數(shù)控加工中心刀庫換刀系統(tǒng)

1、數(shù)控加工中心刀庫換刀系統(tǒng)作者:日期:鄭州電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計說明書題 目 機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng)課程設(shè)計-數(shù)控加工中心刀具換刀系統(tǒng) 的設(shè)計系另U 機(jī)電工程系專業(yè)機(jī)電一體化班級 09級機(jī)電四班姓 名設(shè)計時間指導(dǎo)教師二o年二月一日鄭州電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院-9 -一、課程設(shè)計任務(wù) 2二、課程設(shè)計要求 2三、課程設(shè)計的參數(shù)設(shè)置 2四、課程設(shè)計過程2第一節(jié)PLC基本介紹2第二節(jié)闡述PLC的工作原理6第三節(jié) 列出I/O配置表 10第四節(jié)刀盤取刀示意圖11第五節(jié)本系統(tǒng)梯形圖及指令表 13第六節(jié)本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境17第七節(jié)本系統(tǒng)的改進(jìn) 19第八節(jié)總結(jié)2123參考文獻(xiàn)22五、指導(dǎo)教師評價課程設(shè)計任務(wù)書一、課程設(shè)計任

2、務(wù)設(shè)計一個數(shù)控加工中心刀具庫換刀系統(tǒng)。二、課程設(shè)計要求刀具由PLC控制來實現(xiàn)其功能。斗笠式刀庫裝 6把刀，從上向下看順時針編號，如圖4-1所示。以機(jī)械手位置為基準(zhǔn)，刀號變大方向連續(xù)3把刀盤逆時針換刀；刀號變小連續(xù) 2把刀采用順時針旋轉(zhuǎn)換刀。例如：假設(shè)1號刀為停留在機(jī)械手位置處時，調(diào)去 1號刀時刀盤不動作；調(diào)取5、6號刀時刀盤順時針旋轉(zhuǎn)，調(diào)去 2、3、4號刀時，刀盤逆時針旋轉(zhuǎn)。三、課程設(shè)計的參數(shù)設(shè)置1、寄存器D0;機(jī)械手當(dāng)前位置寄存器。2、寄存器D1:程序刀號寄存器。3、寄存器D3:偏差寄存器。4、參數(shù) K:參數(shù) K1、K2、K3 K4 K5> K6 分別為 1、2、3、4、5、6。四、課

3、程設(shè)計過程第一節(jié)PLC基本介紹可編程控制器(Programmable Controller ) 簡稱PC,為了避免和通用計算機(jī)的簡稱 PC同意，在很多書中對可編程控制器仍沿用PLC的簡稱。1968年美國的汽車工業(yè)首先提出了可編程控制器的概念,1969年美國數(shù)字設(shè)備公司制造 出了世界上第一臺PLG這時的可編程控制器只能用于執(zhí)行邏輯判斷、定時、計數(shù)等順序控 制功能，所以稱為可編程控制器，簡稱PLG PLC最早用于取代汽車生產(chǎn)線上的繼電器控制系 統(tǒng)，隨即擴(kuò)大到食品加工、制造冶金等工業(yè)部門。1971年日本引進(jìn)了這項生產(chǎn)技術(shù)，并開始生產(chǎn)自己的PLG 1973年歐洲的一些國家也研制生產(chǎn)了自己的 PLG進(jìn)入

4、20世紀(jì)70年代后，隨著半導(dǎo)體技術(shù)及微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PLC采用了微處理器作為中央處理器，輸入與輸出單元和外圍電路也到采用了中、大規(guī)模集成電路，使PLC具有多項優(yōu)點(diǎn)，并形成了各種規(guī)格的系列產(chǎn)品，成為了一種新型的工業(yè)自動化控制標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。這時的 PLC已經(jīng)有邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理、PID控制和數(shù)據(jù)通信功能，因此被改稱為可編程控制器簡稱 PC1987年2月，國際電工委員會（IEC）在可編程控制器的標(biāo)準(zhǔn)中做可如下定義：“可編程 控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計，他采用用可編程序的 存儲器邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、技數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式 的輸入 輸出接口。

5、控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程，可編程控制器及其有關(guān)外圍設(shè)備易于工 業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體，并已于擴(kuò)充其功能。”可編程控制器在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能上都類似于通用計算機(jī)，所不同的是可編程控制器還 具有很多通用計算機(jī)所不具有的功能和結(jié)構(gòu)。PLC還有很多適應(yīng)于各種工業(yè)控制系統(tǒng)的模塊； PLC采用以傳統(tǒng)電氣圖為基礎(chǔ)的梯形圖語言編程，方法簡單且易于學(xué)習(xí)和掌握。所以在控制 系統(tǒng)應(yīng)用方面PLC優(yōu)于計算機(jī)，它易于和控制系統(tǒng)相連接，可以方便靈活的構(gòu)成不同要求， 不同規(guī)模的控制系統(tǒng)，其環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力強(qiáng)，所以可將可編程控制器稱工業(yè)控制計算機(jī)，由于這些特點(diǎn)，目前可編程控制器已成為工業(yè)自動控制系統(tǒng)的重要支柱?？删幊炭?/p>

6、制器的功能及特點(diǎn)：1、 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；2、 適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用靈活；3、 變成方便，易于使用；4、 具有各種接口，與外部設(shè)備連接方便，適應(yīng)范圍廣；5、 功能完善；可編程控制器的應(yīng)用：1、 順序控制和時序控制；2、 過程控制；3、 數(shù)據(jù)控制；4、 聯(lián)網(wǎng)和顯示打??；可編程控制器的發(fā)展：1、 向體積更小，速度更快的方向發(fā)展；2、 向大型化，高可靠性，好的兼容性，多功能方向發(fā)展；3、 與其他工業(yè)控制產(chǎn)品的結(jié)合 ；可編程控制器的基本組成：1、中央處理單元(CPU)中央處理器單元是PLC的核心，PLC的檔次越高CPU勺位數(shù)越多，系統(tǒng)處理信息量越大，運(yùn)算速度就越快，指令功能也越強(qiáng)2、存儲器存放系統(tǒng)軟件

7、的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。3、輸入輸出接口電路現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道?，F(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號。4、電源PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去5、編程器編程器用于將用戶程序送入PLC的

8、存儲器，是PLC最重要德外部設(shè)備。 編程器可用于編程，也可以用來進(jìn)行程序修改和檢查，還可以對PLC工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。第二節(jié)闡述PLC的工作原理可編控制器的工作原理：循環(huán)掃描工作方式,PLC在通電以后，PLC實際上是按照分時操作進(jìn)行工作的，此工作過程的循環(huán)掃描工作方式，如圖:當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運(yùn)行期間,PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。（一）輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀 態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入

9、采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階 段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則 該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情 況下，該輸入均能被讀入。（二）用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖）。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃 描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先 上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根 據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RA幃儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的

10、狀態(tài)； 或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)-7 -或系統(tǒng)RAMS儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排 在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這 些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其 被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對 排在其上面的程序起作用。在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點(diǎn)。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不 會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新

11、，這跟立即輸入有些區(qū)別。（三）輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU安6K I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸 出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是 PLC 的真正輸出。PLC內(nèi)部運(yùn)作方式：雖然 PLC所使用之階梯圖程式中 往往使用到許多繼電器、計時器與計數(shù)器等名稱，但PLC內(nèi)部并非實體上具有這些硬件，而是以內(nèi)存與程式編程方 式做邏輯控制編輯，并借由輸出元件連接外部機(jī)械裝置做 實體控制。因此能大大減少控制器所需之硬件空間。實際 上PLC執(zhí)行階梯圖程式的運(yùn)作方式是逐行的先將階梯圖程 式碼以掃描方式讀入 CPU中并最后執(zhí)行控制運(yùn)作。在整個

12、 的掃描過程包括三大步驟，“輸入狀態(tài)檢查”、“程式執(zhí) 行”、“輸出狀態(tài)更新”說明如下： 步驟一 “輸入狀態(tài)檢 查”：PLC首先檢查輸入端元件所連接之各點(diǎn)開關(guān)或傳感 器狀態(tài)（1或0代表開或關(guān)），并將其狀態(tài)寫入內(nèi)存中對 應(yīng)之位置Xn。步驟二“程式執(zhí)行”：將階梯圖程式逐行取入 CPU中 運(yùn)算，若程式執(zhí)行中需要輸入接點(diǎn)狀態(tài)，CPU直接自內(nèi)存中查詢?nèi)〕觥］敵鼍€圈之運(yùn)算結(jié)果則存入內(nèi)存中對應(yīng)之位 置，暫不反應(yīng)至輸出端 Yn。步驟三”輸出狀態(tài)更新”：將 步驟二中之輸出狀態(tài)更新至PLC輸出部接點(diǎn)，并且重回步驟一。此三步驟稱為 PLC之掃描周期，而完成所需的時間 稱為PLC之反應(yīng)時間，PLC輸入訊號之時間若小于此

13、反應(yīng) 時間，則有誤讀的可能性。每次程式執(zhí)行后與下一次程式 執(zhí)行前，輸出與輸入狀態(tài)會被更新一次，因此稱此種運(yùn)作 方式為輸出輸入端“程式結(jié)束再生”。PLC執(zhí)行用戶程序的工作過程圖2-2所示。-13 -執(zhí)行自咨頷在自攵自詒的李告償緒事通信用艮若 C少卜逕口 CFU總領(lǐng)月艮務(wù) 3吏蓋斤時軍中r 用舞,存需R.LJNFDFTJlWSTOP福人處理 C 本人工,d 運(yùn)捏工I。）執(zhí)行程中播j tti處理圖2-2 PL C執(zhí)行用戶程序的工作流程圖第三節(jié)列出I/O配置表節(jié)點(diǎn)類型節(jié)點(diǎn)名稱節(jié)點(diǎn)作用輸入X001機(jī)械手位置檢測X002機(jī)械手位置檢測X003機(jī)械手位置檢測X004機(jī)械手位置檢測X005機(jī)械手位置檢測X00

14、6機(jī)械手位置檢測X0011刀具號選擇X0012刀具號選擇X0013刀具號選擇X0014刀具號選擇X0015刀具號選擇X0016刀具號選擇出輸Y000刀具到位指示Y001刀盤旋轉(zhuǎn)指示Y002刀盤順轉(zhuǎn)Y003刀盤逆轉(zhuǎn)Y004換刀閃爍第四節(jié)刀盤取刀示意圖如圖4-1所示，以1號刀位在機(jī)械手位置處為例。一、調(diào)取當(dāng)前刀號。機(jī)械手在1號刀位D0=K1,系統(tǒng)調(diào)取當(dāng)前刀號，D0=K1,兩值比較D0=D1,此時，到位指示燈 直接亮起，接著換刀成功指示燈閃爍，表示換刀完成。二、調(diào)取2 （或3、4）號刀。機(jī)械手在 1號位D0=K1,系 統(tǒng)調(diào)取2號刀，D1=K2,兩值比較 D0<D1,此時，D0要先加K6 再減D

15、1得D3, D3再和K3比較 D3>K3,M10動作，刀盤逆轉(zhuǎn)。圖4-1(3)如圖4-2 ,調(diào)取5 (或6)號刀，機(jī)械手在1號位 置D0=K1,系統(tǒng)調(diào)取5號刀，D1=K5,兩值比較 D0<D1,止匕 時，D0要先力口 K6再減D1得D3, D3再和k3比較，D3K3, M11、M12動作，刀盤順轉(zhuǎn)。圖4-2第五節(jié)本系統(tǒng)梯形圖及指令表-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第六節(jié)本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境但AU &I1為棺屋常寫一個胃單的理4 an訕整rstk-東悝摩地與+丫 ,祥送后正；IIRMM讓我打近一會.兒U«llb-JL!第L童就我仍式與T程序 chi r 亞簟口擊端柜胭屋席區(qū)吧住可以虐行癮作。掠躺三力誣色 曹ttMftMWXKlEg "*-),'=u業(yè)盤嵬得*占擊臉購財M9M-1的,F工二十.裕江示在更南二。T 'EM/ DI曹位子徨片的質(zhì)強(qiáng)斗11立白拄旭濕不方的訐 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-電川 + T= F=虻叫MO:電此,Qboobo口O口。0黑0«二&0。小。00。不爐4室UHS*M。A4OOOOO(PLC決定動作的順序和狀態(tài)，I!-，7 0OQDROOQ團(tuán)國>羽*=浜3-口&0GO0&0國周 前0 回回回回 71 71 7一 回L開關(guān)接通。2 .電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)口3 .燈點(diǎn)亮。第七節(jié)本系統(tǒng)的改進(jìn)目前國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床自動換刀系統(tǒng)中，刀具、輔具多采 用錐柄結(jié)構(gòu)，刀柄與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)、刀具的夾緊放松機(jī)構(gòu) 及驅(qū)動方式幾乎都采用同一種結(jié)構(gòu)模式。在這種模式中，機(jī) 床主軸常采用空心的帶有長拉桿、碟形彈簧組的結(jié)構(gòu)形式， 由液壓或氣動裝置提供動

21、力，實現(xiàn)夾緊放松刀柄的動作。利 用這種機(jī)構(gòu)夾持刀具進(jìn)行數(shù)控加工的最大問題是，它不能同 時獲得高的夾持剛度和刀具振擺精度，而且主軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 主軸軸向尺寸過大，加上它的液壓驅(qū)動裝置及刀具輔具錐柄 的制造成本，使得自動換刀系統(tǒng)的造價在機(jī)床整機(jī)中占有較 大的比重。為了更好地簡化數(shù)控機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)，盡可能地減小換刀 機(jī)構(gòu)對機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計帶來的影響，采用彈簧夾頭這 一理想的刀具夾持元件，在機(jī)床主軸的設(shè)計上除了軸端制作 出與彈簧夾頭聯(lián)結(jié)的專用結(jié)構(gòu)外，機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)完全可以根 據(jù)其優(yōu)化要求來確定，從而可最大限度地提高機(jī)床主軸的工 作性能。本研究以它巧妙的構(gòu)思，對換刀機(jī)械手、刀具交換 裝置、刀庫結(jié)構(gòu)形式以及

22、驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了新的設(shè)計，改變了 傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式。在本項研究中要解決的主要問題有：1 .研究適用于機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)并能滿足自動換刀要求的 高性能彈簧夾頭結(jié)構(gòu)模式彈簧夾頭的結(jié)構(gòu)及其制造工藝的優(yōu)化程度直接影響著它 的使用性能。用于自動換刀的彈簧夾頭必須具備夾緊力大， 能夠自鎖和工作可靠的特點(diǎn)，而且還必須具有足夠的夾持剛 度，同時便于刀具的軸向精確定位。2 .研究確定彈簧夾頭與機(jī)床主軸頭部可靠聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)方案彈簧夾頭與主軸采用軸頭聯(lián)結(jié)，這種聯(lián)結(jié)方式完全不影 響機(jī)床主軸自身的優(yōu)化設(shè)計。彈簧夾頭對定尺寸柄刀具或定 尺寸柄輔具的夾緊放松動作采用主軸軸端外驅(qū)動工作方式。 因此要研究滿足以上要求的主軸軸端結(jié)構(gòu)形式。3

23、 .換刀機(jī)械手與驅(qū)動裝置的研究換刀機(jī)械手的主要任務(wù)是，完全模擬人手的換刀動作， 給機(jī)床主軸與彈簧夾頭提供相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)夾緊、放松刀具的 動作。機(jī)械手應(yīng)具備足夠的轉(zhuǎn)矩， 該轉(zhuǎn)矩還必須恒定（可調(diào)） 同時還應(yīng)使機(jī)械手具備結(jié)構(gòu)緊湊、占據(jù)空間小的特點(diǎn)，以適 應(yīng)不同類型機(jī)床的換刀空間。換刀機(jī)械手完全采用電磁機(jī)械 傳動，以求最大限度地降低自動換刀系統(tǒng)的成本造價。4 .刀庫結(jié)構(gòu)及刀庫驅(qū)動方式的研究要在總結(jié)現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床刀庫類型、刀架結(jié)構(gòu)、刀庫驅(qū)動方式的基礎(chǔ)上，研制出夾持圓柱形定尺寸柄刀具或輔具的刀 庫形式、刀架結(jié)構(gòu)和刀具交換裝置。同時包括刀庫的驅(qū)動、 定位機(jī)構(gòu)、刀具編碼方式的研究。5 .智能型控制系統(tǒng)的研究自動換刀系統(tǒng)采用單片機(jī)或