普通车床刀架plc控制--毕业论文.doc

摘 要在未来，普通的车床将往中高端层面发展，中档车床采用普及型刀架配置，动力型刀架用于高档车床，此外车床刀架还包括液压刀架、伺服刀架与立式刀架等等。据预测，近些年来随着经济与科技的发展，工业对车床刀架的需求量急剧增加。目前车床刀架的发展走势是：伴随车床的快速发展，配套刀架逐步向伺服驱动、快速换刀和电液组合驱动方向发展。本文主要针对转塔式四工位车床刀架的PLC控制进行设计，同时设计车床刀架的电路部分，从刀架的工作原理以及结构进行分析，设计研究涉及了普通车床刀架的PLC控制，电气控制以及原理和机械结构，霍尔元件的原理及应用。四工位刀架的换刀流程分为三个部分：升起刀盘、旋转刀盘和锁紧刀架。刀盘运动的的旋转动作由以下部分组成：控制中心发出换刀指令三相异步电动机收到指令启动涡轮蜗杆开始工作车床刀架的主轴受到驱动转动完成刀盘转位。刀盘转位由三相异步电动机来驱动。关键词 ：四工位刀架 ；转塔式刀架； Plc控制电路 AbstractCNC lathe in the future will be to the high-end development, the middle class with the popularization of CNC turret matching, high-grade use of power type turret, both hydraulic turret, servo turret, vertical turret and other varieties. In recent years, the demand for NC tool rest will be greatly increased. The future development trend of CNC turret is: with the development of CNC lathes, CNC turret began to servo drive, fast changing and electro hydraulic combination drive direction. This part mainly of the turret four position electric turret lathe PLC control design, circuit and the electric tool design, carries on the analysis from the turret of the structure and working principle, design and research relates to the ordinary lathe PLC control, electric control and principle and the mechanical structure, the hall element principle and application of.The tool changing action of turret turret is divided into three parts: the cutter head, the cutter head and the cutter head are locked. The rotation of the cutter head is composed of the following steps: the control system sends out the instruction of the cutter head turning, the starting of the three-phase asynchronous motor, the worm wheel and the worm wheel, and the cutter head main shaft rotates to realize the turning of the cutter head. The turning of the cutter head is driven by a three-phase asynchronous motor.Keywords: Lathe tool post; capstan turret; PLC control electric rotary tool目 录1 绪论11.1课题的研究背景11.2课题的来源意义12 刀架硬件部分42.1刀架的介绍42.1.1 刀架的产生42.1.2刀架的分类42.1.3 刀架的几种结构42.2四工位刀架的组成52.3四工位刀架的结构图72.4四工位刀架控制电路的组成83 PLC控制车床刀架93.1霍尔元件在刀架中的运用93.2车床刀架控制93.2.1简易刀架的控制93.2.2刀架的锁紧时间123.2.3刀架刀位信号监控123.2.4换刀时间的监控124 车床刀架的选用及工作134.1 刀架的选用134.2 电动刀架的电机控制134.3 四工位刀架134.3.1四工位刀架的工作原理134.4 刀架驱动144.5 刀架工作顺序155 PLC控制车床刀架165.1换刀装置的硬件设计165.2 I/O地址分配表165.3车床刀架换刀梯形图175.3.1数控机床刀架换刀模式175.3.2 手动换刀程序185.3.3自动换刀195.3.4综合换刀205.4电动刀架的调试21结 论22致 谢23参考文献241 绪论1.1课题的研究背景数控技术称为计算机数控，简称CNC，国外一般都称为CNC，很少再用NC这个概念了。它是指综合的机械设备通过的各种数字指令来实现完成机械动作的控制。二十世纪初，互换式金属薄片数据载体现世；用纸质物品当做数据媒体并且拥有控制功能的系统被问世；二十世纪中叶，数据运算和传输的进步，为如今的计算机发展打下了基础。随着工业的发展，工业经济把数控技术与机床控制紧密的联系起来。二十世纪五十年代年，首台数控机床被制造出来，在某种程度上极大的推动了工业机械自动化的发展，称为划时代的产物。数控技术也称为计算机数字控制技术，它通过计算机来技术来完成数字控制程序。通过计算机程序存储在该技术来执行该操作时序的设备的轨迹和外设的控制逻辑控制功能来实现。作为计算机的数值控制装置，替换原有的硬件设备，使得输入执行指令的储存，处理，算术，逻辑整合以及其他控制等功能实现。完成以上功能可以通过计算机软件来实现。传统加工的工艺都是通过手工操作来完成的，加工的时候使用手动刀具打磨切割金属，只是单纯的依靠肉眼与尺具进行精度测量的。如今的工业已经在使用数字自动化来加工工件，自动化加工设备按照编程程序的指令对加工品进行自动加工。数控加工已经占领机械加工行业。二十一世纪的到来，数控技术在不用的领域取得了巨大的发展，它对汽车、轻工业、医疗、公共设施、IT、军事等方面的发展起着举足轻重的作用。总体而言，数控车床呈现以下三个发展趋势：1. 高速、高精密化随着当今的科学技术的飞速进步，机械加工设备的更新换代也更加迅速，对于工件的要求也越来越高。而高速化与精密化也成了机床发展所追求永久目标。为了迎合变化快捷的市场需要，如今机床追求高速与准确切削。另一个方面，电机、主轴、轴承、滚珠丝杠副等硬件设备的进步与发展也为机床技术上的提升打下了殷实的基础。如今的数控车床使用电动主轴，移除原有的皮带、齿轮、带轮等机构，极大的减少了轴承的转动惯量，提升了机床的工作效率与精度。解决了因为主轴旋转时皮带与带轮的摩擦产生的震动与噪音的问题。采用电主轴结构可使主轴转速达到10000r/min以上。2.高可靠性数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标，能否发挥其高效能是检验数控机床的可靠性高低的关键3. 模块化与CAD化伴随着计算机的普及与发展，CAD可以代替传统而繁琐的手工绘图，而且可以方便得进行方案设计与模拟仿真。在模块化的帮助下，通过动态特性分析、演算、优化，模拟出产品的模型与实际效果。使用CAD极大的提升了工作效率与成功率。减少了开发周期与成本，获得较大的市场竞争能力。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。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）关于对转塔自动回转刀架的认识与学习，为我以后学习与使用各类数控机床打下基础。之后要设计与应用回转刀架PLC程序就变得容易多了。为将来从事本专业打好基础，快速融入新的岗位与工作。2 刀架硬件部分2.1刀架的介绍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刀架的分类现代车床可分成卧式车床和立式车床两个种类。卧式车床又分为水平导轨与倾斜导轨两种。按刀架的数量来分类，又可以分成单刀架数控车床和双刀架数控车，前者是两坐标控制，后者是4坐标控制。双刀架卧式车床多使用倾斜导轨。 2.2四工位刀架的组成普通车床使用的电动刀架的电机多数为三相异步电机，其功率为90瓦，转动速度为1300r/min。刀架图如图1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。图1 四工位刀架刀架的动作：当数控系统发出换刀指令后，通过控制电路测量目标刀具与原刀具之间的距离，来判断是否需要旋转，若与原刀具的一样的话，刀架没有任何的动作，若不一样的话，在确定目标刀具之后，松开刀盘并被顶起，然后通过接口电路驱动电动机正转，由传动装置、蜗杆蜗轮传动能量,从而蜗轮驱动丝杠螺母，接着刀盘解锁升起，直到定位多齿盘脱离啮合状态，随后插销驱动刀盘旋转，控制装置传出的换刀指令，使得霍尔开关中被选定，当被选定的开关和磁性板对接后，开关的反馈信号使得电机夹紧并反转，插销驱动预分度盘上的分度槽实现预分度，刀盘停止转动，通过丝杠机构使刀盘移动到齿盘上重新啮合。多齿盘啮合精确定位，电机停止工作。即换刀完成。完整的信号流程（如图2所示）：程序传出换刀指令到数控车床，数控车床与逻辑控制器输出转接板来执行输出板上的中继动作从而控制电动刀架的正转与反转，当CNC传来的正向转动信号为低电平信号时，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得电，常开触点KA6闭合，刀架转动；当从CNC插口过来的反向转动信号为低电平时，相对应的输出转接板中的中间继电器得电，常开触点闭合，输出端有信号输出，触点闭合控制继电器KA7得电，常开触点KA7闭合控制刀架电机反向转动。在电机正向转动与反向转动到达指定位置时，通过霍尔开关反馈信号回到转接板，检车刀架是否到达指定位置。传到逻辑控制器的输入板再经过数控车床控制接下来的指令动作。图2 刀架信号走向示意图2.3四工位刀架的结构图图3.1图3 数控车床刀架结构1电动机 2联轴器 3蜗杆轴 4蜗轮丝杠 5刀架底座 6粗定位盘7刀架体 8球头销 9转位套 10电涮座 11发迅体 12螺母 13，14电涮 15粗定位销这种四工位刀架可以安装四把功能不同的刀具，系统加工程序控制刀架转位信号。接下来介绍此刀架的大致结构及执行动作：换刀程序开始，小型电动机1收到指令后开始正转，由平键套筒联轴器2驱动蜗杆轴3使其转动，随即带动蜗轮4开始运动。蜗轮的上部外圆柱有外螺纹，所以该零件称蜗轮丝杠。刀架体7内孔与刀架中心轴外圆是滑动配合，在转动刀架工作时，中心轴锁紧，蜗轮丝杠围绕中心轴旋转。蜗轮开始工作旋转，此时因为在刀架底座5与刀架体7上的端面齿是啮合状态，并且蜗轮丝杠轴向不动，刀架体7升起。当刀架体抬升至一定高度时，端面齿松开。销钉把转位套9和蜗轮丝杠4连接起来，跟随蜗轮丝杠一并工作，当端面齿完全松开之后，转位套转过160度（见图3.1），在弹簧力的作用下，球头销8接入转位套9，随即驱动刀架换位。刀架体7旋转驱动电刷座10工作，到达所需的刀具刀位时，定位销15与粗定位盘6进行粗定位工作，同一时间电刷13与电刷14接通开始工作，驱使电机1反向转动，因为粗定位槽的约束，刀架体7固定不动，使其只能在该位置垂直的方向上运动。刀架底座5与刀架体7部位是端面齿啮合，完成精确定位工作。电动机工作保持反转，与此同时蜗轮停止工作，蜗杆轴3保持转动，伴随着夹紧力与转矩的提升，在到达预设值时，通过传感器的监控与控制，电机1工作停止。发信体11、电刷13、电刷14构成译码机构，电刷13的工作是传送信号，电刷14负责位置判断。当刀架没有出现在指定位置时，可松开螺母12调好机构11与14的相对位置。随着普通车床的发展与改造，这种经济型刀架的应用已经十分普及。2.4四工位刀架控制电路的组成电动刀架的电气控制分强电和弱电两部分，强电部分由三相电源驱动三相交流异步电动机正、反转，从而实现电动刀架的松开、转位、锁紧等动作；弱电部分主要由位置传感器发信盘构成，发信盘采用霍尔传感器发信。该电动刀架的电动机采用三相异步电机，功率90W，转速1300r/min。图4刀架控制回路3 PLC控制车床刀架3.2 车床刀架控制车床刀架是车床自动换刀的一个单元，也是一个重要的部件。刀架的种类有很多。有霍尔元件检测刀位的简易刀架，有带位置编码可双相换刀的自动刀架，有可带动刀具的自动刀架。控制刀架转动换刀方面，有的刀架是用异步电动机驱动，有的刀架使用伺服电极驱动。生产刀架的工厂为车床提供多种刀架，每个厂家所提供的刀架的控制方法不尽相同。3.2.1简易刀架的控制经济型车床通常使用简易刀架作为自动换刀机构，其结构简单，便于工人调试与使用。它通过霍尔元件来检查刀架情况，使用三相异步电动机作为动力源驱动。该刀架只能单向换刀，电动机正转选刀，反转固定锁紧。刀架反转固定的时候电动机实际上是一种堵转状态，因此刀架电动机锁紧的时间不能过长，否则可能导致刀架电机的出现故障。四工位刀架配备4个霍尔元件，当所选刀具到达指定换刀位置时，霍尔元件与磁体连接相通。将刀架位置状态发送到PLC的控制程序中去。霍尔元件有两种状态：分别为截至与导通。在CNC控制输入接口，使用上拉电阻将霍尔元件的状态转变为高低电平。车床刀架的工作运动有可编程逻辑控制器控制，直流继电器由PLC控制再使得交流接触器连通三相电源，从而控制刀架的正、反向转动。图5 电动刀架电机的控制硬件连接图当由数控系统接口的PLC应用程序或从机床控制面板换刀命令后得到的信号，控制电机正转，同时输入监测刀架通过数字PLC的实际位置。如果实际位置等于刀具转塔的指挥位置，当PLC应用控制刀架电机反转锁和启动延时控制。到达延迟时间之后，反转转台停止，换刀过程结束。车床换刀时要考虑的安全互锁是在换刀过程中刀架不能与工件碰撞。换刀时，零件程序首先控制各坐标轴回退至安全位置，再执行换刀指令TX。换刀完成后，迅速移动到工件原点，继续处理。即至换刀指令的完成，PLC继续锁定零点方案，同时禁止运动轴线运动。锁定零件程序通过数控系统信号接口通道信号继续“禁止读入”来实现。禁止轴，而且还通过信道接口“进给保持”信号设置来实现的。3.2.2刀架的锁紧时间当车床刀架锁定时，电机处于失速状态，刀架锁定时间不能太长。由于不同厂家生产的刀架，逆转锁定时间可能有所不同，所以刀架锁定时间逆转是在PLC应用程序中的变量值。刀架锁定时间要求的技术标准应符合制造商的刀架配置。考虑锁定时间的变化，可以用PLC参数定义刀架锁定时间。若运用PLC参数，则必须在PLC应用程序的技术说明定义参数的单位和值范围。所以该机的生产工艺，生产人员可以根据的参数来定义来设定PLC可编程序控制器。同时，检查在初始化参数的PLC是否符合的输入范围中的定义。如果低于下限，使其是等于下限值;如果超过上限，使其它是等于上限。刀架电机反转时间切忌过长。3.2.3刀架刀位信号监控如果刀具位置检测信号有问题，换刀过程不会停止，因为PLC程序无法靠自身找到所需刀位。在这种情况下，在使用机床的过程中，机器是可能发生这种情况的，例如冷却剂进入转台，霍尔元件被损坏或断裂切割器的信号线等。因为它可以从时序图表查看出来，转台位置检测信号不可能随时全部为“0”，也不全“1”的状态。因此，在没有刀架马达旋转命令，如果所有的刀具的位置检测信号是“0”或全“1”，便说明转塔硬件出现故障。这时应该通过激活PLC故障报警系统，提醒刀架检查人员进行查修。 3.2.4 换刀时间的监控时间监测是监测从启动刀具到完成换刀的时间。如果工具位置信号出现故障或编程错误，可能会导致无法找到目标位置，以至于换刀步骤无法完成。PLC可以应用于监测换刀时间，同时激活计时器，如果计时器在指定时间内不能在目标的工具上找到目标刀具，则PLC激活报警程序，通知维护人员进行维修。同样，换刀时间可以由PLC的参数设置进行监控，并定义技术规格参数PLC单元和范围。4 车床刀架的选用及工作4.1 刀架的选用数控车床刀架目前大多采用电动工具，其特征在于更精确地和迅速地进行定位。旧的传统的刀架驱动的大多是手动，电动或液压小部分。 电动刀架分为卧式电动刀架（通常安装8至12刀）和立式电动刀架。卧式刀架较为昂贵，在车床刀架改造中常用4、6工位的刀架台。4.2 电动刀架的电机控制通过直流继电器控制，继电器交流接触，然后驱动三相交流电源开启，刀架电机正、反转。电动刀架电动机控制的硬件连接。4.3 四工位刀架下图是我选用的电动刀架：图64.3.1 四工位刀架的工作原理四工位刀架台使用蜗轮蜗杆驱动，通过三齿盘的啮合并锁紧螺杆的方式。四工位刀架可以安装4把刀具，左上角为加工工件的位置，执行换刀指令时，刀架台绕中间的轴转动，当目标刀具到达左上角指定位置时停止对应每把刀具位置上的检测开关，开关开通表示此刀在目标位置。这四个开关是用接近开关，没有机械接触，这样可提高开关寿命。由于普通接近开关对金属很敏感，容易发生误信号。刀架中的开关采用霍尔元件，也称为霍尔开关。如下图所示：图7霍尔元件对磁性很敏感，对普通金属不敏感，可以满足我们要求的。所以在中心轴上，装入一块永久磁钢。当某把刀位的霍尔元件转到加工刀位时，便会产生一个感应信号,开关处于接通状态，表示可选的刀已到达加工位置。因为只有一块磁钢，所以同时只有一个霍尔开关接通，其余三个处于断开状态。4.4刀架驱动四方刀架由一台电动机驱动。电动机转速1450r/min，通过蜗杆蜗轮副对电机进行减速。然后蜗轮带动刀架绕中心轴旋转到当要选取的刀具转到指定刀位时，便会接通。用此信号使电机停止正转，同时进行反转，刀架中有一套螺杆锁紧机构，当刀架反转时，螺杆起锁紧作用，锁紧时间要小于1秒。这样，控制刀架换刀就成了控制电动机的正反转。4.5刀架工作顺序收到换刀信号电机开始转动驱动刀架转位检测信号是否符合要求电机停止正转，随后反转初始定位精确定位刀架锁紧电机堵转延时结束换刀动作完成，执行下一步指令。5 PLC控制车床刀架系统设计转塔车床刀架由PLC控制，对于一个四工位刀架，控制比较简单，通常使用的是普通车床。我们分析了转塔车床控制原理是完整的更换刀具的过程，刀塔换刀过程由PLC的I / O信号处理逻辑和计算控制，实现顺序控制刀架。另外，为了确保该过程可以顺利进行，还需要换刀过程中的控制参数来辅助换刀。PLC的概述PLC控制系统称为可编程逻辑控制器，它是电子系统的数字运算操作系统，设计它是为了专业从事工业应用。它用其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，面向用户的数量和算术运算这样的指令的可编程存储器，并通过各种类型的机器或生产过程中的数字或模拟输入/输出控制，是工业控制的核心。自1960年以来，美国推出的可编程逻辑控制器，取代老旧的继电控制系统，随之PLC得到了快速发展，已在世界各地得到广泛应用。同时，PLC功能得到了改进。随着计算机技术，信号处理技术，控制技术的不断发展的网络技术和不断提高的客户需求，PLC增加了切换处理的基础上，模拟处理和运动控制功能。如今的PLC不仅限于逻辑控制，在运动和过程控制等方面也发挥着举足轻重的作用。PLC梯形图运用PLC梯形图是最常用的图形化编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图和电气控制系统的电路图十分相似，具有操作简便，易于学习和使用的优点，特别适用于逻辑控制开关使用。梯形图通常被称为一个电路或程序，称为梯形图编程设计。某些编程元件的PLC梯形图使用这一继电器的名称。如输入继电器，输出继电器，内部辅助继电器，但它们不是真实的物理继电器。但一些存储单元（软继电器），每个用软继电器对应于一个存储单元PLC内存映射寄存器。如果存储器单元是“1”的状态，那么相应的软线圈继电器“通电”，连接到常闭触点断开的常开触点，这种状态被称为软继电器“1”或“开”的状态。如果存储器单元为“0”的状态，相应的继电器线圈和软接触状态与上述相反，所述软中继“0”或“关”的状态。这些“软继电器”在使用中同常被称为的编辑程序组件。5.1换刀装置的硬件设计24V 0V 霍尔传感器 T1 T2 T3 T4 1.5K4COM X1 X2 X3 X4 Y1 Y224V KA0 KA1图8 电路图控制 KA0 KA1KM1 KM2图9 控制电路图5.2 I/O地址分配表表1 I/0地址分配表启动开关I0.0一号刀霍尔元件I1.0二号刀霍尔元件I1.1三号刀霍尔元件I1.2四号刀霍尔元件I1.3电机正转输出Q0.0电机反转输出手动转换开关Q0.1 I0.15.3车床刀架换刀PLC梯形图5.3.1数控机床刀架换刀模式数控机床刀架换刀有两种模式，手动换刀与T指令控制ATC模式（automatic tool-changing）。手动换刀是指将机床设置为手动模式,通过刀位工具选择按钮来实现,有些系统是采用带开关的形式实现，一些系统是用符号的形式实现的,例如通过检测工具选择信号的状态,按下工具选择按钮,计数器值会改变,系统选择将会发生相应的变化。还可以使用单键换刀，通过单击按钮改变。通过直接换刀编程工具刀指令。刀架电机为顺时针方向旋转是刀具的选择阶段，逆时针旋转是锁定阶段，选择和监控锁定时间的监控工具是由PLC定时器控制。5.3.2手动换刀程序要求：每手动一次刀换一次位置图10 手动梯形图5.3.3 自动换刀要求：数控车床发出一个目标刀具号和刀具选择信号，其他的功能和手动模式一样。图11 自动换刀梯形图5.3.4综合换刀要求:实现切换手动与自动换刀的功能图1 图12 综合换刀梯形图5.4电动刀架的调试CNC的电动刀架台的工作，有时遇到电源中断，电机不工作，刀预紧力过大，卡住刀架内部机构。如果出现故障，及时停机检查并调试设备，保证机床安全工作。1）电源中断，电动机不工作。首先检查线路有无异样，电源连通与否，开关是否无损。然后接通电源，电动机反转，可通过改变相序来解决故障。如果可以手动更换道具，但不能在机换刀的控制下，就需要检修刀架线控制器，I / O接口与检查计算机。2）刀架的预紧力过大。当蜗杆部位转动困难时，下次锁紧后刀架依旧无法工作，则可以确定是预紧力过大引起的。可以通过调小刀架电机电流解决。3）刀架内部装置卡住。当刀架内部的蜗杆无法转动时，导致这种情况发生的原因可能是机械卡死。首先查看螺母是否被锁死；再检查夹紧机构的定位销在不在轮槽内；最后检查装置润滑系统正常与否。结 论通过这次的毕业课程设计，使我对大学四年学习的知识有了进一步的认识，也更加系统的考核了我对所学的专业知识的认知程度及运用能力，同时也加深了对所学专业知识的掌握程度。可编程逻辑控制器控制车床的刀架运动，主要是对刀架进