毕业设计 6刀自动刀架系统设计.doc

摘 要摘 要数控车床将向中高档发展，对数控刀架需求量将大大增加。随着数控车床的发展，数控刀架也向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。本课题主要对六刀位自动刀架的机械结构和控制系统进行设计。通过对多种方案的分析确定出了免抬式自动刀架的设计方案。按照设计规范对结构进行了分析与设计计算。同时用ProE对机械结构部分进行三维实体建模,验证结构较合理。利用PLC、位置传感器进行了系统软、硬件设计，较好地实现了换刀控制要求。本文所设计的免抬式6刀位自动刀架，结构简单，换刀快速，可成为一个独立的单元，既可用于普通机床以减少辅助换刀时间，又适用于经济型数控机床，改善刀架结构。关键词 免抬式自动刀架，传感器，三维实体建模，PLCI ABSTRACTABSTRACTNumerical Control lathe will be the middle and senior grade development in the future.It is estimated that the demand for NC tool carrier will be much greater. NC tool start to the rapid tool change, electro-hydraulic servo drive and portfolio-driven direction with the development of NC lathes. The mechanical structure and the control system of six Automatic Tool lift are designed in this thesis. Analyzing many plans, It be gotten that the blue print of the Automatic Tool Lift. And then,The structure be analyzed and calculated. At the same time, the ProE is used for the 3D solid modeling of mechanical structure, which shows the structure of the tool lift is reasonable. That PLC and sensors is applicated in the design of the soft and hard components of the tool lift .It makes the control of tool change more efficient.Automatic Tool Lift in this thesis, with its simple structure and rapid auxiliary tool change (ATC), will become an independent unit which can be used not only on general machine tools to reduce ATC time, but also on economic NC machine tools to improve the structure Tool.Key words Automatic Tool lift, Sensors ，3D Solid Modeling, PLC 目 录目 录摘 要ABSTRACT1 绪论1 1.1 国内外研究现状1 1.2 总体设计12 自动刀架系统机械部分设计2 2.1 刀架结构方案的确定2 2.1.1刀架体设计2 2.1.2 传动方案设计2 2.1.3 定位方案的确定32.2 主要零件部件设计计算3 2.2.1 刀具受力计算3 2.2.2 刀架体设计计算4 2.2.3 端齿盘主要参数的设计计算5 2.2.4 压缩弹簧设计9 2.2.5 蜗杆蜗轮设计112.2.6 螺杆、螺套设计及验算14 2.3 电机的选择16 2.4 联轴器结构选择16 2.5 润滑与密封163 自动刀架控制部分设计18 3.1 控制系统分析18 3.1.1 控制方案设计18 3.1.2 PLC的分类18 3.1.3 PLC的特点及主要功能19 3.1.4 自动换刀控制系统要求21 3.2 控制元件的选择21 3.2.1 接近开关的类别21 3.2.2 接近开关的选择22 3.3 PLC选型23 3.3.1 分析控制系统所需要的I/O接点数23 3.3.2 PLC外接电器元件选择23 3.4 系统控制元件列表24 3.5 PLC的I/O地址的分配25 3.6 PLC外围接线图254 控制系统PLC程序设计274.1 系统流程图的设计274.2 PLC程序设计27 4.2.1 程序结构设计27 4.2.2 自动换刀程序设计28 4.2.3 手动换刀程序31 4.2.4 数据传送程序的设计334.3 程序的调试34结 论35参考文献36致 谢37 1 绪论1 绪论1.1 国内外研究现状从自动换刀系统发展的历史来看，1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制装置)。1958年美国K&T公司研制出带ATC(自动刀具交换装置)的加工中心。1967年出现FMS(柔性制造系统)。1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。1983年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响机床的加工性能。刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的成本造价产生直接影响。我们应该使数控机床工作性能有所提高，而且使其总体造价大幅度下降。低造价高性能的数控机床将会被中小厂广泛接收。数控车床今后将向中高当发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，预计近年来对数控刀架需求量将大大增加。数控刀架的发展趋势是：随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。 1.2 总体设计刀架是机床上的重要附件，主要是完成零件加工过程中的换刀过程。根据刀架所用的对象，即机床，以及其要完成的功能。刀架的设计应包括以下内容：一、刀具安装方案设计，即刀具在刀座上的布置形式，我们必须考虑刀架结构的简单，又要兼顾其安装拆卸的方便。二、传动方案设计，即是采用何种方式实现刀架的转位，精确可靠的刀架转位的实现才能使整个设计有意义。三、检测定位方案设计，刀具能否准确定位是整个设计中非常重要的一步，所以必须要参考分析多种设计方案，以确定最佳方案。四、控制方案设计，这一部分主要考虑控制元件的选择。最后，还可兼顾考虑一下外观的视察享受，即人机关系。 36 2 自动刀架系统机械部分设计2 自动刀架系统机械部分设计2.1 刀架结构方案的确定2.1.1 刀架体设计对于六刀自动刀架的设计1我们可以设计成刀具径向布置和周向布置两种形式，如图2.1。图2.1 刀架体由图示可知,径向布置的刀架安装不方便,而且从径向安装刀具也不方便观察刀具的位置及进行调整,对于同样径向尺寸的刀架体,周向布置可以装夹较长刀杆的刀具。因此我选择周向的,用正六边形的样式,方便安装也便于设计计算。2.1.2 传动方案设计电动回转刀架一般由刀盘、分度定位机构、夹紧机构及刀夹等组成，实现刀架的伸出（抬起）和复位动作的机构主要有以下几种结构：1.螺旋槽结构,2.丝杆螺母结构,3.圆柱凸轮结构和马氏轮分度机构,4.端面凸轮结构。螺旋槽结构实际上就是圆柱凸轮形式，它由电动机通过减速带动固定在刀架体上的圆柱销，在刀架心轴的螺旋酮内作上升运动，迫使刀架抬起，然后转位，到达指令刀位后，由电机反转实现刀架落下压紧，结构简单，但由于切削过和中会产生振动，容易使圆柱销松动，刚性差，同时圆柱销容易磨损和弯曲，故这种结构用于是小型的四方刀架较多。丝杆螺母结构是通过电机减速后驱动丝杆旋转，带动固定在刀架体上的螺母作升降而达到刀架的抬起和压紧，结构简单，但容易产生丝杆和螺母锁住现象，而不能准确地实现抬刀和压紧，圆柱凸轮和马氏轮分度结构是通过减速使凸轮带动拨快,迫使主轴左移伸出,齿牙盘脱开,然后利用凸轮上一段无程曲线,由马氏轮分度。当刀架转过一个工位后，凸轮又带动拨块，迫使主轴右移，压紧齿牙盘，这种结构动作可靠，不会产生由机械原因而误动作，但是只能实现单步分度，每次转位都要重复抬刀、转位、复位压紧的过程，当所选刀位与现处刀位数相差较大时，难以实现按最短路径逻辑选刀，刀架转位时间长，机械磨损大，而且当马氏轮设计参数不合理时，容易产生刚性冲击，影响使用寿命。端面凸轮结构是由电机通过刀架体上的端面凸轮升程,使刀架实现抬起(或伸出)动作,这种结构刚性好,可靠性好,使用比较广泛。2.1.3 定位方案的确定 自动刀架系统换刀过程包括：刀架抬起刀架转位刀架压紧。在刀架转位的过程中，必需要有对定位元件对其位置进行控制，在本设计中选用霍尔接近开关来检测当前刀架位置，经控制软件对机电的起停进行控制实现初定位。但是由于环境因素的影响，这种定位是不够准确的，所以在刀架到位后，用端齿盘进行精定位。2.2 主要零部件设计计算刀架具体尺寸的确定需要选定机床后再确定所需的参数,机床的主要参数如下。4机床型号：CA6140主轴转速：正转24级：101400r/min 反转12级：141580r/min主电动机：7.5KW、1450r/min机床中心高：205mm最大工件回转直径：400mm2.2.1 刀具受力计算由切削力的计算公式：查资料7式中的系数与机床的切削条件和工件、刀具的材料有关。刀具材料选用YT15，工件材料用碳素结构钢，查得式中的系数并带入公式中，其中、由刀具参数确定。刀具几何参数为：主偏角kr=60,刀具前角o=10,刃倾角=-5。 由刀具参数,查得切削力的修正系数并代入求得：=0.750.941.01.0=0.705=1.350.771.01.25 =1.299=1.01.111.00.85=1.887根据切削条件及查得的参数代入式中求得：=6130.155=1926.97=1558.302.2.2 刀架体设计计算刀杆尺寸选择查资料可得到车刀通用尺寸如下表。表2.1 车刀通用尺寸h8101216202532长607080100125150170短4050607080100125本设计中选用方刀杆车刀，其参数选择以下数据。车刀刀杆尺寸：2020长刀杆：125短刀杆：80刀夹槽设计刀架体主要是用来装夹刀具并带动刀具实现切削过程中的进给运动。刀架体刀夹槽的尺寸不仅要参照刀杆的尺寸，还要考虑到便于装夹、拆卸和使用过程中的正常磨损带来的尺寸变化。所以刀夹槽的尺寸为：3025。刀架体强度校核3刀架体的材料为铸铁，其中刀杆伸出长度=(11.5)H,取30。刀架的受力如图2.2。图2.2 刀架受力图根据理论力学的知识，除去一些特殊的力以外，通常零件的实际受力都可以进行简化，而对于如图所示的均布载荷，可以将力集中到均布载荷的1/3处，所以q1，q2可以简化为图示中的F1，F2。而对于刀架上刀具的受力，只需要验证长刀杆处的强度是否足够，只要长刀杆处能够满足，短刀杆处一定满足。长刀杆受力计算：FZZ=F11将FZ、 Z、1的值式入式中得：3065.0 8(30+95-95/6)= F1(95-95/3) F1=5283.23NF2= F1- FZ=2218.15F1=q1根据计算刀座上线性分布的载荷如下：q1=（22218.152）/95=222.45n/mm根据计算刀座强度，由刀座的尺寸及受力可知刀座的下部是危险截面，所以只需对下部进行强度校核。由于在进行受力分析的时候只考虑了切削力，所以受力分析不够准确，为此在计算刀座强度时取一安全系数。强度计算如下：=1.2222.4510-3/(20110-3)=13.35MPa查资料3可得铸铁的许用应用=260 MPa，刀具强度符合要求刀架体的总体尺寸由安装在刀架上的零件决定。2.2.3 端齿盘主要参数的设计计算端齿盘又称为鼠牙盘，是具有自动定心功能的精密分度定位元件，广泛应用于加工中心、柔性单元、数控机床、组合机床、多工位定位机构以及其它需要精密分度的各种设备上。端齿盘的齿形有直齿和弧齿两呼种，直齿端齿盘由于加式方便、定位精度及重复定位精度高而受欢迎。本设计中选用齿形为三角形的直齿端齿盘进行设计11：齿数Z的确定根据刀架的定位要求，即需要的强度和精度来确定，暂取=60后面对其进行验算。Z=360/Z=60端齿盘外径主要由设计结构所允许的空间范围来确定。在结构允许的情况下，外径越大，分度或定位机构的稳定性越好。根据刀盘和主轴的尺寸确定外径d=170mm。端齿盘齿形角选取时应考虑作用在端齿盘上的负荷力矩及锁紧力的大小，如图2.3所示。将作用于齿盘上每齿的切向外力和轴向锁紧力沿着齿面方向进行分解，如图2.4所示，应满足以下条件：图2.3 端齿盘受力图 图2.4 齿面上的切向外力和轴向锁紧力而：则不等式变为：即：。最后得到：从式（2）可以说明，在外载不变时，齿形角越小，所需自锁力越小，即自变锁性越强，但齿相应深，齿厚变小；齿形角越大，需要的锁紧力也越大，即承受外转矩的能力下降，但齿高变低，端齿啮合的高度下降，结构紧凑；同时也说明了加大外径有利于提高端盘的承载能力。在选取时齿形角时，应综合考虑作用在端齿盘上的负荷及锁紧力的大小，同时受齿形加工刀具的限制，现已标准化，通常取、等。本设计取齿形角。则，取=2100。齿根角（啮合斜角）为了保证在齿宽方向上的啮合质量,加工端齿时必须调整分度盘回转中心线和工作台面倾斜角,即齿根或啮合斜角 (如图2.5),以保证齿盘大端和小端的齿厚与齿槽宽度相等。图2.5 端齿盘剖视图 图2.6 单齿俯视示意 图2.7 单齿周向展开示意图由式（1）得在图2.6的直角三角形中，则，在图2.7的直角三角形中，则，在图2.8的直角三角形中，将代入此式得：图2.8 齿面面啮合剖面示意图式（3）即为齿根角的计算公式。所以： 最大齿距（周节）和最大齿厚齿厚沿着径向向中心逐渐缩小，在沿圆周展开方向上（如图9所示），根据圆周计算公式，最大齿距（周节）和最大齿厚分别为： 图2.9 沿周向展开的齿面三角形=8.378B=t/2=4.189齿顶高及啮合高度齿顶高就是啮合平面到齿顶的最大距离，在如图9所示的由齿廓展开图形成的直角三角形中，而齿顶高通常取三角形高度的，即，得到齿顶高的计算公式为：上下端齿的啮合高度为，端齿在旋转时的脱齿高度应大于啮合高度，则取螺母轴向移动的距离为。齿宽（径向）因所有的端齿同时啮合，故一般不必通过增加齿形的径向宽度(如图2.5)来增加强度，一般根据经验选取，通常取：F=2t3t=16.75525.132，取F=17mm齿底槽宽和齿顶宽为了保证齿盘工作时各个端齿能很好的啮合，常在齿底加工一定宽度和深度的槽，即齿底槽，并将齿顶做成一定宽度的小平面，如图9所示。齿底槽宽常取：=1.676，取b=1.6。完成后的齿盘如图2.10。齿底槽的作用是：1加工齿形时的退刀槽；2啮合时齿顶不会碰到齿底，同时图2.10 端齿盘还可容纳落入齿面的脏物，保证齿面啮合质量；3使每个端齿在啮合过程中产生一定的弹性，啮合时先接触的齿产生弹性退让变形，使啮合面积增大，有利于进一步提高分度精度。2.2.4 压缩弹簧设计在本设计中用到了压缩弹簧来压紧端齿盘以克服切削工作的过程中产生的转矩。由端齿盘的计算可知，要对端齿盘施加一锁紧力N，来克服工件对刀架体的周向力所产生的转矩。而压缩弹簧就是为这克服这一力所产生的齿面沿轴向的力。所以压缩弹簧所受的载荷为：F=N法f，式中f为摩擦系数，取f=0.2。F=Nsin60f=2100sin600.2=363.72由于压缩弹簧和导向孔之间，轴与螺杆之间都有间隙存在，当受到径向力的作用时，轴会发生一定的轴向偏移，当刀架体发生轴偏离时，就会因承受偏心载荷而有翻转的驱势。此时，就会在刀架体的径向上产生压力F，取偏心e=1，在F的作用下，刀架体螺套之间产生摩擦力f使整个刀架处理平衡。其平衡方程为： （f+N）(70-e)=N(70+e)将N=2100，e=1代入式中，求得 f=60.87N则压缩弹簧所受的总载荷为：F= F+f=363.72+60.87=424.59根据分度要求，选用六根压缩弹簧，单根弹簧所受的最大载荷：Pn=70.765当端齿盘脱离后，弹簧就只克服摩擦力，此时弹簧所受的最小载荷：P1=10.15由刀架上槽盘的结构及尺寸，弹簧的工作行程h=10。弹簧各参数的设计6 10如下表：表2.2 压缩弹簧参数设计项目单位公式及数据原始条件最小工作载荷P1最大工作载荷Pn工作行程h弹簧外径D2弹簧类别端部结构弹簧材料NNmmmmP1=10.15Pn=70.765h=10D220N2.6,但是弹簧是安装在导孔中,有导向的作用,所以不必进行稳定性验算2.2.5 蜗杆蜗轮设计蜗杆蜗轮主要参数设计计算1)模数m圆柱蜗杆传动9将蜗杆的轴向模数mx定为标准值，蜗轮的端面模数m与蜗杆的轴向模数相等，故m取标准值，模数按强度要求确定。在本设计中取m=2.5。2)蜗杆直径系数qq=是分度圆直径与模数的比值。q值较大时，蜗杆直径较大，刚度较好，啮合情况也好。但当蜗杆头数一定时，增大q值会使螺旋导角减小而降低传动效率;q值较小时,蜗杆刚度较差,啮合不良。由接触强度公式m进行计算。3)蜗杆头数z1蜗杆头数z1一般为14。传动比大时，可取z1=1。但效率较低；传动比不大和要求效率高时，可取z1=24。本设计中直接由蜗杆、蜗轮将转动传给主轴，所以传动比较大，取z1=1。4)蜗轮齿数z2对于普通圆柱蜗杆传动，一般取z2=2780。根据传递的功率，取z2=70。蜗杆、蜗轮在此设计中只起传递运动的作用，没有外载荷也就不需要传递太大的力矩，只需要克服零件自身和内部各零件之间的作用力。其余几何尺寸在下表进行计算。表2.3普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算项 目计算公式蜗杆轴面模数（蜗轮端面模数）m2.5传动比i70蜗杆头数Z11蜗轮齿数Z2Z2=iZ1蜗杆直径系数(蜗杆特性系数)gg=;按表14-4-13的强度条件确定蜗轮变位系数X2X2=中心距aa=(d1+d2+2x2m)/2续表2.3蜗杆分度圆柱导程角tg=5.71蜗杆节圆柱导程角tg=5.71蜗杆轴向齿形角a20 蜗杆(轮)法向齿形角an20 顶隙角e0.5蜗杆蜗轮齿顶高ha1,ha2ha1=2.5 ha2=2.5蜗杆蜗轮齿根高hf1,hf2hf1=3 hf2=3蜗杆蜗轮分度圆直径d1,d2d1=25 d2=175蜗杆蜗轮节圆直径d1,d2d1=25 d2=175蜗杆齿顶圆直径da1蜗轮齿顶圆直径da2da1=30 da2=180蜗杆轴、蜗轮齿根圆直径df1,df2df1=19 df2=169蜗杆轴向点距pxpx=m=7.85蜗杆轴向点齿厚SxSx=0.5m=3.93蜗杆法向齿厚SnSn= Sx cos=3.91蜗杆分度圆法向弦齿高=m=2.5蜗杆螺纹部分长度LL=90蜗轮最大外圆直径da2maxda2maxda2+2m,取da2max =185蜗轮轮缘宽度bb=22.5蜗轮咽喉母圆半径rg2rg2=11.5蜗轮齿根圆弧半径rf2rg2=15.5圆柱蜗杆传动强度计算和刚度验算接触强度校核：查表14-4-13得HP=160H=23.85HP弯曲强度校核：FP=47 F=刚度验算：y10.0025d1由以上验算可知蜗杆的强度足够。完成的蜗杆、蜗轮结构如图2.11所示。图2.11 蜗杆、蜗轮蜗杆轴设计根据蜗杆螺纹部分尺寸以及与蜗轮的啮合关系和刀架体的结构可以确定蜗杆轴的结构如图2.12，各轴段的尺寸为：图2.12蜗杆轴结构第一轴段L1,由所选联轴器决定,由后面的联轴器可得L1=23mm,d1=14mm第二轴段L2,由联接结构决定,可取L2=14mm,d2=15mm第三轴段L3,由轴上的结构可知,此轴肩是为了固定轴承的内圈,查资料取：L3=5mm,d3=20mm.第四轴段L4,由刀架的结构和蜗杆的长度可得出L4=40mm,d4=16mm第五轴段即为蜗杆轴段,其长度,由啮合长度算得L5=90mm,d5=25mm第六轴段为轴承联接轴段,由所选轴承决定,L6=10mm,d6=17mm蜗杆轴的结构如图2.11。由于在本结构中蜗杆只传递运动不传递力，所以不需要进行验算。2.2.6 螺杆、螺套设计及验算本设计中的端齿盘的脱离是通过螺杆的转动和螺母的直线运动来实现的,在其运动过程中虽然外载荷没变,但其自身的相互作用力是变化着的,所以需要对其尺寸进行计算并验算。而螺套是通过传动销19将力矩传递给刀架体，蜗轮通过传动销13将力矩传递给螺杆的，所以需要对传动销19和13进行设计。螺杆、螺套设计计算29表2.4螺杆、螺套设计计算计算项目计算公式说明耐磨性螺杆中径d2/mm44设计时值可根据螺母的形式选定：整体式螺母取1.22.5P螺距，mm查手册取P=8查得pP=0.11,经计算p pP螺母高度H/ mmH=d2=60旋合圈数nn=7基本牙型高度H1/mmH1=0.5P=4工作压强p/(N/mm2)p=pP自锁条件螺纹升角=arctan=3.31=arctan当量摩擦角f摩擦因素s导程螺纹摩擦力矩Mt/NmmMt=d2Ftan(+)=1812.32螺杆强度当量应力ca/(N/mm2)ca=PMt转矩,Nmmd3外螺纹小径P螺杆的许用应力螺纹强度螺纹牙根部宽度b/mmb=0.65P=4螺杆剪切强度/(N/mm2)=P弯曲强度b/(N/mm2)b=bp螺母剪切强度/(N/mm2)=P弯曲强度b/(N/mm2)b=bp完成的螺杆、螺套如图2.12。传动销的设计计算刀架的旋转运动是靠销19传动的,所以可根据摩擦转矩进行传动销的设计计算。销的材料选用45钢调质，销19只在上下端齿盘脱离后受转矩,此时的转矩仅仅是克服由刀架体的摩擦力产生的转矩T=1812.3210-0.3。根据刀架体结构,选用6颗传动销.则每颗螺钉所承受的剪切力6是：图2.12 螺杆、螺套F19= =4.51N由可得：d查资料=80Mpa，d=0.0085m=8.5mm取d=10mm，根据d查手册取L=15mm。在刀架转位过程中，并不受外载荷，蜗轮传递的转矩很小，不需要将蜗轮用键与轴连接，直接用传动销连接蜗轮和螺杆就可以，这样也能减小轴的尺寸，简化其结构。传动销13的设计方法与前相同。但由于结构受限，销钉的直径取d=8mm，则需要对材料进行热处理以提高其性能。由可得 =89.7 Mpa,查资料需要对45刚进行回火处理。2.3 电机的选择电机所需输出的转矩主要集中在螺杆上，T=Mt=1812.32Nmm=1.18Nmm考虑摩擦力及其他因素的影响，取一安全系数K=1.2。那么T=1.8121.2=2.174Nm。预选电机转速n=910r/min。电机功率：=T=2.174=207.17WP=取=0.5,P=414.34W=0.414KW根据电机标准13和安全因素取电机功率为0.75,则选取Y2-90S-6型电机。 2.4 联轴器结构选择选定了电机后，根据传递的转矩和转速，选用套筒联轴器。2.5 润滑与密封 机械零件的加式表面看起来虽然很平整，但是大多零件的相对的运动都不是直接接触进行干磨擦，而是要采取一定的润滑措施，提高零件的耐用度。啬其使用寿命。本设计中主要是要考虑蜗杆、蜗轮的润滑。由于蜗杆蜗轮的接触面积较大，转速较快所以采用油润滑，同时也起了降温冷却的作用。在机械零件的装配中，大多数的零件都要采用密封方式防止污染，减小零件间的磨损。这里只需要在轴承盖处用毡圈进行密封，以防止轴承的污染。 3 自动刀架控制部分设计3 自动刀架控制部分设计3.1 控制系统分析3.1.1 控制方案设计 要对控制方案进行设计，必须了解所控制对象的运动过程，在本设计中就要清楚的知道刀架实现的全过程。由第2部分刀架机械结构设计可知，所设计的免抬式电动刀架，免去了刀架抬起这一动作，但其实质并没有减少自动换刀过程，只是把刀架的抬起，用螺母的上移，端齿盘的脱离，来实现。在整个换刀过程中，仍然有刀架抬起，刀架转位和刀架压紧三个过程。由以上分析可知，控制刀架的转位，即是要控制电机的起停。而需要电机何时起停就需要对刀架的当前位置进行检测，得到一个测试结果，就像人们用眼睛观察周围的事物一样，外界事物会给大脑一个信息，大脑再对返回的信息进行分析，与大脑中已经存储的信息进行比较判断，得出那是什么的判断。那么在本设计中所用到的检测元件即是“眼睛”。对检测元件测得的信息进行分析还需要一个具有智能判断的元件。我们知道电脑在人们的开发下已具备初步的诊断功能。在机械中常用到的电脑即是单片机和PLC。在本设计中控制方式选用PLC。3.1.2 PLC的分类根据1/0点数分类PLC的输入、输出点数表明PLC可以从外部接收多少个输入量和向外部输出多少个输出量。实际上也就是PLC的输入、输出端子数。一般来说，点数多的PLC，功能也相应较强。1）1/0点数(总数)在256点以下的称为小型机，一般只有逻辑运算、定时、计数、移位等功能，适用于开关量的控制，可用它实现条件控制、定时/计数控制、顺序控制等。有些小型机，如OMRON的P型机、三菱的Fl系列PLC、西门子的S7系列PLC等增加了一些算术运算和模拟量处理功能，以适应更广泛的需要。2）1/0点数在256点至1024点之间的，称为中型机，它除了具备逻辑运算功能，还增加了模拟量处理、算术运算、数据传送、数据通讯等功能，可完成既有开关量、又有模拟量的复杂控制。3）1/0点数在1024点以上的称为大型机，其功能更加完善，具有数据处理、模拟调节、联网通讯、监视、记录、打印等功能，可以进行中断控制、智能控制、远程控制等，可用于大规模的过程控制，构成分布式控制系统或整个工厂的集成系统。根据结构、形状分类从结构和形状上看，PLC可分为整体式和模块式两种。一般的小型机多为整体式结构。这种结构 的PLC，其电源、CPU、1 /0部件等都集中配置在一起，有的甚至全部装在一块印刷电路板上，结构紧凑、体积小、重量轻、价格低、容易装配在工业控制设备的内部，比较适合于生产设备的单机控制。整体式PLC的缺点是主机的1/0点数固定，使用不够灵活，维修也不方便。模块式结构的PLC各部分以单独的模块分开设置，如电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块及其它高机能模块等。这种PLC通常由机架底板联结各模块(也有的PLC为串行联接，没有底板)，底板上有苦干插座，使用时，各种模块直接插入机架底板即可。这种结构的PLC配置灵活、装配方便、易于扩展，可根据控制要求灵活配置各种模块，构成功能不同的各种控制系统。一般大中型PLC均采用这种结构。模块式 PLC的缺点是结构较复杂，各种插件比较多，造价也比较高。3.1.3 PLC的特点及主要功能PLC的一般特点1）编制程序简单PLC一般采用易于理解和掌握的梯形语言及面向工业控制的简单指令编制程序，非常形象直观。对于小型PLC而言，几乎不需要任何专门的计算机知识，特别适合现场工程技术人员使用。2）控制系统构成简单、通用性强虽然PLC种类繁多，但由于其产品的系列化和模块化，且软件包齐全，用户可灵活组成各种规模和要求不同的控制系统。用户在硬件设计方面，只需确定PLC的硬件配置和1/O的外部接线，不需要诸如继电器之类的固体电子器件和大量繁杂的硬接线电路。当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，只要改变存贮器中的控制程序即可。PLC 的输入、输出可直接与交流220v、直流24v等强电相连，并有较强的带载能力。3）抗干扰能力强、可靠性高PLC是专为工业控制设计的。能适应工业现场的恶劣环境。在PLC的设计和制造过程中，采取了多层次抗干扰及精选元器件等措施，使PLC的平均无故障时间通常在2000小时以上，这是一般的其它电气设备做不到的。绝大多数用户都将可靠性作为选取控制装置的首要条件，因此PLC在硬件和软件方面均采取了一系列的抗干扰措施。在硬件方面，PLC采取的抗干扰措施主要是隔离和滤波技术。PLC的输入和输出电路一般都用光电祸合器传递信号，使CPU与外部电路完全切断电的联系，有效地抑制外部干扰源对CPU的影响。在PLC的电源电路和I/0接口中，还设置了多种滤波电路，以抑制高频干扰信号。在软件方面，PLC设置了故障检测及自诊断程序、用来检测系统硬件是否正常，用户程序是否正确，便于自动地做出相应的处理，如报警、封锁输出、保护数据等。4）易于操作及维护PLC的控制程序可通过其专用的编程器输入到PLC的用户程序存贮器中。编程器不仅能对PLC控制程序进行写入、读出、检测、修改等操作，还能对PLC的工作进行监控。使得PLC的操作及维护都很方便。PLC还具有很强的自诊断能力，能随时检查出自身的故障，并显示给操作人员，使操作人员能迅速检查、判断故障原因。由于PLC的故障率很低，并且有完善的诊断和显示能力，当PLC或外部的输入装置及执行机构发生故障时，如果是PLC本身的原因，在维修时只需要更换插入式模块及其它易损件即可，既方便又减少影响生产的时间。5）设计 、技工、调试周期短用PLC完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，设计和施工可同时进行。由于用软件编程取代了继电器硬接线，实现控制功能，使得控制柜的设计及安装接线工作量大为减少，缩短了施工周期。同时， 由于用户程序大都可以在实验室模拟调试，调好后再将PLC控制系统在生产现场进行联机调试，使得调试方便、快速、安全，因此大大缩短了设计和投运周期。PLC的主要功能PLC是采用微电子技术来完成顺序控制功能的自动化设备，可以在现场的输入信号作用下，按照预先输入的程序。控制现场的执行机构按照一定规律进行动作。其主要功能如下：1）开关量控制这是PLC最基本最广泛的应用领域，用来取代继电器控制系统、实现逻辑控制和顺序控制。它既可用于单机控制或多机控制，又可用于自动化生产线的控制。PLC可根据操作按钮、限位开关及其他现场给出的指令信号或检测信号，控制机械运动部件进行相应的动作。2）限时控制PLC 为用户提供了一定数量的定时器，并设置了计时指令，一般可实现0.1-999.9s及0.001-99.99s的定时控制，也可按一定方式进行定时时间的扩展。PLC的限时控制精度高、定时时间设定方便、灵活，同时，PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确的实时控制。3）计数控制PLC为用户提供的计数器分为普通计数器、可逆计数器、高速计数器等、以完成不同用途的计数控制。当计数器的当前计数值变为0(或设定值)或在某一数值范围时，发出控制命令。计数器的计数值可以在运行中被读出，也可以在运行中进行修改。4）步进控制PLC能通过移位寄存器方便地完成步进控制功能。有些PLC专门设有步进控制指令，使得编程更为方便。此功能在进行顺序控制时非常有效。5）数据处理大部分PLC都具有不同程度的数据处理功能，如F2系列、C系列、S5系列等均能完成数据运算，如加、减、乘、除、乘方、开方等，逻辑运算如与、或、异或、求反等， 以及数据的移位、比较、传递和数值的转挟等操作。6）模拟量处理，目前很多PLC甚至小型机(如P型机、F系列、NB系列、57系列等)都具有模拟量处理功能，而且编程和使用都很方便。这里，模拟量一般为4-20mA 的电流，或1-5v的电压；数字量为8位或12位二进制数。用PLC进行模拟量控制的优点是：在进行模拟量控制的同时，开关量也可以控制。这个优点是别的控制器所不具备的，或实现起来不如PLC方便。7）可编程控制器的通信和联网功能可以使PLC与PLC之间、PLC与个人计算机等其他智能设备之间能够进行数字信息交换，形式一个统一的整体，实现分散控制或集中控制。现在，几乎所有的PLC产品都有通信联网功能，通过双绞线、同轴电缆或光纤，信息可以传送到几十公里远的地方；通过Modem和互联网，可以使PLC与世界上其他地方的计算机进行通信。目前，有的PLC使用专用的通信协议进行通信，或使用较多厂商支持的通信协议和通信标准，如现场总线。为了尽量减少用户在通信编程方面的负担，PLC的通信功能日趋完善，使设备之间的通信能够自动周期性地进行，不需要用户为通信编程，用户的工作只是在组成系统时作一些硬件或软件上的初始化设置。3.1.4 自动换刀控制系统要求针对自动换刀系统，PLC控制系统的重点和关键是接受来自数控系统的换刀指令即T指令，然后检测当前所在的刀位与T指令进行比较。具体要求如下：换刀系统可以实现手动和自动换刀功能：手动换刀当转换开关旋到手动档时，按一下点动换刀开关，刀盘就转一个刀位；自动换刀当转换开关旋到自动档时，换刀系统PLC读入换刀号，通过计算使得当前刀号与换刀号相等。3.2 检测元件的选择大量的资料显示，现在所生产的自动刀架多是采用的霍尔集成电路进行位置的检测，而电气产品中的接近开关，是被广泛采用的检测元件，而且用于该刀架系统的设计中能使结构简化。3.2.1 接近开关的类别涡流式接近开关这种开关有时也叫电感式接近开关。它是利用导电物体在接近这个能产生电磁场接近开关时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。电容式接近开关这种开关的测量通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以绝缘的液体或粉状物等。霍尔接近开关 霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。光电式接近开关 利用光电效应做成的开关叫光电开关。将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。当有反光面（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光后便在信号输出，由此便可“感知”有物体接近。热释电式接近开关用能感知温度变化的元件做成的开关叫热释电式接近开关。这种开关是将热释电器件安装在开关的检测面上，当有与环境温度不同的物体接近时，热释电器件的输出便变化，由此便可检测出有物体接近。其它型式的接近开关当观察者或系统对波源的距离发生改变时，接近到的波的频率会发生偏移，这种现象称为多普勒效应。声纳和雷达就是利用这个效应的原理制成的。利用多普勒效应可制成超声波接近开关、微波接近开关等。当有物体移近时，接