數控機床四方刀架plc控制

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西 京 學 院 本科畢業(yè)設計(論文) 題目：數控車床電動刀架PLC控制的設計 教學單位： 機電工程系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 號： 0811050502 姓 名： 吳啟龍 指導教師： 徐開良 2012年5月 24 摘 要 數控車床今后將向中高當發(fā)展，經濟型數控刀架配套，采用電動刀架，預計近年來對數控刀架需求量將大大增加。數控刀架的發(fā)展趨勢是：隨著數控車床的發(fā)展，數控刀架開始向快速換刀和伺服驅動方向發(fā)展。本部分主要對常州宏達公司生產的LD4B電動刀架四工位立式電動刀架的PLC車床控制設計，并對電動刀架的電路設計，從刀架的結構和工作原理深刻分析，著重研究了數控機床刀架的機械結構以及電氣控制原理，PLC控制，霍爾元件的原理機應用。 回轉刀架的換刀動作分為刀盤抬起、刀盤轉位和刀架鎖緊三個動作，刀盤轉位則由普通三相異步電動機來驅動。刀盤轉位動作的實現經以下步驟：數控系統(tǒng)發(fā)出刀盤轉位的命令→三相異步電動機啟動→渦輪蝸桿轉動→刀架主軸轉動→實現刀盤轉位。 關鍵詞 ：經濟型數控車床 ；車床刀架 ； PLC控制電動刀架 Abstract Numerical control lathe, will in the future 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 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 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. 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 control lathe, Lathe tool; PLC control electric tool 目 錄 1 緒論 1 1.1課題的研究背景 1 1.2課題的來源及意義 1 2 刀架控制系統(tǒng)硬件組成 4 2.1刀架的有關概況 4 2.1.1 刀架的產生 4 2.1.2刀架的分類 4 2.1.3 刀架的幾種典型結構 4 2.2四工位刀架的組成 5 2.3四工位刀架的機械結構 7 2.4四工位刀架控制電路的組成 9 3 PLC控制車床刀架 11 3.1刀架的選用 11 3.2電動刀架的電機控制 11 3.3車床刀架控制 11 3.3.1簡易刀架的控制 11 3.3.2刀架的鎖緊時間 12 3.3.3刀架刀位信號監(jiān)控 13 4 車床刀架的選用及工作 14 4.1 刀架的選用 14 4.2 電動刀架的電機控制 14 4.3 PLC控制電動刀架 14 4.3.1常州宏達公司生產的LD4B電動刀架 14 4.3.2常州宏達LD4B刀架的工作原理 15 4.4 刀架驅動 16 4.5 刀架工作順序 16 4.6 控制過程如下 16 5 PLC控制車床刀架 17 5.1硬件設計 17 5.2 I/O地址分配表 18 5.3換刀梯形圖 18 5.3.1手動換刀程序 18 5.3.2 自動換刀 19 5.3.3綜合換刀 20 結 論 22 致 謝 23 參考文獻 24 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 1.1課題的研究背景 梳子程序控制機床一般簡稱為數控機床。它是由數控裝置或計算機進行控制的一種高效能自動化機床，它綜合應用了自動控制技術、計算機技術、精密測量技術、液壓氣動等技術。并在機床結構等方面運用了最新技術。隨著科學技術的發(fā)展，機械產品的形狀和結構不斷改進，對機械零件的加工質量要求也越來越高；單件、小批生產的機械產品所占比重越來越大，特別是在造船、航空、航天、深潛以及國防工業(yè)的各個部門，加工批量少、精度要求高、形狀復雜的零件很多。像這樣的產品，如果采用一般的自動機床或組合機床和自動線來加工，就顯得很不經濟、不合理，一般機床又不能加工。數控機床就是在這樣的條件下產生和發(fā)展起來的，它能有效地適應產品不斷變化、多品種、小批量的自動化生產。 數控機床就是把加工所需要的各種操作，例如變速、松夾工件、進刀、退刀、開車與停車、冷卻液的自動供給等等，以及刀具相對于工件之間的位移。采用數值數據的形式通過計算機的運算，并將輸入的指令變?yōu)闄C床的各種操作，實現零件的自動加工。隨著網絡技術日益普遍運用，互聯網進入車間只是時間問題，這將是數字化制造的主要標志。從另一角度來看，企業(yè)資源計劃如果僅僅局限于業(yè)務管理部門(人、財、物、產、供、銷)或設計開發(fā)等企業(yè)上層的信息化是遠遠不夠的，車間最底層的加工設備——數控機床不能夠連成網絡或信息化，就必然成為制造業(yè)信息化的制約瓶頸。所以，對于現代制造工廠來說，除了要提高機床的數控化率外，更要使所擁有的數控機床具有雙向、高速的聯網通訊功能，以保證信息流在車間的底層之間及底層與上層之間通信暢通無阻。 1.2課題的來源及意義 數控刀架是數控機床的重要組成部分，在我國被命名為機床附件，在國外被定義為機床功能件。隨著數控機床的飛速發(fā)展，機床設計已由傳統(tǒng)的統(tǒng)籌設計發(fā)展到模塊化設計，即按照機床的功能化分模塊，因此這些功能部件的性能已成為整機性能的決定因素。數控刀架作為數控車床的動作執(zhí)行部件，其基本結構包括：驅動裝置、分度裝置、預定位裝置、松開、鎖緊裝置、精定位裝置、罰信裝置、裝刀裝置。數控刀架的換刀動作如下：系統(tǒng)發(fā)出指令—齒盤松開—刀架旋轉分度—到達目標工位并發(fā)信號給系統(tǒng)—齒盤鎖緊精定位—系統(tǒng)確認后進行切削。 數控刀架分類。目前，行業(yè)上應用的數控刀架按照與主機配套場合主要有分為如下高、中、低三個檔次。低檔數控刀架主要有沈陽精誠數控生產的系列電動數控立式刀架，系列臥式刀架。該種刀架結構簡單，容易設計、制造。采用三相力矩電機驅動，三聯齒定位，矩形螺紋鎖緊，配套在我國簡易型數控車床，受我國數控機床發(fā)展的影響，是我國的特色產品，已經形成規(guī)?；a。中檔數控刀架主要有沈陽精誠數控生產的系列電動刀架、系列電動刀架、系列液壓刀架。該檔次刀架，可雙向選刀，剛性好，但結構復雜，對制造加工設備要求高。此類刀架在我國初具規(guī)模，但國外產品對我國市場沖擊較大。高檔數控刀架包括伺服刀架和動力刀架。此類刀架，我國起步較晚，還處在研究階段，但還沒有形成商品化。數控刀架的發(fā)展。數控刀架作為功能性部件配套于機床主機，但它集機械、電氣于一體，是典型的機電一體化產品，數控刀架的研究開發(fā)是機械、電氣、電子、材料等多學科知識的綜合。當今，數控伺服刀架、動力刀架等功能部件己成為衡量數控機床水平的重要標志。它們的價格也是構成數控機床整機價格的主要成分，粗略計算數控機床數控刀架等功能部件價格已占整機成本構成的左右。目前，我國的功能部件生產發(fā)展緩慢，品種少，產業(yè)化程度低，不能滿足市場要求，不得不依賴進口。由于功能部件進口價格昂貴，造成數控機床整機價格不斷上升，我國生產的數控機床幾乎失去了競爭優(yōu)勢。市場顯示，同等水平的數控機床，韓國的價格幾乎與我國的價格持平，出現這一現象與我們主機廠大量從國外采購數控機床所需的功能部件有很大關系。我國機床工具行業(yè)的專家、學者、企業(yè)家都已看到了功能部件產業(yè)的巨大發(fā)展前景。許多企業(yè)也已瞄準了這個市場，通過引進技術、合作生產或自主開發(fā)，初步形成了一批功能部件專業(yè)生產廠家。當前國內高水平、高質量的數控機床和加工中心還不能完全滿足國內市場需求，這和與之配套的高水平的功能部件發(fā)展滯后有關，有些功能部件性能上與國際著名廠家的產品還有一些差距。我國己加入世貿組織，境外功能部件產品對我國市場的沖擊將更加厲害?？梢哉f，沒有高水平功能部件生產能力的大幅提高，將嚴重影響我國機床行業(yè)的快速發(fā)展。 伺服刀架控制器是伺服刀架和動力刀架的技術核心。高檔刀架采用伺服電機作驅動源，實現位置、速度的雙閉環(huán)控制，具有結構簡單，容易加工制造、維護、精度高，轉位快等特點。我國各大機床主機廠均依靠進口此類產品與主機配套。很明顯，伺服刀架的機械結構簡單，而我國目前還沒有針對數控刀架的專業(yè)伺服驅動系統(tǒng)產品，這大大的制約了我國高檔刀架發(fā)展，是我國的伺服刀架的研制處于停滯狀態(tài)，因此，伺服刀架的控制器即伺服刀架的伺服電機控制是高檔數控刀架的關鍵技術。刀庫包括刀套旋轉機構及換刀機械手，刀庫外形為圓盤形，內部裝有一個分度盤。刀庫的回轉運動由帶抱閘的三相異步電機作動力源。三相電源通過交流接觸器提供給電動機，此時抱閘打開，刀庫運轉，切斷三相電源則抱閘閉鎖，刀庫立刻停止運轉。通過分度盤的運動及相關檢測元件組的邏輯組合，可使每個刀套準確停在換刀位置。刀套停在換刀位置后，由氣缸控制刀套處于水平或垂直狀態(tài)，以方便機械手換刀。刀套分度臺可以順時針或逆時針方向旋轉，從而可以在最短的時間內搜索到所要更換的刀具。刀庫換刀機械手的運動同樣是由帶抱閘的三相異步電機作動力源，通過齒輪傳動機構，把電機產生的勻速旋轉運動轉化為機械手的規(guī)律性前進、停止以及旋轉運動。齒輪傳動裝置配有微動開關組。這個開關組包括3組微動凸輪和3個接近開關，每組微動凸輪上裝有3個微動凸輪。該微動開關組用于控制機械手夾住刀具、機械手把刀具從主軸和刀套內取出、機械手處于原始位置等。該刀庫的旋轉刀套及機械手的減速傳動機構內都內置了一個扭矩限制器，以防止內部機械結構損壞。 通過這次的畢業(yè)設計，使自己各方面的能力都有所提高（自學能力、動手能力、語言表達能力、文字表達能力、解決實際問題的能力）。對自動回轉刀架的認識，可以為我以后學習各類數控機床有個好的基礎。同樣刀架的PLC程序能應用和設計，再要應用和設計刀庫的PLC程序就容易了。為今后從事本專業(yè)的工作運用打下基礎，使自己能很快的融入社會。 2 刀架控制系統(tǒng)硬件組成 2.1刀架的有關概況 2.1.1 刀架的產生 電動刀架是數控車床重要的傳統(tǒng)結構，由于該類刀架采用全電控制，無需另加液壓或氣動等其它動力源，故對簡化機床控制的復雜程度帶宋好處。合理的選配電動刀架，可以縮短生產準備時間，消除人為誤差，提高加工精度與加工精度的一致性。另外，加工工藝適應性和連續(xù)工作的工作能力也明顯提高;尤其是在加工幾何形狀較復雜的零件時，除了控制系統(tǒng)能提供相應的控制算法，對執(zhí)行機構發(fā)出相應的控制指令外，很重要的一點是數控機床須配備易于控制的電動刀架，以便一次裝夾所需各種刀具，靈活，方便地完成各種幾何形狀的加工。 2.1.2刀架的分類 按刀架的回轉軸線分類，有繞水平軸旋轉分度和繞垂直軸旋轉分度兩大類。按裝刀數來分常見的有四工位電動刀架和六工位電動刀架等。按機械定位方式分，常見的有端齒盤定位，三齒盤定位，斜板圓銷轉位電動刀架等。三齒盤定位電動刀架(又稱為“免抬刀架”)可實現上刀體不抬起而順利地轉位換刀的要求，排除了冷卻液、加工屑對刀架轉位時的影響，較為可靠地解決了刀架的密封問題。斜板圓銷轉位電動刀架結構簡單，工作可靠。 2.1.3 刀架的幾種典型結構 a. 排刀式刀架 排刀式刀架一般用于小規(guī)格數控車床，以加工棒類為主的機床較為常見，它的結構形式為夾持著各種不同用途刀具的刀夾沿著機床X坐標軸方向排列在橫向滑板或一種稱為快換臺板上。這種刀架的特點之一是刀具布置和機床調整都較方便，可以根據具體工件的車削工藝要求，任意組合各種不同用途的刀具在一把刀完成車削任務后，橫向滑板只要按程序沿X軸向移動預先設定的距離后，第二把刀就到達加工位置，這樣就完成了機床的換刀動作。這種換刀方式迅速、省時、有利于提高機床的生產效率。 b. 數控車床方刀架 經濟型數控車床方刀架是在普通車床四方刀架的基礎上發(fā)展的一種自動換刀裝置，其功能和普通四方刀架一樣：有四個刀位，能裝夾四把不同的刀具，方刀架回轉90`時，刀具變換一個刀位，但方刀架的回轉和刀位號的選擇是由加工程序指令控制的。換刀時方刀架的動作順序是：刀架抬起、刀架轉位、刀架定位和刀架夾緊。完成上述動作要求，有相應的機構來實現。 c. 般轉塔回轉刀架 轉塔回轉刀架適用與盤類零件加工。在加工軸類零件時，可以換用四方回轉刀架。由于兩者底部安裝尺寸相同，更換刀架十分方便?；剞D刀架動作根據數控指令進行，由液壓系統(tǒng)通過電磁換向閥進行控制，其動座過程分為如下三個步驟：刀架轉位、刀架壓緊，轉位液壓缸復位。如果定位、壓緊動作正常，刀架會發(fā)出信號表示已完成換刀過程，可進行切削加工。 d. 盤形自動回轉刀架 盤形自動回轉刀架根據刀位又可分為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型回轉刀盤的外切刀可使用25mm*150mm標準刀具和刀桿截面為25mm*25mm的可調工具，C型可用尺寸為20mm*20mm*125mm的標準刀具。鏜刀桿直徑最大為32mm。該種刀架更換和對刀十分方便。刀位選擇由刷形選擇器進行，松開、夾緊位置檢測由微動開關控制。整個刀架控制是一個純電氣系統(tǒng)，結構簡單。 e. 車削中心的動力刀架 車削中心的動力刀架的刀盤上可以安裝各種非動力輔助刀夾（車刀夾、鏜刀夾、彈簧刀夾、莫氏刀柄），夾持刀具進行加工，還可安裝動力刀夾進行主動切削，配合主機完成車、銑、鉆、鏜等各種復雜工序，實現加工程序自動化、高效化。該刀架采用端齒盤作為分度定位元件，刀架轉位由三相異步電機驅動，電動機內部帶有制動機構，刀位由二進制絕對編碼起器識別，并可雙向轉位和任意刀位就近選刀。動力刀具由交流伺服電機驅動，通過同步齒形帶、傳動軸、傳動齒輪、端面齒離合器將動力傳遞到動力刀夾，再通過刀夾內部的齒輪傳動，刀具回轉，實現主動切削。 2.2四工位刀架的組成 西門子數控車床的電動四工位刀架采用的電機是三相異步電機，功率90W，轉速1300r/min。電動四工位刀架如圖3—1所示：刀架由電動機、蝸輪蝸桿機構，傳動軸，蝸桿，下齒盤，上齒盤，定位槽，插銷，絲杠螺母機構，反靠槽，霍爾開關，磁性板霍爾元件電路或干簧管、微動開關電路等組成。 圖2.1 四工位刀架 刀架的動作： 當數控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，通過比較電路比較目標刀具與原刀具的位置差，再來判斷是否要旋轉，若與原來的一樣的話，刀架沒有任何的動作，若不一樣的話，在確定好目標刀具號后，刀盤松開并被頂起，然通過接口電路使電機正轉，經傳動裝置、驅動蝸桿蝸輪機構,蝸輪帶動絲杠螺母機構，將刀盤松開并抬起，直至兩定位多齒盤脫離嚙合狀態(tài)，然后由插銷帶動刀盤轉位，數控裝置發(fā)出的換刀指令使霍爾開關中的某一個選通，當磁性板與被選通的霍爾開關對齊后，霍爾開關反饋信號使電機反轉并夾緊的動作，插銷向預分度盤上的分度槽反靠實現預分度，刀盤停止轉動，通過絲杠機構使刀盤移動到齒盤重新嚙合，實現精確定位。多齒盤嚙合精確定位后，電機應能停止反轉。換刀完成。例如，四工位自動回轉刀架回轉電機反轉1.5s后，由數控裝置自動停止，防止電機不停反轉而過載毀壞。反靠機構使卜帶動刀架旋轉的機構，由于它必須在刀架正轉時對卡死，反轉時半卡死，因此該反靠槽的兩個側面一個設計成垂直面，另一個設計成傾斜面。預定位插銷和預定位槽(在下齒盤上)的作用在于實現刀架的預定位。電機正轉時，定位插銷被插銷上方的彈簧拉起，回轉電機反轉，插銷被彈簧入預定位槽內實現刀架的預定位，精確定位采用多齒盤結構，利用其表面精度高、硬度高的梯形齒結構進行嚙合以達到精確定位。 整個信號走向是：操作面板或程序發(fā)出換刀指令輸到CNC，CNC與PLC輸出轉接板來控制輸出板上的中繼的動作從而控制電動刀架的正反轉，當從CNC插口過來正轉信號為低電平信號時，由于CNC輸入插口信號線低電平有效，所以相對應的中間繼電器線圈得電，常開觸點閉合，輸出架電機正端有信號輸出，通過外部電路閉合控制繼電器KM1線圈得電，常開觸點KA6閉合，些時刀轉；當從CNC插口過來的反轉信號為低電平時，相對應輸出轉接板中的中間繼電器線圈得電，常開觸點閉合，輸出端有信號輸出，觸點閉合控制繼電器KA7線圈得電，常開觸點KA7閉合控制刀架電機反轉。在正轉與反轉到位時，由刀架四工位的四個霍爾開關控制，通過霍爾開關反饋回輸入轉接板檢測是否轉到位。輸到PLC輸入板再經過CNC處理決定動作。 圖2.2 刀架信號走向示意圖 2.3四工位刀架的機械結構 圖2.3 數控車床刀架結構 1—電動機 2—聯軸器 3—蝸桿軸 4—蝸輪絲杠 5—刀架底座 6—粗定位盤 7—刀架體 8—球頭銷 9—轉位套 10—電涮座 11—發(fā)迅體 12—螺母 13，14—電涮 15—粗定位銷 該刀架可以安裝四把不同的刀具，轉位信號由加工程序指定。其結構圖可見附圖所示。下面介紹以下該刀架的結構及動作過程：當換刀指令發(fā)出后，小型電動機1起動正轉，通過平鍵套筒聯軸器2使蝸桿軸3轉動，從而帶動蝸輪4轉動。蝸輪的上部外圓柱加工有外螺紋，所以該零件稱蝸輪絲杠。刀架體7內孔與刀架中心軸外圓是滑配合，在轉位換刀時，中心軸固定不動，蝸輪絲杠環(huán)繞中心軸旋轉。當蝸輪開始轉動時，由于在刀架底座5和刀架體7上的端面齒處在嚙合狀態(tài)，且蝸輪絲杠軸向固定，這時刀架體7抬起。當刀架體抬到一定距離后，端面齒脫開。轉位套9用銷釘與蝸輪絲杠4連接，隨蝸輪絲杠一同轉動，當端面齒完全脫開，轉位套正好轉過160`（如圖A—A剖示所示），球頭銷8在彈簧力的作用下進入轉位套9的槽中，帶動刀架體轉位。刀架體7轉動時帶動電刷座10轉動，當轉到程序指定的刀號時，定位銷15在彈簧的作用下進入粗定位盤6的槽中進行粗定位，同時電刷13、14接觸導通，使電機1反轉，由于粗定位槽的限制，刀架體7不能轉動，使其在該位置垂直落下，刀架體7和刀架底座5上是端面齒嚙合，實現精確定位。電動機繼續(xù)反轉，此時蝸輪停止轉動，蝸桿軸3繼續(xù)轉動，隨夾緊力增加，轉距不斷增大時，達到一定值時，在傳感器的控制下，電機1停止轉動。 譯碼裝置由發(fā)信體11、電刷13、14組成，電刷13負責發(fā)信，電刷14負責位置判斷。當刀架定位出現過位或不到位時，可松開螺母12調好發(fā)信體11與電刷14的相對位置。 這種刀架在經濟型數控車床及普通車床的數控化改造中得到廣泛的應用。 2.4四工位刀架控制電路的組成 西門子802S數控車床采用的電動刀架的電氣控制分強電和弱電兩部分，強電部分由三相電源驅動三相交流異步電動機正、反向旋轉，從而實現電動刀架的松開、轉位、鎖緊等動作；弱電部分主要由位置傳感器——發(fā)訊盤采用霍兒傳感器發(fā)訊。該電動刀架的電動機采用三相異步電機。 圖2.4 刀架控制回路 3 PLC控制車床刀架 3.1刀架的選用 目前數控車床刀架基本為電動刀架，其特點是定位更準確、迅速。老式傳統(tǒng)車床刀架多為手動、液壓驅動或少部分的電動，改造時可以根據需要對其加以更換。 電動刀架可分為臥式轉塔刀架（一般安裝8～12把刀）和立式電動刀架，立式電動刀架有四工位（或六工位），其中每一種刀架又有抬刀刀架（兩端齒盤）和免抬刀刀架（三端齒盤）之分。臥式轉塔刀架價格相對較貴，改造中常用四六工位電動刀架。 3.2電動刀架的電機控制 電動刀架采用三相異步電動機驅動，刀架檢測采用霍爾元件。 控制直流繼電器，繼電器再驅動交流接觸器接通三相交流電源，使刀架電動機正轉或反轉。電動刀架電機的控制硬件連接。 3.3車床刀架控制 車床的刀架是車床自動換刀的機構，是車床上一個重要的部件。刀架具有很多種類。有霍爾元件檢測刀位的簡易刀架，有帶位置編碼可雙相換刀的自動刀架，有可帶動刀具的自動刀架，控制刀架旋轉有的使用普通異步電動機，有的使用伺服電極。有很多刀架的控制廠為車床提供各種各樣的刀架。每個廠家生產的刀架控制方法有所差別，就是同一廠家提供不同型號的刀架，其控制時序也不是百分百相同。 3.3.1簡易刀架的控制 簡易刀架是經濟型車床上常用的一種自動換刀機構。它的機械結構簡單，調試和使用方便。刀架采用三相異步電動機驅動，刀架檢測采用霍爾元件。 這種刀架只能單方向換刀，電動機正轉選刀，反轉鎖緊。刀架反轉鎖緊時刀架電機實際上是一種堵轉狀態(tài)，因此刀架電機反轉的時間不太長，否則可能導致刀架電機的損壞。刀架上每一個刀位都配備一個霍爾元件，如4工位刀架，需配備4個霍爾元件。霍爾元件的常態(tài)是截止，當刀具轉到工作位置時，利用磁體和霍爾元件導通。將刀架位置狀態(tài)發(fā)送到PLC的數字輸入。 由于霍爾元件只有導通和截止兩種狀態(tài)。對于電平有效的數控系統(tǒng)數字輸入接口，應該使用大約1.5千歐的上拉電阻將導通和截止的狀態(tài)變成低電平和高電平。刀架的電機的轉動由PLC數字輸出控制。通過PLC的數字輸出，控制直流繼電器，繼電器再驅動交流接觸器接通三相交流電源，使刀架電動機正轉或反轉。 圖3.1 電動刀架電機的控制硬件連接圖 當PLC應用程序由數控系統(tǒng)的信號接口或從機床控制面板得到換刀指令后，控制刀架電機正轉，同時通過PLC的數字輸入監(jiān)控刀架的實際位置。如果刀架的實際位置等于指令刀具的位置，當PLC應用程序控制刀架電機反轉鎖緊，并啟動延時控制。延時時間到達后，刀架反轉停止，換刀過程結束。 車床換刀時要考慮的安全互鎖是在換刀過程中刀架不能與工件碰撞。換刀時，零件程序首先控制各坐標軸回退至安全位置，再執(zhí)行換刀指令TX。換刀完成后，快速移到工件坐標原點，繼續(xù)加工。就是說在換刀指令完成之前，PLC要鎖定零點程序的繼續(xù)執(zhí)行，同時要禁止坐標軸的運動。鎖定零件程序的繼續(xù)執(zhí)行是通過數控系統(tǒng)信號接口中通道信號“讀入禁止”實現的。坐標軸的禁止，也是通過通道接口中的“進給保持”信號置位實現的。 3.3.2刀架的鎖緊時間 刀架的鎖緊時刀架電機處于堵轉狀態(tài)，所以刀架鎖緊時間不能過長。由于不同廠商生產的刀架，反轉鎖緊的時間可能有所不同，因此刀架的反轉鎖緊時間在PLC應用程序中是一個可變的值。刀架的鎖緊所需的時間，應該以刀架生產廠商的技術標準為準。考慮鎖緊時間的可變性，可以使用PLC參數定義刀架的鎖緊時間。如果使用了PLC參數，必須在PLC應用程序的技術說明中定義該參數的單位和取值范圍。這樣在機床的生產過程中，生產人員可以根據PLC技術說明定義PLC參數。同時，在PLC初始化時應檢查輸入的參數是否在定義的取值范圍之內。如果小于低限，則令其等于低限值；如果超出高限，則令其等于高限值。刀架電機的反轉時間切忌過長。 3.3.3刀架刀位信號監(jiān)控 如果刀位檢測信號出現問題，將使換刀過程不能結束，應為PLC應用程序永遠不能找到零件程序中的目標刀具。這種情況在機床使用過程中是有可能出現的，如冷卻液進入刀架，使霍爾元件損壞或刀位信號線斷等。從刀架的時序圖中可以看出，刀架的位置檢測信號在任何時候都沒有全“0”也沒有全“1”狀態(tài)。因此，在沒有刀架電機轉動指令時，如果所有刀位檢測信號都為“0”或都位“1”，則說明刀架硬件故障。這時應通過激活PLC報警工作人員提供故障信息，提醒操作人員對刀架進行檢修。 4 車床刀架的選用及工作 4.1 刀架的選用 目前數控車床刀架基本為電動刀架，其特點是定位更準確、迅速。老式傳統(tǒng)車床刀架多為手動、液壓驅動或少部分的電動，改造時可以根據需要對其加以更換。 數控車床的回轉刀架是最簡單的刀庫，也是最簡單的自動換刀裝置，通常有四方刀架和六方刀架，分別可裝四把刀和六把刀，這種刀架剛性好，重復定位精度高。數控車床的回轉刀架通常由電機驅動，用PLC來控制的，也稱為電動刀架。 4.2 電動刀架的電機控制 車床的刀架是車床自動換刀的機構，是車床上一個重要的部件。刀架具有很多種類。有霍爾元件檢測刀位的簡易刀架，有帶位置編碼可雙相換刀的自動刀架，有可帶動刀具的自動刀架，控制刀架旋轉有的使用普通異步電動機，有的使用伺服電極。有很多刀架的控制廠為車床提供各種各樣的刀架。每個廠家生產的刀架控制方法有所差別，就是同一廠家提供不同型號的刀架，其控制時序也不是百分百相同。電動刀架采用三相異步電動機驅動，刀架檢測采用霍爾元件。 控制直流繼電器，繼電器再驅動交流接觸器接通三相交流電源，使刀架電動機正轉或反轉。電動刀架電機的控制硬件連接。 4.3 PLC控制電動刀架 這次我的設計是用PLC控制常州宏達公司的 LD4B電動刀架。 4.3.1常州宏達公司生產的LD4B電動刀架 如下圖： 圖4.1 刀架配圖 4.3.2常州宏達LD4B刀架的工作原理 LD4B系列立式電動刀架采用蝸輪蝸桿傳動，三齒盤嚙合螺桿鎖緊的工作原理。 LD4B電動刀架有4個刀位①②③④ ,可裝四把刀，左上角為加工位置，當選刀時，刀架可繞中間軸旋轉，被選的刀轉到左上角加工位置時停對應每把刀具位置上有一個開關，開關接通時表示該刀處在加工位置。這四個開關是用接近開關，沒有機械接觸，這樣可提高開關壽命。 由于普通接近開關對金屬很敏感，容易發(fā)生誤信號。刀架中的開關采用霍爾元件，也稱為霍爾開關。如下圖所示： 圖4.2 刀架轉動原理圖 霍爾元件對磁性很敏感，對普通金屬不敏感，可以滿足我們要求的。在中心軸上，裝了一塊永久磁鋼。 當某把刀位的霍爾元件轉到加工刀位時，便會產生一個感應信號,開關處于接通狀態(tài)，表示可選的刀已到達加工位置。因為只有一塊磁鋼，所以同時只有一個霍爾開關接通，其余三個處于斷開狀態(tài)。 4.4 刀架驅動 四方刀架由一臺電動機驅動。電動機轉速1450r/min，經過蝸桿蝸輪副進行減速。然后蝸輪帶動刀架繞中心軸旋轉當要選的刀轉到加工刀位時，便會接通。用此信號使電機正轉停下，并開始反轉，刀架中有一套螺桿鎖緊機構，當刀架反轉時，螺桿起鎖緊作用，鎖緊時間要小于1秒。這樣，控制刀架換刀就成了控制電動機的正反轉。 4.5 刀架工作順序 換刀信號 → 電機轉動 → 上刀體轉位 → 檢測到信號符合 → 電機正轉停，反轉延時 → 初定位 → 精定位（齒盤嚙合） → 刀體鎖緊 → 電機堵轉 → 延時結束 → 換刀動作結束，執(zhí)行下一步指令。 4.6 控制過程如下 （1）電機正轉，選刀 （2）所選刀具到加工位置時，對應的霍爾開關接通，使正轉停止，并啟動反轉。 （3）反轉鎖緊0.8秒后停止。 5 PLC控制車床刀架 5.1硬件設計 24V 0V 霍爾傳感器 T1 T2 T3 T4 1.5KΩ4 COM X1 X2 X3 X4 Y1 Y2 24V KA0 KA1 圖5.1 電路圖控制 KA0 KA1 KM1 KM2 圖5.2 控制電路圖 5.2 I/O地址分配表 表5.1 I/0地址分配表 啟動開關 I0.0 一號刀霍爾元件 I1.0 二號刀霍爾元件 I1.1 三號刀霍爾元件 I1.2 四號刀霍爾元件 I1.3 電機正轉輸出 Q0.0 電機反轉輸出 手動轉換開關 Q0.1 I0.1 5.3換刀梯形圖 5.3.1手動換刀程序 要求：每手動一次刀換一次位置 圖5.3 手動梯形圖 5.3.2 自動換刀 要求：CNC發(fā)出目標刀位號并發(fā)出選刀選通信號，其它和手動一樣。 圖5.4 自動換刀梯形圖 5.3.3綜合換刀 要求:實現切換手動與自動換刀的功能 圖5.5 綜合換刀梯形圖 結 論 通過這次的畢業(yè)設計，使我對大學四年的學習有了更進一步的認識，也更加系統(tǒng)的考核了我對所學專業(yè)知識的掌握程度及運用能力，同時也加深了對所學專業(yè)知識的掌握程度。 PLC控制車床的電動刀架，主要是對刀架的自動控制，在原由的普通車床刀架進行創(chuàng)造性的設計，使車床達到經濟使用的狀態(tài)。隨著電氣技術的飛速發(fā)展，PLC控制車床電動，通過用戶程序控制生產工藝過程，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，較強的實時處理能力，使用簡單維護方便。程序的編制充分考慮操作指令和現場信號，整個操作變得比較簡單，工作臺的旋轉、變檔、調速，進給、快速移動控制，相互的聯鎖保護和顯示等功能均有PLC完成。因此，我們在對普通機床進行數控改造的過程中，應在考慮各種情況下，使普通機床的各項性能指標盡可能地與數控機床相接近。 致 謝 感謝我的導師許開良老師，他嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；他們循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。從課題的選擇到項目的最終完成，徐老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。 我還要感謝校方給予我這樣一次機會，能夠獨立地完成一個課題，并在這個過程當中，給予我們各種方便，使我們在即將離校的最后一段時間里，能夠更多學習一些實踐應用知識，增強了我們實踐操作和動手應用能力，提高了獨立思考的能力。感謝在整個畢業(yè)設計期間和我密切合作的同學，在大學生活即將結束的最后的日子里，我終于把從來沒有上手的課題，圓滿地完成了。正是因為有了你們的幫助，才讓我不僅學到了本次課題所涉及的新知識，更讓我感覺到了知識以外的東西，那就是不懈的努力，不懈的拼搏，要有不怕吃苦、不怕累的精神。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！ 參考文獻 [1] 李偉. 機床電氣與PLC 西安電子科大出版社 2006 [2] 劉永久. 數控機床故障診斷及維修技術 機械工業(yè)出版社 2006.1 [3] 任平. 現代數控機床故障診斷及維修 國防工業(yè)出版社 2002.1 [4] 李雪梅. 數控機床 電子工業(yè)出版社 2005.3 [5] 三菱網站下載. 三菱FX系列PLC說明書 [6] 胡學林. 可編程控制器教程 電子工業(yè)出版社 2004.6 [7] 夏燕蘭.數控機床電氣控制. 機械工業(yè)出版社. 2006.2 [8] 杜國臣. 機床數控技術 北京大學出版社 2006.8 [9] Siemens S7-200 PLC reference 2005 [10] Sinumerik 802D PLC application software example 2007 [11] MITSUBISHI EX-20P-E programming panel operation manual 1992 [12] Programmable Controllers for Factory　Automation David G.Johno New YorK andBasel 1987