數(shù)控車床電動刀架PLC控制的設(shè)計和實(shí)現(xiàn) 機(jī)械制造及其自動化專業(yè)

題目：數(shù)控車床電動刀架PLC控制的設(shè)計摘要數(shù)控車床今后將向中高當(dāng)發(fā)展，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控刀架配套，采用電動刀架，預(yù)計近年來對數(shù)控刀架需求量將大大增加。數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢是：隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀和伺服驅(qū)動方向發(fā)展。本部分主要對常州宏達(dá)公司生產(chǎn)的LD4B電動刀架四工位立式電動刀架的PLC車床控制設(shè)計，并對電動刀架的電路設(shè)計，從刀架的結(jié)構(gòu)和工作原理深刻分析，著重研究了數(shù)控機(jī)床刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及電氣控制原理，PLC控制，霍爾元件的原理機(jī)應(yīng)用?；剞D(zhuǎn)刀架的換刀動作分為刀盤抬起、刀盤轉(zhuǎn)位和刀架鎖緊三個動作，刀盤轉(zhuǎn)位則由普通三相異步電動機(jī)來驅(qū)動。刀盤轉(zhuǎn)位動作的實(shí)現(xiàn)經(jīng)以下步驟：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤轉(zhuǎn)位的命令→三相異步電動機(jī)啟動→渦輪蝸桿轉(zhuǎn)動→刀架主軸轉(zhuǎn)動→實(shí)現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)位。關(guān)鍵詞：經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床；車床刀架；PLC控制電動刀架AbstractNumericalcontrollathe,willinthefuturehighwhentodevelopment,economicl,inrecentyearsonthenctoolisexpectedtodemandwillincreasegreatly.Nctoolisthedevelopmenttrendof:alongwiththedevelopmentoftheCNClathe,CNCtoolbegantochangecuttersquicklyandservodrivedirection.ThemainpartofchangzhouHTCcompanyproducestheLD4Belectrictool4LabourverticalelectrictoolPLClathecontroldesign,andtheelectrictoolcircuitdesign,toolfromthestructureandworkingprincipleofprofoundanalysis,thispaperstudiesthenumericalcontrolmachinetoolandmechanicalstructureoftheelectriccontrolprinciple,PLCcontrol,theprincipleofthehallelementmachineapplications.Rotarytoolforknifeactionsaredividedintotheknifedishupthe,theknifedishinversionandtoolcarrierlockthreemovements,theknifedishinversionisbyordinarythree-phaseasynchronousmotortodrive.Theknifedishinversionofthefollowingstepstoachievetheaction:thenumericalcontrolsystemknifedishoutthecommandoftheinversionthree-phaseasynchronousmotorstartingrotationaxisrotationwormturbineenoughtorealizetheknifedishinversion.Keywords:economicnumericalcontrollathe,Lathetool;PLCcontrolelectrictool目錄1緒論 11.1課題的研究背景 11.2課題的來源及意義 12刀架控制系統(tǒng)硬件組成 42.1刀架的有關(guān)概況 42.1.1刀架的產(chǎn)生 42.1.2刀架的分類 42.1.3刀架的幾種典型結(jié)構(gòu) 42.2四工位刀架的組成 52.3四工位刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu) 72.4四工位刀架控制電路的組成 93PLC控制車床刀架 113.1刀架的選用 113.2電動刀架的電機(jī)控制 113.3車床刀架控制 113.3.1簡易刀架的控制 113.3.2刀架的鎖緊時間 123.3.3刀架刀位信號監(jiān)控 134車床刀架的選用及工作 144.1刀架的選用 144.2電動刀架的電機(jī)控制 144.3PLC控制電動刀架 144.3.1常州宏達(dá)公司生產(chǎn)的LD4B電動刀架 144.3.2常州宏達(dá)LD4B刀架的工作原理 154.4刀架驅(qū)動 164.5刀架工作順序 164.6控制過程如下 165PLC控制車床刀架 175.1硬件設(shè)計 175.2I/O地址分配表 185.3換刀梯形圖 185.3.1手動換刀程序 185.3.2自動換刀 195.3.3綜合換刀 20結(jié)論 22致謝 23參考文獻(xiàn) 241緒論1.1課題的研究背景梳子程序控制機(jī)床一般簡稱為數(shù)控機(jī)床。它是由數(shù)控裝置或計算機(jī)進(jìn)行控制的一種高效能自動化機(jī)床，它綜合應(yīng)用了自動控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、精密測量技術(shù)、液壓氣動等技術(shù)。并在機(jī)床結(jié)構(gòu)等方面運(yùn)用了最新技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，對機(jī)械零件的加工質(zhì)量要求也越來越高；單件、小批生產(chǎn)的機(jī)械產(chǎn)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(fù)雜的零件很多。像這樣的產(chǎn)品，如果采用一般的自動機(jī)床或組合機(jī)床和自動線來加工，就顯得很不經(jīng)濟(jì)、不合理，一般機(jī)床又不能加工。數(shù)控機(jī)床就是在這樣的條件下產(chǎn)生和發(fā)展起來的，它能有效地適應(yīng)產(chǎn)品不斷變化、多品種、小批量的自動化生產(chǎn)。數(shù)控機(jī)床就是把加工所需要的各種操作，例如變速、松夾工件、進(jìn)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(shù)值數(shù)據(jù)的形式通過計算機(jī)的運(yùn)算，并將輸入的指令變?yōu)闄C(jī)床的各種操作，實(shí)現(xiàn)零件的自動加工。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益普遍運(yùn)用，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入車間只是時間問題，這將是數(shù)字化制造的主要標(biāo)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(wù)管理部門(人、財、物、產(chǎn)、供、銷)或設(shè)計開發(fā)等企業(yè)上層的信息化是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，車間最底層的加工設(shè)備——數(shù)控機(jī)床不能夠連成網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)代制造工廠來說，除了要提高機(jī)床的數(shù)控化率外，更要使所擁有的數(shù)控機(jī)床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)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(shù)控刀架是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，在我國被命名為機(jī)床附件，在國外被定義為機(jī)床功能件。隨著數(shù)控機(jī)床的飛速發(fā)展，機(jī)床設(shè)計已由傳統(tǒng)的統(tǒng)籌設(shè)計發(fā)展到模塊化設(shè)計，即按照機(jī)床的功能化分模塊，因此這些功能部件的性能已成為整機(jī)性能的決定因素。數(shù)控刀架作為數(shù)控車床的動作執(zhí)行部件，其基本結(jié)構(gòu)包括：驅(qū)動裝置、分度裝置、預(yù)定位裝置、松開、鎖緊裝置、精定位裝置、罰信裝置、裝刀裝置。數(shù)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(zhuǎn)分度—到達(dá)目標(biāo)工位并發(fā)信號給系統(tǒng)—齒盤鎖緊精定位—系統(tǒng)確認(rèn)后進(jìn)行切削。數(shù)控刀架分類。目前，行業(yè)上應(yīng)用的數(shù)控刀架按照與主機(jī)配套場合主要有分為如下高、中、低三個檔次。低檔數(shù)控刀架主要有沈陽精誠數(shù)控生產(chǎn)的系列電動數(shù)控立式刀架，系列臥式刀架。該種刀架結(jié)構(gòu)簡單，容易設(shè)計、制造。采用三相力矩電機(jī)驅(qū)動，三聯(lián)齒定位，矩形螺紋鎖緊，配套在我國簡易型數(shù)控車床，受我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展的影響，是我國的特色產(chǎn)品，已經(jīng)形成規(guī)?；a(chǎn)。中檔數(shù)控刀架主要有沈陽精誠數(shù)控生產(chǎn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，對制造加工設(shè)備要求高。此類刀架在我國初具規(guī)模，但國外產(chǎn)品對我國市場沖擊較大。高檔數(shù)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(shù)控刀架的發(fā)展。數(shù)控刀架作為功能性部件配套于機(jī)床主機(jī)，但它集機(jī)械、電氣于一體，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，數(shù)控刀架的研究開發(fā)是機(jī)械、電氣、電子、材料等多學(xué)科知識的綜合。當(dāng)今，數(shù)控伺服刀架、動力刀架等功能部件己成為衡量數(shù)控機(jī)床水平的重要標(biāo)志。它們的價格也是構(gòu)成數(shù)控機(jī)床整機(jī)價格的主要成分，粗略計算數(shù)控機(jī)床數(shù)控刀架等功能部件價格已占整機(jī)成本構(gòu)成的左右。目前，我國的功能部件生產(chǎn)發(fā)展緩慢，品種少，產(chǎn)業(yè)化程度低，不能滿足市場要求，不得不依賴進(jìn)口。由于功能部件進(jìn)口價格昂貴，造成數(shù)控機(jī)床整機(jī)價格不斷上升，我國生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床幾乎失去了競爭優(yōu)勢。市場顯示，同等水平的數(shù)控機(jī)床，韓國的價格幾乎與我國的價格持平，出現(xiàn)這一現(xiàn)象與我們主機(jī)廠大量從國外采購數(shù)控機(jī)床所需的功能部件有很大關(guān)系。我國機(jī)床工具行業(yè)的專家、學(xué)者、企業(yè)家都已看到了功能部件產(chǎn)業(yè)的巨大發(fā)展前景。許多企業(yè)也已瞄準(zhǔn)了這個市場，通過引進(jìn)技術(shù)、合作生產(chǎn)或自主開發(fā)，初步形成了一批功能部件專業(yè)生產(chǎn)廠家。當(dāng)前國內(nèi)高水平、高質(zhì)量的數(shù)控機(jī)床和加工中心還不能完全滿足國內(nèi)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(guān)，有些功能部件性能上與國際著名廠家的產(chǎn)品還有一些差距。我國己加入世貿(mào)組織，境外功能部件產(chǎn)品對我國市場的沖擊將更加厲害。可以說，沒有高水平功能部件生產(chǎn)能力的大幅提高，將嚴(yán)重影響我國機(jī)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(shù)核心。高檔刀架采用伺服電機(jī)作驅(qū)動源，實(shí)現(xiàn)位置、速度的雙閉環(huán)控制，具有結(jié)構(gòu)簡單，容易加工制造、維護(hù)、精度高，轉(zhuǎn)位快等特點(diǎn)。我國各大機(jī)床主機(jī)廠均依靠進(jìn)口此類產(chǎn)品與主機(jī)配套。很明顯，伺服刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，而我國目前還沒有針對數(shù)控刀架的專業(yè)伺服驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)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(jī)控制是高檔數(shù)控刀架的關(guān)鍵技術(shù)。刀庫包括刀套旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及換刀機(jī)械手，刀庫外形為圓盤形，內(nèi)部裝有一個分度盤。刀庫的回轉(zhuǎn)運(yùn)動由帶抱閘的三相異步電機(jī)作動力源。三相電源通過交流接觸器提供給電動機(jī)，此時抱閘打開，刀庫運(yùn)轉(zhuǎn)，切斷三相電源則抱閘閉鎖，刀庫立刻停止運(yùn)轉(zhuǎn)。通過分度盤的運(yùn)動及相關(guān)檢測元件組的邏輯組合，可使每個刀套準(zhǔn)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(jī)械手換刀。刀套分度臺可以順時針或逆時針方向旋轉(zhuǎn)，從而可以在最短的時間內(nèi)搜索到所要更換的刀具。刀庫換刀機(jī)械手的運(yùn)動同樣是由帶抱閘的三相異步電機(jī)作動力源，通過齒輪傳動機(jī)構(gòu)，把電機(jī)產(chǎn)生的勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為機(jī)械手的規(guī)律性前進(jìn)、停止以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。齒輪傳動裝置配有微動開關(guān)組。這個開關(guān)組包括3組微動凸輪和3個接近開關(guān)，每組微動凸輪上裝有3個微動凸輪。該微動開關(guān)組用于控制機(jī)械手夾住刀具、機(jī)械手把刀具從主軸和刀套內(nèi)取出、機(jī)械手處于原始位置等。該刀庫的旋轉(zhuǎn)刀套及機(jī)械手的減速傳動機(jī)構(gòu)內(nèi)都內(nèi)置了一個扭矩限制器，以防止內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞。通過這次的畢業(yè)設(shè)計，使自己各方面的能力都有所提高（自學(xué)能力、動手能力、語言表達(dá)能力、文字表達(dá)能力、解決實(shí)際問題的能力）。對自動回轉(zhuǎn)刀架的認(rèn)識，可以為我以后學(xué)習(xí)各類數(shù)控機(jī)床有個好的基礎(chǔ)。同樣刀架的PLC程序能應(yīng)用和設(shè)計，再要應(yīng)用和設(shè)計刀庫的PLC程序就容易了。為今后從事本專業(yè)的工作運(yùn)用打下基礎(chǔ)，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(guān)概況2.1.1刀架的產(chǎn)生電動刀架是數(shù)控車床重要的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(jī)床控制的復(fù)雜程度帶宋好處。合理的選配電動刀架，可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)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(yīng)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(fù)雜的零件時，除了控制系統(tǒng)能提供相應(yīng)的控制算法，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出相應(yīng)的控制指令外，很重要的一點(diǎn)是數(shù)控機(jī)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(zhuǎn)軸線分類，有繞水平軸旋轉(zhuǎn)分度和繞垂直軸旋轉(zhuǎn)分度兩大類。按裝刀數(shù)來分常見的有四工位電動刀架和六工位電動刀架等。按機(jī)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(zhuǎn)位電動刀架等。三齒盤定位電動刀架(又稱為“免抬刀架”)可實(shí)現(xiàn)上刀體不抬起而順利地轉(zhuǎn)位換刀的要求，排除了冷卻液、加工屑對刀架轉(zhuǎn)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(zhuǎn)位電動刀架結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。2.1.3刀架的幾種典型結(jié)構(gòu) a.排刀式刀架排刀式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒類為主的機(jī)床較為常見，它的結(jié)構(gòu)形式為夾持著各種不同用途刀具的刀夾沿著機(jī)床X坐標(biāo)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(diǎn)之一是刀具布置和機(jī)床調(diào)整都較方便，可以根據(jù)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(wù)后，橫向滑板只要按程序沿X軸向移動預(yù)先設(shè)定的距離后，第二把刀就到達(dá)加工位置，這樣就完成了機(jī)床的換刀動作。這種換刀方式迅速、省時、有利于提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。b.數(shù)控車床方刀架經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床方刀架是在普通車床四方刀架的基礎(chǔ)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(zhuǎn)90`時，刀具變換一個刀位，但方刀架的回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)位、刀架定位和刀架夾緊。完成上述動作要求，有相應(yīng)的機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。c.般轉(zhuǎn)塔回轉(zhuǎn)刀架轉(zhuǎn)塔回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)刀架。由于兩者底部安裝尺寸相同，更換刀架十分方便?；剞D(zhuǎn)刀架動作根據(jù)數(shù)控指令進(jìn)行，由液壓系統(tǒng)通過電磁換向閥進(jìn)行控制，其動座過程分為如下三個步驟：刀架轉(zhuǎn)位、刀架壓緊，轉(zhuǎn)位液壓缸復(fù)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(jìn)行切削加工。d.盤形自動回轉(zhuǎn)刀架盤形自動回轉(zhuǎn)刀架根據(jù)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(zhuǎn)刀盤的外切刀可使用25mm*150mm標(biāo)準(zhǔn)刀具和刀桿截面為25mm*25mm的可調(diào)工具，C型可用尺寸為20mm*20mm*125mm的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行，松開、夾緊位置檢測由微動開關(guān)控制。整個刀架控制是一個純電氣系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)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(jìn)行加工，還可安裝動力刀夾進(jìn)行主動切削，配合主機(jī)完成車、銑、鉆、鏜等各種復(fù)雜工序，實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)位由三相異步電機(jī)驅(qū)動，電動機(jī)內(nèi)部帶有制動機(jī)構(gòu)，刀位由二進(jìn)制絕對編碼起器識別，并可雙向轉(zhuǎn)位和任意刀位就近選刀。動力刀具由交流伺服電機(jī)驅(qū)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(nèi)部的齒輪傳動，刀具回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)主動切削。2.2四工位刀架的組成西門子數(shù)控車床的電動四工位刀架采用的電機(jī)是三相異步電機(jī)，功率90W，轉(zhuǎn)速1300r/min。電動四工位刀架如圖3—1所示：刀架由電動機(jī)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，傳動軸，蝸桿，下齒盤，上齒盤，定位槽，插銷，絲杠螺母機(jī)構(gòu)，反靠槽，霍爾開關(guān)，磁性板霍爾元件電路或干簧管、微動開關(guān)電路等組成。圖2.1四工位刀架刀架的動作：當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，通過比較電路比較目標(biāo)刀具與原刀具的位置差，再來判斷是否要旋轉(zhuǎn)，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(biāo)刀具號后，刀盤松開并被頂起，然通過接口電路使電機(jī)正轉(zhuǎn)，經(jīng)傳動裝置、驅(qū)動蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu),蝸輪帶動絲杠螺母機(jī)構(gòu)，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(zhuǎn)位，數(shù)控裝置發(fā)出的換刀指令使霍爾開關(guān)中的某一個選通，當(dāng)磁性板與被選通的霍爾開關(guān)對齊后，霍爾開關(guān)反饋信號使電機(jī)反轉(zhuǎn)并夾緊的動作，插銷向預(yù)分度盤上的分度槽反靠實(shí)現(xiàn)預(yù)分度，刀盤停止轉(zhuǎn)動，通過絲杠機(jī)構(gòu)使刀盤移動到齒盤重新嚙合，實(shí)現(xiàn)精確定位。多齒盤嚙合精確定位后，電機(jī)應(yīng)能停止反轉(zhuǎn)。換刀完成。例如，四工位自動回轉(zhuǎn)刀架回轉(zhuǎn)電機(jī)反轉(zhuǎn)1.5s后，由數(shù)控裝置自動停止，防止電機(jī)不停反轉(zhuǎn)而過載毀壞。反靠機(jī)構(gòu)使卜帶動刀架旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，由于它必須在刀架正轉(zhuǎn)時對卡死，反轉(zhuǎn)時半卡死，因此該反靠槽的兩個側(cè)面一個設(shè)計成垂直面，另一個設(shè)計成傾斜面。預(yù)定位插銷和預(yù)定位槽(在下齒盤上)的作用在于實(shí)現(xiàn)刀架的預(yù)定位。電機(jī)正轉(zhuǎn)時，定位插銷被插銷上方的彈簧拉起，回轉(zhuǎn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，插銷被彈簧入預(yù)定位槽內(nèi)實(shí)現(xiàn)刀架的預(yù)定位，精確定位采用多齒盤結(jié)構(gòu)，利用其表面精度高、硬度高的梯形齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚙合以達(dá)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?shù)紺NC，CNC與PLC輸出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，當(dāng)從CNC插口過來正轉(zhuǎn)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(yīng)的中間繼電器線圈得電，常開觸點(diǎn)閉合，輸出架電機(jī)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(diǎn)KA6閉合，些時刀轉(zhuǎn)；當(dāng)從CNC插口過來的反轉(zhuǎn)信號為低電平時，相對應(yīng)輸出轉(zhuǎn)接板中的中間繼電器線圈得電，常開觸點(diǎn)閉合，輸出端有信號輸出，觸點(diǎn)閉合控制繼電器KA7線圈得電，常開觸點(diǎn)KA7閉合控制刀架電機(jī)反轉(zhuǎn)。在正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)到位時，由刀架四工位的四個霍爾開關(guān)控制，通過霍爾開關(guān)反饋回輸入轉(zhuǎn)接板檢測是否轉(zhuǎn)到位。輸?shù)絇LC輸入板再經(jīng)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(jī)械結(jié)構(gòu)圖2.3數(shù)控車床刀架結(jié)構(gòu)1—電動機(jī)2—聯(lián)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(zhuǎn)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(zhuǎn)位信號由加工程序指定。其結(jié)構(gòu)圖可見附圖所示。下面介紹以下該刀架的結(jié)構(gòu)及動作過程：當(dāng)換刀指令發(fā)出后，小型電動機(jī)1起動正轉(zhuǎn)，通過平鍵套筒聯(lián)軸器2使蝸桿軸3轉(zhuǎn)動，從而帶動蝸輪4轉(zhuǎn)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(nèi)孔與刀架中心軸外圓是滑配合，在轉(zhuǎn)位換刀時，中心軸固定不動，蝸輪絲杠環(huán)繞中心軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)蝸輪開始轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)都荏w抬到一定距離后，端面齒脫開。轉(zhuǎn)位套9用銷釘與蝸輪絲杠4連接，隨蝸輪絲杠一同轉(zhuǎn)動，當(dāng)端面齒完全脫開，轉(zhuǎn)位套正好轉(zhuǎn)過160`（如圖A—A剖示所示），球頭銷8在彈簧力的作用下進(jìn)入轉(zhuǎn)位套9的槽中，帶動刀架體轉(zhuǎn)位。刀架體7轉(zhuǎn)動時帶動電刷座10轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)到程序指定的刀號時，定位銷15在彈簧的作用下進(jìn)入粗定位盤6的槽中進(jìn)行粗定位，同時電刷13、14接觸導(dǎo)通，使電機(jī)1反轉(zhuǎn)，由于粗定位槽的限制，刀架體7不能轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)精確定位。電動機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)，此時蝸輪停止轉(zhuǎn)動，蝸桿軸3繼續(xù)轉(zhuǎn)動，隨夾緊力增加，轉(zhuǎn)距不斷增大時，達(dá)到一定值時，在傳感器的控制下，電機(jī)1停止轉(zhuǎn)動。譯碼裝置由發(fā)信體11、電刷13、14組成，電刷13負(fù)責(zé)發(fā)信，電刷14負(fù)責(zé)位置判斷。當(dāng)?shù)都芏ㄎ怀霈F(xiàn)過位或不到位時，可松開螺母12調(diào)好發(fā)信體11與電刷14的相對位置。這種刀架在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床及普通車床的數(shù)控化改造中得到廣泛的應(yīng)用。2.4四工位刀架控制電路的組成西門子802S數(shù)控車床采用的電動刀架的電氣控制分強(qiáng)電和弱電兩部分，強(qiáng)電部分由三相電源驅(qū)動三相交流異步電動機(jī)正、反向旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電動刀架的松開、轉(zhuǎn)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(jī)采用三相異步電機(jī)。圖2.4刀架控制回路3PLC控制車床刀架3.1刀架的選用目前數(shù)控車床刀架基本為電動刀架，其特點(diǎn)是定位更準(zhǔn)確、迅速。老式傳統(tǒng)車床刀架多為手動、液壓驅(qū)動或少部分的電動，改造時可以根據(jù)需要對其加以更換。電動刀架可分為臥式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jī)控制電動刀架采用三相異步電動機(jī)驅(qū)動，刀架檢測采用霍爾元件?？刂浦绷骼^電器，繼電器再驅(qū)動交流接觸器接通三相交流電源，使刀架電動機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。電動刀架電機(jī)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(jī)構(gòu)，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(zhuǎn)有的使用普通異步電動機(jī)，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(chǎn)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(jīng)濟(jì)型車床上常用的一種自動換刀機(jī)構(gòu)。它的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試和使用方便。刀架采用三相異步電動機(jī)驅(qū)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(jī)正轉(zhuǎn)選刀，反轉(zhuǎn)鎖緊。刀架反轉(zhuǎn)鎖緊時刀架電機(jī)實(shí)際上是一種堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此刀架電機(jī)反轉(zhuǎn)的時間不太長，否則可能導(dǎo)致刀架電機(jī)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?；魻栐某B(tài)是截止，當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)到工作位置時，利用磁體和霍爾元件導(dǎo)通。將刀架位置狀態(tài)發(fā)送到PLC的數(shù)字輸入。由于霍爾元件只有導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)。對于電平有效的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字輸入接口，應(yīng)該使用大約1.5千歐的上拉電阻將導(dǎo)通和截止的狀態(tài)變成低電平和高電平。刀架的電機(jī)的轉(zhuǎn)動由PLC數(shù)字輸出控制。通過PLC的數(shù)字輸出，控制直流繼電器，繼電器再驅(qū)動交流接觸器接通三相交流電源，使刀架電動機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。圖3.1電動刀架電機(jī)的控制硬件連接圖當(dāng)PLC應(yīng)用程序由數(shù)控系統(tǒng)的信號接口或從機(jī)床控制面板得到換刀指令后，控制刀架電機(jī)正轉(zhuǎn)，同時通過PLC的數(shù)字輸入監(jiān)控刀架的實(shí)際位置。如果刀架的實(shí)際位置等于指令刀具的位置，當(dāng)PLC應(yīng)用程序控制刀架電機(jī)反轉(zhuǎn)鎖緊，并啟動延時控制。延時時間到達(dá)后，刀架反轉(zhuǎn)停止，換刀過程結(jié)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(biāo)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(biāo)原點(diǎn)，繼續(xù)加工。就是說在換刀指令完成之前，PLC要鎖定零點(diǎn)程序的繼續(xù)執(zhí)行，同時要禁止坐標(biāo)軸的運(yùn)動。鎖定零件程序的繼續(xù)執(zhí)行是通過數(shù)控系統(tǒng)信號接口中通道信號“讀入禁止”實(shí)現(xiàn)的。坐標(biāo)軸的禁止，也是通過通道接口中的“進(jìn)給保持”信號置位實(shí)現(xiàn)的。3.3.2刀架的鎖緊時間刀架的鎖緊時刀架電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以刀架鎖緊時間不能過長。由于不同廠商生產(chǎn)的刀架，反轉(zhuǎn)鎖緊的時間可能有所不同，因此刀架的反轉(zhuǎn)鎖緊時間在PLC應(yīng)用程序中是一個可變的值。刀架的鎖緊所需的時間，應(yīng)該以刀架生產(chǎn)廠商的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)?？紤]鎖緊時間的可變性，可以使用PLC參數(shù)定義刀架的鎖緊時間。如果使用了PLC參數(shù)，必須在PLC應(yīng)用程序的技術(shù)說明中定義該參數(shù)的單位和取值范圍。這樣在機(jī)床的生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)人員可以根據(jù)PLC技術(shù)說明定義PLC參數(shù)。同時，在PLC初始化時應(yīng)檢查輸入的參數(shù)是否在定義的取值范圍之內(nèi)。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(jī)的反轉(zhuǎn)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(xiàn)問題，將使換刀過程不能結(jié)束，應(yīng)為PLC應(yīng)用程序永遠(yuǎn)不能找到零件程序中的目標(biāo)刀具。這種情況在機(jī)床使用過程中是有可能出現(xiàn)的，如冷卻液進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)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(yīng)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(jìn)行檢修。4車床刀架的選用及工作4.1刀架的選用目前數(shù)控車床刀架基本為電動刀架，其特點(diǎn)是定位更準(zhǔn)確、迅速。老式傳統(tǒng)車床刀架多為手動、液壓驅(qū)動或少部分的電動，改造時可以根據(jù)需要對其加以更換。數(shù)控車床的回轉(zhuǎn)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(fù)定位精度高。數(shù)控車床的回轉(zhuǎn)刀架通常由電機(jī)驅(qū)動，用PLC來控制的，也稱為電動刀架。4.2電動刀架的電機(jī)控制車床的刀架是車床自動換刀的機(jī)構(gòu)，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(zhuǎn)有的使用普通異步電動機(jī)，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(chǎn)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(jī)驅(qū)動，刀架檢測采用霍爾元件?？刂浦绷骼^電器，繼電器再驅(qū)動交流接觸器接通三相交流電源，使刀架電動機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。電動刀架電機(jī)的控制硬件連接。4.3PLC控制電動刀架這次我的設(shè)計是用PLC控制常州宏達(dá)公司的LD4B電動刀架。4.3.1常州宏達(dá)公司生產(chǎn)的LD4B電動刀架如下圖：圖4.1刀架配圖4.3.2常州宏達(dá)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(dāng)選刀時，刀架可繞中間軸旋轉(zhuǎn)，被選的刀轉(zhuǎn)到左上角加工位置時停對應(yīng)每把刀具位置上有一個開關(guān)，開關(guān)接通時表示該刀處在加工位置。這四個開關(guān)是用接近開關(guān)，沒有機(jī)械接觸，這樣可提高開關(guān)壽命。由于普通接近開關(guān)對金屬很敏感，容易發(fā)生誤信號。刀架中的開關(guān)采用霍爾元件，也稱為霍爾開關(guān)。如下圖所示：圖4.2刀架轉(zhuǎn)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(dāng)某把刀位的霍爾元件轉(zhuǎn)到加工刀位時，便會產(chǎn)生一個感應(yīng)信號,開關(guān)處于接通狀態(tài)，表示可選的刀已到達(dá)加工位置。因?yàn)橹挥幸粔K磁鋼，所以同時只有一個霍爾開關(guān)接通，其余三個處于斷開狀態(tài)。4.4刀架驅(qū)動四方刀架由一臺電動機(jī)驅(qū)動。電動機(jī)轉(zhuǎn)速1450r/min，經(jīng)過蝸桿蝸輪副進(jìn)行減速。然后蝸輪帶動刀架繞中心軸旋轉(zhuǎn)當(dāng)要選的刀轉(zhuǎn)到加工刀位時，便會接通。用此信號使電機(jī)正轉(zhuǎn)停下，并開始反轉(zhuǎn)，刀架中有一套螺桿鎖緊機(jī)構(gòu)，當(dāng)?shù)都芊崔D(zhuǎn)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(jī)的正反轉(zhuǎn)。4.5刀架工作順序換刀信號→電機(jī)轉(zhuǎn)動→上刀體轉(zhuǎn)位→檢測到信號符合→電機(jī)正轉(zhuǎn)停，反轉(zhuǎn)延時→初定位→精定位（齒盤嚙合）→刀體鎖緊→電機(jī)堵轉(zhuǎn)→延時結(jié)束→換刀動作結(jié)束，執(zhí)行下一步指令。4.6控制過程如下（1）電機(jī)正轉(zhuǎn)，選刀（2）所選刀具到加工位置時，對應(yīng)的霍爾開關(guān)接通，使正轉(zhuǎn)停止，并啟動反轉(zhuǎn)。（3）反轉(zhuǎn)鎖緊0.8秒后停止。5PLC控制車床刀架5.1硬件設(shè)計 24V 0V霍爾傳感器T1T2T3T4霍爾傳感器T1T2T3T4 1.5