数控车床刀具库选刀控制电路设计

洛阳理工学院毕业设计（论文）数控车床刀具库选刀控制电路设计摘要数控车床刀具控制设计主要是为了实现刀具的自动换取，保证加工过程中的快速与稳定。数控车床的换刀一般采用两种控制方式，即固定存放换刀控制和随机存取换刀控制。在固定存取换刀控制中，刀库中各刀具的位置是固定的，刀具选择指令（CNC来的T代码）是以刀套编号为存取地址来控制存取动作，即原来从哪一刀套编号中取出来的刀具，在使用完毕后仍归还到那一刀套中。而随机换刀控制中，还刀位置是随机的，刀具选择指令（CNC来的T代码）与刀套编号无关，指令仅以刀具自身的直接编号为目标。这种换刀方式在新刀具取出后，刀库不需转动，立即随机存入原先的刀具，即换刀、存刀一次完成，缩短了换刀时间。因此我们在设计时采用了第二种设计方案，使用PLC为基本控制部件，编制出对应的PLC程序来控制刀具库与机械手的运作。当机械手读入当前位置刀具号后，我们只需人为按下所需选择的道具对应刀具号按钮，即可通过PLC控制电动机运转实现选刀。这样的设计起到了对刀具库的保护、省时等。关键词： 1,刀具库 2,选刀 3,控制 4,PLC AbstractThe number controls to process center knife to have a control design mainly is for carrying out knife to have of automatically exchange, promise to process in of fast and stable.The number controls to process change the knife of center to generally adopt two kinds of control ways, then fixedly deposit to change the knife control and random access to change the knife a control.In fix the access change the knife the control, each knife has in the knife database of the position be fixed, the knife has choice instruction(CNC come of T code) with knife set serial number for access an address to control access action, then originally took out from which knife the set the serial number of the knife have and still return there 1 after the usage complete in.But random change the knife a control medium, return the knife position is random, the knife has choice instruction(CNC come of T code) and knife set serial number irrelevant, instruction only with the knife have the direct serial number of oneself for target.This kind of changes the knife a way after the new knife take out, the knife database doesnt need to turn to move and immediately and random deposit at first of the knife have, then change the knife, save knife a completion, shortenned to change the knife time.So we adopted the second design project while design, use the PLC as basic control parts, draw up a rightness in response to of PLC procedure to control the operation that the knife has a database and machine hand.When the machine hand reads that going into current position knife has number after, we need factitiousness to press need to be choose of the prop can immediately pass the PLC control electric motor operation a realization to choose knife towards having a number button in response to the knife. So of the design rose to have the protection of database save time to the knife etc.Key word: 1,change the knife 2,choose knife 3,control 4,PLC 目录前 言1第1章 数控车床的分类2 1.1 按车床主轴位置分类2 1.2 按加工零件的基本类型分类2 1.3 按刀架数量分类3 1.4 按功能分类3第2章 可变程序控制器4 2.1 PLC的定义和特点4 2.1.1 PLC的定义42.1.2 PLC 的特点42.2 PLC的基本结构52.2.1 中央处理单元CPU52.2.2 存储器62.2.3 输入输出接口62.2.4 存储器编程器62.3 PLC的工作原理7第3章 PLC的指令与编程8 3.1 PLC的指令8 3.1.1 基本指令83.1.2 专用（功能）指令93.2 PLC编程103.2.1 PLC的编程语言103.2.2 PLC程序设计的基础规则113.2.3 PLC程序设计的一般步骤与方法12第4章 数控机床的可编程序控制器与自动换刀机构134.1 数控机床用PLC134.1.1 “内装型”PLC134.1.2 “外装型”PLC134.2 自动换刀机构144.2.1 自动换刀装置144.2.2 用于数控车床的回转刀架154.2.3 自动刀架的分类与工作原理164.2.4 自动刀架16第5章 PLC控制车床刀架19 5.1 刀架的选用19 5.2 电动刀架的电机控制19 5.3 车床刀架控制19第6章 数控车床刀具库选刀PLC控制236.1 设计要求236.1.1 设计题目236.1.2 设计目的236.1.3 设计要求236.2 设计分析236.2.1 技术参数236.2.2 梯形图266.2.3 指令表28第7章 PLC控制系统的故障诊断及维护317.1 PLC控制系统故障诊断31 7.1.1 PLC控制系统故障诊断技术的基本原理317.1.2 PLC控制系统的故障类型317.1.3 PLC控制系统的故障诊断方法317.2 使用前检查与日常维护337.2.1 使用前检查337.2.2 日常维护检查35参考文献36本文总结37谢 辞3839前言在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。 个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。 PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。第一章 数控车床的分类 数控车床可分为卧式和立式两大类。卧式车床又有水平导轨和倾斜导轨两种。档次较高的数控卧车一般都采用倾斜导轨。按刀架数量分类，又可分为单刀架数控车床和双刀架数控车，前者是两坐标控制，后者是4坐标控制。双刀架卧车多数采用倾斜导轨。 数控车床与普通车床一样，也是用来加工零件旋转表面的。一般能够自动完成外圆柱面、圆锥面、球面以及螺纹的加工，还能加工一些复杂的回转面，如双曲面等。车床和普通车床的工件安装方式基本相同，为了提高加工效率，数控车床多采用液压、气动和电动卡盘。 数控车床的外形与普通车床相似，即由床身、主轴箱、刀架、进给系统压系统、冷却和润滑系统等部分组成。数控车床的进给系统与普通车床有质的区别，传统普通车床有进给箱和交换齿轮架，而数控车床是直接用伺服电机通过滚珠丝杠驱动溜板和刀架实现进给运动，因而进给系统的结构大为简化。1.1 按车床主轴位置分类 （1）立式数控车床 立式数控车床简称为数控立车，其车床主轴垂直于水平面，一个直径很大的圆形工作台，用来装夹工件。这类机床主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。 （2）卧式数控车床 卧式数控车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导轨卧式车床。其倾斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性，并易于排除切屑。1.2 按加工零件的基本类型分类 （1）卡盘式数控车床 这类车床没有尾座，适合车削盘类(含短轴类)零件。夹 紧方式多为电动或液动控制，卡盘结构多具有可调卡爪或不淬火卡爪(即软卡爪)。 （2）顶尖式数控车床 这类车床配有普通尾座或数控尾座，适合车削较长的零件及直径不太大的盘类零件。1.3 按刀架数量分类 （1）单刀架数控车床 数控车床一般都配置有各种形式的单刀架，如四工位卧动转位刀架或多工位转塔式自动转位刀架。 （2）双刀架数控车床 这类车床的双刀架配置平行分布，也可以是相互垂直分布。1.4 按功能分类 （1）经济型数控车床 采用步进电动机和单片机、PLC对普通车床的进给系统进行改造后形成的简易型数控车床，成本较低，但自动化程度和功能都比较差，车削加工精度也不高，适用于要求不高的回转类零件的车削加工。 （2）普通数控车床 根据车削加工要求在结构上进行专门设计并配备通用数控系统而形成的数控车床，数控系统功能强，自动化程度和加工精度也比较高，适用于一般回转类零件的车削加工。这种数控车床可同时控制两个坐标轴，即X轴和Z轴。 （3）车削加工中心 在普通数控车床的基础上，增加了C轴和动力头，更高级的数控车床带有刀库，可控制X、Z和C三个坐标轴，联动控制轴可以是(X、Z)、(X、C)或(Z、C)。由于增加了C轴和铣削动力头，这种数控车床的加工功能大大增强，除可以进行一般车削外可以进行径向和轴向铣削、曲面铣削、中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等加工。第二章 可编程序控制器2.1 PLC的定义和特点2.1.1 PLC的定义由于PLC在不断发展，因此，对它下一个确切的定义是困难的。PLC是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令实现逻辑运算、顺序运算、计数计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。1982年，国际电工委员会颁布了PLC标准草案，1985年提交了第2版，1987年的第3版对PLC作了如下的定义:PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，它有与其他顺序控制装置不同的特点。2.1.2 PLC的特点PLC能如此迅速发展的原因是由于它具有通用计算机所不及的一些下列特点:（1）可靠性 对可以维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。PLC的可靠性高，表现在下列几方面：与继电器逻辑控制系统比较，PLC可靠性提高的主要原因:l) PLC不需要大量的活动部件和电子元器件，它的接线也大大减少。与此同时，系统的维修简单、维修时间缩短，因此可靠性得到提高。2) PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如冗余设计、掉电保护、故障诊断和信息保护及恢复等，使可靠性得到提高。3) PLC有较强的易操作性，它具有编程简单、操作方便、维修容易等特点，因此对操作和维修人员的技能要求降低，容易学习和掌握，不容易发生操作的失误，可靠性高。与通用的计算机控制系统比较，PLC可靠性提高的主要原因:1) 在PLC的硬件设计方面，采用了一系列提高可靠性的措施。2) 在PLC的软件设计方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波、软件自诊断、简化编程语言、信息保护和恢复、报警和运行信息的显示等等。（2）易操作性 PLC的易操作性表现在下列三个方面:1)操作方便对PLC的操作包括程序输入的操作和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行程序输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。2) 编程方便PLC有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，梯形图由于与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。（3）灵活性 PLC的灵活性表现在下列三方面:1) 编程的灵活性PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块图和语句描述编程语言，只要掌握其中一种语言就可以进行编程。2) 扩展的灵活性PLC的扩展灵活性是它的一个重要的特点。它可根据应用的规模不断扩展，即可进行容量的扩展，功能的扩展，应用和控制范围的扩展。这种扩展的灵活性大大地方便了用户。3) 操作的灵活性操作的灵活性是指设计的工作量大大减少，编程的工作量和安装施工的工作量大大减少，操作十分灵活方便，监视和控制变得容易。2.2 PLC的基本结构PLC的型号、规格繁多。它主要由中央处理单元CPU、存储器、输入、输出等部分组成。2.2.1 中央处理单元CPUCPU是PLC的核心，其主要作用是：(1)接收从编程器输入的用户程序，并存入程序户存储器中。(2)用扫描方式采集现场输入状态和数据，并存入相应的数据寄存器;执行用户程序，从程序存储器中逐条取出用户程序，经过解释程序解释后逐条执行，完成程序规定的逻辑和算术运算，产生相应的控制信号去控制输出电路，实现程序规定的各种操作;通过故障自诊断程序，诊断PLC的各种运行错误。因此，CPU的性能对PLC的整机性能有着决定性的影响。2.2.2存储器PLC的存储器用来存放程序和数据。程序分系统程序和用户程序。(1)系统程序存储器 系统程序是PLC研制者所编的程序，它是决定优性能的关键。系统程序包括监控程序、解释程序、故障自诊断程序、标准子程序库及其他各种管理程序等。（2）用户程序存储器 用户程序是用户为解决实际问题并根据PLC的指令系统而编制的程序，它通过编程器输入，经CPU存放入用户存储器。2.2.3 输入输出接口(简称I/O接口)输入输出接口是CPU与工业现场装置之间的连接部分，是PLC的重要组成部分。与微机的工作于弱电的情况不同，PLC的I/O接口是按强电要求设计的，即其输入接口可以接受强电信号，其输出接口可以直接和强电设备相连接。(1)输入接口 输入接口的功能是采集现场各种开关接点的状态信号，并将其转换成标准的逻辑电平，送给CPU处理。一般输入信号多为开关量信号，各种开关量输入接口基本结构大同小异，常有直流和交流开关量输入接口电路两种。(2) 输出接口 为适应不同的负载，输出接口有多种方式。常用的有晶体管输出方式、晶闸管输出方式和继电器输出方式。晶体管输出方式用于直流负载;双向晶闸管输出方式用于交流负载，继电器输出方式可用于直流负载，也可用于交流负载。2.2.4存储器编程器编程器是PLC中一种主要的外部设备，它是开发、维护PLC控制系统的必备设备。编程器用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视，还可以通过其键盘去调用与显示PLC的一些内部状态和系统参数。它通过通信端口与CPU联系，完成人机对话连接。编程器上有供编程用的各种功能键和显示灯，以及编程、监控转换开关。编程器的键盘采用梯形图语言键符，也可以采用软件指定的功能键符，通过屏幕对话方式进行编程。2.3 PLC的工作原理与普通微机类似，PLC也是由硬件和软件两大部分组成的。在软件的控制下，PLC才能正常地工作。软件分为系统软件和应用软件两部分。PLC的基本工作如下：(1)输入现场信息 在系统软件的控制下，顺次扫描各输入点的状态；(2)执行程序 顺次扫描用户程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容进行逻辑运算；(3)输出控制信号 根据逻辑运算的结果，输出状态寄存器向各输出点并行发出相应的控制信号，实现所要求的逻辑控制功能。上述过程执行完后，又重新开始，反复地执行。每执行一遍所需的时间称为扫描周期。PLC的扫描周期通常为几十毫秒。为了提高工作的可靠性，及时接收外来的控制命令，PLC在每次扫描期间，除完成上述三步操作外，通常还要进行故障自诊断，完成与编程器等的通信。每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，对各输入输出点、存储器和CPU等进行诊断，诊断的方法通常是测试出各部分的当前状态，并与正常的标准状态进行比较，若两者一致，说明各部分工作正常，若不一致则认为有故障。此时，PLC立即启动关机序，保留现行工作状态，并关断所有输出点，然后停机。诊断结束后，如没发现故障，PLC将继续往下扫描，检查是否有编程器等的通信请求。如果有则进行相应的处理，比如，接受编程器发来的命令，把要显示的状态数据、出错信息送给编程器显示等。处理完通信后，PLC继续往下扫描，输入现场信息，顺序执行用户程序，输出控制信号，完成一个扫描周期。然后又从自诊断开始，进行第二轮扫描。PLC就这样不断反复循环，实现对机器的连续控制，直到接收到停机命令，或因停电、出现故障等才停止工作。第三章 PLC的指令及编程3.1 PLC的指令欧姆龙C系列P型机可编程序控制器的指令分为两大类：基本指令和专用（功能）指令。基本指令是指直接对输入、输出点进行简单操作的指令，它包括逻辑操作（“与”、“或”、“非”等）指令和输出指令等，在编程器的键盘上设有与基本指令的符号和助记符相同的键，输入基本指令时，只要按下对应的键即可。专用（功能）指令也称特殊指令，它包括数据处理、运算和程序控制等指令。由于专用指令很丰富，在编程器上没有对应的键盘。为了便于在编程器上输入程序，为每一条专用指定了一个功能代码（两位数字），书写时用圆括号括起来，放在专用指令的助记符后面。在编程输入专用指令时，先按“FUN”键，再按功能代码即可。3.1.1 基本指令1LD 指令LD指令的格式、逻辑符号、功能和编程操作见（表3-1）。表（3-1）表3-1中的B为指定继电器的编号；LD指令的功能：LD指令是动合触点与母线连接指令，也称为装载或起始指令，每一个程序的开始都要使用它。2、LD-NOT指令：是动断触点与母线连接指令，与LD指令功能上不同之处在于使用动断触点。3、AND指令：是串联动合触点指令。4、AND-NOT指令：是串联动断触点的指令。5、OR指令：是并联动合触点的指令。6、OR-NOT指令：是并联动断触点的指令。7、OUT指令：是输出逻辑运算结果的指令，它将逻辑运算的结果输出到一个指定的继电器。8、OUT-NOT指令：是输出取反后的逻辑运算，它是将逻辑运算的结果取反，输出到一个指定的继电器。9、AND-LD指令：是两个触点组串联连接指令。10、OR-LD指令：是两个触点组并联连接指令。11、TIM指令TIM指令的格式、逻辑符号、功能和逻辑操作（见表3-2）表3-2指令 格式逻辑符号功能编程操作TIMTIM N SVTIM NSV SV延时操作TIM+继电器符号#+设置数表（3-2）中逻辑符号说明如下：N：定时器的编号，其数值范围是0047。SV：所需定时的设定值，也可以是输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器、保持继电器通道中的内容。TIM指令的功能：TIM指令按延时设定值进行延时操作，即接通延时（定时）指令。当定时器的输入接通时开始计时，经过设定时间后，定时器的触点动作。12、CNT指令：按设定值进行计数操作，即预置计数指令。当计数器的输入接通时，开始计数，经过设定数值后计数器为ON（计数器触点动作）。3.1.2 专用（功能）指令1、END指令：是结束程序指令，用于全部指令的最后一行。使用END指令应该注意以下几点：END指令总是作为程序的最后一条指令。若程序结尾没有该指令，在运行或监视程序时，显示器将显示“ON END INST”错误信息。2、IL指令：是分支指令，在分支处形成新母线。它使程序编制方便，图形直观。IL与ILC指令成对使用。3、ILC指令：分支结束指令，在分支处返回。4、JMP指令：不执行某段指令，即跳转指令。5、JNE指令：跳转结束指令。6、SFT指令：移位指令。7、KEEP指令：保持指令，相当于一个自锁继电器，即具有继电器自保功能。它可以将短信号变成长信号。8、CNTR指令：环形计数器，可逆计数。3.2 PLC编程 3.2.1 PLC的编程语言可编程控制器程序设计语言:在可编程控制器中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言功能表图语言功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，如代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。顺序功能图是一种图解方法，它的特点是将一个控制过程划分为许多步，只要满足条件，就可以从一个工作步转移到另外一个工作步。功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵和其他基本程序设计语言无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成。常用的程序设计语言是：梯形图程序设计语布尔助记符程序设计语言（语句表)，主要用于断续控制系统。梯形图（Ladder Diagram）程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，即程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。梯形图程序设计语言的特点是：(1)与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；(2)与原有继电器逻辑控制技术一致，对电气技术人员来说，易撑握和学习；(3)与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（Power Flow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；(4)与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。3.2.2 PLC程序设计的基础规则PLC的程序设计是用户以PLC指令的功能为基础，根据实际系统的控制要求，编制PLC的应用程序。1、梯形图的编程规则梯形图中的各软继电器必须是所用机器允许范围内的软继电器，各软继电器的软触点可以无限次使用，不受数量的限制。每个梯级都是从左母线开始，到右母线结束。各梯级中，所有的触点只能接在软继电器线圈的左边，而不能与右母线直接相连。软继电器线圈只能接在右母线上，而且不能直接接在左母线上。触点一般应画在水平线上，不能画在垂直线上。多条支路并联时，串连触点多的支路应画在该并联电路的上部。多个并联电路串连时，并联触点多的电路应画在该串连电路的左部。这样编程可以减少用户程序的步数，从而缩短程序扫描时间。梯形图必须符合从左到右、从上到下的顺序执行原则。对于不符合此原则的电路，不能直接编程，必须按其逻辑功能进行等效变换，如图所示。图（3-1）不能直接编程的电路 图（3-2）变换后的可编程电路2、语句表的编程规则1） 语句表编程与梯形图编程，两者相互对立，并可以相互转换。2） 语句表也必须符合顺序执行原则。语句表是按语句排列顺序（步序）编程的，语句的顺序与控制逻辑有密切关系，不能随意颠倒、插入或删除，以免引起程序错误或控制逻辑错误。3） 语句表中各语句的操作数（操作元件号）必须是所用机器允许范围内的参数，否则将引起程序出错。4） 语句表的步序号应从用户存储器的起始地址开始，连续不断地编制。3.2.3 PLC程序设计的一般步骤与方法1） 分析被控对象的工艺过程和系统的控制要求，明确动作的顺序和条件，画出控制系统流程图（活状态转移图）。如果控制系统较简单，可省略这一步。2） 将所有的现场输入信号和输出控制对象分别列出，并按PLC内部可编程元件号的范围，给每个输入和输出分配一个确定的I/O端编号，编制出PLC的I/O端的分配表，或绘制出PLC的I/O接线图。3） 设计梯形图程序，编写指令语句表。4） 用编程器将程序键入到PLC的用户存储器中，并调试程序，直到达到系统的控制要求为止。第四章 数控机床的可编程序控制器与自动换刀机构4.1 数控机床用PLC 数控机床用PLC可分为两类：一类是专为实现数控机床顺序控制而设计制造的“内装型”PLC，另一类是那些输入/输出接口技术规范、输入/输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能等均能满足数控机床控制要求的“独立型”PLC。4.1.1. “内装型”PLC “内装型”PLC从属于CNC装置，PLC与NC间的信号传送在CNC装置内部即可实现。PLC与MT（机床侧）则通过CNC输入/输出接口电路实现信号传送。如图：CNC装置 机床电气柜NCPLC输入、输出电路CRT/MDI面板机床操做面板强电、气、液动控制电路刀库伺服单元主轴伺服单元进给伺服单元位置检测图4-1具有内装置型PLC的CNC机床系统框图4.1.2. “独立型”PLC 独立型PLC是独立于CNC装置，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。如图PLC装置CNC装置NCPLC输入、输出电路CRT/MDI面板机床操做面板位置检测 机床电气柜强电、气、液动控制电路刀库伺服单元主轴伺服单元进给伺服单元输入、输出电路输入、输出电路图4-2具有独立型PLC的CNC机床系统框图4.2 自动换刀机构4.2.1 自动换刀装置 一个零件往往需要进行多工序的加工，对于单功能的机床，大量的时间将用于更换刀具装卸零件等非切削时间，切削加工时间只占整个工时中较小的比例。为了缩短非切削时间，往往采用自动换刀装置的数控机床。自动换刀装置已广泛应用于数控车床。使用这种装置配合精密数控转台，可以使机加工时间提高7080。由于零件在一次装夹中完成零件的多工序加工，大大减少了零件安装定位次数，从而进一步提高了加工精度。自动换刀装置的功能就是储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换。它应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、结构紧凑及安全可靠等要求。各类数控机床的自动换刀装置的结构与数控机床的类型工艺范围使用刀具种类和数量有关。数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点及适用范围见表4-1。表4-1 自动换刀装置的类型、特点及适用范围 类型特点使用范围转塔式多为顺序换刀，换刀时间短，结构简单紧凑，容纳刀具较少各种数控车床数控车削中心 转塔头顺序换刀，换刀时间短刀具主轴都集中在转塔头上，结构紧凑，但刚性较差，刀具主轴数受限制数控钻床镗床刀库式刀库与主轴之间直接换刀 换刀运动集中，运动部件少。但刀库运动多，布局不灵活，适应性差各种类型的自动换刀数控机床。尤其是对使用回转类刀具的数控镗铣类立式卧式加工中心机床。要根据工艺范围和机床特点，确定刀库容量和自动换刀装置形式 用机械手配合刀库换刀刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，比刀库作换刀运动惯性小速度快 用机械手运输装置配合刀库换刀换刀运动分散，由多个部件实现，运动部件多，但布局灵活，适应性好 有刀库的转塔头换刀装置弥补转塔头换刀数量不足的缺点，换刀时间短转塔式数控机床4.2.2 用于数控车床的回转刀架 数控车床上使用的回转刀架换刀是一种简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架等多种形式，即在回转刀架上分别安装有四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令换刀。回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度(一般为0.0010.005mm)。4.2.3 自动刀架的分类及其工作原理 自动转位刀架按其工作原理可分为： 1）螺旋转位刀架 电机经弹簧安全离合器至涡轮辐带动螺母转动，螺母举起刀架使端齿盘使盘与下盘分离，随即带动刀架旋转到位，然后发信号使电极反转锁紧，使刀架换位，进行切削加工。螺母升降式零件多，但加力可靠，精度较高，许多刀架都利用这种原理设计。 2）十字槽轮转位刀架 利用槽轮原理转位及锁紧（还要加定位销）。销钉每转一周，刀架转90o，也可设计成6共位等。十字槽轮式体积大，零件多，目前使用较少。 3）凸台棘爪式转位刀架 涡轮带动凸台a相对与凸台b转动使其上下端齿盘分离，继续旋转。则棘轮机构推动刀架转90o，然后利用接触开关或霍尔元件发出信号，使电极反转，重新锁紧刀架。凸台棘爪式重复定位精度相对较低。 4）电磁式转位刀架 利用一个1000kg左右拉紧力的线圈使刀架定位锁紧。电磁式目前已能实用，但多一套电路，并要有断电保护。 5）液压式转位刀架 液压摆动油缸控制转位，具有一个摆位阀心，带动刀架转位的拨爪，还有一个向下拉紧的小油缸，也产生1000kg以上的拉紧力。这种转位刀架的特点是转位可靠，但液压件难制造，有油泄露及发热等问题。4.2.4 自动刀架 从自动转位刀架的工作原理可知，这类刀架由控制系统直接控制，刀架能自动完成抬起、回转、选位、下降、定位和压紧这一系列的动作。下面依次讨论刀架要完成上述动作过程的工作的设计原理。 1）刀架的抬起利用压缩弹簧的恢复力来完成刀架的抬起。在发出这一动作前弹簧一直被压缩着，直到发出信号时，使弹簧回弹，这可由某一滑动机构的斜面来完成。同样，压缩弹簧还是靠这一斜面，但其转动方向相反。为了抬起可靠，弹簧的最小预紧力必须大于所抬起部分重量的两倍以上。这种方案的缺点是刀架在转动过程中，一直受到弹簧力的作用，有明显的摩擦力和磨损。另外，一旦有杂物混入，易被卡住抬不起来。利用螺纹传动，将螺旋转动变成轴向直线运动，从而达到抬起刀架的目的。在这种情况下，完成这一动作的丝杠要垂直放置，这种方案可基本上克服者一方案的缺点。此外，这两种方案要解决的共同问题是：在刀架的抬起过程中，都要防止刀架转动。这可通过设计一个带有斜面的粗定位销和定位槽的配合来完成，并使斜面间摩擦力产生的阻力矩大于上述转动摩擦力矩。 2）刀架回转和选位刀架由一个微电机通过传动系统来带动。刀架的转动轴线是垂直的，而转速比起微电机来要慢得多。由于电机空间条件所限必须卧式安装，因此两者的转动轴线互相垂直或异面垂直，窝轮窝杆传动比较适合这种场合。刀架从抬起变成转动的动作原理是：当刀架抬到特定高度时，由一个正在旋转的拨块带动刀架旋转，由此，刀架抬起运动和转动均由同一传动系统来先后完成。刀架转过一定角度后要选位，即看一看转到这个位置的刀具是否符合加工要求。这一功能是由微电机程序来实现。具体的说，当刀具转到词位置时，程序自动地将该位置的编码与所需刀具编码加以比较。若相同，该刀具就选定此位置；否则，再转动，重复上述过程。每次转过的角度大小，由刀架的面体数量来确定。如对于四方刀架，每次转过360o/4=90o；对于五方刀架，每次转过360o/5=72o；对于六方刀架，每次转过360o/6=60o。刀架编码的位数也不各相同。对于四方刀架，由两位二进制数既可完全表示，四个刀位编码分别为00、01、10、11。对于五方刀架，必须由三位二进制数表示，既000、001、011、110、111。六方刀架的编码为000、001、010、011、100、110、111。刀位编码信号的发出，是由装在随刀架一起转动的微动电源开关来实现的。微动开关的触头朝外，它的开关状态由一个内表面凸轮来控制。凸轮实际上是只有一定半径差的两个内圆弧表面。微动开关触头与小半径内表面接触，开关便接通；与大圆弧表面接触，开关便断开。与此对应的信号分别为1和0。所需要的微动开关数目，等于编码的位数。既四方刀架有两个微动开关，五方和六方刀架各有三个微动开关。另外，刀位编码信号并非刀架转到此位置时才发出的，而是提前发出的。刀具的选位位置是由一个粗定位开关来控制的。当刀架转到某个刀位时，粗定位开关发信号，停转，微机进行编码比较，根据比较结果，或刀架选定此位，或继续转动。粗定位开关的通断控制也是由一个类似于内表面凸轮的定位槽来完成。 3）刀架的下降、定位和压紧刀架选定位置后，斜面销插入斜面槽中，使之粗定位。然后由微机控制使微电机反转。由于斜面销的棘轮作用，刀架不跟随转，只是下降。，再由精定位元件来精确定位。精定位元件有若干种，常采用锥形定位销定位。但是，如果只用一个定位销定位，那么刀架的定位精度和定位刚度都不足。若用多个定位销定位，定位销孔的位置精度要求极高,加工难度较大。相比之下，端面齿盘定位的优点较为明显。齿盘齿廓部分的形位精度可以从工艺上严加控制，再经反复对研，既可得到很高的精度。由于端面齿盘定位为多齿接触，接触面积大，因此它还有接触刚度好、定位尺寸稳定性好和寿命长等特点。此外，这种元件允许刀架下降时有一定角度误差。因此，转位刀架的精确定位最常用的是端齿盘结构方式。定位完毕，需要压紧刀架，才能安全可靠地工作。压紧力是由刀架下降到底后，微电机继续转动所产生的。压紧力的大小应是切削力大小的两倍以上，而且应该能调整。当压紧力达到调整数值时，使微电机停转，且始终保持这一压力直到下一动作循环的开始。第五章 PLC控制车床刀架5.1 刀架的选用 目前数控车床刀架基本为电动刀架，其特点是定位更准确、迅速。老式传统车床刀架多为手动、液压驱动或少部分的电动，改造时可以根据需要对其加以更换。 电动刀架可分为卧式转塔刀架（一般安装812把刀）和立式电动刀架，立式电动刀架有四工位（或六工位），其中每一种刀架又有抬刀刀架（两端齿盘）和免抬刀刀架（三端齿盘）之分。卧式转塔刀架价格相对较贵，改造中常用四六工位电动刀架。5.2 电动刀架的电机控制 车床的刀架是车床自动换刀的机构，是车床上一个重要的部件。刀架具有很多种类。有霍尔元件检测刀位的简易刀架，有带位置编码可双相换刀的自动刀架，有可带动刀具的自动刀架，控制刀架旋转有的使用普通异步电动机，有的使用伺服电极。有很多刀架的控制厂为车床提供各种各样的刀架。每个厂家生产的刀架控制方法有所差别，就是同一厂家提供不同型号的刀架，其控制时序也不是百分百相同。电动刀架采用三相异步电动机驱动，刀架检测采用霍尔元件。控制直流继电器，继电器再驱动交流接触器接通三相交流电源，使刀架电动机正转或反转。电动刀架电机的控制硬件连接。5.3 车床刀架控制 车床的刀架是车床自动换刀的机构，是车床上一个重要的部件。刀架具有很多种类。有霍尔元件检测刀位的简易刀架，有带位置编码可双相换刀的自动刀架，有可带动刀具的自动刀架，控制刀架旋转有的使用普通异步电动机，有的使用伺