换电路对信号进行放大，转换，传输等，以便进行显示，记录或处理。检测装置主要用于机电设备控制系统本身，工作对象及环境等的状态，是一个处于被测对象与控制系统间的能量转换器为控制器提供决策的信息依据。机电设备控制系统的控制器主要由CPU、存储器、I/O子系统、现场总线构成。2.2.2电气控制系统的基本功能电气控制在机电一体化技术中起主导作用，其实质就是一种自动控制系统其基本功能有如下特点：1.良好的人机交互功能机电设备的电气控制系统基本上都具有输入指令，显示工作状态的人机界面，复杂的控制系统还具有程序调用、编辑、调试等功能，以便于操作者方便、快捷、灵活的控制机电设备，按设计意图让机电设备发挥更大作用。因此，好的机电控制系统都应具备方便，简洁亲和的人机界面。2.完善的借口功能机电设备的电气部件主要由被控制对象的传感器和执行机构组成，接口包括机械和电气的物理连接。接口按功能可分为主要完成信息连接，传递的通信接口和独立完成信息处理的智能接口，按信号的性质分为数字量接口和模拟量接口，按通信方式分为串行接口和并行接口。控制系统必须提供足够的接口，以满足被控机电设备的运动部件，检测部件与系统的连接要求。3.实行的信息检测、转换及控制功能。4.对控制软件的支持功能等。2.2.3数控车床刀架电气控制系统图2-4 数控车床刀架电气控制基本组成电动刀架为六工位，每个刀位对应一个刀位到位信号，当刀架运动经过工位时，发出相应的控制信号，使得电机反转，对销反靠，双端齿精定位，螺纹升降夹紧，电机运动停止。数控刀架转到工位时，由安装在刀架内部的霍尔传感器检测刀架到位信号，刀架信号输出端由高电平转到低电平，由信号采集电路对这一瞬时信号进行采集和保持，输出相对应的工位信号（高电平信号），相应的中间继电器线圈得电工作，使得刀架反转夹紧。数控机床刀架是由机床PLC来进行控制，对于普通的四工位刀架来说，控制比较简单，一般用于普通的车床。我们分析车床刀架的控制原理其实就是指刀架的整个换刀过程，刀架的换刀过程其实是通过PLC对控制刀架的所有I/O信号进行逻辑处理及计算。实现刀架的顺序控制。另外为了保证换刀能够正确进行，系统一般还要设置一些相应的系统参数来对换刀过程进行调整。下面我们分析PLC控制下的换刀过程。在分析之前，我们首先了解刀架 控制的电气部分。刀架电气控制部分如图所示。图中的a是刀架控制的强电部分，主要是控制刀架电机的正转和反转，来控制刀架的正转和反转；图b是刀架控制的交流控制回路，主要是控制两个交流接触器的导通和关闭来实现a中的强电控制；图c部分是刀架控制的继电器控制回路及PLC的输入及输出回路，整个过程的控制最终是由这个模块来完成的。 图a 强电回路 图b 接触器电路图c PLC的输入输出1、图中各元器件的名称序号字母名称1M电动机2PE接地线也就是零细线3QS4空气开关4KM5、KM6交流接触器5KA2、KA3支流继电器6RC阻容吸收装置7PMC计算机可编程控制器8HL2指示灯9SQ1SQ6微动开关2、图中各器件的作用如下：序号名称含义1M刀架电动机2QS4刀架电动机带过载保护的电源空开3KM5、KM6线圈刀架电动机正、反转控制交流接触器4KA4由急停控制的中间继电器5KA2、KA3刀架电动机正、反转控制中间继电器6SQ1SQ6刀位检测霍尔元件开关7PMC控制刀架系统8U61单相灭弧器9RC阻容吸收装置起到过载保护作用10KM5、KM6常闭对刀架正反转起到互锁作用11 KA2、KA3常开对刀架正反转起到起到自保作用12COM接地线3、自动刀架控制涉及到的I/O信号如下：PLC输入信号：X4.0X4.6：16号刀到位信号输入；PLC输出信号：Y0.1：刀架正转继电器控制输出；Y0.2：刀架反转继电器控制输出。第三章 霍尔元件3.1霍尔元件的工作原理所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。 利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为 UH=RHIB/d （1） RH=1/nq（金属） （2） 式中 RH霍尔系数： n载流子浓度或自由电子浓度； q电子电量； I通过的电流； B垂直于I的磁感应强度； d导体的厚度。 对于半导体和铁磁金属，霍尔系数表达式与式（2）不同，此处从略。 由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。 若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中，则在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度E成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH确定。 利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。 如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。霍尔元件应用霍尔效应的半导体。3.2霍尔元件的特性1、霍尔系数（又称霍尔常数）RH 在磁场不太强时，霍尔电势差UH与激励电流I和磁感应强度B的乘积成正比，与霍尔片的厚度成反比，即UH =RH*I*B/，式中的RH称为霍尔系数，它表示霍尔效应的强弱。 另RH=*即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。 2、霍尔灵敏度KH（又称霍尔乘积灵敏度） 霍尔灵敏度与霍尔系数成正比而与霍尔片的厚度成反比，即KH=RH/，它通常可以表征霍尔常数。3、霍尔额定激励电流 当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流称为额定激励电流。4、霍尔最大允许激励电流 以霍尔元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。5、霍尔输入电阻 霍尔激励电极间的电阻值称为输入电阻。 6、霍尔输出电阻霍尔输出电极间的电阻值称为输入电阻。 7、霍尔元件的电阻温度系数 在不施加磁场的条件下，环境温度每变化1时，电阻的相对变化率，用表示，单位为%/。 8、霍尔不等位电势（又称霍尔偏移零点） 在没有外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为不等位电势。 9、霍尔输出电压 在外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为霍尔输出电压。 10、霍尔电压输出比率霍尔不等位电势与霍尔输出电势的比率 11、霍尔寄生直流电势在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称寄生直流电势。 12、霍尔不等位电势 在没有外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，环境温度每变化1时，不等位电势的相对变化率。 13、霍尔电势温度系数 在外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，环境温度每变化1时，不等位电势的相对变化率。它同时也是霍尔系数的温度系数。14、热阻Rth 霍尔元件工作时功耗每增加1W，霍尔元件升高的温度值称为它的热阻，它反映了元件散热的难易程度，单位为： 摄氏度/w第四章 数控车床刀架的PLC控制4.1可编程逻辑控制器的概述4.1.1 可编程逻辑控制器（PLC）的作用数控机床的自动控制由CNC和PLC共同完成，其中CNC负责完成与数字运算和管理有关的功能，如编辑加工程序、插补运算、译码、位置伺服控制等；PLC负责完成与逻辑运算有关的各种动作。PLC接受CNC控制代码M（辅助功能）、S(主轴转速)、T（选刀、换刀）等顺序动作信息，对其进行译码后转换成相应的控制信号，驱动辅助装置完成一系列开关动作，如装夹工件、更换刀具和开关切削液等。PLC是一种专门应用于工业环境，以微处理器为基础的通用型自动控制装置，这种装置的主要作用是解决工业设备逻辑关系与开关量控制，故称为可编程逻辑控制器PLC（prammable logic controller）。在数控机床上使用PLC取代传统的继电器控制系统，使得数控机床的结构更加紧凑，功能更丰富，响应速度更快，工作更可能。4.1.2 可编程逻辑控制器（PLC）的类型应用于数控机床的PLC分两类，一类是内装型（或集成型）PLC，另一类是外装型(或独立型)PLC。（1）内装型PLC内装型PLC是CNC系统的生产厂家为实现数控机床顺序控制，而将CNC与PLC综合设计在一起的PLC，它是CNC系统的一个组成部分，只可专门用于某种CNC系统。PLC与CNC之间的信号传送在计算机数控系统内部即可实现。PLC与机床则通过I/O接口电路实现信号传送，其系统结构框如图。内装型PLC具有如下特点：图4-1 内装型PLCA 内装型PLC是CNC系统带有的一种基本功能。B 内装型PLC的性能指标是根据CNC系统的性能、规格等确定的，具有针对性强，技术指标较合理、实用等特点，实用于单台数控机床及加工中心等场合。C 内装型PLC可独立使用一个CPU，也可与CNC共用CNC。内装型PLC一般单独制成一块电路板，插装到CNC系统主机上，使用CNC本身的I/O接口完成输入输出功能。D 内装型PLC扩大了CNC系统内部直接处理数据的能力，可以使用梯形图进行编辑和传送复杂的控制功能。（2）外装型PLC 外装型PLC独立于CNC系统，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务的装置，其系统结构如下图所示：独立型PLC具有如下特点：图4-2 外装型PLCA 独立型PLC是通用型PLC，具有广泛的应用范围。B 独立型PLC一般采用模块化结构，装在插板式机笼内，具有安装方便、功能易于扩展和变更等优点。C 独立型PLC的I/O接口点数和规模可以通过I/O模块的增减灵活配置，有的独立型PLC还可以通过多个远程终端联接器构成由大量输入、输出点的网络，实现大范围的集中控制。4.1.3 可编程逻辑控制器（PLC）的组成数控机床的控制可分为两大部分：一部分是坐标轴运动的位置控制；另一部分是数控机床加工过程的顺序控制。在讨论PLC、CNC和机床各机械部件、机床辅助装置、强电回路之间的关系时，常把数控机床分为“NC侧”（数控系统侧）和“MT侧”（机床侧）两大部分。“NC侧”包括CNC系统的硬件和软件、与CNC系统连接的外部设备：“MT侧”包括机床机械部分及其液压、气压、冷却、润滑、排屑等辅助装置、机床操作面板、继电器线路和机床强电线路等。PLC处于CNC和MT之间，对NC侧和MT侧的输入、输出信号进行处理。MT侧顺序控制的最终对象随数控机床的类型、结构、辅助装置等不同而有很大差别。机床机构越复杂，辅助装置越多，最终受控对象也越多。一般来说，最终受控对象的数量和顺序控制程序的复杂程度从低到高依次为CNC车床、CNC铣床、加工中心、FMC、FMS。PLC在数控机床中有三种不同的配置方式。（1）PLC在机床一侧，代替了传统的继电器一接触器逻辑控制，PLC有(m+n)个输入/输出（I/O）点。（2）PLC在电气控制柜中，PLC有m个输入和输出（I/O）点（3）PLC在电气控制柜中，而输入和输出接口在机床一侧，这种配置方式使CNC与机床接口的电缆大为减少。4.2 数控车床刀架的PLC控制梯形图编程4.2.1 PLC编程的基本步骤及基本编程（1）控制系统开发开始，确定控制对象（机床、NC、PLC）、确定控制对动作的规格，算出输入、输出点数，估计控制规模。不同型号的PC具有不同的硬件组成和性能指标。他们的基本I/O点数和扩展范围、程序存储容量往往差别很大。因此，在进行PLC程序设计之前，要对所用PC的型号、硬件配置（是否需要附加I/O板等）作出选择。1）输入输出点输入点是与机床侧被控对象有关的按钮、开关、继电器和接触器触点等连接的输入信号接口，以及由机床侧直接连接到NC输入信号接口。输出点包括向机床侧继电器、指示灯等输出信号接口。设计者对被控对象的上述输入、输出信号要逐一确认，并分别计算出总的需要数量。选用的PC所具有的输入、输出点数应比计算出输入、输出点数稍多一些，以备可能追加和变更控制性能的需要。2）存储容量等其它指标程序规模虽机床的复杂程度变化，设计者要根据具体任务对程序规模作出估算，并据此确定合格的程序容量。所选择PC的处理时间，指令功能，定时器、计数器、内部继电器的技术规格、数量等指标也应满足要求。（2）制定接口规格，分配DI,DO,编制地址表。根据选定PC的接口技术规格，设计和编制相关技术文件：输入输出信号电路原理图，地址表，PC数据表。梯形图中所用到的所有内部和外部信号、信号地址、名称、传输方向，与功能指令有关的设定数据，与信号有关的电气元件等都反映在这些文件中。编制文件的设计员除需要掌握所用CNC装置和PC的技术性能外，还需要具备一定的电气设计知识。1）输入输出信号原理图与输入信号有关的器件名称、位置。如操作面板按钮、工作台行程限位开关、主轴准停传感器、电机热继电器等。输出信号执行元件（操作面板指示灯、中间继电器线圈等）名称、位置。输入和输出信号插座和插脚编号，或连接端子编号及其信号名称、在PC中的地址。输入和输出信号接线和工作电源。2）地址表输入信号地址表，MTPLC地址表。如X0000,X0002,X0004等均为输入信号的8位地址。少数输入信号的地址由CNC生产厂家定义，如急停输入信号EMS.M、进给轴零点返回减速信号XDEC.M、ZDEC.M等。其它地址的信号名称由设计者定义，信号名称一般用缩写英文字母表示。输出信号地址表，PLCMT地址表。如Y48,Y53,Y80等均为输出信号的8位地址，字节的每位对应一个输出信号接口，应附有该信号的连接器名称和插脚编号。所有输出信号名称由设计者定义，并用缩写英文字母表示。输入输出信号地址一经确定，信号所用连接器、插脚编号易随之确定。安装时，各信号线应按指定连接器和插脚连接。PLCCNC地址表。如G100.G111等8位地址。这些信号已由CNC厂家定义，名称和含义均已固定，用户不得增删和修改。CNCPLC地址表。如F148.F156等8位地址。这些信号已由CNC厂家定义，名称和含义均已固定，用户不得增删和修改。3）PC数据表如地址名称为R300、R699等，该存储区可全部用作内部继电器地址，也可由功能指令参数设定。可以任意将整个存储区域划分成用于定时器、计数器、保持继电器和数据表及内部继电器存储区。（3）编制梯形图。对一台特定的数控机床，只要能满足控制要要求，对梯形图的结构、规模并没有硬性的规定，设计员可以按思路和逻辑方案进行编程。但理想的梯形图程序除能满足机床的控制要求外，还应具有最少的步数、最短的处理时间和易于理解的逻辑关系。（4）顺序程序的输入、调试，如果有仿真器可在仿真器上对程序进行先期的调试。（5）系统运行（RAM）。4.2.2数控车床刀架PLC控制梯形图序号地址地址相应地作用1X4.0X4.5刀架转动刀位对应的输入信号2X8.4急停输入信号3X5.4循环启动输入信号4F7.0辅助功能M的选通信号5F7.2主轴转速S的选通信号6F7.3刀具功能T的选通信号7R指令内部继电器8Y0.4刀架正转9Y0.5刀架反转10G5.0辅助功能M结束信号11G5.2S功能完成应答结束信号12G5.3T功能完成应答结束信号13G8.4急停输出信号14G4.3无论S、T、M完成应答，都会结束信号15G7.2循环启动输出信号16TMRB定时器17第五章 数控车床刀架故障与诊断经济型数控车床一般都配有自动回转刀架，它是根据微机数控系统改造传统机床设备的需要，同时兼顾刀架在机床上能够独立控制的需要而设计的。现有自动回转刀架，其结构主要有插销式和端齿盘式。由于刀架生产厂家无统一标准，因此，其结构、尺寸各异。而无论是哪一类刀架，要使其正常工作，均涉及到机械、电气、控制系统等多方面的稳定、可靠工作。一旦出现某种故障现象，则可能是机械原因，也可能是电气、控制系统方面的原因。因此，应根据不同故障类型，找准原因，准确迅速确定故障点，方能及时排除故障。 现以目前使用较多的端齿盘式四工位自动刀架可能出现的各种故障现象加以分析，确定其排除方法。其它类型的刀架，虽其结构、尺寸、元器件类型号各有差异，但故障原因大多雷同，也可参照此法加以排除。5.1故障分析刀故障现象一：刀架不能启动 (1).机械方面的原因 . 刀架预紧力过大。当用六角扳手插入蜗杆端部旋转时不易转动，而用力时，可以转动，但下次夹紧后刀架仍不能启动。此种现象出现，可确定刀架不能启动的原因是预紧力过大，可通过调小刀架电机夹紧电流排除之。 . 刀架内部机械卡死。当从蜗杆端部转动蜗杆时，顺时针方向转不动，其原因是机械卡死。首先，检查夹紧装置反靠定位销是否在反靠棘轮槽内，若在，则需将反靠棘轮与螺杆连接销孔回转一个角度重新打孔连接；其次，检查主轴螺母是否锁死，如螺母锁死，应重新调整；再次，由于润滑不良造成旋转件研死，此时，应拆开，观察实际情况，加以润滑处理。 (2).电气方面的原因 . 电源不通、电机不转。检查溶芯是否完好、电源开关是否良好接通、开关位置是否正确。当用万用表测量电容时，电压值是否在规定范围内，可通过更换保险、调整开关位置、使接通部位接触良好等相应措施来排除。除此以外，电源不通的原因还可考虑刀架至控制器断线、刀架内部断线、电刷式霍尔元件位置变化导致不能正常通断等情况。 .变频器的正转输入端子和反转输入端子断线。. 手动换刀正常、机控不换刀，应重点检查微机与刀架控制器引线、微机I/O接口及刀架到位回答信号。.梯形图中正转输出信号Y0.0和反转输出信号Y0.1在输入有信号的情况下，输出为低电平，导致对应的继电器无输出。故障现象二：电动刀架某一位刀号转不停，其余刀位可以转动 故障原因处理方法 此位刀的霍尔元件损坏:确认是哪个刀位使刀架转不停，在系统上输入指令转动该刀位，用万用表量该刀位信号触点对 24V触点是否有电压变化，若无变化，可判定为该位刀霍尔元件损坏，更换发信盘或霍尔元件。 此刀位信号线断路，造成系统无法检测到位信号:检查该刀位信号与系统的连线是否存在断路，正确连接即可。 系统的刀位信号接收电路有问题:当确定该刀位霍尔元件没问题，以及该刀位信号与系统的连线也没问题的情况下更换主板。故障现象三：刀架连续运转、到位不停 由于刀架能够连续运转，所以，机械方面出现故障的可能性较小，主要从电气方面检查：检查刀架到位信号是否发出，若没有到位信号，则是发讯盘故障。可检查：发讯盘弹性触头是否磨坏、发讯盘地线是否断路或接触不良或漏接。此时需要更换弹性片触头或重修，针对其线路中的继电器接触情况、到位开关接触情况、线路连接情况相应地进行线路故障排除。当仅出现某号刀不能定位时，则是由于该号刀位线断路所至。 故障现象四：电动刀架锁不紧 故障原因处理方法 发信盘位置没对正:拆开刀架的顶盖，旋动并调整发信盘位置，使刀架的霍尔元件对准磁钢，使刀位停在准确位置。 系统反锁时间不够长:调整系统反锁时间参数即可（新刀架反锁时间t1.2s即可）。 机械锁紧机构故障:拆开刀架，调整机械，并检查定位销是否折断。故障现象五：刀架越位过冲或转不到位 刀架越位过冲故障的机械原因可能性较大。主要是后靠装置不起征作用。首先检查后靠定位销是否灵活，弹簧是否疲劳。此时应修复定位销使其灵活或更换弹簧。其次，检查后靠棘轮与蜗杆连接是否断开，若断开，需更换连接销。若仍出现过冲现象，则可能是由于刀具太长过重，应更换弹性模量稍大的定位销弹簧。出现刀架运转不到位(有时中途位置突然停留)，主要是由于发讯盘触点与弹性片触点错位，即刀位信号胶木盘位置固定偏移所至。此时，应重新调整发讯盘与弹性片触头位置并固定牢靠。若仍不能排除故障，则可能是发讯盘夹紧螺母松动，造成位置移动。 故障现象六：输入刀号能转动刀架，直接按换刀键刀架不能转动。故障原因及处理方法： 霍尔元件偏离磁块，置于磁块前面，手动键换刀时，刀架刚一转动就检测到刀架到位信号，然后马上反转刀架；检查刀架发信盘上的霍尔元件是否偏离位置，调整发信盘位置使霍尔元件对正磁块。手动换刀键失灵；更换手动换刀键。故障现象七：刀架有时转不动（加工只是偶尔出现）故障原因及处理方法：刀架的控制信号受干扰；系统接地，特别注意变频器的接地，在交流接触器的线圈上接入抗干扰电容。刀架内部机械故障，造成的偶尔卡死 ；维修刀架，调整机械。5.2刀架故障维护实例1.沈阳SK630数控车床刀架故障的维护。故障现象：换刀时，刀架转几周后才能换到所需的刀号位置。加工时刀架一边换刀，一边按程序编的轨迹运动。故障检测与分析：沈阳第三机床厂生产的SK630型数控车床，系两坐标连续控制万能型CNC车床，其控制系统为FANUC-5T系统，刀架采用继电器逻辑控制，电动换刀和行程编码。由于继电器逻辑控制方式可靠性差，易出故障。由数控柜发出的信号经由PLC来控制刀架电动机，因此，引起刀架失控的原因可能有以下几个方面：（1）CNC通过PLC发出误动作信号，CNC来的信号通过PLC内部运算后，由输出端输出控制中间继电器，再由中间继电器控制接触器来控制刀架电动机，用PC编程机观察可编程控制器PLC的输入/输出点均正常说明CNC并没有发出信号。（2）PLC程序有误。用同（1）的方法检查对照PLC梯形图，反复观察PLC的输入/输出信号均为正常，说明PLC程序无误。（3）用万用表测量刀架电动机在执行换刀程序时，PLC的输出电压，发现此时电压值正常，但换刀电压保持时间过长，使刀架不停的旋转。这可能是中间继电器有问题，换上备用继电器后，试车发现故障仍然存在。（4）打开刀架体后盖，反复观察刀架运动，某处由于冷却水透过，有生锈现象。用万用表测量发现常开触点时断时闭，则换上新的元器件第一故障排除，第二故障仍旧。（5）观察刀架的夹紧动作，发现刀架在反转夹紧过程中，将某处压的过紧，经测量发现开关弹簧已压坏，其常开触点变为常闭触点。在此情况下，无论刀架是转位还是夹紧符