数控加工中心刀库换刀系统

1、数控加工中心刀库换刀系统作者:日期:郑州电力职业技术学院课程设计说明书题 目 机电一体化技术与系统课程设计-数控加工中心刀具换刀系统 的设计系另U 机电工程系专业机电一体化班级 09级机电四班姓 名设计时间指导教师二o年二月一日郑州电力职业技术学院-9 -一、课程设计任务 2二、课程设计要求 2三、课程设计的参数设置 2四、课程设计过程2第一节PLC基本介绍2第二节阐述PLC的工作原理6第三节 列出I/O配置表 10第四节刀盘取刀示意图11第五节本系统梯形图及指令表 13第六节本系统的开发环境17第七节本系统的改进 19第八节总结2123参考文献22五、指导教师评价课程设计任务书一、课程设计任

2、务设计一个数控加工中心刀具库换刀系统。二、课程设计要求刀具由PLC控制来实现其功能。斗笠式刀库装 6把刀，从上向下看顺时针编号，如图4-1所示。以机械手位置为基准，刀号变大方向连续3把刀盘逆时针换刀；刀号变小连续 2把刀采用顺时针旋转换刀。例如：假设1号刀为停留在机械手位置处时，调去 1号刀时刀盘不动作；调取5、6号刀时刀盘顺时针旋转，调去 2、3、4号刀时，刀盘逆时针旋转。三、课程设计的参数设置1、寄存器D0;机械手当前位置寄存器。2、寄存器D1:程序刀号寄存器。3、寄存器D3:偏差寄存器。4、参数 K:参数 K1、K2、K3 K4 K5> K6 分别为 1、2、3、4、5、6。四、课

3、程设计过程第一节PLC基本介绍可编程控制器(Programmable Controller ) 简称PC,为了避免和通用计算机的简称 PC同意，在很多书中对可编程控制器仍沿用PLC的简称。1968年美国的汽车工业首先提出了可编程控制器的概念,1969年美国数字设备公司制造 出了世界上第一台PLG这时的可编程控制器只能用于执行逻辑判断、定时、计数等顺序控 制功能，所以称为可编程控制器，简称PLG PLC最早用于取代汽车生产线上的继电器控制系 统，随即扩大到食品加工、制造冶金等工业部门。1971年日本引进了这项生产技术，并开始生产自己的PLG 1973年欧洲的一些国家也研制生产了自己的 PLG进入

4、20世纪70年代后，随着半导体技术及微机技术的发展，PLC采用了微处理器作为中央处理器，输入与输出单元和外围电路也到采用了中、大规模集成电路，使PLC具有多项优点，并形成了各种规格的系列产品，成为了一种新型的工业自动化控制标准设备。这时的 PLC已经有逻辑判断、数据处理、PID控制和数据通信功能，因此被改称为可编程控制器简称 PC1987年2月，国际电工委员会（IEC）在可编程控制器的标准中做可如下定义：“可编程 控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计，他采用用可编程序的 存储器逻辑运算、顺序控制、定时、技数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式 的输入 输出接口。

5、控制各种类型的机械或生产过程，可编程控制器及其有关外围设备易于工 业控制系统连成一个整体，并已于扩充其功能。”可编程控制器在其内部结构和功能上都类似于通用计算机，所不同的是可编程控制器还 具有很多通用计算机所不具有的功能和结构。PLC还有很多适应于各种工业控制系统的模块； PLC采用以传统电气图为基础的梯形图语言编程，方法简单且易于学习和掌握。所以在控制 系统应用方面PLC优于计算机，它易于和控制系统相连接，可以方便灵活的构成不同要求， 不同规模的控制系统，其环境适应性和抗干扰能力强，所以可将可编程控制器称工业控制计算机，由于这些特点，目前可编程控制器已成为工业自动控制系统的重要支柱。可编程控

6、制器的功能及特点：1、 可靠性高，抗干扰能力强；2、 适应性强，应用灵活；3、 变成方便，易于使用；4、 具有各种接口，与外部设备连接方便，适应范围广；5、 功能完善；可编程控制器的应用：1、 顺序控制和时序控制；2、 过程控制；3、 数据控制；4、 联网和显示打印；可编程控制器的发展：1、 向体积更小，速度更快的方向发展；2、 向大型化，高可靠性，好的兼容性，多功能方向发展；3、 与其他工业控制产品的结合 ；可编程控制器的基本组成：1、中央处理单元(CPU)中央处理器单元是PLC的核心，PLC的档次越高CPU勺位数越多，系统处理信息量越大，运算速度就越快，指令功能也越强2、存储器存放系统软件

7、的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。3、输入输出接口电路现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。4、电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去5、编程器编程器用于将用户程序送入PLC的

8、存储器，是PLC最重要德外部设备。 编程器可用于编程，也可以用来进行程序修改和检查，还可以对PLC工作状态进行监控。第二节阐述PLC的工作原理可编控制器的工作原理：循环扫描工作方式,PLC在通电以后，PLC实际上是按照分时操作进行工作的，此工作过程的循环扫描工作方式，如图:当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。（一）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状 态和数据，并将它们存入 I/O映象区中的相应的单元内。输入

9、采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶 段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则 该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情 况下，该输入均能被读入。（二）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫 描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先 上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根 据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RA帏储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O映象区中对应位的

10、状态； 或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区-7 -或系统RAMS储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排 在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这 些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其 被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对 排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不 会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新

11、，这跟立即输入有些区别。（三）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU安6K I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输 出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是 PLC 的真正输出。PLC内部运作方式：虽然 PLC所使用之阶梯图程式中 往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方 式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做 实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空间。实际 上PLC执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程 式码以扫描方式读入 CPU中并最后执行控制运作。在整个

12、 的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执 行”、“输出状态更新”说明如下： 步骤一 “输入状态检 查”：PLC首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感 器状态（1或0代表开或关），并将其状态写入内存中对 应之位置Xn。步骤二“程式执行”：将阶梯图程式逐行取入 CPU中 运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位 置，暂不反应至输出端 Yn。步骤三”输出状态更新”：将 步骤二中之输出状态更新至PLC输出部接点，并且重回步骤一。此三步骤称为 PLC之扫描周期，而完成所需的时间 称为PLC之反应时间，PLC输入讯号之时间若小于此

13、反应 时间，则有误读的可能性。每次程式执行后与下一次程式 执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作 方式为输出输入端“程式结束再生”。PLC执行用户程序的工作过程图2-2所示。-13 -执行自咨颔在自攵自诒的李告偿绪事通信用艮若 C少卜迳口 CFU总领月艮务 3吏盖斤时军中r 用舞,存需R.LJNFDFTJlWSTOP福人处理 C 本人工,d 运捏工I。）执行程中播j tti处理图2-2 PL C执行用户程序的工作流程图第三节列出I/O配置表节点类型节点名称节点作用输入X001机械手位置检测X002机械手位置检测X003机械手位置检测X004机械手位置检测X005机械手位置检测X00

14、6机械手位置检测X0011刀具号选择X0012刀具号选择X0013刀具号选择X0014刀具号选择X0015刀具号选择X0016刀具号选择出输Y000刀具到位指示Y001刀盘旋转指示Y002刀盘顺转Y003刀盘逆转Y004换刀闪烁第四节刀盘取刀示意图如图4-1所示，以1号刀位在机械手位置处为例。一、调取当前刀号。机械手在1号刀位D0=K1,系统调取当前刀号，D0=K1,两值比较D0=D1,此时，到位指示灯 直接亮起，接着换刀成功指示灯闪烁，表示换刀完成。二、调取2 （或3、4）号刀。机械手在 1号位D0=K1,系 统调取2号刀，D1=K2,两值比较 D0<D1,此时，D0要先加K6 再减D

15、1得D3, D3再和K3比较 D3>K3,M10动作，刀盘逆转。图4-1(3)如图4-2 ,调取5 (或6)号刀，机械手在1号位 置D0=K1,系统调取5号刀，D1=K5,两值比较 D0<D1,止匕 时，D0要先力口 K6再减D1得D3, D3再和k3比较，D3K3, M11、M12动作，刀盘顺转。图4-2第五节本系统梯形图及指令表-17 -oTLIDDoMP(c3LI u o¥2541)01sio6M.50r ol_-2122N15TlC1W D3 D3 MIO ?145120liT18MIOYOOO M20MilM12146150TOGOT¥0021&

16、;4YQ03YOOO0013157160T：162162vooa M207000 M20指令表0119 卜<M20 卜<Y0 02 卜K50<Tl我阿卜(TOO AKST M5於 MD -但-27 -1 LD X0112 MOV K1 D03 LD X0124 MOV K2 D05 LD X0136 MOV K3 D07 LD X0148 MOV K4 D09 LD X01510 MOV K5 D011 LD X01612 MOV K6 D013141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546

17、474849505253545556575859LD X001ANI M5MOV K1 D1SET M5 LD X002 ANI M5 MOV K2 D1SET M5 LD X003ANI M5MOV K3 D1SET M5 LD X004ANI M5MOV K4 D1SET M5 LD X005 ANI M5 MOV K5 D1SET M5 LD X006ANI M5MOV K6 D1SET M5LD M5CMP D0 D1 M0MPSAND M0SUB D0 D1 D3 MRD AND M1OUT Y000CMP D3 D3 D10ADD D0 K6 D2AND M2 MPP AND M2

18、SUB D2 D1 D3LD M5 MRD MPS AND M10 ANI Y000 ANI M20 OUT M18 MRD60616263646566676869707172737475767778798081828384AND M11 ANI Y00 0 ANI M20 OUT M19 MPP AND M12 ANI Y000 ANI M20 OUT M20 LD M19 OR M20 OUT Y002 LD M18 OUT Y003 LD Y000 OUT T1 K50 LD Y002 OR Y003 OUT Y001 LD Y000 AND M8013 OUT Y004 LD T1 R

19、ST M5 END第六节本系统的开发环境但AU &I1为棺屋常写一个胃单的理4 an讪整rstk-东悝摩地与+丫 ,祥送后正；IIRMM让我打近一会.儿U«llb-JL!第L童就我仍式与T程序 chi r 亚簟口击端柜胭屋席区吧住可以虐行瘾作。掠躺三力诬色 曹ttMftMWXKlEg "*-),'=u业盘嵬得*占击脸购财M9M-1的,F工二十.裕江示在更南二。T 'EM/ DI曹位子徨片的质强斗11立白拄旭湿不方的讦 U*工生J 4用上 *；。陲化，三屈)，二_!_叫Li OLI 41 mT叫一，肛！fi 2(Ms Ft J I Cm】A mu o&

20、gt;I HU-电川 + T= F=虻叫MO:电此,Qboobo口O口。0黑0«二&0。小。00。不炉4室UHS*M。A4OOOOO(PLC决定动作的顺序和状态，I!-，7 0OQDROOQ团国>羽*=浜3-口&0GO0&0国周 前0 回回回回 71 71 7一 回L开关接通。2 .电机运转口3 .灯点亮。第七节本系统的改进目前国内外数控机床自动换刀系统中，刀具、辅具多采 用锥柄结构，刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构 及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。在这种模式中，机 床主轴常采用空心的带有长拉杆、碟形弹簧组的结构形式， 由液压或气动装置提供动

21、力，实现夹紧放松刀柄的动作。利 用这种机构夹持刀具进行数控加工的最大问题是，它不能同 时获得高的夹持刚度和刀具振摆精度，而且主轴结构复杂， 主轴轴向尺寸过大，加上它的液压驱动装置及刀具辅具锥柄 的制造成本，使得自动换刀系统的造价在机床整机中占有较 大的比重。为了更好地简化数控机床主轴结构，尽可能地减小换刀 机构对机床主轴结构优化设计带来的影响，采用弹簧夹头这 一理想的刀具夹持元件，在机床主轴的设计上除了轴端制作 出与弹簧夹头联结的专用结构外，机床主轴结构完全可以根 据其优化要求来确定，从而可最大限度地提高机床主轴的工 作性能。本研究以它巧妙的构思，对换刀机械手、刀具交换 装置、刀库结构形式以及

22、驱动机构进行了新的设计，改变了 传统的结构模式。在本项研究中要解决的主要问题有：1 .研究适用于机床主轴结构并能满足自动换刀要求的 高性能弹簧夹头结构模式弹簧夹头的结构及其制造工艺的优化程度直接影响着它 的使用性能。用于自动换刀的弹簧夹头必须具备夹紧力大， 能够自锁和工作可靠的特点，而且还必须具有足够的夹持刚 度，同时便于刀具的轴向精确定位。2 .研究确定弹簧夹头与机床主轴头部可靠联结的结构方案弹簧夹头与主轴采用轴头联结，这种联结方式完全不影 响机床主轴自身的优化设计。弹簧夹头对定尺寸柄刀具或定 尺寸柄辅具的夹紧放松动作采用主轴轴端外驱动工作方式。 因此要研究满足以上要求的主轴轴端结构形式。3

23、 .换刀机械手与驱动装置的研究换刀机械手的主要任务是，完全模拟人手的换刀动作， 给机床主轴与弹簧夹头提供相对转动实现夹紧、放松刀具的 动作。机械手应具备足够的转矩， 该转矩还必须恒定（可调） 同时还应使机械手具备结构紧凑、占据空间小的特点，以适 应不同类型机床的换刀空间。换刀机械手完全采用电磁机械 传动，以求最大限度地降低自动换刀系统的成本造价。4 .刀库结构及刀库驱动方式的研究要在总结现有数控机床刀库类型、刀架结构、刀库驱动方式的基础上，研制出夹持圆柱形定尺寸柄刀具或辅具的刀 库形式、刀架结构和刀具交换装置。同时包括刀库的驱动、 定位机构、刀具编码方式的研究。5 .智能型控制系统的研究自动换刀系统采用单片机或