1、西 京 学 院本科毕业设计(论文)题目：数控车床电动刀架 PLC控制的设计教学单位： 机电工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 0811050502 姓 名： 吴启龙 指导教师： 徐开良 2012年 5月摘 要数控车床今后将向中高当发展，经济型数控刀架配套，采用电动刀架，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和伺服驱动方向发展。本部分主要对常州宏达公司生产的LD4B电动刀架四工位立式电动刀架的PLC车床控制设计，并对电动刀架的电路设计，从刀架的结构和工作原理深刻分析，着重研究了数控机床刀架的机械结构以及电气控制原理，
2、PLC控制，霍尔元件的原理机应用。回 转 刀 架 的 换 刀 动 作 分 为 刀 盘 抬 起 、 刀 盘 转 位 和 刀 架 锁 紧 三 个 动 作 ， 刀盘 转 位 则 由 普 通 三 相 异 步 电 动 机 来 驱 动 。 刀 盘 转 位 动 作 的 实 现 经 以 下 步 骤 ：数 控 系 统 发 出 刀 盘 转 位 的 命 令 三 相 异 步 电 动 机 启 动 涡 轮 蜗 杆 转 动 刀架 主 轴 转 动 实 现 刀 盘 转 位 。关键词 ：经济型数控车床 ；车床刀架 ； PLC控制电动刀架IAbstractNumerical control lathe, will in the f
3、uture high when to development, economic l, in recent years on the nc tool is expected to demand will increase greatly. Nc tool is the development trend of: along with the development of the CNC lathe, CNC tool began to change cutters quickly and servo drive direction. The main part of changzhou HTC
4、 company produces the LD4B electric tool 4 Labour vertical electric tool PLC lathe control design, and the electric tool circuit design, tool from the structure and working principle of profound analysis, this paper studies the numerical control machine tool and mechanical structure of the electric
5、control principle, PLC control, the principle of the hall element machine applications.Rotary tool for knife actions are divided into the knife dish up the, the knife dish inversion and tool carrier lock three movements, the knife dish inversion is by ordinary three-phase asynchronous motor to drive
6、. The knife dish inversion of the following steps to achieve the action: the numerical control system knife dish out the command of the inversion three-phase asynchronous motor starting rotation axis rotation worm turbine enough to realize the knife dish inversion. Keywords: economic numerical contr
7、ol lathe, Lathe tool; PLC control electric tool II目 录1 绪论 .11.1 课题的研究背景 .11.2 课题的来源及意义 .12 刀架控制系统硬件组成 .42.1 刀架的有关概况 .42.1.1 刀架的产生 .42.1.2 刀架的分类 .42.1.3 刀架的几种典型结构 .42.2 四工位刀架的组成 .52.3 四工位刀架的机械结构 .72.4 四工位刀架控制电路的组成 .93 PLC 控制车床刀架 .113.1 刀架的选用 .113.2 电动刀架的电机控制 .113.3 车床刀架控制 .113.3.1 简易刀架的控制 .113.3.2 刀架
8、的锁紧时间 .123.3.3 刀架刀位信号监控 .134 车床刀架的选用及工作 .144.1 刀架的选用 .144.2 电动刀架的电机控制 .144.3 PLC 控制电动刀架 .144.3.1 常州宏达公司生产的 LD4B 电动刀架 .144.3.2 常州宏达 LD4B 刀架的工作原理 .154.4 刀架驱动 .164.5 刀架工作顺序 .164.6 控制过程如下 .165 PLC 控制车床刀架 .175.1 硬件设计 .175.2 I/O 地址分配表 .185.3 换刀梯形图 .185.3.1 手动换刀程序 .185.3.2 自动换刀 .195.3.3 综合换刀 .20结 论 .22致 谢
9、.23参考文献 .24西京学院本科毕业设计（论文）01 绪论1.1课题的研究背景梳子程序控制机床一般简称为数控机床。它是由数控装置或计算机进行控制的一种高效能自动化机床，它综合应用了自动控制技术、计算机技术、精密测量技术、液压气动等技术。并在机床结构等方面运用了最新技术。随着科学技术的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对机械零件的加工质量要求也越来越高；单件、小批生产的机械产品所占比重越来越大，特别是在造船、航空、航天、深潜以及国防工业的各个部门，加工批量少、精度要求高、形状复杂的零件很多。像这样的产品，如果采用一般的自动机床或组合机床和自动线来加工，就显得很不经济、不合理，一般机床又不能加
10、工。数控机床就是在这样的条件下产生和发展起来的，它能有效地适应产品不断变化、多品种、小批量的自动化生产。 数控机床就是把加工所需要的各种操作，例如变速、松夹工件、进刀、退刀、开车与停车、冷却液的自动供给等等，以及刀具相对于工件之间的位移。采用数值数据的形式通过计算机的运算，并将输入的指令变为机床的各种操作，实现零件的自动加工。随着网络技术日益普遍运用，互联网进入车间只是时间问题，这将是数字化制造的主要标志。从另一角度来看，企业资源计划如果仅仅局限于业务管理部门(人、财、物、产、供、销)或设计开发等企业上层的信息化是远远不够的，车间最底层的加工设备数控机床不能够连成网络或信息化，就必然成为制造业
11、信息化的制约瓶颈。所以，对于现代制造工厂来说，除了要提高机床的数控化率外，更要使所拥有的数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间的底层之间及底层与上层之间通信畅通无阻。1.2课题的来源及意义数控刀架是数控机床的重要组成部分，在我国被命名为机床附件，在国外被定义为机床功能件。随着数控机床的飞速发展，机床设计已由传统的统筹设计发展到模块化设计，即按照机床的功能化分模块，因此这些功能部件的性能已成为整机性能的决定因素。数控刀架作为数控车床的动作执行部件，其基本西京学院本科毕业设计（论文）1结构包括：驱动装置、分度装置、预定位装置、松开、锁紧装置、精定位装置、罚信装置、装刀装置。数控刀
12、架的换刀动作如下：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齿盘锁紧精定位系统确认后进行切削。数控刀架分类。目前，行业上应用的数控刀架按照与主机配套场合主要有分为如下高、中、低三个档次。低档数控刀架主要有沈阳精诚数控生产的系列电动数控立式刀架，系列卧式刀架。该种刀架结构简单，容易设计、制造。采用三相力矩电机驱动，三联齿定位，矩形螺纹锁紧，配套在我国简易型数控车床，受我国数控机床发展的影响，是我国的特色产品，已经形成规模化生产。中档数控刀架主要有沈阳精诚数控生产的系列电动刀架、系列电动刀架、系列液压刀架。该档次刀架，可双向选刀，刚性好，但结构复杂，对制造加工设备要求高。此类刀架在
13、我国初具规模，但国外产品对我国市场冲击较大。高档数控刀架包括伺服刀架和动力刀架。此类刀架，我国起步较晚，还处在研究阶段，但还没有形成商品化。数控刀架的发展。数控刀架作为功能性部件配套于机床主机，但它集机械、电气于一体，是典型的机电一体化产品，数控刀架的研究开发是机械、电气、电子、材料等多学科知识的综合。当今，数控伺服刀架、动力刀架等功能部件己成为衡量数控机床水平的重要标志。它们的价格也是构成数控机床整机价格的主要成分，粗略计算数控机床数控刀架等功能部件价格已占整机成本构成的左右。目前，我国的功能部件生产发展缓慢，品种少，产业化程度低，不能满足市场要求，不得不依赖进口。由于功能部件进口价格昂贵，
14、造成数控机床整机价格不断上升，我国生产的数控机床几乎失去了竞争优势。市场显示，同等水平的数控机床，韩国的价格几乎与我国的价格持平，出现这一现象与我们主机厂大量从国外采购数控机床所需的功能部件有很大关系。我国机床工具行业的专家、学者、企业家都已看到了功能部件产业的巨大发展前景。许多企业也已瞄准了这个市场，通过引进技术、合作生产或自主开发，初步形成了一批功能部件专业生产厂家。当前国内高水平、高质量的数控机床和加工中心还不能完全满足国内市场需求，这和与之配套的高水平的功能部件发展滞后有关，有些功能部件性能上与国际著名厂家的产品还有一些差距。我国己加入世贸组织，境外功能部件产品对我国市场的冲击将更加厉
15、害。可以说，没有高水平功能部件生产能力的大幅提高，将严重影响我国机床行业的快速发展。西京学院本科毕业设计（论文）2伺服刀架控制器是伺服刀架和动力刀架的技术核心。高档刀架采用伺服电机作驱动源，实现位置、速度的双闭环控制，具有结构简单，容易加工制造、维护、精度高，转位快等特点。我国各大机床主机厂均依靠进口此类产品与主机配套。很明显，伺服刀架的机械结构简单，而我国目前还没有针对数控刀架的专业伺服驱动系统产品，这大大的制约了我国高档刀架发展，是我国的伺服刀架的研制处于停滞状态，因此，伺服刀架的控制器即伺服刀架的伺服电机控制是高档数控刀架的关键技术。刀库包括刀套旋转机构及换刀机械手，刀库外形为圆盘形，内
16、部装有一个分度盘。刀库的回转运动由带抱闸的三相异步电机作动力源。三相电源通过交流接触器提供给电动机，此时抱闸打开，刀库运转，切断三相电源则抱闸闭锁，刀库立刻停止运转。通过分度盘的运动及相关检测元件组的逻辑组合，可使每个刀套准确停在换刀位置。刀套停在换刀位置后，由气缸控制刀套处于水平或垂直状态，以方便机械手换刀。刀套分度台可以顺时针或逆时针方向旋转，从而可以在最短的时间内搜索到所要更换的刀具。刀库换刀机械手的运动同样是由带抱闸的三相异步电机作动力源，通过齿轮传动机构，把电机产生的匀速旋转运动转化为机械手的规律性前进、停止以及旋转运动。齿轮传动装置配有微动开关组。这个开关组包括3组微动凸轮和3个接
17、近开关，每组微动凸轮上装有3个微动凸轮。该微动开关组用于控制机械手夹住刀具、机械手把刀具从主轴和刀套内取出、机械手处于原始位置等。该刀库的旋转刀套及机械手的减速传动机构内都内置了一个扭矩限制器，以防止内部机械结构损坏。通过这次的毕业设计，使自己各方面的能力都有所提高（自学能力、动手能力、语言表达能力、文字表达能力、解决实际问题的能力） 。对自动回转刀架的认识，可以为我以后学习各类数控机床有个好的基础。同样刀架的 PLC程序能应用和设计，再要应用和设计刀库的 PLC程序就容易了。为今后从事本专业的工作运用打下基础，使自己能很快的融入社会。西京学院本科毕业设计（论文）32 刀架控制系统硬件组成2.
18、1刀架的有关概况2.1.1 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宋好处。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。2.1.2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
19、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。 2.1.3 刀架的几种典型结构a. 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
20、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。b. 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西京学院本科毕业设计（论文）4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。
21、c. 般转塔回转刀架 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，其动座过程分为如下三个步骤：刀架转位、刀架压紧，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。d. 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
22、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。e. 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
23、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。2.2四工位刀架的组成西门子数控车床的电动四工位刀架采用的电机是三相异步电机，功率90W，转速 1300r/min。电动四工位刀架如图 31所示：刀架由电动机、蜗轮蜗杆机构，传动轴，蜗杆，下齿盘，上齿盘，定位槽，插销，丝杠螺母机构，反靠槽，霍尔开关，磁性板霍尔元件电路或干簧管、微动开关电路等组成。西京学院本科毕业设计（论文）5图 2.1 四工位刀架刀架的动作：当数控系统发出换刀指令后，通过比较电路比较目标刀具与原刀具的位置差，再来判断是否要旋转，若与原来的一
24、样的话，刀架没有任何的动作，若不一样的话，在确定好目标刀具号后，刀盘松开并被顶起，然通过接口电路使电机正转，经传动装置、驱动蜗杆蜗轮机构,蜗轮带动丝杠螺母机构，将刀盘松开并抬起，直至两定位多齿盘脱离啮合状态，然后由插销带动刀盘转位，数控装置发出的换刀指令使霍尔开关中的某一个选通，当磁性板与被选通的霍尔开关对齐后，霍尔开关反馈信号使电机反转并夹紧的动作，插销向预分度盘上的分度槽反靠实现预分度，刀盘停止转动，通过丝杠机构使刀盘移动到齿盘重新啮合，实现精确定位。多齿盘啮合精确定位后，电机应能停止反转。换刀完成。例如，四工位自动回转刀架回转电机反转1.5s后，由数控装置自动停止，防止电机不停反转而过载
25、毁坏。反靠机构使卜带动刀架旋转的机构，由于它必须在刀架正转时对卡死，反转时半卡死，因此该反靠槽的两个侧面一个设计成垂直面，另一个设计成倾斜面。预定位插销和预定位槽(在下齿盘上)的作用在于实现刀架的预定位。电机正转时，定位插销被插销上方的弹簧拉起，回转电机反转，插销被弹簧入预定位槽内实现刀架的预定位，精确定位采用多齿盘结构，利用其表面精度高、硬度高的梯形齿结构进行啮合以达到精确定位。整个信号走向是：操作面板或程序发出换刀指令输到CNC，CNC与PLC输出转接板来控制输出板上的中继的动作从而控制电动刀架的正反转，当从CNC插口过来正转信号为低电平信号时，由于CNC输入插口信号线低电平有效，所以相对应的中间继电器线圈得电，常开触点闭合，输出架电机正端有信号输出，通过外部电路闭合控制继电器KM1线圈得电，常开触点KA6闭合，些时刀转；当从CNC插
