数控刀架系统原理和维修毕业论文.doc

淮安信息职业技术学院 230911 王兆敏数控刀架系统原理和维修毕业论文摘要1Abstract2第一章 绪论51.1 数控机床的简介51.1.1 数控机床的产生51.1.2 数控机床的特点51.2 数控机床的控制原理和结构61.2.1 数控机床的控制原理61.2.2数控机床控制系统61.2.3数控机床的结构71.3数控机床的分类81.3.1按工艺用途分类81.3.2按运动方式分类91.3.3按控制方式分类91.3.4按数控装置分类91.4刀架的有关概况101.4.1刀架的产生101.4.2刀架基本结构101.4.3刀架的分类111.4.4刀架的几种典型结构111.4.5数控刀架的最新发展趋势12第二章 回转刀架的结构设计142.1回转刀架总体方案选择142.1.1刀架结构选择142.2刀架原理简介142.3回转刀架电气控制装置152.3.1电气控制系统的基本功能152.3.2刀架电气控制系统16第三章 霍尔元件203.1霍尔元件的工作原理203.2霍尔元件的特性213.3数控车床刀架中霍尔元件工作原理22第四章 数控车床刀架的PLC控制234.1可编程逻辑控制器的概述234.1.1 可编程逻辑控制器（PLC）的作用234.1.2 可编程逻辑控制器（PLC）的类型234.1.3 可编程逻辑控制器（PLC）的组成244.2 数控车床刀架的PLC控制梯形图编程254.2.1 PLC编程的基本步骤及基本编程254.2.2数控车床刀架PLC控制梯形图27第五章 改进的刀架29第六章 数控车床刀架故障与诊断316.1故障分析316.2刀架故障实例分析32参考文献35致谢信3634淮安信息职业技术学院 230911 王兆敏第一章 绪论1.1 数控机床的简介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(1)具有高度柔性：在数控机床上加工零件，主要取决于加工程序，它与普通机床不同，不必制造、更换许多工具、夹具，不需要经常调整机床。因此，数控机床适用于零件频繁更换的场合。也就是适合单件、小批生产及新产品的开发，缩短了生产准备周期，节省了大量工艺设备的费用。(2)加工精度高：数控机床的加工精度，一般可达到0.0050.1mm，数控机床是按数字信号形式控制的，数控装置每输出一个脉冲信号，则机床移动部件移动一个脉冲当量（一般为0.001mm），而且机床进给传动链的反向间隙与丝杠螺距平均误差可由数控装置进行补偿，因此，数控机床定位精度比较高。(3)加工质量稳定、可靠：加工同一批零件，在同一机床，在相同加工条件下，使用相同刀具和加工程序，刀具的走刀轨迹完全相同，零件的一致性好，质量稳定。(4)生产率高：数控机床可有效地减少零件的加工时间和辅助时间，数控机床的主轴转速和进给量的范围大，允许机床进行大切削量的强力切削，数控机床目前正进入高速加工时代，数控机床移动部件的快速移动和定位及高速切削加工，减少了半成品的工序间周转时间，提高了生产效率。(5)改善劳动条件：数控机床加工前经调整好后，输入程序并启动，机床就能自动连续的进行加工，直至加工结束。操作者主要是程序的输入、编辑、装卸零件、刀具准备、加工状态的观测，零件的检验等工作，劳动强度极大降低，机床操作者的劳动趋于智力型工作。另外，机床一般是封闭式加工，即清洁，又安全。(6)利于生产管理现代化：数控机床的加工，可预先精确估计加工时间，所使用的刀具、夹具可进行规范化、现代化管理。数控机床使用数字信号与标准代码为控制信息，易于实现加工信息的标准化，目前已与计算机辅助设计与制造（cad/cam）有机地结合起来，是现代集成制造技术的基础。1.2 数控机床的控制原理和结构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数控机床控制系统（1）数控装置（CNC）；（2）进给伺服系统；（3）主轴伺服系统；（4）机床强电控制系统。图1-1 数控机床电气控制系统组成图1.2.3数控机床的结构(1)控制介质数控机床工作时必须编制加工程序，而加工程序需存储在控制介质上， 常用的控制介质有穿孔带、磁带和磁盘等。(2)输入装置输入装置的作用是将控制介质上的数控代码传递并存入数控系统内。输入装置根据控制介质的不同分为光电阅读机、磁带机和软盘驱动器。（3）数控装置数控装置是数控机床的中枢。数控装置从内部存储器中取出或接收输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。（4）驱动装置和检测装置驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构。执行机构大都采用直流或交流伺服电动机。驱动装置接收来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床的移动部件，以加工出符合图样要求的零件。检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控中。数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按指令值运动。（5）辅助控制装置辅助控制装置包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启停，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。 辅助控制装置普遍使用PLC。（6）机床本体 数控机床的机床本体与传统机床相似，只是在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面发生了很大的变化。控制介质输入装置数控装置机床驱动装置辅助控制装置检测装置图1-2 数控机床的基本结构图1.3数控机床的分类目前，数控机床品种已经基本齐全，规格繁多，据不完全统计已有400多个品种规格。可以按照多种原则来进行分类。但归纳起来，常见的是以下4种方法来分类的。1.3.1按工艺用途分类1一般数控机床这类机床和传统的通用机床种类一样，有数控的车、铣、镗、钻、磨床等等，而且每一种又有很多品种，例如数控铣床中就有立铣、卧铣、工具铣、龙门铣等。这类机床的工艺可能性和通用机床相似，所不同的是它能加工复杂形状的零件。2数控加工中心机床这类机床是在一般数控机床的基础上发展起来的。它是在一般数控机床上加装一个刀库（可容纳10100多把刀具）和自动换刀装置而构成的一种带自动换刀装置的数控机床（又称多工序数控机床或镗铣类加工中心，习惯上简称为加工中心Machining Center），这使数控机床更进一步地向自动化和高效化方向发展。3多坐标数控机床有些复杂形状的零件，用三坐标的数控机床还是无法加工，如螺旋桨、飞机曲面零件的加工等，需要三个以上坐标的合成运动才能加工出所需形状。于是出现了多坐标的数控机床，其特点是数控装置的轴数较多，机床结构也比较复杂，其坐标轴数通常取决于加工零件的工艺要求。1.3.2按运动方式分类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。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。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。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。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。1.3.4按数控装置分类1硬线控制（又称普通数控，即NC）这类数控系统的输入、插补运算、控制等功能均由集成电路或分立元件等实现。一般来说，数控机床不同，其控制电路也不同，因此系统的通用性较差，因其全部有硬件组成，所以功能和灵活性也较差。这类系统在70年代以前应用得比较广泛。2软线控制（又称计算机数控或微机数控，即CNC或MNC）这类系统利用中、大规模及超大规模集成电路组成CNC装置，或用微机与专用集成芯片组成，其主要的数控功能几乎全由软件来实现，对于不同的数控机床，只须编制不同的软件就可以实现，而硬件几乎可以通用。因而灵活性和适应性强，也便于批量生产，模块化的软、硬件，提高了系统的质量和可靠性。所以，现代数控机床都采用CNC装置。1.4刀架的有关概况1.4.1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来好处。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。1.4.2刀架基本结构数控刀架作为数控车床的动作执行部件，其基本结构：（1） 驱动装置 主要有电机、液压电动机、齿轮、齿条。（2） 分度装置 通过机械液压传动结构到所需工位间的转动。结构主要分为间歇分度结构和连续分度机构。快速换刀一般选用双向旋转的连续分度机构。（3） 预定位装置 到达所需的工位后，停止分度运动，以便于齿盘正确啮合。伺服电机驱动刀架，利用伺服电机编码器作为预定位。（4） 松开、刹紧装置 齿盘副的松开刹紧。为了完成快速杀紧和得到的杀紧力，松开和刹紧一般选用液压和机械等来实现松开和刹紧。（5） 精定位装置 刀具在切削时需要很高的刚性和定位精度，因此刀架都选用齿盘副做的精度定位元件。（6） 发信装置 包括工位信号（编码器）和动作控制信号。（7） 装刀装置 包括刀盘、刀夹及夹刀装置。目前刀盘有2种模式：欧式VDI、日式槽刀盘。德国标准VDI刀盘DIN69880和DIN69881标准。（8） 数控刀架换刀动作 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预定位齿盘锁紧精定位系统确认后工件切削。为满足不同工件的加工要求，数控刀架分为4、6、8、10、12工位，形式为立式和卧式。1.4.3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。1.4.4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）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。1.4.5数控刀架的最新发展趋势1主机技术向高速、复合方向发展，从而使数控刀架技术也向高速化、复合方向发展。主要表现在：高速化 开放式伺服电机及驱动技术的发展，使伺服电机驱动刀架技术发展成为现实。伺服电机替代了预定位装置，简化了刀架结构，松开、刹紧采用液压。伺服刀架提高了换刀速度。复合化 车削中心的出现，使刀架技术向复合化更高层次发展。带铣削功能的动力刀架，一般采用普通刀架外加伺服主轴电机驱动动力刀具，刀盘采用VDI刀盘，钻铣主轴最高转速可达1200r/min，功率22kw。近两年出现与B轴、Y轴联动带铣削头刀架，从而使机床达到五轴联动。Y轴行程可达到正负45mm，B轴上刀架可转135度负45度。2新品刀架最新技术发展状况做为数控刀架国内较高技术的专业生产厂，烟台环球机床附件集团有限公司及时跟踪国外最新技术发展动态，在2003年北京CMT2003发展会上成功推出AK36100X12高速换刀伺服刀架和采用模块设计带铣削功能AK3380X8L动力刀架，填补国内空白。(1)AK3600X12伺服刀架向高速化迈进其特点是以伺服电机进行分度，液压控制松开、刹紧三联齿盘定位、可双向，回转和任意刀位就进选刀，适应与各种数控系统连接，转位时间可调，30度最快转位时间0.15s，中心高100mm，重复定位精度正负2分，伺服电机功率500w。工作原理 系统发出指令夹紧电磁阀失电，松开电磁阀通电齿盘松开确认旋转方向刀架旋转分度到达目标工位并发信号给系统夹紧电磁阀通电，松开电磁阀失电齿盘锁紧精定位确定锁紧信号系统确认工件切削。刀盘 可采用VDI刀盘和槽式刀盘。制约因素 伺服电机及驱动模块需进口，价位高，较难实现商品化。(2)AK3380X8L动力刀架向复合化方向发展。采用模块化设计。分为换刀模块和伺服主轴电机驱动动力两个模块，换刀模块用AK3180X8A，动力模块伺服电机侧置，采用大齿圆传动，动力刀具在工作位置由电磁铁控制啮合，动力刀具最高转速3000r/min，输入扭矩6n m，中心高80mm，重复定位精度正负2分，可实现双向旋转就近换刀。工作原理 换刀动作结束如需动力刀具工作动力电磁通电离合器啮合到位检测动力刀具工作至结束动力电磁断电离合器脱离工作结束。刀盘采用VDI刀盘 刀夹采用德国标准DIN69880，动力刀夹有径向、轴向、偏置等形式以满足不同的加工要求。第二章 回转刀架的结构设计2.1回转刀架总体方案选择2.1.1刀架结构选择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，能装夹四把不同功能的刀具，方刀架回转90度时，刀具交换一个到位，但方刀架的回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制。换刀时方刀架的动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、刀架定位和夹紧刀架。为完成上述动作要求，要有相应的机构来实现，下面就以WZD4型刀架为例说明其具体结构，如图2-1所示。2.2刀架原理简介该装配图为螺旋升降式四方回转刀架，其工作原理见图：图2-1 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-粗定位图2-1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。2.3回转刀架电气控制装置2.3.1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。2.3.2刀架电气控制系统电动刀架为四工位，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 强电电路 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9SQ1SQ4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6SQ1SQ4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11KA2、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：X4.0X4.3：14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。FT39FJ12FFT17FT19FT37图3-1 霍尔元件家族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出电阻。 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、霍尔不等位电势率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/w3.3数控车床刀架中霍尔元件工作原理 图3-2数控车床刀架上1#4#霍尔元件来检测刀位。霍尔元件有3个接口，1、3接电源，2输出。当磁场（一般是永久磁钢）靠近霍尔元件时，2输出高电平；而没有磁场靠近时，2输出低电平。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CPU。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1X4.0X4.3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10G8.4急停输出信号11G7.2循环启动输出信号12TMRB定时器13第五章 改进的刀架当今市场竞争激烈，产品淘汰十分普偏，要想在市场有一席之地，那产品就必须先进。所以对未来刀架的研发，我认为节约加工的时间方面有很大空间发展。 改进的刀架是：换刀时刀架的旋转不是固定先抬起、再正转、再定位、再反转夹紧。而是它先识别要换的刀位号，是正转先到达还是反转先到达。然后选时间最短的方向快速定位。例如：一号刀位现在要换成四号到位。那它要以前要依次通过二号刀位，三号刀位，最后到四号到位这大大浪费时间。改进的刀架只要反转一下就刀位了。这大大节约了时间。设计思路： X0004当前刀位编码器。F0026NC译码，指令中刀具号存入F0026。R0102将指令刀具号高位屏蔽后结果的输出地址。R120.3到达目标刀位标志。R0551计算目标刀位的前一相邻位置的结果输出地址。假设在加工过程中，刀架现在是1号刀位，现在需要换4号位的刀。CNC执行包含更换4号刀位的T4代码程序段，CNC在执行程序段同时，还使由NC输出至PMC德TF信号（T功能选通信号）为“1”。因为目标刀位号是4号刀位，故F0026的状态为“0000100”。本例中刀架只有四个刀位，对应的二进制数为100，F0026中的高五位应该全是0，执行“MOVE”逻辑乘数据传送指令，将F0026中刀具号的高五位屏蔽，结果输出R0102中。 执行第一个“COIN”一致性检测指令，R0102中存有刀具目标地址，X0004是由机床刀架霍尔元件输出的以二位BCD信号表示的刀具当前位置。若R0102和X0004中的二位BCD值不相符合，则输出TCOIN为“0” 执行“ROT”旋转控制指令，在ROT参数中，4为刀架定位地址（即刀库容量）、R0102为目标位置地址、X0004为当前刀位信、R551为目标刀位位置的前一相邻刀位地址、根据控制条件的设定，ROT指令自动叛变旋转方向（即选择最短的路径），当要转的刀位在中间时，会自动选择正转方向。本例中，将输出REV为“1”，使刀架反转。执行第二个“COIN”一致性检测指令，由于R551中的二位BCD码（数值1）与X0004中二位BCD（数值1）相符合，故输出MDEC为“1”。因REV为“1”， TCOIN为“0”，而CWM为“0”，而CCWM信号为“1”，输出反向旋转信号，使刀架反向旋转。4号刀位沿最短路径趋近换刀。在到达目标位置的前一相邻位置时，X0004的状态为“00000001”，于是第二个COIN指令中的X0004与R551的数据相符合，输出MDEC“1”， MDECM信号输出，刀架减速，当到达目标位置时，第1个COIN指令中X0004与R0102的数据相符合，TCOIN为“1”， CCWM信号停止输出，刀架停止旋转，4号刀位定位于换刀位置，准备夹紧。TCOIN为“1”的同时，TFIN（T功能完成信号）为“1”使PMC输出至CNC的FIN信号为“1”，CNC侧的TF信号变为“0”状态，F0026的状态变为“00000000”。各功能指令因控制条件ATC=0而停止。第六章 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