数控机床盘式刀库PLC程序设计.doc

武汉理工大学毕业论文数控机床盘式刀库PLC程序设计1引言 1.1 数控加工中心概述数字控制是20世纪中期发展起来的一种自动控制技术，是用数字化信号进行控制的一种方法。采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床。加工中心（Machining center.简称NC。）是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床，他是适应省力、省时和节能的时代要求而发展起来的，它综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和应用编程技术的高新技术产品，将数控铣床数控镗床数控钻床的功能聚集在一台加工设备上，且增设有自动换到装置和刀库，可以再一次安装工件后，数控系统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功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、内外倒角环形槽及攻螺纹等加工。随着电子技术的迅速发展，以及各种性能良好的传感器的出现和运用，加工中心的功能日趋完善，这些功能包括：刀具寿命的监视功能，刀具磨损和损伤的监视功能，切削状态的监视功能，切削异常的监视功能，报警和自动停机功能，自动检测和自我诊断功能及自适应控制功能等，加工中心还与载有随行夹具的自动托板进行有机连接，并进行切削自动处理，使得加工中心成为柔性制造系统、计算机集成制造系统和自动化工厂的关键设备和基本单元。数控机床尤其是加工中心的PLC控制程序设计是比较复杂的。因为加工中心自动换刀的控制程序是一个比较复杂的控制过程。按自动换刀方式通常可以分为随机换刀和固定换刀两种方式。如图1，圆盘式刀库是ATC随机换刀典型的形式之一。其换刀机构（ATC）通过凸轮机构来完成整个换刀过程。换刀的动作过程准确可靠，是一种被经常采用的刀库。在链式、盘式或箱式刀库程序设计时，通常可以将刀具交换分为两个步骤，T命令主要完成搜索刀库中的刀具，M命令完成刀具的交换，使主轴上更换新的刀具。因此，刀具交换实际上就是指搜索和交换目标刀具。随机换刀是一个非常复杂的逻辑控制过程。它只对刀具进行编码而不对刀套进行编码，刀具在刀库中的位置是随机的。理想的随机换刀控制通常包括圆盘式刀库PLC控制程序和宏程序（固定循环换刀程序）两部分组成。PLC控制程序根据T码完成搜索刀库中的刀具，NC宏程序完成刀具交换的整个过程。2 对加工中心的介绍2.1 加工中心的分类第一台加工中心是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。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。加工中心通常以主轴与工作台相对位置分类，分为卧式、立式、龙门式加工中心、 五轴加 T 中心和虚轴加工中心.(1) 立式加工中心：立式加工中心是指主轴为垂直状态的加工中心，其结构形式多为固定立柱，工作台为长方形，无分度回转功能，适合加工盘、套、板类零件，它一般具有二个直线运动坐标轴，并可在工作台上安装一个沿水平轴旋转的回转台，用以加工螺旋线类零件。立式加工中心装卡方便，便于操作，易于观察加工情况，调试程序容易，应用广泛。但受立柱高度及换刀装置的限制，不能加工太高的零件，在加工型腔或下凹的型面时，切屑不易排出，严重时会损坏刀具，破坏已加工表面，影响加工的顺利进行.(2) 卧式加工中心：卧式加工中心指主轴为水平状态的加工中心，卧式加工中心通常都带有自动分度的回转工作台，它一般具有35个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标加一个回转运动坐标，工件在一次装卡后，完成除安装面和顶面以外的其余四个表面的加工，它最适合加上箱体类零件。与立式加工中心相比较，卧式加工中心加工时排屑容易，对加工有利，但结构复杂价格较高。（3）龙门式加工中心:龙门式加工中心的形状与数控龙门铣床相似，龙门式加工中心主轴多为垂直设置，除自动换刀装置以外，还带有可更换的主轴头附件，数控装置的功能也较齐全，能够一机多用，尤其适用于加工大型工件和形状复杂的工件。（4）五轴加 T 中心:五轴加工中心具有立式加工中心和卧式加工中心的功能.五轴加工中心，工件一次安装后能完成除安装面以外的其余五个面的加工。常见的五轴加工中心有两种形式：一种是主轴可以旋转 900 ，对工件进行立式和卧式加工；另一种是主轴不改变方向，而由工作台带着工件旋转900 。，完成对工件五个表面的加工。（5）虚轴加工中心:虚轴加工中心改变了以往传统机床的结构，通过连杆的运动，实现主轴多自由度的运动，完成对工件复杂曲面的加工。2.2 加工中心的组成1、基础部件基础部件是加工中心的基础结构，它主要由床身、工作台、立柱三大部分组成。这三部分不仅要承受加工中心的静载荷，还要承受切削加工时产生的动载荷。所以要求加工中心的基础部件，必须有足够的刚度，通常这三大部件都是铸造而成。 2、主轴部件主轴部件由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零部件组成。主轴是加工中心切削加工的功率输出部件，它的起动、停止、变速；变向等动作均由数控系统控制；主轴的旋转精度和定位准确性，是影响加工中心加工精度的重要因素。3、数控系统加工中心的数控系统由CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动系统以及面板操作系统组成，它是执行顺序控制动作和加工过程的控制中心。CNC装置是一种位置控制系统，其控制过程是根据输入的信息进行数据处理、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。4、自动换刀系统换刀系统主要由刀库、机械手等部件组成。妆需要更换刀具时，数控系统发出指令后，由机械手从刀库中取出相应的刀具装入主轴孔内，然后再把主轴上的刀具送回刀库完成整个换刀动作。5、辅助装置包括润滑、冷却、排屑、防护、渡压、气动和检测系统等部分。这些装置虽然不直接参与切削运动，但是加工中心不可缺少的部分。对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起着保障作用。加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家制造业的水平，在国内外都受到高度重视。 3 加工中心的特点及用途 3.1数控机床特点1、全封闭防护所有的加工中心都有防护门，加工时，将防护门关上，能有效防止人身伤害事故。2、工序集中，加工连续进行2、加工中心通常具有多个进给轴（三轴以上），甚至多个主轴，联动的轴数也较多，如三轴联动、五轴联动、七轴联动等，因此能够自动完成多个平面和多个角度位置的加工，实现复杂零件的高精度加工。在加工中心上一次装夹可以完成铣、镗、钻、扩、铰、攻丝等加工，工序高度集中。 3 、使用多把刀具，刀具自动交换加工中心带有刀库和自动换刀装置，在加工前将需要的刀具先装入刀库，在加工时能够通过程序控制自动更换刀具。 4、使用多个工作台，工作台自动交换加工中心上如果带有自动交换工作台，可实现一个工作台在加工的同时，另一个工作台完成工件的装夹，从而大大缩短辅助时间，提高加工效率。 5、功能强大，趋向复合加工加工中心可复合车削功能、磨削功能等，如圆工作台可驱动工件高速旋转，刀具只做主运动不进给，完成类似车削加工，这使加工中心有更广泛的加工范围。 6、高自动化、高精度、高效率加工中心的主轴转速、进给速度和快速定位精度高，可以通过切削参数的合理选择，充分发挥刀具的切削性能，减少切削时间，且整个加工过程连续，各种辅助动作快，自动化程度高，减少了辅助动作时间和停机时间，因此，加工中心的生产效率很高。 7、高投入由于加工中心智能化程度高、结构复杂、功能强大，因此加工中心的一次投资及日常维护保养费用较普通机床高出很多。 8、在适当的条件下才能发挥最佳效益即在使用过程中要发挥加工中心之所长，才能充分体现效益，这一点对加工中心的合理使用至关重要。 3.2 加工中心的用途 数控加工中心是高效、高速、自动化技术和数控技术的最佳组合,是高性能与经济性的完美统一.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。4 加工中心刀库的特点及分类4.1 圆盘式刀库 圆盘式刀库应该称之为固定地址换刀刀库，即每个刀位上都有编号，一般从1编到12、18、20、24等，即为刀号地址。操作者把一把刀具安装进某一刀位后，不管该刀具更换多少次，总是在该刀位内。 1、制造成本低。主要部件是刀库体及分度盘，只要这两样零件加工精度得到保证即可，运动部件中刀库的分度使用的是非常经典的“马氏机构”，前后、上下运动主要选用气缸。装配调整比较方便，维护简单。一般机床制造厂家都能自制。 2、刀号的计数原理。一般在换刀位安装一个无触点开关，1号刀位上安装挡板。每次机床开机后刀库必须“回零”，刀库在旋转时，只要挡板靠近（距离为0.3mm左右）无触点开关，数控系统就默认为1号刀。并以此为计数基准，“马氏机构”转过几次，当前就是几号刀。只要机床不关机，当前刀号就被记忆。刀具更换时，一般按最近距离旋转原则，刀号编号按逆时针方向，如果刀库数量是18，当前刀号位8，要换6号刀，按最近距离换刀原则，刀库是逆时针转。如要换10号刀，刀库是顺时针转。机床关机后刀具记忆清零。 3、固定地址换刀刀库换刀时间比较长国内的机床一般要8秒以上（从一次切削到另一次切削）。 4、圆盘式刀库的总刀具数量受限制，不宜过多，一般40#刀柄的不超过24把，50#的不超过20把，大型龙门机床也有把圆盘转变为链式结构，刀具数量多达60把。 4.2 机械手刀库 机械手刀库换刀是随机地址换刀。每个刀套上无编号，它最大的优点是换刀迅速、可靠。它主要是靠凸轮机构完成换刀动作的， 这种方式简单、可靠， 平时只要注意按时更换凸轮箱里的油， 换刀机构就能具有较长的使用寿命。特别适用于大批量的生产。 1、制造成本高。刀库有一个个刀套链式组合起来，机械手换刀的动作有凸轮机构控制，零件的加工比较复杂。装配调试也比较复杂，一般由专业厂家生产，机床制造商一般不自制。 2、刀号的计数原理。与固定地址选刀一样，它也有基准刀号：1号刀。但我们只能理解为1号刀套，而不是零件程序中的1号刀：T1。系统中有一张刀具表。它有两栏。一栏是刀套号，一栏是对应刀套号的当前程序刀号。假如我们编一个三把刀具的加工程序，刀具的放置起始是1号刀套装T1（1号刀），2号刀套装T2， 3号刀套装T3，我们知道当主轴上T1在加工时，T2刀即准备好，换刀后，T1换进2号刀套，同理，在T3加工时，T2就装在3号刀套里。一个循环后，前一把刀具就安装到后一把刀具的刀套里。数控系统对刀套号及刀具号的记忆是永久的，关机后再开机刀库不用“回零”即可恢复关机前的状态。如果“回零”，那必须在刀具表中修改刀套号中相对应的刀具号。 3、机械手刀库换刀时间一般为4秒（从一次切削到另一次切削）。 4、刀具数量一般比圆盘刀库多，常规有18、20、30、40、60等 5、刀库的凸轮箱要定期更换起润滑、冷却作用的齿轮油。 5盘式刀库换刀问题5.1 盘式刀库换刀问题盘式刀库换刀是随机地址换刀， 系统中有一张刀具表，它有两栏，一栏是刀套号，一栏是对应刀套号的当前程序刀号，T 指令的刀号表示的是程序刀号， 而不是刀套号。系统要记忆这个刀表， 即使重新上电， 刀库也不需要回零。换刀时P L C 根据程序刀号查询刀表，在刀表中找到对应于程序刀号的刀套号， 换刀完成后PLC 自动更新刀表。盘式刀库在换刀的过程中，刀臂要下降一定的距离， 因此就有可能出现刀具碰到工件的安全问题。以1060加工中心为例， 刀臂与工作台面的距离是725 m m ， 换刀时刀臂要下降115 m m ，刀库允许的刀具最大长度是30 0 mm 。换刀时，在刀臂经过的空间，必须保证工件的最高高度小于：725115300 = 315mm，这样加工工件的直径就被限制在(315230) x 2 = 170 mm，显然，这样的话就浪费了机床的加工能力。所以在设计换刀P L C 程序的时候，如何做到既要保证换刀过程的安全，又要提高效率，发挥出机床最大的加工能力，是一个要仔细考虑的问题。 5.2换刀动作过程介绍图2为盘式加工中心换刀过程图，若现在主轴上刀具为1号刀，则执行M06T02换2号刀的过程如下：(1)如图2a所示，首先刀库将当前位置旋转至1号刀所在的刀座。(2)如图2b所示，主轴下降至Z轴换刀点，同时主轴准停。(3)如图2c所示，刀库前进，使1号刀具进入刀库的1号刀座。(4)如图2d所示，主轴松刀，1号刀具落入刀库原位，然后主轴上升。(5)如图2e所示，刀库旋转，将新刀2号刀旋转到刀库当前位置。(6)如图2f所示，主轴下降到2号刀所在位座，同时主轴上的刀具夹紧装置把2号刀具加紧。(7)如图2g所示。刀库退回到原位。换刀过程结束。图2 盘式刀库换刀过程图5.3换刀动作的分解换刀的时候，首先让主轴停止转动，z轴返回第二参考点，主轴定向，接下来就是刀库的动作：1 ) PLC 根据程序中的T指令找到对应的刀套，并把它沿最短路径旋转到抓刀点；2 ) 刀套倒刀；3 ) 刀臂转到扣刀点：4 ) 主轴松刀；5 ) 刀臂下降、旋转180然后上升回到扣刀点；6 ) 主轴紧刀；7 ) 刀臂转回原点；8 ) 刀套回刀；9 ) 修改刀表。当然，也可以先找到刀套，再执行主轴和Z轴的动作。5.4 安全问题的解决方案一个简单的方法是把不会产生刀具碰撞的机床坐标设为x 轴的第二参考点， 每次换刀前让X 轴回第二参考点，换刀后再返回原来的位置。但是这种不区分具体情况的做法在大批量加工的时候会大大降低效率。较好的方案是把最大刀具尺寸和工件直径输入到C N C 内，由PLC计算是否存在碰撞条件，如果不存在就直接换刀，存在的话就x轴先回第二参考点再换刀。6 使用宏程序换刀6.1 直接换刀方式换刀宏程序 6.1.1换刀宏程序下面以F A N U C 为例来说明一下程序的设计。%O9001#3#4003；#3003#900；G80；M50;IF#1001EQ1GOTO20； 判断主轴上当前是否有刀，如果无刀则跳到N20IF#1002EQ1GOTO10； 判断主轴上当前的刀具是否为目标刀,如果是则跳到N10M09； 主轴停止M19； 主轴准停M21； 寻刀G91G30Z0； Z轴升回到换刀高度M23； 刀库摆向主轴位M16； 主轴松刀G91G28Z0； Z轴升回到第一参考点M22； 寻刀M44； 主轴吹气启动G91G30Z0； Z轴下降到换刀高度M45； 主轴吹气停止M17； 主轴夹刀M24； 刀库摆回原始位N10M51；G#3；#30030；M53；M99；N20G91G28Z0； Z轴升回到第一参考点M09； 主轴停止M19； 主轴准停M22； 寻刀M23； 刀库摆向主轴位M16； 主轴松刀M44； 主轴吹气启动G91G30Z0； Z轴下降到换刀高度M45； 主轴吹气停止M17； 主轴夹刀M24； 刀库摆回原始位M51；G#3；#30030；M53；M99；% 6.1.2 装刀宏程序%O9002#3#4003；#3003#900；M55；G80；M50;IF#1002EQ1GOTO10； 判断主轴上当前是否有刀，如果无刀则跳到N10M09； 主轴停止M19； 主轴准停M21； 寻刀G91G30Z0.； Z轴升回到换刀高度M23； 刀库摆向主轴位M16； 主轴松刀G91G28Z0.； Z轴升回到第一参考点M17； 主轴夹刀M24； 刀库摆回原始位T0；N10M53；G#3；#30030；M99%6.2简化后的换刀宏程序其总体思路是运行“ M 0 6 ” 加工程序代码时自动调用O 9001宏程序，由O9001宏程序实现换刀的过程控制，而程序中的辅助指令则由P L C 程序实现。将换刀安全位置的机床坐标设到参数1241,当加工工件完全离开刀臂旋转范围时的机床位置就是换刀的安全位置。将参数6071设为6， 就可以用M06来调用O9001。 宏程序的代码如下：O9001IF【#1001EQ1】G0T020判断当前主轴上的刀号与T指令的刀号是否一致#1O0=#4003保存当前的模态MO5主轴停止G00G91 G30Z0返回换刀点IF【#1002EQ1】G0T010如果存在刀具碰撞可能，转到N10M88执行换刀G4X1G#10HD恢复换刀前模态G0T030N10#101=#5041保存当前的X轴工件坐标G00G91 G30X0返回X轴第二参考点M88G4X1G90G00X#101返回换刀前的X轴工件坐标G#10HDG0T030N20M00N30M99换刀过程只用到了一个M88指令，所有的执行步骤都在PLC中按顺序执行，这样宏程序的结构更加简单，也避免了090HD1被意外修改时由于丢失部分M 指令而导致的换刀动作错乱，从而提高了换刀过程的安全性。尽管09001中只用了一条M指令，但为了调试和故障处理，PLC中仍然编写了各种M指令程序来分别完成各项工作。它们是：M19，主轴定向；M80，刀套倒刀；M81，刀臂转到扣刀点；M82，主轴松刀；M83，刀臂下降，旋转旋转180,然后上升回到扣刀点；M84， 主轴紧刀；M85，刀臂回原点；M86，刀套回刀。7换刀过程用到的PLC指令当加工程序中出现了T指令时，PLC就要根据T指令给出的刀号，找出刀套号，并把它转到换刀口。这要用到以下的指令。7.1 数据搜索指令DSCHB程序中使用DSHB指令的梯形图如图3所示。R05l10，R05106：代表一些判断条件的内部继电器；F7.3：TF，T指令的标志；D434：记录刀表长度的数据表地址；D400：刀表数据表头地址；F0026：CNC输出的T指令数据地址，这里作为检索数据地址；R550：检索结果输出地址，这里相当于刀套号。执行该指令后，就从刀号得到了刀套号，并放在了R550中。 图3 使用DSCHB指令的梯形图7.2 旋转控制指令ROTB程序中使用ROTB指令的梯形图如图4所示。 图4 使用ROTB指令的梯形图于只有当 F7.3从0变l时， 由F7.3和R05106串联控制的指令才起作用 ，在这里就是对R5360：指定为1的内部继电器；C0002：当前位置地址；R550：目标位置地址，也就是搜索指令找到的刀套号；C0004：记录计算出的刀库旋转步数的地址；R5l0-3：记录最短路径旋转方向的内部继电器执行完之后，还有一步R05106=F7.3，相当于一次TF指令周期，ROTB指令只执一次，如5所示。图5 执行一次ROTB指令梯形图执行了该指令后，就得到了刀库的旋转步数和旋转方向。7.3 其他指令为了确定刀库是否到了预定位置， 可使用CTR指令对2号汁数器进行计数和是台到位的判断。一旦到位， 马上停止刀库电机的转动。M88在执行的过程中，要设定一系列的内部继电器，作为某个步骤完成和开始下一步骤的标志。8刀具碰撞的条件判断及换刀程序中的安全措施8.1刀具碰撞条件的判断首先在D寄存器中设置一块数据区放置数据，数据类型是2，表示是4字节数据。使用D220存放刀臂与工作台的距离，这里是725000。D224存放刀臂换刀时的下降距离， 这里是l15000。D228存放最长的刀具长度。D232存放工件装夹后离工作台的最高高度， 应加上5mm的余量.程序中对刀具碰撞的判断，可分三步。1） 首先 ADDB指令，计算D224+D228+D232的结果，许放 D236， 比较D220与D236的大小，将结果存放于R250.0 如图6所示。 图6 刀具碰撞判断程序梯形图12)利用窗口功能的读取参数指令(代码17)和读取各轴机械位置的指令(代码28)分别读出X轴第二参考点的值和当前X轴机床坐标的值，把两者进行比较，将结果存于R2501。读取参数指令的代码放在D200， 读出的数据存于D2l0；读取各轴机械位置的指令代码放在D250，读出的数据存于D260。该部分的梯形如图7所示。由于读取参数指令是低速响应指令，所以要用R7002互锁。读取各轴机械位置的指令则不需要。不执行换刀时不读取数据。 图7 刀具碰撞判断程序梯形图23)根据1和2步的结果， 没定U1002 (G54.2) 即#l002变量。当R250.0=l，表示刀具在任何位置都不会撞刀,所以G54.2=0； 当R250.0=0时，G54.2 的状态由R250.1决定。