數(shù)控車床四工位刀架電氣設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計

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1、浙江工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文 畢業(yè)設(shè)計說明書 課題名稱： 數(shù)控車床四工位刀架電氣設(shè)計 學(xué)生姓名 XXX 學(xué) 號 XXXXXXXX 二級學(xué)院（系） 電氣電子工程學(xué)院 專 業(yè) XXXXXXXXXXXXX 班 級 XXXXXX 指導(dǎo)教師 XXXXX XXXXX 起訖時間：　201X 年　2 月　24 日～　201X 年　4 月　18 日

2、 41 浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 數(shù)控車床四工位刀架電氣設(shè)計 摘 要 本文通過對FANUC數(shù)控車床刀架的研究，有效的設(shè)計了刀架程序、電氣原理，使該刀架能夠在一次裝夾中完成多道工序。我們針對數(shù)控車床的四工位刀架進(jìn)行了研究設(shè)計。分析了刀架的機械組成、對刀架的典型結(jié)構(gòu)以及電氣控制部分進(jìn)行研究分析。該刀架采用三相異步電動機驅(qū)動，刀位檢測采用霍爾元件。這種刀架只能單方向換刀，電動機正轉(zhuǎn)換刀，反轉(zhuǎn)鎖緊。 最后，本文給出了對FANUC數(shù)控車床四工位刀架的PLC設(shè)計，以及電氣原理圖。 關(guān)鍵詞：FANUC數(shù)控車床；PLC設(shè)計；電氣設(shè)計；數(shù)控車床； 目 錄 數(shù)控車床四工

3、位刀架電氣設(shè)計 I 摘 要 I 第1章 緒論 3 1.1 引言 3 1.2 國內(nèi)外刀架研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3 第2章 刀架結(jié)構(gòu)介紹 5 2.1現(xiàn)有刀架的典型結(jié)構(gòu) 5 2.2四工位刀架換刀工作原理 7 2.2.1刀架機械結(jié)構(gòu)圖 7 2.2.2工作方式 8 第3章 數(shù)控車床電氣系統(tǒng)組成 10 3.1刀架系統(tǒng)組成 10 3.1.1霍爾效應(yīng)霍爾元件 10 3.1.2霍爾元件在刀架中的應(yīng)用 10 3.1.3刀架系統(tǒng) 11 3.2其它電氣系統(tǒng)的組成 11 3.2.1主軸系統(tǒng) 11 3.2.2伺服驅(qū)動系統(tǒng) 13 3.2.3冷卻系統(tǒng) 14 3.2.4潤滑系統(tǒng)

4、 15 第4章 FANUC數(shù)控刀架PLC程序設(shè)計 16 4.1 FANUC 0i D系統(tǒng)簡介 16 4.2 PLC在數(shù)控機床中的應(yīng)用 17 4.3 刀架I/O地址分配 18 4.4 刀架程序編寫 19 4.4.1刀架有關(guān)的PMC功能指令介紹 19 4.4.2 刀架的工作過程和轉(zhuǎn)動要求 23 4.4.3 刀架程序 24 4.5 程序的調(diào)試 28 第5章 總結(jié) 29 參考文獻(xiàn) 30 致 謝 31 附錄： 32 附錄一：功能原理圖 32 附錄二：電氣原理圖 37 第1章 緒論 1.1 引言 數(shù)控車床為了能在工作的一次裝夾中完成多工序加工，縮短輔助時間

5、，減少多次安裝所引起的加工誤差，必須帶有自動回轉(zhuǎn)刀架。數(shù)控車床的刀架是機床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，因此其結(jié)構(gòu)直接影響機床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的結(jié)構(gòu)和性能體現(xiàn)了機床的設(shè)計和制造技術(shù)水平。 隨著數(shù)控車床的不斷發(fā)展，刀架結(jié)構(gòu)形式也在不斷翻新。其中按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式。傳統(tǒng)的車床例如CA6140的刀架上只能裝一把刀，換刀的速度慢，換刀后還須重新對刀，并且精度不高，生產(chǎn)效率效率低，不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，因此有必要對機床的換刀裝置進(jìn)行改進(jìn)。自1958年首次研制成功數(shù)控加工中心自動換刀裝置以來

6、，自動換刀裝置的機械結(jié)構(gòu)和控制方式不斷得到改進(jìn)和完善。自動換刀裝置是加工中心的重要執(zhí)行機構(gòu)，它的形式多種多樣，目前常見的有：回轉(zhuǎn)刀架換刀，更換主軸頭換刀以及帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)。 電動刀架是數(shù)控車床重要結(jié)構(gòu)，在設(shè)計中刀架采用全電控制，無液壓或氣動等其它動力源，故對簡化機床控制的復(fù)雜程度帶來好處。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 1.2 國內(nèi)外刀架研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1956年日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床。美國IBM公司同期也研制成功了APT(刀具程序控制裝置)。1958年美國K

7、&T公司研制出到ATC的加工中心。1967年出現(xiàn)FMS（柔性制造系統(tǒng)）。1978年以后，加工中心迅速發(fā)展，帶有ATC裝置，可實現(xiàn)多種工序加工的機床，步入了機床發(fā)展的黃金時代。1983年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了數(shù)控刀具錐柄的國際標(biāo)準(zhǔn)，自動換刀系統(tǒng)便形成了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模式。 刀具夾持元件的結(jié)構(gòu)特性及它與機床主軸的聯(lián)結(jié)方式，將直接影響機床的加工性能。刀庫結(jié)構(gòu)形式及道具交換裝置的工作方式，則會影響機床的換刀效率。自動換刀系統(tǒng)本身及相關(guān)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，又會對整機的車成本造價產(chǎn)生直接影響。我們應(yīng)該是數(shù)控機床工作性能有所提高，而且使其總體造價大幅度下降。低造價高性能的數(shù)控機床蔣輝被中小廠廣泛接收。數(shù)控車床今后將

8、向中高檔發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用動力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種，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、電液組合驅(qū)動和伺服驅(qū)動方向發(fā)展。 目前國內(nèi)數(shù)控刀架以電動為主，分為立式和臥式兩種。立式刀架有四、六工位兩種形式，主要用于簡易數(shù)控車床；臥式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋轉(zhuǎn)，就近選刀，用于全功能數(shù)控車床。另外臥式刀架還有液動刀架和伺服驅(qū)動刀架。電動刀架是數(shù)控車床重要的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，合理地選配電動刀架，并正確實施控制，能夠有效的提高勞動生產(chǎn)率，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，消除人為誤差，提高加工精度

9、與加工精度的一致性等等。另外，加工工藝適應(yīng)性和連續(xù)穩(wěn)定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)的控制指令外，很重要的一點是數(shù)控車床需配備易于控制的電動刀架，以便一次裝夾所需的各種刀具，靈活 方便地完成各種幾何形狀的加工。國產(chǎn)數(shù)控車床今后將向中高檔發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用動力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種，近年來需要量可達(dá)1000～1500臺。 國外數(shù)控車床的發(fā)展目的在于提高加工精度和縮短制造周期。開發(fā)多種多樣復(fù)合化加工的機種，如增添銑削功能的復(fù)合加工車削中心、雙主軸多刀塔(雙刀塔或四刀塔)數(shù)控車床和車削中心、雙主軸同步

10、驅(qū)動，雙刀塔同時進(jìn)行加工車削中心、五軸聯(lián)動車銑復(fù)合中心、車磨復(fù)合加工機床、具有車、銑、鏜、磨和激光熱處理多種功能的高度復(fù)合化的復(fù)合加工中心等等。我國數(shù)控車床經(jīng)過多年的發(fā)展，特別是近幾年迅速的發(fā)展，與國際先進(jìn)水平的差距在逐年縮小。對于某些依賴于進(jìn)口的高檔數(shù)控車床，如高精度數(shù)控車床和車削中心(主軸徑跳軸跳0.001mm)、適用耐熱合金和鈦合金零件加工的大功率、高扭矩數(shù)控車床和車削中心等等要加強產(chǎn)品開發(fā)研究攻關(guān)，突破其核心技術(shù)。 電動刀架是數(shù)控機床必需的功能部件，直接影響機床的性能和可靠性，是機床的故障高發(fā)點。這就要求設(shè)計的刀架具有具有轉(zhuǎn)位快，定位精度高，切向扭矩大的特點。 第2章 刀架結(jié)

11、構(gòu)介紹 2.1現(xiàn)有刀架的典型結(jié)構(gòu) 1） 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)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（如圖2-1）。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)的機構(gòu)來實現(xiàn)。 2） 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

12、點之一是刀具布置和機床調(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(chǎn)效率。 3） 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

13、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。 4） 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，其動作過程分為如下四個步驟：（1）、刀架抬起，（2）、刀架轉(zhuǎn)位、（3）、刀架壓緊，（4）、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。 圖2-1 方刀架結(jié)構(gòu)示意圖 圖2-2 回轉(zhuǎn)式刀架 2.2四工位刀架換刀工作原

14、理 2.2.1刀架機械結(jié)構(gòu)圖 圖2-3 刀架實體圖 2-4 數(shù)控車床方刀架結(jié)構(gòu)圖 圖2-5 數(shù)控車床回轉(zhuǎn)式刀架結(jié)構(gòu)圖 1—電動機 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 2.2.2工作方式 刀架的工作過程可分為刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位、刀架定位并壓緊等幾個步驟其工作過程如下： 1）刀架抬起：當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后, 通過接口電路使電機正轉(zhuǎn), 經(jīng)傳動裝置、驅(qū)動蝸桿蝸輪機構(gòu)、蝸輪帶動絲桿螺母機構(gòu)逆時針

15、旋轉(zhuǎn) ,此時由于齒盤處于嚙合狀態(tài)，在絲桿螺母機構(gòu)轉(zhuǎn)動時，使上刀架體產(chǎn)生向上的軸向力將齒盤松開并抬起,直至兩定位齒盤脫離嚙合狀態(tài),從而帶動上刀架和齒盤產(chǎn)生“上臺”動作。 2）刀架轉(zhuǎn)位：當(dāng)圓套逆時針轉(zhuǎn)過150°時，齒盤完全脫開，此時銷釘準(zhǔn)確進(jìn)入圓套中的凹槽中，帶動刀架體轉(zhuǎn)位。 3）刀架定位：當(dāng)上刀架轉(zhuǎn)到需要到位后（旋轉(zhuǎn)90°、180°或270°），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)反饋信號使電機反轉(zhuǎn),插銷7在彈簧力作用下進(jìn)入反靠盤 地槽中進(jìn)行粗定位，上刀架體停止轉(zhuǎn)動，電機繼續(xù)反轉(zhuǎn)，使其在該位置落下，通過螺母絲桿機構(gòu)使上刀架移到齒盤重新嚙合

16、, 實現(xiàn)精確定位。 4）刀架壓緊 刀架精確定位后，電機及許反轉(zhuǎn)，夾緊刀架，當(dāng)兩齒盤增加到一定夾緊力時， 電機由數(shù)控裝置停止反轉(zhuǎn)，防止電機不停反轉(zhuǎn)而過載毀壞，從而完成一次換刀過程。 對于四工位自動回轉(zhuǎn)刀架來說，它最多裝有4把刀具，微機系統(tǒng)控制的任務(wù)，就是選中任意一把刀具，讓其回轉(zhuǎn)到工作位置?，F(xiàn)以其中任意一把刀具1#刀為例簡述刀架換刀的過程。 第3章 數(shù)控車床電氣系統(tǒng)組成 3.1刀架系統(tǒng)組成 3.1.1霍爾效應(yīng)霍爾元件 霍爾效應(yīng)是電磁效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學(xué)家霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機制時發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體

17、時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。? 霍爾元件 霍爾元件是應(yīng)用霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體。一般用于電機中測定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，如錄象機的磁鼓，電腦中的散熱風(fēng)扇等；是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器,已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛的應(yīng)用。 3.1.2霍爾元件在刀架中的應(yīng)用 精度是一臺數(shù)控機床的特別重要成分，假如機床喪失了精度也就喪失了加工生產(chǎn)的意義，數(shù)控機床精度的保障很大一部分源于霍爾元件的檢測精準(zhǔn)性。? 在數(shù)控機床上常用到的是霍爾接近開關(guān)：霍爾元件是一種磁敏元件。利用霍爾元件做成的開關(guān)，叫做霍爾開關(guān)。當(dāng)磁性物件

18、移近霍爾開關(guān)時，開關(guān)檢測面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應(yīng)而使開關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識別附近有磁性物體存在，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)的檢測對象必須是磁性物體。? 用霍爾開關(guān)檢測刀位。首先，得到換刀信號，即換刀開關(guān)接通先接通。隨后電機通過驅(qū)動放大器正轉(zhuǎn)，刀架抬起，電機繼續(xù)正轉(zhuǎn)，刀架轉(zhuǎn)過一個工位，霍爾元件檢測是否為所需刀位，若是，則電機停轉(zhuǎn)延時再反轉(zhuǎn)刀架下降壓緊，若不是，電機繼續(xù)正轉(zhuǎn)，刀架繼續(xù)轉(zhuǎn)位直至所需刀位。? 接通整個電路電源，將換刀開關(guān)置于自動擋，再按下開始開關(guān)進(jìn)行換刀，正傳線圈自鎖，自動進(jìn)行換刀。當(dāng)轉(zhuǎn)到所需刀位時，刀位對應(yīng)霍爾元件自動斷開，電機停止正轉(zhuǎn)。并接通反轉(zhuǎn)電路，延時

19、反轉(zhuǎn)，刀架下降并壓緊?；魻栐坏鸬搅藱z測與反饋作用，而且也是數(shù)控機床精度可靠性的保障。 3.1.3刀架系統(tǒng) 電動刀架采用由銷盤、內(nèi)端齒、外端齒盤組合而成的三端齒定位機構(gòu)。采用蝸輪蝸桿傳動，齒盤嚙合，螺桿夾緊的工作原理。當(dāng)系統(tǒng)沒有發(fā)出換刀信號時，發(fā)訊盤內(nèi)當(dāng)前刀位的霍爾元件信號處于低電平狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)要求刀架轉(zhuǎn)到某一刀位時，系統(tǒng)輸出正轉(zhuǎn)信號，此時繼電器得電吸合，使接觸器得電吸合，刀架正轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)都苻D(zhuǎn)至所需刀位時，該刀位霍爾元件在磁鋼作用下，使該刀號產(chǎn)生低電平信號，這時刀架正轉(zhuǎn)信號斷開，系統(tǒng)輸出反轉(zhuǎn)信號，同時另一繼電器得電吸合，使相應(yīng)接觸器得電吸合，刀架反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)到位后，刀架電機停止，完成一次換

20、刀控制過程。（刀架電機正反轉(zhuǎn)主電路原理圖3-4） 換刀信號——電機正轉(zhuǎn)——上刀體轉(zhuǎn)位——到位信號——電機反轉(zhuǎn)——粗定位——精定位夾緊——電機停轉(zhuǎn)——回答信號——加工順序進(jìn)行。 圖3-4 刀架電機正反轉(zhuǎn)主電路 3.2其它電氣系統(tǒng)的組成 3.2.1主軸系統(tǒng) 主軸是車床構(gòu)成中一個重要的部分，對于提高加工效率，擴大加工材料范圍，提升加工質(zhì)量都有著很重要的作用。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床大多數(shù)是不能自動變速的，需要變速時，只能把機床停止，然后手動變速。而全功能數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)大多采用無級變速。無級變速系統(tǒng)主要有伺服主軸系統(tǒng)和直流主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機。通過皮帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，或

21、通過皮帶傳動和主軸箱內(nèi)的減速齒輪（以獲得更大的轉(zhuǎn)矩)帶動主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機調(diào)速范圍廣，又可無級調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化。 在采用了變頻器的交流拖動系統(tǒng)中，異步電動機的調(diào)速控制是通過改變變頻器的輸出頻率實現(xiàn)的。因此，在進(jìn)行調(diào)速控制時，可以通過控制變頻器的輸出頻率使電動機工作在轉(zhuǎn)差率較小的范圍，電動機的調(diào)速范圍較寬，并可以達(dá)到提高運行效率的目的。一般來說，通用型變頻器的調(diào)速范圍可以達(dá)到1:10以上，而高性能的矢量控制方式的變頻器的調(diào)速范圍可以達(dá)到1:1000。此外，當(dāng)采用矢量控制方式的變頻器對異步電動機進(jìn)行調(diào)速控制時，還可以直接控制電動機的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，高性能的矢量控制變頻器與變頻器

22、專用電動機的組合在控制性能方面可以達(dá)到和超過高精度直流伺服電動機的控制性能。主軸電氣原理圖如3-1所示。 圖3-1主軸控制電路 3.2.2伺服驅(qū)動系統(tǒng) 我們采用FANUC公司的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，現(xiàn)以FANUC數(shù)控車床的驅(qū)動系統(tǒng)為例，對數(shù)控車床的驅(qū)動系統(tǒng)作出介紹。FANUC伺服驅(qū)動具有如下特點： 1）供電方式為三相200V-240V供電。 2）智能電源管理模塊，碰到故障或緊急情況時，急停鏈生效，斷開伺服電源，確保系統(tǒng)安全可靠。 3）控制信號及位置、速度等信號通過 FSSB光纜總線傳輸，不易被干擾。 4）電機編碼器為串行編碼信號輸出。 圖3-2 驅(qū)動連接圖 相關(guān)接口說明：

23、1）CZ4接口為三相交流200~240V電源輸入口，順序為U、V、W、地線。 2）CZ5接口為伺服驅(qū)動器驅(qū)動電壓輸出口，連接到伺服電機，順序為U、V、W、地線。 3）CZ6與CX20為放電電阻的兩個接口，若不接放電電阻須將CZ6及CX20短接，否則，驅(qū)動器報警信號觸發(fā)，不能正常工作，建議必須連接放電電阻。 4）CX29接口為驅(qū)動器內(nèi)部繼電器一對常開端子，驅(qū)動器與CNC正常連接后，即CNC檢測到驅(qū)動器且驅(qū)動器沒有報警信號觸發(fā)，CNC使能信號通知驅(qū)動器，驅(qū)動器內(nèi)部信號使繼電器吸合，從而使外部電磁接觸器線圈得電，給放大器提供工作電源。 5）CX30接口為急停信號接口，短接此接口1和3腳，急停

24、信號由I/O給出。 6）CX19B為驅(qū)動器24V電源接口，為驅(qū)動器提供直流工作電源，第二個驅(qū)動器與第一個驅(qū)動器由CX19A到CX19B具體接線詳見電氣原理圖。 7）COP10A接口，數(shù)控系統(tǒng)與第一級驅(qū)動器之間或第一級驅(qū)動器和第二級驅(qū)動器之間用光纜傳輸速度指令及位置信號，信號總是從上一級的COP10A接口到下一級的COP10B接口。 8）JF1為伺服電機編碼器反饋接口。 3.2.3冷卻系統(tǒng) 冷卻系統(tǒng)由系統(tǒng)輸出相應(yīng)的輔助功能信號，驅(qū)動冷卻系統(tǒng)的外部控制電路即可控制冷卻電機的啟動與停止。按數(shù)控系統(tǒng)操作面板上的冷卻功能按鍵，冷卻電機啟動，再按一次，冷卻電機停止，也可以在MDI和自動方式下，使

25、用M08、M09指令來完成冷卻電機的啟動與停止。相應(yīng)電路參見電氣原理圖。 圖3-3 冷卻系統(tǒng)主電路原理圖 3.2.4潤滑系統(tǒng) 數(shù)控機床的潤滑系統(tǒng)在機床整機中占有十分重要的位置，它不僅具有潤滑作用，而且還具有冷卻作用，以減小機床熱變形對加工精度的影響。潤滑系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試和維修保養(yǎng)，對于保證機床加工精度、延長機床使用壽命等都具有十分重要的意義。 數(shù)控機床上常用的潤滑方式油脂潤滑和油液潤滑兩種方式。油脂潤滑是數(shù)控機床的主軸支承軸承、滾珠絲杠支承軸承及低速滾動線導(dǎo)軌最常采用的潤滑方式；高速滾動直線導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌及變速齒輪等多采用油液潤滑方式； 絲杠螺母副有采用油脂潤滑的，也有采用油液潤滑

26、的。 在這里我們采用的是油液潤滑，通過對供油泵的電機控制，來實現(xiàn)車床潤滑供油。手動控制方式是通過按鈕信號控制油泵電機繼電器的吸合，自動控制方式，是通過PLC程序?qū)櫥妮敵龅刂返男盘栠M(jìn)行控制。潤滑的電氣主原理如圖3-4。 圖3-4 潤滑泵主電路原理圖 第4章 FANUC數(shù)控刀架PLC程序設(shè)計 4.1 FANUC 0i D系統(tǒng)簡介 FANUC 0i D系列產(chǎn)品：FANUC 0i-MD、FANUC 0i-TD以及FANUC 0i-Mate MD、FANUC 0i-Mate TD是北京發(fā)那科于2008年九月推出的新的高性價比的產(chǎn)品。 FANUC 0i-Mate TD數(shù)控系統(tǒng)是具

27、有納米插補的高可靠性、高性能價格比的CNC，最多可同時控制3個軸，1個主軸。8.4英寸彩色液晶顯示屏，方便存儲卡的編輯操作，強有力支持系統(tǒng)初始化設(shè)定，可以很方便地選擇各種設(shè)定和調(diào)整畫面。初始化參數(shù)設(shè)定操作更加簡單，安全的加工程序檢查功能，高性價比的一體型的伺服放大器。 FANUC I/O Link 是一個串行接口，將CNC、單元控制器、分布式I/O、機床操作面板連接起來，并在各設(shè)備間高速傳送I/O?信號（位數(shù)據(jù)）。當(dāng)連接多個設(shè)備時，F(xiàn)ANUC I/O Link?將一個設(shè)備認(rèn)作主單元，其它設(shè)備作為子單元。子單元的輸入信號每隔一定周期送到主單元，主單元的輸出信號也每隔一定周期送至子單元。0i-D

28、/0i Mate-D 系列中，JD51A（0i?C/0i?Mate-C系列中 I/O Link在?FANUC主板上的插槽名稱為JD1A，與JD51A不同）插座位于主板上。? I/O Link 分為主單元和子單元。作為主單元的0i/0i Mate系列控制單元與作為子單元的分布式I/O相連接。子單元分為若干個組，一個I/O Link 最多可連接16組子單元。(0i Mate系統(tǒng)中I/O 的點數(shù)有所限制)?根據(jù)單元的類型以及I/O 點數(shù)的不同，I/O Link 有多種連接方式。PMC 程序可以對I/O 信號的分配和地址進(jìn)行設(shè)定，用來連接I/O Link。I/O 點數(shù)最多可達(dá)1024/1024 點

29、。? I/O Link 的兩個插座分別叫做JD1A和JD1B。對所有單元（具有I/O Link 功能）來說是通用的。電纜總是從一個單元的JD1A 連接到下一單元的JD1B。盡管最后一個單元是空著的，也無需連接一個終端插頭。對于I/O Link中的所有單元來說，JD1A 和JD1B 的引腳分配都是一致的。本實驗臺的FANUC主板連接了1個I/O單元。這個I/O單元就安裝在本試驗臺“數(shù)控裝置”版塊上。? 4.2 PLC在數(shù)控機床中的應(yīng)用 一般數(shù)控機床標(biāo)配有主軸，司服軸，PLC軸也即是輔助軸。而與之相應(yīng)的控制系統(tǒng)是CNC，PLC，變頻器，伺服和電機。所以講到PLC在數(shù)控機床上的應(yīng)用就不得不

30、聯(lián)系到CNC，變頻器，伺服和電機。他們是一個系統(tǒng)工程，一個有機的整體。? 隨著工業(yè)控制的需要及技術(shù)的發(fā)展傳統(tǒng)的PLC(可編程可編程邏輯控制器)正在發(fā)生質(zhì)的變化，有將PLC與CNC合二為一的PAC的方向發(fā)展。使PLC不僅具有邏輯運算，算術(shù)運算，定時，計數(shù)及順序控制，還可以提供數(shù)據(jù)傳送，矩陣處理，PID調(diào)節(jié)、SSAII碼操作、遠(yuǎn)程I/O、運動控制、網(wǎng)絡(luò)通信等高級功能，還可以使用高級語言(C語言、BASIC語言)編寫子程序嵌入PLC程序中運行。實質(zhì)上是一種專業(yè)控制計算機。通過PLC提供的宏參數(shù)和CNC系統(tǒng)參數(shù)可在PLC和零件加工程序之間傳遞信息，以完成某些特定功能。即PLC已經(jīng)滲透到零件加工程序的

31、編輯中去。?? 單獨的PLC已經(jīng)可以完成全部的CNC功能，這已經(jīng)成為現(xiàn)實。但就目前而言，PLC主要還是在數(shù)控系統(tǒng)配置機床上時起一個“接口”作用，包括MST功能，診斷功能等，這種功能正在不斷擴大。? PLC在數(shù)控系統(tǒng)的實現(xiàn)目前也有好幾種方案：? 方案一：通用PLC帶數(shù)控功能? 這對于需要邏輯控制又需要相對簡單的位置控制的用戶來說是一個很好的選擇，無論是成本和開發(fā)都有很多優(yōu)勢，不過通用型的PLC大多沒有聯(lián)動和插補指令(部分產(chǎn)品有)，并且不支持G代碼，無法與CAD軟件進(jìn)行接口。?? 方案二：專用的數(shù)控系統(tǒng)? 這種系統(tǒng)有很多使用PLC的平臺加DSP加FPGA實現(xiàn)，高檔的這種系統(tǒng)可以與CAD

32、軟件無縫聯(lián)接，從CAD導(dǎo)出來的G代碼在經(jīng)過編緝或者不需要編緝下載到控制器內(nèi)就可以做出各種對應(yīng)的動作出來。該種系統(tǒng)對于多軸聯(lián)動控制和插補G代碼均有很強的支撐能力，同時一般帶有顯示，可以在運行時同步在顯示屏上顯示運動的軌跡。?? 方案三：IPC+數(shù)控板卡? 這是國內(nèi)數(shù)控廠商的主要形態(tài)，有靈活性高的優(yōu)點，但很多系統(tǒng)不支持標(biāo)準(zhǔn)的G代碼，而是要用戶使用C、C++語言或者VC去編寫對應(yīng)的控制程序，由板卡廠商提供函數(shù)庫。當(dāng)然目前大多數(shù)情況下是由數(shù)控廠商代用戶完成這一部分的編程。 這種開發(fā)方式的優(yōu)點是顯而易見的，廠商的開發(fā)成本低，靈活度高，但是需要廠商提供相當(dāng)多的技術(shù)支持，如果客戶數(shù)量大后很難有足夠的支

33、持能力，所以這類廠商大多都在開發(fā)通用的數(shù)控平臺，并仍然使用IPC平臺在上面開發(fā)通用型的數(shù)控系統(tǒng)。? 在中、高檔數(shù)控機床中，PLC是CNC裝置的重要組成部分。其作用是：接收來看零件加工程序的開關(guān)功能信息(輔助功能M、主軸轉(zhuǎn)速功能S、刀具功能T)、機床操作面板上的開關(guān)量信號及機床側(cè)的開關(guān)量信號，進(jìn)行邏輯處理，完成輸出控制功能，實現(xiàn)各功能及操作方式的聯(lián)鎖。 數(shù)控車床的輔助功能即M(功能)S(功能)T(功能).在PLC中首先對M,S,T,代碼進(jìn)行譯碼。譯碼后的M,S,T,代碼即可在PLC程序里進(jìn)行對機床的輔助功能進(jìn)行控制.(如控制主軸正反轉(zhuǎn)，主軸定位,主軸換擋,轉(zhuǎn)塔,刀庫,尾臺,卡盤,中心架,排屑

34、,潤滑,等動作)。例如：加工程序給出M03 ,PLC首先將M03譯碼(假設(shè)譯出的M03的地址為R0,0),那么梯圖里就可用R0.0 的常開觸點去接通主軸的正轉(zhuǎn)繼電器(假設(shè)為Y0,0), 再由Y0.0輸出帶動外部繼電器,外部繼電器帶動接觸器,接觸器帶動主軸電機正轉(zhuǎn)。 4.3 刀架I/O地址分配 下表是四工位刀架的PLC的地址表 序號 地址 地址相應(yīng)的作用 1 F7.3 刀具功能T的選通信號 2 R指令 內(nèi)部繼電器 3 Y8..4 刀架正轉(zhuǎn) 4 Y8.5 刀架反轉(zhuǎn) 5 X4.6,x4.7,x5.0,x5.1 刀架位置輸入地址 6 R50.4 T代碼完成

35、信號 7 G4.3 輔助功能完成信號 8 TMRB 定時器 9 CODB 二進(jìn)制指令 10 MOVE 傳送指令 11 COMPB 二進(jìn)制大小比較 12 JMP 跳轉(zhuǎn)開始 13 F1.1 復(fù)位 14 F3.2 JOG 15 X10.6 手動換刀信號 16 JMPE 跳轉(zhuǎn)開始 4.4 刀架程序編寫 4.4.1刀架有關(guān)的PMC功能指令介紹 1. 一致性判斷：SUB16/COIN 2 位或4 位BCD 數(shù)據(jù)的數(shù)值比較。 【控制條件】 BYT=0：輸入和比較數(shù)據(jù)均為BCD 兩位數(shù)據(jù)。 =1：輸入和比較數(shù)據(jù)均為BCD 四位數(shù)

36、據(jù)。 ACT=1：執(zhí)行指令。 【控制參數(shù)】 輸入數(shù)據(jù)格式指定 =0：輸入數(shù)據(jù)用常數(shù)來指定。 =1：輸入數(shù)據(jù)用地址來指定。 輸入數(shù)據(jù)：比較用的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，格式取決于上述的指定。 比較數(shù)據(jù)地址：指定用于存放比較數(shù)據(jù)的地址。 【輸出】 W1=0：輸入數(shù)據(jù)≠比較數(shù)據(jù) =1：輸入數(shù)據(jù)＝比較數(shù)據(jù) 2. 大小比較：SUB15/COMP 2 位或4 位BCD 數(shù)據(jù)的數(shù)值比較，比較結(jié)果輸出到W1。【控制條件】 BYT=0：輸入和比較數(shù)據(jù)均為BCD 兩位數(shù)據(jù)。 =1：輸入和比較數(shù)據(jù)均為BCD 四位數(shù)據(jù)。 ACT =1 ：執(zhí)行指令。 【控制參數(shù)】 輸入數(shù)據(jù)格式指定 =0：輸入數(shù)據(jù)用

37、常數(shù)來指定。 =1：輸入數(shù)據(jù)用地址來指定。 輸入數(shù)據(jù)：比較用的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，格式取決于上述的指定。 比較數(shù)據(jù)地址：指定用于存放比較數(shù)據(jù)的地址。 【輸出】 W1=0：輸入數(shù)據(jù)＞比較數(shù)據(jù) =1：輸入數(shù)據(jù)≤比較數(shù)據(jù) 3. 邏輯乘后數(shù)據(jù)傳送：SUB8/MOVE 將邏輯乘數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯乘（AND）運算，并將結(jié)果輸出至指定地址。還可以用來從指定地址中排除不需要的位數(shù)。 【控制條件】 ACT =1：執(zhí)行命令 【控制參數(shù)】 邏輯乘數(shù)據(jù)：邏輯乘 輸入數(shù)據(jù)地址：進(jìn)行邏輯乘操作的數(shù)據(jù) 輸出地址：指定輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯乘運算之后的結(jié)果輸出地址 4. 固定延時定時器（上升

38、沿觸發(fā)）：SUB24/TMRB ACT為1后經(jīng)過設(shè)定的時間，接通W1為1。在命令控制參數(shù)中指定設(shè)定時間。主要用于程序編寫完成之后，用戶無需變更設(shè)定時間的情況。ACT為0時，輸出W1為0。 【控制條件】 ACT=0：定時器輸出W1 為0 =1：啟動定時器 【控制參數(shù)】 定時器號 ：1~500 設(shè)定時間 ：以毫秒為單位進(jìn)行設(shè)定（最大32,767,000） 【輸出】 W1：ACT 接通后，經(jīng)過定時器設(shè)定的時間后，輸出即接通為1。 5.延時定時器（上升沿觸發(fā)）：SUB3/TMR ACT為1并經(jīng)過設(shè)定的時間后，輸出W1為1。時間在PMC參數(shù)畫面進(jìn)行設(shè)定，所以順序程序編寫

39、完成后，用戶也可以變更設(shè)定時間。ACT為0后，W1馬上變?yōu)?。 【控制條件】 ACT=0：定時器輸出W1 為0 =1：啟動定時器 【定時器號】（初始狀態(tài)） 1~8：以48ms為單位，最大設(shè)定時間1572.8秒 9以上：以8ms為單位，最大設(shè)定時間262.1秒 4.4.2 刀架的工作過程和轉(zhuǎn)動要求 1.刀架的換到步驟 數(shù)控車床刀架換刀也分為固定換刀和隨機換刀。固定換刀刀號和刀座號永遠(yuǎn)一致，隨機換刀數(shù)控系統(tǒng)記憶刀號，刀號與刀座不一定對應(yīng)。數(shù)控機床刀架是由機床PLC來進(jìn)行控制，分析車床刀架的控制原理是指刀架的整個換刀過程，刀架的換刀過程實質(zhì)就是通過PLC對控制刀架的所有I/O信

40、號進(jìn)行邏輯處理及計算。實現(xiàn)刀架的順序控制。另外為了保證換刀能夠正確進(jìn)行，數(shù)控系統(tǒng)一般還要設(shè)置一些相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)來對換刀過程進(jìn)行調(diào)整。? 我們選用的為四工位回轉(zhuǎn)式刀架。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出換刀信號，控制刀架轉(zhuǎn)動的繼電器動作，電動機正轉(zhuǎn)，通過蝸輪、蝸桿，蝸桿將鼠齒盤上升到一定高度時，離合削進(jìn)入離合盤槽，離合盤帶動離合銷，離合銷帶動銷盤，銷盤帶動上刀體轉(zhuǎn)位，當(dāng)?shù)扼w轉(zhuǎn)到所須刀位時，霍爾元件電路發(fā)出到位信號，電動機反轉(zhuǎn)，反靠銷進(jìn)入反靠盤槽，離合銷從離合盤槽中爬出，刀架完成粗定位，同時銷盤下降，端齒嚙合，完成精定位，刀架鎖緊。 2. 關(guān)于刀架應(yīng)注意的問題 1） 滿足工藝過程所提出的要求。 機床依靠刀具和

41、工件間相對運動形成工件表面。為了保證生產(chǎn)工藝，要求刀架在換到完成后，反轉(zhuǎn)時間足夠保證刀架鎖緊。同時刀架反轉(zhuǎn)時間不宜過長，因為時間過長可能導(dǎo)致刀架電機燒毀。一般500-800毫秒為宜。 2） 在刀架、刀庫上要能牢固地安裝刀具 在刀架上安裝刀具時還應(yīng)能精確地調(diào)整刀具的位置，采用自動交換刀具時，應(yīng)能保證刀具變換前后都能處于正確位置。以保證刀具和工件問準(zhǔn)確的相對位置。刀架的運動精度將直接反映到被加工工件的幾何形狀精度和表面粗糙度上，為此，刀架的運動軌跡必須準(zhǔn)確，運動應(yīng)平穩(wěn)，刀架運轉(zhuǎn)的終點到位應(yīng)準(zhǔn)確。而且這種精度保持性要好，以便長期保持刀具的正確位置。? 3） 可靠性高。 由于刀架和自動換刀裝置

42、在機床工作過程中，使用次數(shù)很多，而且使用頻率也高，所以必須充分重視它的可靠性。例如，每次換刀刀架電機都會有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種狀態(tài)，電氣接線以及刀架PLC程序都要有互鎖功能，防止正反轉(zhuǎn)繼電器同時吸合，造成短路。? 4.4.3 刀架程序 4.5 程序的調(diào)試 手動換刀：首先將模式選擇打到手動（JOG）模式，再按輔助功能模塊上的刀庫手動按鍵進(jìn)行換刀。按下手動換刀信號X10.6,Y0.6輸出，接通刀架正轉(zhuǎn)繼電器。刀架電機正轉(zhuǎn)找刀。找到目標(biāo)刀位后，刀架電機反轉(zhuǎn)，并啟動反轉(zhuǎn)定時器，時間到，刀架電機繼電器失電。電機停止轉(zhuǎn)動，刀架下降，鎖緊，手動換刀結(jié)束。? 自動換刀：自動換刀：首先把模式選

43、擇打到手動輸入模式，在按下MDI單元功能鍵PROG輸入所需的目標(biāo)刀號（如：T0202），按功能鍵EOB，接著按功能鍵INSERT,最后按循環(huán)啟動鍵，此時F7.3導(dǎo)通，通過霍爾位置檢測開關(guān)把當(dāng)前刀位的信號通過數(shù)據(jù)傳送指令和二進(jìn)制轉(zhuǎn)換指令轉(zhuǎn)換為實際刀位號。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出換刀指令T0202時，F(xiàn)7.3導(dǎo)通，當(dāng)前刀位號會與目的寄存器的刀位號相比較，如果一致，程序跳轉(zhuǎn)，換刀結(jié)束。如果刀位號不一致，刀架電機正轉(zhuǎn)找刀，刀具到位后，刀架反轉(zhuǎn)繼電器線圈得電，電機反轉(zhuǎn)并計時，刀架下降，鎖緊，刀架鎖緊后，整個換刀過程結(jié)束。 第5章 總結(jié) 本次設(shè)計采用了四工位刀架，通過電機驅(qū)動，渦輪蝸桿的傳動，有效的實現(xiàn)了換刀。刀

44、架由控制系統(tǒng)直接控制。刀架能快速的完成正轉(zhuǎn)，選位，暫停，回轉(zhuǎn)等這樣一系列的動作。 它可以在保持原車床工件最大回轉(zhuǎn)直徑的條件下，提供選多把刀的可能性，且通用性好。在調(diào)試中刀架正轉(zhuǎn)找到刀位后，延遲時間和反轉(zhuǎn)鎖緊,使刀架的運行效率高，并穩(wěn)定可靠。通過這次的畢業(yè)設(shè)計，使我對大學(xué)三年的學(xué)習(xí)知識有了更進(jìn)一提高，也對FANUC系統(tǒng)有了更新的認(rèn)識。對專業(yè)知識的掌握程度及運用能力也有了更大的提高，同時也加深了對所學(xué)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。 隨著電氣技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC控制提高了生產(chǎn)工藝，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(hù)方便。程序的編制

45、充分考慮操作指令和現(xiàn)場信號，整個操作變得比較簡單，工作臺的旋轉(zhuǎn)、變檔、調(diào)速，進(jìn)給、快速移動控制，相互的聯(lián)鎖保護(hù)和顯示等功能均有PLC完成。 特別是數(shù)控車床刀架的發(fā)展，使該刀架能夠在一次裝夾中完成多道工序，擴大了加工范圍，大大提高了加工精度和生產(chǎn)效率。 參考文獻(xiàn) [1]王三民.諸文俊. 機械原理與設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社，2000. [2]澤深.鄭貴臣.陳保青. 機械基礎(chǔ)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1997. [3]李洪. 實用機床設(shè)計手冊[M].遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社：1999. [4]張鳳珊.祖龍起. 電氣控制及可編程序控制器[M].中國輕工業(yè)出版社2003.?

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