基于西门子802S数控车床的刀架控制设计

1、德州职业技术学院德州职业技术学院 高职专业毕业论文高职专业毕业论文 论文题目论文题目：基于西门子：基于西门子 802S 数控车床的刀架控制设计数控车床的刀架控制设计 系 部： 电 气 工 程 系 专 业： 电 气 自 动 化 姓 名： 刘 亚 东 学 号： 0 指导教师： 王 玉 梅 20122012 年年 月月 日日 原 创 性 声 明 本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计）是本人在指导老师指导下取得的研究 成果。除了文中特别加以注释和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发 表或撰写的研究成果。与本研究成果相关的所有人所做出的任何贡献均已在论文（设 计）中作了明确的说明并表示了谢意。

2、 签名： 年月日 摘摘 要要 数控刀架是数控机床的重要组成部分。本课题研究了西门子802S数控车床刀架控 制设计。分析了数控机床的基本组成、刀架控制系统的硬件组成和刀架PLC程序及机床 的有关参数。本文中所做的主要工作如下：测绘西门子802S数控车床的电气原理图、 接线图。对刀架的结构进行了深入的了解，清楚刀架上的传感器信号的输入输出，分 析刀架的动作过程、顺序调试刀架控制的PLC程序。绘制了刀架的机械结构图和控制电 路图。 关键词关键词：西门子西门子 802S802S 系统；刀架控制；系统；刀架控制；PLCPLC Abstract CNC turret CNC machine tools i

3、s an important part. The research of the Siemens 802S CNC lathe turret control design. Analysis of the basic components of NC machine tools, turret control system hardware and tool carrier PLC program and the machine parameters. In this paper, the major work done by the following: Survey and Mapping

4、 Siemens 802 S CNC lathes electrical schematics, wiring diagram. Holders of the structure of an in-depth understanding and clear turret on the sensor signals in the input-output analysis tool carrier moves the process, control the order of debugging Turret PLC program. Drawing the turret of mechanic

5、al and control structure of the circuit. Key words: SIEMENS 802S system; Turret Control; PLC 目目 录录 摘摘 要要 .1 1 目目 录录.1 1 第一章第一章 绪论绪论.1 1 1.1 课题的研究背景.1 1.2 课题的来源及意义.2 1.3 本课题的内容.3 第二章第二章 西门子西门子 802S802S 数控车床基本组成数控车床基本组成.5 5 2.1 CNC 系统 .5 2.2 主轴控制驱动系统 .7 2.3 进給控制驱动系统 .9 2.4 辅助装置 .11 2.5 输入输出 PLC 转接口 .1

6、1 2.6 机床本体 .12 第三章第三章 刀架控制系统硬件组成刀架控制系统硬件组成.1414 3.1 刀架的有关概况.14 3.1.1 刀架的产生.14 3.2 四工位刀架的组成 .15 3.2.1 四工位刀架的机械结构 .17 3.2.2 四工位刀架控制电路的组成 .19 第四章第四章 刀架刀架 PLCPLC 程序及有关参数设置程序及有关参数设置.2121 4.1 刀架的 PLC 程序 .21 4.2 西门子 802S 数控车床的 PLC 程序如下.24 第五章第五章 结论结论.3131 参考文献参考文献: : .3232 致致 谢谢 .3333 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 课题

7、的研究背景课题的研究背景 数字程序控制机床一般简称为数控机床。它是由数控装置或计算机进行控制的一 种高效能自动化机床，它综合应用了自动控制技术、计算机技术、精密测量技术、液 压气动等技术。并在机床结构等方面运用了最新技术。随着科学技术的发展，机械产 品的形状和结构不断改进，对机械零件的加工质量要求也越来越高；单件、小批生产 的机械产品所占比重越来越大，特别是在造船、航空、航天、深潜以及国防工业的各 个部门，加工批量少、精度要求高、形状复杂的零件很多。像这样的产品，如果采用 一般的自动机床或组合机床和自动线来加工，就显得很不经济、不合理，一般机床又 不能加工。数控机床就是在这样的条件下产生和发展

8、起来的，它能有效地适应产品不 断变化、多品种、小批量的自动化生产。 数控机床就是把加工所需要的各种操作，例如变速、松夹工件、进刀、退刀、开 车与停车、冷却液的自动供给等等，以及刀具相对于工件之间的位移。采用数值数据 的形式通过计算机的运算，并将输入的指令变为机床的各种操作，实现零件的自动加 工。随着网络技术日益普遍运用，互联网进入车间只是时间问题，这将是数字化制造 的主要标志。从另一角度来看，企业资源计划如果仅仅局限于业务管理部门(人、财、 物、产、供、销)或设计开发等企业上层的信息化是远远不够的，车间最底层的加工设 备数控机床不能够连成网络或信息化，就必然成为制造业信息化的制约瓶颈。所 以，

9、对于现代制造工厂来说，除了要提高机床的数控化率外，更要使所拥有的数控机 床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间的底层之间及底层与上层之 间通信畅通无阻。 西门子公司开发的新一代西门子（SINUMERIK）802S 系统是一种专门为中国市 场开发的经济型数控系统，具有低档的价格和中高档的性能的性价比较高的数控系统。 西门子 802S 数控系统采用 32 位微处理器，集成式 PLC，分离式小尺寸操作面板和机 床控制面板，具有 RS232 通讯接口，利用计算机可进行软件的升级和加工程序的传输； 通过增加扩展模块，可具有输入，输出（I/O）64 点能力，能接受多路信号和控制多路 负载；可控

10、制 23 个步进电机进给轴和一个伺服主轴（或变频器）；具有启动次数少， 安装调试简捷，图形及中英文菜单显示，操作编程简单方便，低速运行平稳等特点， 具有稳定的可靠性以及优越的性能价格比。此系统相比较同类产品是同类产品中的佼 佼者，它也会对我以后在工作中遇到同类产品同类问题有很大的帮助。西门子 802S 数 控系统为工程技术人员提供了丰富的二次开发功能。机床制造厂家通过标准的 S7 语言 进行 PLC 编程，来完成机床的逻辑控制。并通过参数的设置，就可以使机床运行达到最佳的 效果，以及适应各种不同的配置的需要。西门子802S数控系统还有非常丰富的人机对话中文界面， 用户所需要的操作可以在中文的菜

11、单上找到，并按相应的按键以实现操作者的要求。802S丰富的 中文界面可以使用户在几天之内就能掌握机床的操作，这样就可以节约了用户大量的学习和消化的 时间。在操作编程的工作中，最为突出的是802S的所有报警文本均可以用中文来编写。在802S 的编程指令系统中，除了具备新颖的参数编程和轮廓编程外，还具有实用的循环子程序，有了这些 强有力的编辑功能，使西门子802S的编程十分方便和灵活。 1.21.2 课题的来源及意义课题的来源及意义 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

12、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、发信装置、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。 数控刀架分类。目前，行业上应用的数控刀架按照与主机配套场合主要有分为如 下高、中、低三个档次。低档数控刀架主要有沈阳精诚数控生产的系列电动数控立式 刀架，系列卧式刀架。该种刀架结构简单，容易设计、制造。采用三相力矩电机驱动， 三联齿定位，矩形螺纹锁紧，配套在我国简易型数控车床，

13、受我国数控机床发展的影 响，是我国的特色产品，已经形成规模化生产。中档数控刀架主要有沈阳精诚数控生 产的系列电动刀架、系列电动刀架、系列液压刀架。该档次刀架，可双向选刀，刚性 好，但结构复杂，对制造加工设备要求高。此类刀架在我国初具规模，但国外产品对 我国市场冲击较大。高档数控刀架包括伺服刀架和动力刀架。此类刀架，我国起步较 晚，还处在研究阶段，但还没有形成商品化。数控刀架的发展。数控刀架作为功能性 部件配套于机床主机，但它集机械、电气于一体，是典型的机电一体化产品，数控刀 架的研究开发是机械、电气、电子、材料等多学科知识的综合。当今，数控伺服刀架、 动力刀架等功能部件己成为衡量数控机床水平的

14、重要标志。它们的价格也是构成数控 机床整机价格的主要成分，粗略计算数控机床数控刀架等功能部件价格已占整机成本 构成的左右。目前，我国的功能部件生产发展缓慢，品种少，产业化程度低，不能满 足市场要求，不得不依赖进口。由于功能部件进口价格昂贵，造成数控机床整机价格 不断上升，我国生产的数控机床几乎失去了竞争优势。市场显示，同等水平的数控机 床，韩国的价格几乎与我国的价格持平，出现这一现象与我们主机厂大量从国外采购 数控机床所需的功能部件有很大关系。我国机床工具行业的专家、学者、企业家都已 看到了功能部件产业的巨大发展前景。许多企业也已瞄准了这个市场，通过引进技术、 合作生产或自主开发，初步形成了一

15、批功能部件专业生产厂家。当前国内高水平、高 质量的数控机床和加工中心还不能完全满足国内市场需求，这和与之配套的高水平的 功能部件发展滞后有关，有些功能部件性能上与国际著名厂家的产品还有一些差距。 我国己加入世贸组织，境外功能部件产品对我国市场的冲击将更加厉害。可以说，没 有高水平功能部件生产能力的大幅提高，将严重影响我国机床行业的快速发展。 伺服刀架控制器是伺服刀架和动力刀架的技术核心。高档刀架采用伺服电机作驱 动源，实现位置、速度的双闭环控制，具有结构简单，容易加工制造、维护、精度高， 转位快等特点。我国各大机床主机厂均依靠进口此类产品与主机配套。很明显，伺服 刀架的机械结构简单，而我国目前

16、还没有针对数控刀架的专业伺服驱动系统产品，这 大大的制约了我国高档刀架发展，是我国的伺服刀架的研制处于停滞状态，因此，伺 服刀架的控制器即伺服刀架的伺服电机控制是高档数控刀架的关键技术。刀库包括刀 套旋转机构及换刀机械手，刀库外形为圆盘形，内部装有一个分度盘。刀库的回转运 动由带抱闸的三相异步电机作动力源。三相电源通过交流接触器提供给电动机，此时 抱闸打开，刀库运转，切断三相电源则抱闸闭锁，刀库立刻停止运转。通过分度盘的 运动及相关检测元件组的逻辑组合，可使每个刀套准确停在换刀位置。刀套停在换刀 位置后，由气缸控制刀套处于水平或垂直状态，以方便机械手换刀。刀套分度台可以 顺时针或逆时针方向旋转

17、，从而可以在最短的时间内搜索到所要更换的刀具。刀库换 刀机械手的运动同样是由带抱闸的三相异步电机作动力源，通过齿轮传动机构，把电 机产生的匀速旋转运动转化为机械手的规律性前进、停止以及旋转运动。齿轮传动装 置配有微动开关组。这个开关组包括3组微动凸轮和3个接近开关，每组微动凸轮上装 有3个微动凸轮。该微动开关组用于控制机械手夹住刀具、机械手把刀具从主轴和刀套 内取出、机械手处于原始位置等。该刀库的旋转刀套及机械手的减速传动机构内都内 置了一个扭矩限制器，以防止内部机械结构损坏。 通过这次的毕业设计，我将对西门子 802S 数控车床有个更深的认识，还有使自己 各方面的能力都有所提高（自学能力、动

18、手能力、语言表达能力、文字表达能力、解 决实际问题的能力） 。对西门子 802S 数控车床的认识，可以为我以后学习各类数控机 床有个好的基础。同样刀架的 PLC 程序能应用和设计，再要应用和设计刀库的 PLC 程 序就容易了。为今后从事本专业的工作运用打下基础，使自己能很快的融入社会。 1.31.3 本课题的内容本课题的内容 （1）测绘西门子802S数控车床的电气原理图、接线图； 在实验室里进行实物测绘，同时查阅其相关资料进行西门子802S数控车床的电气 原理图、接线图的绘制。西门子802S数控系统有主轴、进给、ECU单元、冷却、润滑、 刀架等辅助装置组成。 （2）设计刀架控制系统； 在原有西

19、门子802S数控车床的刀架控制系统的基础上，对其系统进行深入的研究。 （3）有关机床参数、四工位刀架结构； 在实验室里查阅有关机床的参数，以及四工位刀架的结构原理图。 （4）有关PLC程序设计； 在原有西门子802S数控车床PLC程序的基础上，加以改进和完善。 （5）撰写有关毕业设计说明书； 本设计中重点和难点就是对西门子802S数控车床刀架控制设计和PLC程序的调试, 需要对刀架的结构非常了解，清楚刀架上的传感器信号的输入输出。其研究途径可根 据西门子802S数控车床中原有的PLC程序，了解刀架PLC程序的整个换刀过程，然后根 据实际刀架的结构进行刀架PLC程序调试。此外需绘制西门子802S

20、数控车床的电气原理 图、接线图、设计刀架控制电路；有关机床的参数、四工位刀架结构等内容，都可以 在实验室里进行实物测绘，参照设计。 第二章第二章 西门子西门子 802S802S 数控车床数控车床基本组成基本组成 西门子 802S 数控系统电气主要组成部分有，CNC 系统（包括 ECU） 、主轴驱动控 制系统、进给驱动控制系统（包括伺服驱动控制系统、步进驱动控制系统） 、辅助装置 （包括刀架控制系统、润滑、冷却控制系统）及 PLC 输入输出转接口,机械结构部分主 要有，机床床身、导轨、工作台、刀架等。 （其中刀架在第 3 章有具体介绍） 2.12.1 CNC 系统系统 计算机数控系统（Compu

21、ter Numerical Control）简称 CNC 系统，是一种用计算 机通过执行其存储器内的程序来实现数控功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专 用计算机系统。数控机床在 CNC 系统的控制下，自动地按给定的加工程序加工出工件。 所以计算机数控系统是一种计算机在内的数字控制系统。CNC 系统是一种位置控制系统。 其控制过程是根据输入的信息（加工程序） ，进行数据处理、插补运算、获得理想的运 动轨迹信息，然后输出到执行部件，加工出所需要的工件。CNC 系统的核心是 CNC 装置。 由于采用了计算机，使 CNC 装置的性能提高，促使 CNC 系统迅速发展。CNC 装置的工 作流程主要分为输

22、入、译码、刀具补偿、进给速度处理、插补和位置控制。输入的任 务是把加工程序、控制参数和补偿数据输入到 CNC 装置中去，输入的方法有纸带阅读 机输入、键盘输入、磁带和磁盘输入以及通信方式输入。CNC 的工作方式一般有两种， 一种是边输入边加工，即在前一个程序段在加工时，输入后一个程序段的内容；另一 种是一次性的将整个工件加工程序输入到 CNC 装置的内部存储器中，加工时再把程序 段从存储器中一个一个的调出来进行处理。 随着大规模集成电路技术和表面安装技术的发展，CNC 系统硬件块及安装方式不 断改进。从 CNC 系统的总体安装结构看，有整体式结构和分体式结构两种。从 CNC 系 统使用的 CP

23、U 及结构来分，CNC 系统的硬件结构一般分为单 CPU 和多 CPU 结构两大类。 初期的 CNC 系统和现在的一些经济型 CNC 系统采用单 CPU 结构，而多 CPU 结构可以 满足数控机床高进速度、高加工精度和许多复杂功能的要求，也适应于并入 FMS 和 CIMS 运行的需要，从而得到了迅速的发展，它反映了当今数控系统的新水平。 CNC 装置中还有 I/O 处理、显示及诊断功能。I/O 处理主要用来对 CNC 装置与机 床之间的强电信号处理。显示的主要任务是为操作者提供方便，有工件程序的显示、 参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示以及运动轨迹的静态图形显示。 诊断功能是现代

24、CNC 装置必备的，可以自动对系统进行诊断显示出故障出现范围。 CNC 数控系统的特点有灵活性、模块化、可靠性、易于实现多功能程序控制、使用 维修方便、具有通信功能。在多微处理器中，有两个或两个以上的 CPU 构成处理部件。 各处理部件之间通过一组公用地址和数据总线进行连接。每个 CPU 都可享用系统公用 存储器或 I/O 接口，并分担一部分数控功能，从而将单微处理器的 CNC 装置中顺序 完成的工作，转变为多微处理器并行、同时完成的工作，因而大大增强了整个系统的 性能。多微处理器结构的 CNC 装置大都采用模块化结构，根据设备要求选用功能模块 构成 CNC 系统。如果某个模块出了故障，其它模

25、块仍能工作，可靠性高。由于硬件一 般是通用的，容易配置，因此只要开发新的软件就可以构成不同的 CNC 装置，便于组 织规模生产，能够成批量生产并保证质量。 图 2-1 西门子 802S 数控车床系统控制图 2.22.2 主轴控制驱动系统主轴控制驱动系统 西门子 802S 数控车床的主轴变频器采用日立式 L100007HFE 变频器配三相异步 电机，变频器采用正弦波脉宽调制控制，额定容量 1.9KVA ,额定输入电压三相交流 380V ,额定输出电流 2.5A ,输出频率范围 0-650HZ ,适用电机容量 0.75KW 。三相异 步电机采用普通三相异步电机，输入电压 380V，额定电流 2.0

26、A，额定功率 0.75KW ， 额定转速 1390r/m 。 变频器特点：VVVF 通用型变频（0.2KW-7.5KW）， 结构紧凑，体积小， ISPM 专 利技术，集成了驱动电机的功率器件和控制电路元件， 抗电磁干扰能力强 ，速度调 节旋钮标准内置 ，电网电压自动稳压，保持输出稳定 ，瞬时失电重起动， CE；UL；c-UL；C-Tick 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。 3.1.23.1.2 刀架的分类刀架的

27、分类 按刀架的回转轴线分类，有绕水平轴旋转分度和绕垂直轴旋转分度两大类。按装 刀数来分常见的有四工位电动刀架和六工位电动刀架等。按机械定位方式分，常见的 有端齿盘定位，三齿盘定位，斜板圆销转位电动刀架等。三齿盘定位电动刀架(又称为 “免抬刀架”)可实现上刀体不抬起而顺利地转位换刀的要求，排除了冷却液、加工屑 对刀架转位时的影响，较为可靠地解决了刀架的密封问题。斜板圆销转位电动刀架结 构简单，工作可靠。 3.1.33.1.3 刀架的几种典型结构刀架的几种典型结构 （1）排刀式刀架 排刀式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒类为主的机床较为常见，它的结 构形式为夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床

28、 X 坐标轴方向排列在横向滑板或一 种称为快换台板上。这种刀架的特点之一是刀具布置和机床调整都较方便，可以根据 具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具在一把刀完成车削任务后， 横向滑板只要按程序沿 X 轴向移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这 样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速、省时、有利于提高机床的生产效率。 （2）数控车床方刀架 经济型数控车床方刀架是在普通车床四方刀架的基础上发展的一种自动换刀装置， 其功能和普通四方刀架一样：有四个刀位，能装夹四把不同的刀具，方刀架回转 90时， 刀具变换一个刀位，但方刀架的回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制的。换刀

29、时方刀架的动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、刀架定位和刀架夹紧。完成上述动作 要求，有相应的机构来实现。 （3）般转塔回转刀架 转塔回转刀架适用与盘类零件加工。在加工轴类零件时，可以换用四方回转刀架。 由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。回转刀架动作根据数控指令进行， 由液压系统通过电磁换向阀进行控制，其动作过程分为如下四个步骤：（1）、刀架抬 起，（2）、刀架转位、（3）、刀架压紧，（4）、转位液压缸复位。如果定位、压紧 动作正常，刀架会发出信号表示已完成换刀过程，可进行切削加工。 （4）盘形自动回转刀架 盘形自动回转刀架根据刀位又可分为 A 型、B 型和 C 型，其中 A 型和 B

30、型刀架可配 置 12 把刀具，C 型可配置 8 把刀具。A、B 型回转刀盘的外切刀可使用 25mm*150mm 标 准刀具和刀杆截面为 25mm*25mm 的可调工具，C 型可用尺寸为 20mm*20mm*125mm 的标准 刀具。镗刀杆直径最大为 32mm。该种刀架更换和对刀十分方便。刀位选择由刷形选择 器进行，松开、夹紧位置检测由微动开关控制。整个刀架控制是一个纯电气系统，结 构简单。 （5）车削中心的动力刀架 车削中心的动力刀架的刀盘上可以安装各种非动力辅助刀夹（车刀夹、镗刀夹、 弹簧刀夹、莫氏刀柄），夹持刀具进行加工，还可安装动力刀夹进行主动切削，配合 主机完成车、铣、钻、镗等各种复杂

31、工序，实现加工程序自动化、高效化。该刀架采 用端齿盘作为分度定位元件，刀架转位由三相异步电机驱动，电动机内部带有制动机 构，刀位由二进制绝对编码起器识别，并可双向转位和任意刀位就近选刀。动力刀具 由交流伺服电机驱动，通过同步齿形带、传动轴、传动齿轮、端面齿离合器将动力传 递到动力刀夹，再通过刀夹内部的齿轮传动，刀具回转，实现主动切削。 3.23.2 四工位刀架的组成四工位刀架的组成 西门子 802S 数控车床的电动四工位刀架采用的电机是三相异步电机，功率 90W， 转速 1300r/min。电动四工位刀架如图 31 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

32、，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 31 四工位刀架 刀架的动作： 当数控系统发出换刀指令后，通过比较电路比较目标刀具与原刀具的位置差，再 来判断是否要旋转，若与原来的一样的话，刀架没有任何的动作，若不一样的话，在 确定好目标刀具号后，刀盘松开并被顶起，然通过接口电路使电机正转，经传动装置、 驱动蜗杆蜗轮机构,蜗轮带动丝杠螺母机构，将刀盘松开并抬起，直至两定位多齿盘脱 离啮合状态，然后由插销带动刀盘转位，数控装置发出的换刀指令使霍尔开关中的某 一个选通，当磁性板与被选通的霍尔开关对齐后，霍尔开关反馈信号使电机反转并夹 紧的动作，插销向预分度

33、盘上的分度槽反靠实现预分度，刀盘停止转动，通过丝杠机 构使刀盘移动到齿盘重新啮合，实现精确定位。多齿盘啮合精确定位后，电机应能停 止反转。换刀完成。例如，四工位自动回转刀架回转电机反转 1.5s 后，由数控装置自 动停止，防止电机不停反转而过载毁坏。反靠机构使卜带动刀架旋转的机构，由于它 必须在刀架正转时对卡死，反转时半卡死，因此该反靠槽的两个侧面一个设计成垂直 面，另一个设计成倾斜面。预定位插销和预定位槽(在下齿盘上)的作用在于实现刀架 的预定位。电机正转时，定位插销被插销上方的弹簧拉起，回转电机反转，插销被弹 簧入预定位槽内实现刀架的预定位，精确定位采用多齿盘结构，利用其表面精度高、 硬度

34、高的梯形齿结构进行啮合以达到精确定位。 整个信号走向是：操作面板或程序发出换刀指令输到 CNC，CNC 与 PLC 输出转 接板来控制输出板上的中继的动作从而控制电动刀架的正反转，当从 CNC 插口过来正 转信号为低电平信号时，由于 CNC 输入插口信号线低电平有效，所以相对应的中间继 电器线圈得电，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 线圈得电，常开触点 KA6 闭合，些时刀转；当从 CNC 插口过来的反转信号 为低电平时，相对应输出转接板中的中间继电器线圈得电，常开触点闭合，输出端有 信号输出，触点闭合控制继电器 KA7 线圈得电，常开触点 KA7

35、闭合控制刀架电机反转。 在正转与反转到位时，由刀架四工位的四个霍尔开关控制，通过霍尔开关反馈回输入 转接板检测是否转到位。输到 PLC 输入板再经过 CNC 处理决定动作。 图 32 刀架信号走向示意图 3.2.13.2.1 四工位刀架的机械结构四工位刀架的机械结构 图 33 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 该刀架可以安装四把不同的刀具，转位信号由加工程序指定。其结构图可见附图 所示。下面介绍以下该刀架的结构及动作过程：当换刀指令发出后，小型电动机

36、1 起 动正转，通过平键套筒联轴器 2 使蜗杆轴 3 转动，从而带动蜗轮 4 转动。蜗轮的上部 外圆柱加工有外螺纹，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 配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠环绕中心轴旋转。当蜗轮开始转动 时，由于在刀架底座 5 和刀架体 7 上的端面齿处在啮合状态，且蜗轮丝杠轴向固定， 这时刀架体 7 抬起。当刀架体抬到一定距离后，端面齿脱开。转位套 9 用销钉与蜗轮 丝杠 4 连接，随蜗轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开，转位套正好转过 160（如图 AA 剖示所示），球头销 8 在弹簧力的作用下进入转位套 9 的槽中，带动刀架体转位。 刀架体

37、7 转动时带动电刷座 10 转动，当转到程序指定的刀号时，定位销 15 在弹簧的 作用下进入粗定位盘 6 的槽中进行粗定位，同时电刷 13、14 接触导通，使电机 1 反转， 由于粗定位槽的限制，刀架体 7 不能转动，使其在该位置垂直落下，刀架体 7 和刀架 底座 5 上是端面齿啮合，实现精确定位。电动机继续反转，此时蜗轮停止转动，蜗杆 轴 3 继续转动，随夹紧力增加，转距不断增大时，达到一定值时，在传感器的控制下， 电机 1 停止转动。 译码装置由发信体 11、电刷 13、14 组成，电刷 13 负责发信，电刷 14 负责位置判 断。当刀架定位出现过位或不到位时，可松开螺母 12 调好发信体

38、 11 与电刷 14 的相对 位置。 这种刀架在经济型数控车床及普通车床的数控化改造中得到广泛的应用。 3.2.23.2.2 四工位刀架控制电路的组成四工位刀架控制电路的组成 西门子 802S 数控车床采用的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、反向旋转，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讯盘采用霍儿传感器发讯。该电动刀 架的电动机采用三相异步电机。 图 34 强电控制回路 图 35 刀架控制回路 第四章第四章 刀架刀架 PLCPLC 程序及有关参数设置程序及有关参数设置 4.14.1 刀架的刀架的 PLCPLC

39、 程序程序 I/O 配置如下： 信号说明 输入信号接口：X2003 I0.0 刀架位置码：T1 I0.1 刀架位置码：T2 I0.2 刀架位置码：T3 I0.3 刀架位置码：T4 I0.4 刀架位置码：T5 I0.5 刀架位置码：T6 I0.6 刀架位锁紧到位信号 机床面板用户定义键 用户键 K 4手动换刀 输出信号接口：X2005 Q0.4 刀架正转 Q0.5 刀架反转 输入信号说明输入信号说明： LAP 可控制每个刀位均有反馈信号的刀架。I0.0 到 I0.5 作为刀架反馈信号。如 果是四工位的刀架，应该利用 PLC 参数将 I0.4，I0.5 屏蔽掉。 如果刀架有锁紧到位信号，应该将信号

40、连接到 I0.6，如果没有到位信号则应该 将 I0.6 屏蔽掉。 所使用的变量所使用的变量 地址 名称 变量类型 数据类型 注释 EN IN BOOL LW0 Tmax IN WORD 一些刀架工具 LW2 C_time IN WORD 刀架夹紧检测时间（单位：0.1S） LW4 M_time IN WORD 刀架搜索检测时间（单位：0.1S） L6.0 T_KEY IN BOOL 刀架更改键 L6.1 T_01 IN BOOL T 位置代码 L6.2 T_02 IN BOOL L6.3 T_03 IN BOOL L6.4 T_04 IN BOOL L6.5 T_05 IN BOOL L6.6

41、 T_06 IN BOOL L6.7 T_07 IN BOOL L7.0 T_08 IN BOOL L7.1 OVLoad IN BOOL 刀架电机过载（NC） L7.2 T_CW OUT BOOL 刀架正转连续搜索 L7.3 T_CCW OUT BOOL 刀架反转连续搜索 L7.4 T_LED OUT BOOL 刀架搜索指示灯 L7.5 ERR1 OUT BOOL Error1：没有刀架的位置信号 L7.6 ERR2 OUT BOOL Error2: 编程刀具以外的刀架范围 L7.7 ERR3 OUT BOOL Error3: 工具搜索实时监测超时 L8.0 ERR4 OUT BOOL Er

42、ror4: 刀架超载 LD12 T_DW_c TEMP DWORD 当前刀具号格式 LD16 TmaxDW TEMP DWORD 最大刀架数量 L20.0 T_still TEMP BOOL 刀架停顿 V.0 PLCNCK 进给保持 V.1 NCKPLC 急停有效 V.7 NCKPLC 程序测试有效 V.0 PLCNCK 找刀监控时间超出 V.0 NCKPLC 自动方式有效 V.1 NCKPLC MDA 方式有效 V.4 NCKPLC 更改功能 VD NCKPLC T 功能译码 子程序流程示意图子程序流程示意图 4.24.2 西门子西门子 802S802S 数控车床的数控车床的 PLCPLC

43、程序如下程序如下 网络 1输出的初始化程序。在子程序开始时，当前所有的数值都要初始化。刀架 电动机正转输出复位；刀架电动机反转输出复位；换刀指示灯输出复位；无刀架定位 信号报警复位；编程刀具号大于刀架刀位数报警复位；找到监控时间超出报警复位； 刀架电机过载报警复位。 网络 2. 通过复位键退出紧急状态。使能端有效，按下控制面板上的复位键，可使 进给保持复位，找刀监控时间超出报警取消。 网络 3. 读入当前的被激活的刀号。当前刀号存储器清零。刀架刀位数为 4 时，若 1#刀位信号有效，则当前刀号等于 1；若 2#刀位信号有效，则当前刀号等于 2；若 3# 刀位信号有效，则当前刀号等于 3；若 4

44、#刀位信号有效，则当前刀号等于 4；在刀架停 顿状态下，若刀架位置为零，则出现无刀架定位信号报警，并退出换刀程序。 网络 4. 在如下的情况下不允许换刀。下列情况下退出换刀程序：急停有效时；程 序测试有效时；找刀时间超出时；刀架电机过载时。 网络 5. 读入当前刀位号。在自动方式或 MDA 方式下，目标刀具号赋初值等于当 前刀具号值。更改 T 功能时，将编程刀号值送入目标刀号寄存器。若编程刀号大于最 大刀具数，则编程刀号大于刀架刀位数报警，并退出换刀程序。 网络 6. 在 JOG 模式下换刀控制。设置手动换刀使能，在手动换刀使能有效时， 按下手动换刀键，刀架电机正转，禁止进给。换刀开始时，将当

45、前刀具号赋予目标刀 具号，当当前刀具号与目标刀具号不相等且当前刀具号值不等于零时，刀架位置改变， 刀架正转，换到下位置时，正转停止，刀架反转锁紧开始，启动刀具夹紧监测。 网络 7. 在自动或手动输入模式下换刀。在自动方式或 MDA 方式下，生成编程 刀号不等于零标志和编程刀号不等于当前刀号标志。当编程刀号不等与零且不等于当 前刀号值时，正转换刀开始，禁止进给；当当前刀号等于编程刀号时，正转换刀结束， 反转锁紧开始，同时启动刀具夹紧监测。 网络 8. 换刀时间的控制。当刀架电动机正转开始时，换刀时间监控计时器开始计 时，若计时时间到，电动机还处于正转找刀状态，则找刀监控时间超出报警。 网络 9.

46、刀架夹紧延迟。刀架电机反转开始时，反转延时计时器开始计时，反转延时 到，反转锁紧过程结束，整个换刀过程结束。 网络 10.换刀状态输出。自定义指示灯 LED4 为换刀状态指示。 机床数据 指数字节 0 转塔刀架刀位数 1 刀架反转锁紧时间（单位：100ms） MD14510第 0 字：刀架刀位数： 只允许输入 4 工位或 6 工位，其他数值均被认为刀架无效。 MD14510第 1 字：刀架卡紧时间： 以 100ms 为单位输入刀架的反转卡紧时间。如果刀架允许，必须给定该值。 输入信号：I0.0,I0.1,I0.2,I0.3,I0.4,I0.5 刀位检测信号 I0.6 锁紧到位检测信号 零件程序中的 T 码 机床控制面板上的手动换刀键 输出信