毕业设计-斗笠式刀库控制装置教材

1、I斗笠式刀库控制实验装置设计摘要随着数控加工技术的普及与发展，高速加工中心作为新时代数控机床的代表， 已在 机床领域广泛使用。自动换刀刀库的发展俨然已超越其为数控加工中心配套的角色，在其特有的技术领域中发展出符合机床高精度、 高效率、高可靠度及多任务复合等概念的 独特产品。刀库作为加工中心最重要的部分之一， 它的发展也直接决定了加工中心的发展。 本 文介绍了在教学当中斗笠式刀库自动换刀控制实验装置的总体设计方案，开发了自动换刀控制系统的硬件和软件，并对斗笠式刀库自动换刀过程进行组态设计， 实现了对自动 换刀动作的动态监控，生动直观的展示了换刀动态过程，便于技术维修和学生观察自动 换刀机构和PL

2、C的运行状态，尽快定位故障点、排除故障。关键词：斗笠式刀库，自动换刀控制，组态设计，动态监控，西门子 802c数控系统Design of control device of bamboo hat type tool magazineLaboratoryABSTRACTAlong with the popularizati on and developme nt of NC mach ining tech no logy,high speed machining center as a representative of a new era of CNC machine tools, has b

3、een widely used in the field of machine tools.Development of automatically change the knife base has exceededits NC Center for supporting the role of the development of unique products, to meet the high-precision machine tools, high efficiency, high reliability and more complex tasks such as the con

4、 cept of tech no logy in their unique areas of.As one of the most important part of machining center tool magazine, itsdevelopment will determ ine the process ing cen ter. This paper in troduces the overall desig n scheme of con trol experimental device of automatic tool changing hats in teaching to

5、ol library, automatic tool cha nge con trol system hardware and software developme nt, and the bamboo hat type tool process of configuration design, the realization of the dynamic monitoring and automatic tool changing motion control, vivid and intuitive display tool changing dynamic process, facili

6、tat ing tech ni cal repaira nd stude nts to observe the automatic tool cha nge mecha nism and the running state of the PLC, as soon as possible to locate the fault point, fault elimination.KEY WORDS :Bamboo hat type kn ife, automatic tool change con trol, con figuration desig n,dyn amic mon itori ng

7、, Sieme ns 802C CNC systemIll摘要IABSTRACTII1综述 11.1数控教学实验装置分析 11.1.1数控铣床试验台不同实验装置形式分析 11.1.1.1 数控铣床电气控制与维修实训台（西门子） 11.1.1.2 数控铣床电气控制与维修实训台（半实物/西门子）11.1.1.3 数控铣床电气控制与维修实训台（实物/西门子）31.1.2组态软件在当前数控教学中的应用 41.1.3本设计在教学中的意义 41.2组态王应用 51.2.1 建立组态王新工程 61.2.2 创建组态画面 81.2.3 定义I/O 设备 91.2.4 构造数据库 121.2.5 建立动画连接

8、131. 2. 6运行与调试1 52斗笠式刀库实验室控制装置总体方案设计 162.1数控加工加床刀库形式 162.2斗笠式刀库控制过程分析 182.3斗笠式刀库实验室控制装置硬件测绘 193斗笠式刀库实验室控制装置软硬件控制系统设计 213.1硬件电气系统 213.2数控程序控制原理与程序设计 223.3 PLC换刀程序设计原理与程序设计 233.3.1 刀库旋转方向、旋转步数计算 243.3.2 主轴松刀、紧刀程序设计 243.3.3 刀库旋转程序设计 263.3.4 刀库前进、后退程序设计 264斗笠式刀库实验室模拟控制装置设计 274.1斗笠式刀库实验室模拟控制装置设计画面设计 274.

9、2接口数据库的建立 28#4.3命令语言设计 305基于802c数控系统的斗笠式刀库实验室装置的联机调试 305.1组态王与数控系统联机调试 305.1.1 组态王设置 305.1.2 数控系统设置 345.2联机调试结果分析 34总结 35参考文献 36附录I 37附录U 41斗笠式刀库控制实验装置设计131综述随着制造业的迅速发展以及国家对制造行业的高度重视，在制造业教学中实验装置层出不穷，在很大程度上提高了教学质量，但是由于部分实验装置的缺失又阻碍了教学 工作的有效进行。借助于组态软件完成虚拟实验装置设计在近几年得到了快速发展，有利于实验的开发与进行，实现了较小投入高效教学的目的， 有利

10、于学生直观了解并学习 数控系统装置的应用与开发。1.1数控教学实验装置分析目前数控教学中主要有三种实验装置形式， 分别是：不带实物的数控系统实验装置、 半实物数控系统实验装置、实物数控系统实验装置，对于三种不同的实验装置形式，相 应的有着不同的特点和实验形式。但是无论对于那一种装置形式都将系统电路连线平铺 在实训台面板上，形象直观，便于学生的学习理解。1.1.1数控铣床实验台为例三种不同实验装置形式分析 1.1.1.1数控铣床电气控制与维修实训台（西门子）不带实物的数控铣床电气控制与维修实训系统，由实训台和三坐标组成，能完成数控系统的安装调试、参数设置、PLC编程、故障诊断与维修、数控铣床调试

11、、数控编程 与坐标运动等教学实训。系统采用开放式结构，将一台数控铣床电控系统在实训台上进 行分解展示，模块化设计，将数控系统接口信号在各模块上展开，信号可测量。图1-1数控铳床电气控制与维修实训台（西门子）1.1.1.2数控铣床电气控制与维修实训台（半实物/西门子）半实物数控铣床电气控制与维修实训系统，由实训台和三坐标组成，能完成数控系 统的安装调试、参数设置、PLC编程、故障诊断与维修、数控铣床调试、数控编程与坐 标运动等教学实训。系统采用开放式结构，将一台数控铣床电控系统在实训台上进行分 解展示，模块化设计，将数控系统接口信号在各模块上展开，信号可测量。该实验装置能够实现部分实验项目与实际

12、工业现场匹配演示，有利于学生学习与 理解工业实际造作规程。图1-2数控铳床电气控制与维修实训台（半实物/西门子）1.1.1.3 数控铣床电气控制与维修实训系统（实物/西门子）实物数控铣床电气控制与维修实训系统，由数控铣床实训台和数控教学型铣床实物 组成，具有一定的铣削能力，可对有机玻璃、塑料等材料进行简单铣削加工。不仅可作 为数控铣床电气故障的维修实训设备， 也可作为数控铣床的实际加工操作实训设备。它具有数控系统的安装调试、参数设置、PLC编程、故障诊断与维修、数控铣床编程与加工操作等多项功能；学生在实训台上进行电气维修方面的实训；数控系统安装在实训台上，便于进行实训操作；完全采用工业化的器件

13、，将一台数控铣床的电控系统的每一环节在实训台上进 行分解展示；模块化结构设计，并设计有强电柜，便于实现数控铣床各个环节的实训教学；设计有专门的故障设置区和排故操作单元。 具有数控铣床的故障维修考核功能。数 控系统单元：采用西门子802C数控系统；驱动模块：X/Y/Z进给轴均采用伺服电机驱 动。这种实验装置实物部分完全与实际工业现场相同，能充分反映现实数控铣床的运 行过程，再加上电控系统的每一环节在实训台上进行分解展示，更加直观的反映了现实铣床的工作流程。图1-3 数控铳床电气控制与维修实训系统 （实物/西门子）以上三种实验室数控实验装置在一定程度上只能进行部分数控实验， 有一定的局限 性，完美

14、的数控与实物配置引进的结果是实验装置硬件成本大大提高， 并且本身自带系 统的仿真功能薄弱，又有有限的人机交互界面，不能满足数控教学的充分要求。1.1.2组态软件在当前数控教学中的应用当前组态软件在教学方面有着广泛的应用，但是大都针对的是独立PLC进行的现场监控，另外一种形式是针对化工专业的温控等形式实现人机交互。组态软件在独立PLC教学中已经有了应用的成熟经验， 但是在与数控系统的结合应 用方面仍很欠缺，有着很大的创新空间。1.1.3本设计在数控教学中的意义的实该设计是以数控系统综合实验台为对象，利用组态软件开发一种“虚实结合”验控制装置，进一步丰富实验内容和形式，提高实验效果。同时也可以通过

15、组态软件设计当前实验室之外的硬件控制装置，完成虚拟实验装置的控制，进一步提高学生对数控 系统辅助装置的认识与理解。使学生充分掌握典型数控系统的控制及二次开发方法，培养学生的工程应用能力及初步研究能力。根据当前国内外机床制造企业生产制造的机械加工机床主要面向生产领域，并且价格昂贵封闭很强，很难满足在教学与培训方面的需求，该项目的研究试验系统可以使用模型代替，使学生的实验操作可以脱离实际机床的硬件配置限制。利用组态软件生动直观的展现了自动装置动态过程，实现了在线监控，方便了工程 现场的故障分析，使学生和维修人员很清楚的观察到机构及pic的运行过程。该设计的研究结果可以为广大高等院校快速高效的开展数

16、控研究与维修技术实践教学提供了开放的、生动的实验实训平台，可以在教学方面取到较好的效果。1.2组态王软件应用在安装完“组态王”之后，在系统“开始”菜单“程序”中生成名称为“组态王6.5 ” 的程序组。组态王软件加密锁分为开发版、运行版、NetView、In ternet版和演示版。所有版本都可以运行在 Windows 98（第二版）、Windows NT（补丁 6）、Windows 2000 和Windows XP系统下。开发版有64点、128点、256点、512点、1024点、不限点共六种规格内置编程语言支持网络功能支持运行环境在线运行8小时运行版有64点、128点、256点、512点、10

17、24点、不限点共六种规格支持网络功能可选用通讯驱动程序NetView 版有512点、不限点共两种规格。支持网络功能不可选用通讯驱动程序For Internet 版有5用户、10用户、20用户、50用户、无限用户五种规格在组态王普通版本上增加In ternet远程浏览功能演示版支持64点内置编程语言开发系统在线运行2小时支持运行环境在线运行8小时可选用通讯驱动程序建立新组态王工程的一般过程是：1. 设计图形界面（定义画面）2. 定义设备3. 构造数据库（定义变量）4. 建立动画连接5. 运行和调试需要说明的是，这五个步骤并不是完全独立的，事实上，这四个部分常常是交错进 行的。在用组态王画面开发系

18、统编制工程时，要依照此过程考虑三个方面：图形用户希望怎样的图形画面？也就是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工 业现场和相应的工控设备。数据 怎样用数据来描述工控对象的各种属性？也就是创建一个具体的数据库，此数据库中的变量反映了工控对象的各种属性，比如温度，压力等。连接 数据和图形画面中的图素的连接关系是什么？也就是画面上的图素以怎样 的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。1.2.1建立组态王新工程要建立新的组态王工程，请首先为工程指定工作目录（或称“工程路径”）。“组态王”用工作目录标识工程，不同的工程应置于不同的目录。工作目录下的文件由“组态 王”自动管理。创建工程

19、路径启动“组态王”工程管理器（ProjManager），选择菜单“文件 新建工程”或单击 “新建”按钮，弹出如图1-4所示。图1-4单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之二对话框”，如图1-5所示图1-5在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径，或单击“浏览”按钮，在弹出的 路径选择对话框中选择一个有效的路径。单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之 三对话框”，如图1-6所示。图1-6在工程名称文本框中输入工程的名称， 该工程名称同时将被作为当前工程的路径名称。在工程描述文本框中输入对该工程的描述文字。工程名称长度应小于32个字节,工程描述长度应小于40个字节。单击“完成”完成工程的新建。

20、系统会弹出对话框， 询问用户是否将新建工程设为当前工程，如图 1-7所示。图1-7单击“否”按钮，则新建工程不是工程管理器的当前工程，如果要将该工程设为新建工程，还要执行“文件设为当前工程”命令；单击“是”按钮，则将新建的工程设 为组态王的当前工程。定义的工程信息会出现在工程管理器的信息表格中。双击该信息条或单击“开发”按钮或选择菜单“工具切换到开发系统”，进入组态王的开发系统。1.1.2 创建组态画面进入组态王开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画面上生 成互相关联的静态或动态图形对象。这些画面都是由“组态王”提供的类型丰富的图形 对象组成的。系统为用户提供了矩形（圆角矩形

21、）、直线、椭圆（圆）、扇形（圆弧）、 点位图、多边形（多边线）、文本等基本图形对象，及按钮、趋势曲线窗口、报警窗口、 报表等复杂的图形对象。提供了对图形对象在窗口内任意移动、 缩放、改变形状、复制、 删除、对齐等编辑操作，全面支持键盘、鼠标绘图，并可提供对图形对象的颜色、线型、 填充属性进行改变的操作工具。“组态王”采用面向对象的编程技术，使用户可以方便地建立画面的图形界面。用 户构图时可以像搭积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的生成。同时支持画面之间的图形对象拷贝，可重复使用以前的开发结果。第一步：定义新画面进入新建的组态王工程，选择工程浏览器左侧大纲项“文件画面”，在工程浏览器右侧用鼠

22、标左键双击“新建”图标，弹出对话框如图1-8所示。图1-8在“画面名称”处输入新的画面名称，如刀库，点击“确定”按钮进入内嵌的组态 王画面开发系统。如图1-9所示。文件（日 ma田虜ru tatu凰吭可 画面:也 帮前凹图1-9第二步：在组态王开发系统中从“工具箱”中分别选择“矩形”和“文本”图标, 绘制出需要被监控的实验室控制装置虚拟画面，如图1-10所示。图 1-10画面创建好后，选择“文件全部存”命令保存现有画面1.1.3定义10设备组态王把那些需要与之交换数据的设备或程序都作为外部设备。外部设备包括：下 位机（PLG仪表、模块、板卡、变频器等），它们一般通过串行口和上位机交换数据； 其

23、他Windows应用程序，它们之间一般通过DDE交换数据；外部设备还包括网络上的其 他计算机。只有在定义了外部设备之后，组态王才能通过 I/O变量和它们交换数据。为方便定 义外部设备，组态王设计了“设备配置向导”引导用户一步步完成设备的连接。使用仿真PLC和组态王通信。仿真PLC可以模拟PLC为组态王提供数据。假设仿真PLC连接在计算机的COM口定义10设备选择工程浏览器左侧大纲项“设备COM ”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，如图1-11所示卢厂貳、设备誥黠*遇魂方式斯诜点占通讯才式然后单击下一店 诵皐生尸厂亲设番專I+-4E下门控松SI1+ +9Cin.

24、gr aqE中泰1舌就世应 智槽块E趙卡+受题困主严厂示：iEG详笛右莉;：n;PLC通依就t：甲石图 1-11选择“仿真PLC的“串行”项，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，如图1-12 所示。诘络要球的设备指毎啡一的迟辑若航图 1-12为外部设备取一个名称，输入 PLC，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，如图1-13所示。图 1-13为设备选择连接串口，假设为 COM,单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，如图1-14所示。图 1-14填写设备地址，假设为1,单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，如图1-15所示图 1-15设置通信故障恢复参数（一般情况下使用系统默认设置即可），单

25、击“下一步”，弹 出“设备配置向导”，单击“完成”，如图1-16所示。图 1-16设备定义完成后，可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备“PLC”。在定义数据库变量时，只要把10变量连结到这台设备上，它就可以和组态王交换数据了。1.1.4 构造数据库数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。在TouchVew运行时，它含有全部数据变量的当前值。变量在画面制作系统组态王画面开发系统中定义，定义 时要指定变量名和变量类型，某些类型的变

26、量还需要一些附加信息。数据库中变量的集 合形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。构造数据库选择工程浏览器左侧大纲项“数据库 数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双 击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框如图1-17所示。图 1-17此对话框可以对数据变量完成定义、修改等操作，以及数据库的管理工作，在“变 量名”处输入变量名，如：a；在“变量类型”处选择变量类型如：内存实数，其它属 性目前不用更改，单击“确定”即可。下面继续定义一个10变量，如图1-18所示图 1-18在“变量名”处输入变量名，如：b;在“变量类型”处选择变量类型如：I0整数；在“连接设备”

27、中选择先前定义好的I0设备：PLC在“寄存器”中定义为： INCREA1O0在“数据类型”中定义为：SH0R类型。其它属性目前不用更改，单击 “确定”即可。1.1.5建立动画连接定义动画连接是指在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系，当变量的值改变时，在画面上以图形对象的动画效果表示出来； 或者由软件使用者通过图形 对象改变数据变量的值。“组态王”提供了 21种动画连接方式：属性变化线属性变化、填充属性变化、文本色变化位置与大小变化填充、缩放、旋转、水平移动、垂直移动值输出模拟值输出、离散值输出、字符串输出值输入模拟值输入、离散值输入、字符串输入特殊闪烁、隐含滑动杆输入水平、垂直命

28、令语言按下时、弹起时、按住时一个图形对象可以同时定义多个连接，组合成复杂的效果，以便满足实际中任意的 动画显示需要。创建动画连接双击图形对象一一即矩形，可弹出“动画连接”对话框，如图 1-19所示。对皱型凰垢矩那时聚名称：山阖4筑优厂 埴充r _融r ffiwr鰹順込 r 曲散值输入厂蹄杆和A.r水平厂垂立r 水平榇动r 五亘移动部令语言匡播忧先氨；厂厂 怒陋：_|图 1-19为了让模拟画面动起来，需要使变量即 a能够动态变化，选择“编辑 画面属性” 菜单命令，弹出对话框如图1-20所示。图 1-20单击“命令语言”按钮，弹出画面命令语言对话框，如图1-21所示图 1-21在编辑框处输入命令语

29、言便可使画面在运行状态下动作，可将“每 3000毫秒”改 为“每500毫秒”,此为画面执行命令语言的执行周期。单击“确认”，及“确定”回到 开发系统，选择“文件 全部存”菜单命令。1.1.6 运行和调试组态王工程已经初步建立起来，进入到运行和调试阶段。在组态王开发系统中选择“文件切换到View ”菜单命令，进入组态王运行系统。在运行系统中选择“画面 打 开”命令，从“打开画面”窗口选择“刀库”画面。显示出组态王运行系统画面，即可 看到画面的动态变化过程，实现对组态画面的调试。斗笠式刀库控制实验装置设计172斗笠式刀库实验装置总体方案设计2.1数控加工机床刀库形式加工中心的自动换刀装置由存放刀具

30、的刀库和换刀机构组成。刀库种类很多，常见 的有盘式和链式两类。链式刀库存放刀具的容量较大。换刀机构在机床主轴与刀库之间交换刀具，常见的为机械手；也有不带机械手而由 主轴直接与刀库交换刀具的，称无臂式换刀装置。加工中心刀库分为圆盘式刀库及机械手刀库两种圆盘式刀库应该称之为固定地址换刀刀库，即每个刀位上都有编号，一般从1编到12、18、20、24等，即为刀号地址。操作者把一把刀具安装进某一刀位后，不管该刀 具更换多少次，总是在该刀位内。1. 制造成本低。主要部件是刀库体及分度盘，只要这两样零件加工精度得到保证即可，运动部件中刀库的分度使用的是非常经典的“马氏机构”，前后、上下运动主要选用气缸。装配

31、调整比较方便，维护简单。一般机床制造厂家都能自制。2. 每次机床开机后刀库必须“回零”，刀库在旋转时，只要挡板靠近（距离为0.3mm 左右）无触点开关，数控系统就默认为 1号刀。并以此为计数基准，“马氏机构”转过 几次，当前就是几号刀。只要机床不关机，当前刀号就被记忆。刀具更换时，一般按最近距离旋转原则，刀号编号按逆时针方向，如果刀库数量是18,当前刀号位8,要换6号刀，按最近距离换刀原则，刀库是逆时针转。如要换10号刀，刀库是顺时针转。机床关机后刀具记忆清零。3. 固定地址换刀刀库换刀时间比较长国内的机床一般要8秒以上（从一次切削到另一次切削）。4. 圆盘式刀库的总刀具数量受限制， 不宜过多

32、，一般40#刀柄的不超过24把，50#的不超过20把，大型龙门机床也有把圆盘转变为链式结构，刀具数量多达60把。机械手刀库换刀是随机地址换刀。每个刀套上无编号，它最大的优点是换刀迅速、 可靠。1. 制造成本高。刀库有一个个刀套链式组合起来，机械手换刀的动作有凸轮机构 控制，零件的加工比较复杂。装配调试也比较复杂，一般由专业厂家生产，机床制造商 一般不自制。2. 刀号的计数原理。与固定地址选刀一样，它也有基准刀号：1号刀。但我们只能理解为1号刀套，而不是零件程序中的1号刀：T1。系统中有一张刀具表。它有两栏。 一栏是刀套号，一栏是对应刀套号的当前程序刀号。假如我们编一个三把刀具的加工程 序，刀具

33、的放置起始是1号刀套装T1（ 1号刀），2号刀套装T2，3号刀套装T3,我们知道当主轴上T1在加工时，T2刀即准备好，换刀后，T1换进2号刀套，同理，在T3 加工时，T2就装在3号刀套里。一个循环后，前一把刀具就安装到后一把刀具的刀套 里。数控系统对刀套号及刀具号的记忆是永久的，关机后再开机刀库不用“回零”即可 恢复关机前的状态。如果“回零”，那必须在刀具表中修改刀套号中相对应的刀具号。3. 机械手刀库换刀时间一般为4秒(从一次切削到另一次切削)。4. 刀具数量一般比圆盘刀库多，常规有 18、20、30、40、60等5. 刀库的凸轮箱要定期更换起润滑、冷却作用的齿轮油刀库用于存放刀具，它是自动

34、换刀装置中的主要部件之一。根据刀库存放刀具的数 目和取刀方式，刀库可设计成不同类型。图7.1所示为常见的几种刀库的形式。(1)直线刀库。如图2-1(a)所示，刀具在刀库中直线排列、结构简单，存放刀具数 量有限(一般8把-12把)，较少使用。 圆盘刀库。如图2-1(b)-(g)所示，存刀量少则6把-8把，多则50把-60把，有 多种形式。图2-1(b)所示刀库，刀具径向布置，占有较大空间，一般置于机床立柱上端。图2-1(c)所示刀库，刀具轴向布置，常置于主轴侧面，刀库轴心线可垂直放置，也 可以水平放置，较多使用。图2-1(d)所示刀库，刀具为伞状布置，多斜放于立柱上端。为进一步扩充存刀量，有的机

35、床使用多圈分布刀具的圆盘刀库(图2-1(e)，多层圆 盘刀库(图2-1(f)和多排圆盘刀库(图2-1(g)。多排圆盘刀库每排4把刀，可整排更 换。后三种刀库形式使用较少。(3) 链式刀库。链式刀库是较常使用的形式(图2-1(h),(i)，常用的有单排链式刀 库(图2-1(h)和加长链条的链式刀库(图2-1(i)。(4) 其他刀库。格子箱式刀库，如图2-1(j)、k，刀库容量较大。图2-1(j)为单面 式，图2-1(k)为多面式。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(j)刀库形式2.2斗笠式刀库控制过程分析为使加工中心的结构紧凑，减小加工中心的外形尺寸，降低成本，在设计自动换 刀装置时，应

36、在满足使用要求的前提下，尽量使其结构简单紧凑，价格低廉，易制造, 拆卸、装配维修方便，备件容易得到。加工中心自动换刀装置有两种形式：有机械手换刀和无机械手换刀。加工中心的自动换刀装置，大都采用有机械手换刀方式。它是由机械手把刀库上的 刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具返送到刀库上。换刀时间短 ，但其机械结构 比较复杂。无机械手换刀方式是直接在刀库与主轴 (或刀架)之间换刀的自动换刀方式。因 无机械手，所以结构简单。换刀时必须首先将用过的刀具送回刀库 ，然后再从刀库中取 出新刀具，这两个动作不能同时进行，所以换刀过程较为复杂，换刀时间较长。但是刀 库回转是在工步与工步之间，即非切削时进行的，

37、因此可免去刀库回转时的振动对加 工精度的影响。无机械手换刀方式适用于40号以下刀柄的小型加工中心或换刀次数少 的用重型刀具的重型机床。在无机械手换刀方式中，刀库可以是圆盘形、直线排列式，也可以是格子箱式等。直线排列式和格子箱式刀库结构相比较复杂，适用于刀库容量较大的加工中心；圆盘形 斗笠式刀库控制实验装置设计37刀库容量较小，刀库结构简单紧凑，刀库转位、换刀方便，易控制。斗笠式刀库的换刀动作如下：1）轴移动至换刀坐标处,见图2-2a2）主轴准停3）刀库前进（抓旧刀）,见图2-2b4）主轴松刀5）Z轴向上移动（让出刀库旋转尺寸），见图2-2c6）刀库旋转（选刀），见图2-2d7）Z轴向下移动（移

38、动至换刀位置），见图2-2e8）主轴紧刀（抓新刀）9）刀库后退（换刀结束）,见图2-2f从换刀动作1） 、4） 、6）可以看出，斗笠式刀库的换刀需轴参与刀库控制，而 PLC是无法直接参与数控轴的控制。如果动作 2）、3） 、4） 、6） 、8） 、9）都 采用M指令调用，那么编制零件程序时就需要6条M指令和3条G指令，使用 很不方便。采用NC程序编制换刀动作为一固定循环，就可以方便的使用一条指令调 用换刀程序。图2-2 斗笠式刀库换刀过程动作图2.3斗笠式刀库实验室控制装置硬件的测绘斗笠式刀库由刀盘部件、轴承、轴承套、轴、箱盖、拨销、锁止盘、电机、槽轮、箱体等组成，结构组成示意图如下所示:图2

39、-3斗笠式刀库示意图】刀盘2.夹块左刀爪图2-4 刀盘示意图刀库转动定位机构槽轮机构具有冲击小，工作平稳性较高，机械效率高，可以在较高转速下工作，且 结构简单，易制造等优点。在目前生产的鼓轮式刀库的加工中心机床上，很多采用槽轮 机构来驱动刀库的分度回转运动。槽轮机构（又称马尔他机构）能把主动轴的匀速连续运动转换为从动轴的周期性间 歇运动，常用于各种分度转位机构中。槽轮机构有三种基本类型：外啮合槽轮机构、内 啮合槽轮机构和球面槽轮机构。刀库即可采用外啮合槽轮机构也可采用内啮合槽轮机 构。设计中采用外啮合槽轮机构。外啮合槽轮机构的工作原理如图所示，它由主动曲柄1、槽轮2、拨销3和锁止盘4组成。外啮

40、合槽轮机构的主动曲柄回转轴线与槽轮回转轴线平行，通常主动曲柄作等速回转，当主动曲柄上的拨销进入槽中，就拨动槽轮作反向转位运动，当拨销从槽中脱出， 槽轮即静止不动，并由锁止盘定位。当只有一个拨销时，主动曲柄转一周，槽轮作转一 个角度的步进运动，从而实现转位、分度和定位。】.主动曲桶2”橹轮图2-5分度机构4侧止盘3斗笠式刀库实验室控制装置软硬件控制系统设计3.1硬件电气系统斗笠式刀库控制实验装置硬件是由一台包括西门子802c数控系统（内装PLC和电气控制系统的实验控制柜、斗笠式刀库、机床主轴、液压控制系统等组成。根据加工中心换刀控制要求，完成数控系统、伺服驱动系统、电气控制系统、斗笠 式刀库、机

41、床主轴等的安装与调试。能够实现以下功能：1 、机床主轴配合刀库完成刀具的选择和交换；2、机床主轴具备定向功能，并能自动松、夹刀具；3、系统应能实现任意选刀功能；电气系统设计如下图所示：图3-1 刀库电气图3.2数控程序控制原理以及程序设计采用NC程序编制换刀动作的原理西门子802c的NC程序可以把轴控制与PLC控制有机的结合,可以按一定的逻 辑控制PLC和轴，从而实现包含轴移动的换刀控制。M06调用换刀，当程序中出现 M06时,系统自动调用换刀NC程序（TOOL）。n- 0 n- Q .TFIFTrZCMyMJM一一 n ； 1 0 0 0 0-0.JflC 二IjGO T O1O OMO T

42、H 匚 lOOEZEQl G O T O a O O（iG T M 1MEO 4+30 0 3=1GEHl C3 3O ZZ O jMl. jiC 斗 X1 jM71 jU91 J J B 2 0 jjMl OO t+ 3Ci O G = O该宏程序还可加入判断刀具号是否小于 0、大于最大刀号，编程刀具是否等于主 轴刀号及判断结果、信息的显示等控制条件。当执行换刀程序时,只需键入“T33 M06 , 循环启动即可。NC预读T指令,送入PLC ,再读入M06指令,便调用TOOL子 程序,子程序结束并返回主程序，取消零点偏置和刀具补偿,以保证G91 G28 Z0到达的坐标位置为换刀的位置，M19为

43、主轴准停指令,准停结束后,NC读入下一条指令并 向PLC发出信号,PLC即刻调用刀库前进子程序并读入禁止,执行完刀库前进动作到 位后恢复读入使能，读入下一程序段。主轴松刀后，Z轴向上移动。刀库在Z轴移动到位后，旋转当前刀位为编程刀位 T 3 3 （ PLC边旋转刀位边比较当前刀位和 T指令， 比较一致后停止旋转）。Z轴向下紧刀，刀库后退。至此换刀子程序结束。3.3 PLC程序控制原理及程序设计在换刀过程中，刀库需要完成刀盘正转、刀盘反转、刀库前进和刀库后退等动作， 刀盘的正、反转采用直流电动机的正反转来实现，以光电开关来实现刀盘转动的刀位计 数，刀库的前进与后退采用液压驱动， 并以接近开关作为

44、刀库前后位置和限位判断。主 轴的抓刀和松刀也采用液压控制，在自动换刀过程中，机床与CNC之间需要完成多种信 号的交换，主要包括了 X丫Z轴的位置信号，刀库位置信号和刀库驱动装置控制信号，换刀过程中x丫z轴的位置控制是由数控系统的进给控制部分完成，当 X丫z轴运动到 指定位置，CNC系统会将PLC存储器内对应的到位标志位置1,刀库的位置受CNC系统 内置PLC的程序控制，内置PLC根据程序执行状态，将输出开关量信息输送到远程输出 端子板，进一步控制直流电机或液压阀，实现刀盘正反转，刀库前进后退，锁刀松刀等 动作。刀库相关的主要信号刀库前进到位I2.1刀库前进Q0.4刀库后退到位I2.2刀库退回Q

45、0.5刀库松刀到位11.5刀库正传Q1.2刀具夹紧到位I1.6刀库反转Q1.3主轴准停I2.3松刀Q0.6抓刀Q0.7加工中心自动换刀动作过程自动换刀过程是通过数控系统指令的M代码组中的M06指令完成的该加工中心的刀库动作过程分13步：(1) 系统接到换刀指令M06设置PLC内部辅助继电器M12=1进入换刀程序，完 成刀盘转向和换刀步数的计算；(2) Z 轴运动到换刀位置；(3) 主轴准停；(4) 刀库慢速前进至换刀位置；(5) Y轴运动到换刀位置；(6) X 轴运动到换刀位置；(7) 主轴松刀还刀，刀具进入对应刀座；(8) 刀库慢速退至指定位置；(9) 根据第(1)步计算的刀盘转向和换刀步数

46、进行旋转，到达新刀位；(10) 刀库前进，主轴抓取新刀；(11) 刀具夹紧，X轴去刀库安全返回位；(12) 刀库退回；(13) 解除主轴准停，换刀过程结束自动换刀系统程序设计自动换刀系统程序采用S7-200格式的梯形图编写，在运行模式下，系统按照换刀 流程，顺序完成各步动作自动换刀程序是当得到换刀命令后，数控系统根据换刀步骤， 执行操作，完成换刀。3.3.1刀库旋转方向、旋转步数的计算刀盘旋转的路径计算如下所示新刀号(D1)与原刀号(D2)的关系刀库旋转方向刀库旋转步数0v D1 D2 6正转D1 D26v D1 D2 V 11反转12(D1 -D2)6 D1 D2 V 0反转D2D111V

47、D1 D2 6正转24(D2D1)CNC系统接受换刀指令M06之后，将通过NC发给PLC 个内部信号， 自动运行模式下的换刀子程序如图3-2所示。网络2 mE换刀准备M6换刀准备皿6T IH ）禁止读入换U准备ME图3-2换刀子程序入口刀盘旋转的路径计算程序如图 3-3所示 当检测到刀库计数脉冲时，比较新设置的 刀号D1与原系统刀号D2的数值大小。网络4 网络题目单行）网第2當1目标TJ号与詞目标力号与同十+0+S刀库转向标老Y ）目标ZJ号与詞目标对号与词-11 -6刀库转向标志目标刀号与詞目标R号与詞*6 +11目标刀号与詞目标刀号与詞-6+a图3-3刀盘旋转路径计算程序3.3.2主轴松刀

48、、抓刀程序设计在刀盘旋转开始前，X Y Z轴在伺服系统的控制下，要运动到达换刀位置，让主轴将原来的刀还回刀库，同时完成主轴松刀控制，由数控程序控制主轴运动到机床参考 点，然后计算刀库旋转步数，并判断刀库的旋转方向，旋转到位后再控制主轴下移实现 主轴抓刀动作，在进行进刀。图3-4主轴松刀抓刀程序段刀库转向标志M50.1R库正转？目标口号Txh目标R号Txjffl R库正转控誇1 12刀库转向标證 WI50.1R库反转7I 1 JI1 IR库正转？网路14刀库转向标志M50.1目标JO号Tmh目标R号Tto R库反转控誇=B12R库正转控誇Y )LED2T )3.3.3刀盘旋转程序设计当主轴还刀入

49、库之后，程序顺序执行到刀盘旋转步时每当刀盘旋转一个刀位，就会输出一个上升沿脉冲，旋转步数加一；存放当前刀号的存储单元则根据正转或反转标志 进行加1或减1操作。刀盘旋转程序段如图3-5所示。刀库反转棒H)LED1/)图3-5刀盘旋转程序段3.3.4刀库前进、后退程序设计当数控程序M06有效时，主轴由M19控制实现准停，准停到位后控制刀库前移到换 刀位，触发刀库前移到位控制信号。当主轴紧刀完成后触发紧刀到位信号，刀库开始后 退，直到接收到后退到位信号，表明刀库后退到位。刀库前移后退动作程序段如图3-6所示raw 询壬1荃站丄上保4刀出逬MH 1图3-6刀库前进后退程序段4、斗笠式刀库模拟实验装置设

50、计4.1斗笠式刀库模拟实验装置画面设计进入组态王开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画面上生成互相关联的静态或动态图形对象。这些画面都是由“组态王”提供的类型丰富的图形 对象组成的。进入新建的组态王工程，选择工程浏览器左侧大纲项“文件 画面”，在工程浏览器 右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出对话框如图4-1所示。图4-1新建画面在“画面名称”处输入新的画面名称：斗笠式刀库实验室控制装置，点击“确定” 按钮进入内嵌的组态王画面开发系统。如图 4-2所示。图4-2组态王开发系统在组态王开发系统中从“工具箱”中分别选择所需的图标，绘制出需要被监控的实 验室控制装置虚拟画面，如图4

51、-3所示。图4-3 画面建立画面创建好后，选择“文件 全部存”命令保存现有画面4.2接口数据库的建立数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在 屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。 在TouchVew运行时， 它含有全部数据变量的当前值。变量在画面制作系统组态王画面开发系统中定义，定义 时要指定变量名和变量类型，某些类型的变量还需要一些附加信息。数据库中变量的集 合形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。选择工程浏览器左侧大纲项“数据

52、库 数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双 击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框如图 4-4所示。图4-4 创建变量此对话框可以对数据变量完成定义、修改等操作，以及数据库的管理工作，在“变 量名”处输入变量名，在“变量类型”处选择变量类型，单击“确定”即可。点击“新 建”按钮可继续定义下一个I/O变量。4-5所示:斗笠式刀库实验室控制装置虚拟画面需要用到的变量如图3；秒丄曰期弋史记址會记亲新推.害主铀惟停刀库前移R库后退刀库瞿移到XT库后迟到 lit王晦松R主轴jg刀到王輛上稻R库正砖JJ库反蒔计暫眾虫计密器计塾黑品讨SI器卫主铀下移主轴寧R主铀紧R到位手动按融自动按钮左松刀右松R当前对号

53、目标刀导换刀正砖步斟换Kk轴上摆YW7J2库而松TV刀I库陌乍噸工I岡陶图4-5刀库变量換嘗下坐4.3命令语言设计数控系统与组态王通讯实现了对组态画面的控制，其实质是由内装 PLC控制的，但 是主轴配合刀库换刀时，主轴运动是由数控系统控制动作的， 所以要实现画面的仿真必 须设计组态命令程序语言，以控制虚拟主轴的运动。程序设计如下所示：主轴上移命令语言：本站点主轴松刀到位本站点主轴本站点主轴上移本站点主轴上移+10；主轴下移命令语言：本站点本站点本站点上移=100)本站点c3=1）本站点主轴下移本站点主轴下移+10；5基于802c数控系统的斗笠式刀库实验控制装置的联机调试组态王和下位机的通讯，“

54、组态王”把每一台下位机看作是外部设备，在开发过程 中您可以根据“设备配置向导”的提示一步步完成连接过程。在运行期间，组态王通过 驱动程序和这些外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据/指令。每一个驱动程序 都是一个COM对象，这种方式使通讯程序和组态王构成一个完整的系统，既保证了运 行系统的高效率，也系统能够达到很大的规模。5.1组态软件与数控系统联机调试的过程实现组态王与数控系统的联机调试需要进行以下工作:5.1.1组态王设置组态王把那些需要与之交换数据的设备或程序都作为外部设备。外部设备包括：下位机（PLC仪表、板卡等），它们一般通过串行口和上位机交换数据；其他windows应用程序，它们之间一般通过 DDE交换数据；外部设备还包括网络上的其他计算机。只 有在定义了外部设备之后，组态王才能通过 I /O变量和它们交换数据。为方便定义外 部设备，组态王设计了“设备配置向导”引导用户一步步完成设备的连结在组态王工程浏览器的左侧选中“ COMl，在右侧双击“新建”，运行“设备配置向 导”；如图所示：图5-1选择“ PLC的“西门子”的“ S7-200系列”的“ PPI”，单击“下一步”；如图