加工中心畢業(yè)論文加工中心智能換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、 東華理工大學(xué)長江學(xué)院（論文） 東華理工大學(xué)長江學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目 加工中心智能換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 翁 志 義 學(xué) 號(hào)： 09312124 專 業(yè)： 自動(dòng)化 系 別： 機(jī)械與電子工程系 指導(dǎo)教師： 職稱： 講師 二零一三年六月

2、 東華理工大學(xué)長江學(xué)院（論文） 東華理工大學(xué)長江學(xué)院（論文） 摘 要 機(jī)床的發(fā)展與應(yīng)用,大大降低了零件加工的輔助時(shí)間,極大的提高了生產(chǎn)率。隨著數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用,機(jī)械加工的自動(dòng)化程度大大提高,數(shù)控機(jī)床發(fā)展成了當(dāng)今普遍應(yīng)用的一種更新、更先進(jìn)的制造設(shè)備即加工中心。加工中心帶有刀庫和自動(dòng)換刀裝置,能對工件按預(yù)定程序進(jìn)行多工序加工的高度自動(dòng)化的多功能的數(shù)字控制機(jī)床。 自動(dòng)換刀裝置應(yīng)當(dāng)滿足換刀時(shí)間短、刀具存儲(chǔ)量足夠、刀具的安置空間小以及安全可靠等基本要求。加工中心的關(guān)鍵在于CNC 對刀庫的自動(dòng)選刀和刀

3、庫、機(jī)械手與主軸間的自動(dòng)換刀,加工中心出現(xiàn)故障80%都在上述方面本課題就是針對現(xiàn)有的自動(dòng)換刀裝置進(jìn)一步減少換刀時(shí)間,利用PLC 對刀庫的選刀控制和刀庫、機(jī)械手與主軸間的自動(dòng)換刀控制以及刀庫精確定位。利用PLC 控制液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu),使液壓傳動(dòng)更加穩(wěn)定和精確。 本設(shè)計(jì)的題目是基于PLC加工中心刀庫換刀控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過分析刀庫的自動(dòng)換刀的過程，使刀庫在加工中心上能配合換刀機(jī)械手的需要——能在數(shù)控程序的控制下靈活的實(shí)現(xiàn)換刀過程每次換新刀只需輸入相應(yīng)換刀號(hào)信號(hào)即可。在分析控制要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出相應(yīng)控制程序?？刂瞥绦虬?建立當(dāng)前刀具庫映像、記錄請求刀具號(hào)、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向判斷并確定轉(zhuǎn)盤正反轉(zhuǎn)、發(fā)出脈

4、沖控制刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)、到位燈及換刀指示燈顯示等部分， 程序結(jié)構(gòu)性好、可讀性強(qiáng)、運(yùn)行效率高，能很好地滿足實(shí)用要求。 關(guān)鍵詞：? 加工中心 ATC?刀庫?PLC?自動(dòng)選刀?液壓傳動(dòng) Abstract With the development of NC, the automatic tool changer system is More and more important in the modern advanced manufacture, beca

5、use the ATC can shorten the cycle time of product manufacturing, improve the precision of product machining. The latest requirements of machine tool user comprise of diversification of control object,complexity of process, flexible of application and high reliability. The function of tool ma

6、gazine is that stores the tool and moves the tool which will be used in the next manufacturing process to the right changeover position and robot will finish the change over tool When the tool magazines capacity is so big and the distance of tool position is more far away the principal axis, there n

7、eed the tool exchanging unit to implement the changeover work between the principal axis and tool magazine. The framework of this function include the robot, tools rotation station and changeover robot.PLC control the use of hydraulic transmission, made hydraulic transmission to more stable and acc

8、urate. this design topic is based on the PLC machining center tool change control system design. Through the analysis of the knife of the automatic tool changing process, so that the cutter in machining center can be matched with the tool changing manipulator needs -- in NC program under

9、 the control of flexible implementation tool changing process every time new knife only needs to input the corresponding tool change signal can be. The analysis and control on the basis of the requirements, designs the corresponding control procedure. The control program includes: establish the libr

10、ary image, recording request tool number, the rotation of the turntable direction judgment and to determine the turntable is reversed, to send pulses to control the cutter disc to rotate in place, lights and tool change indicator display parts, good program structure, readability is strong, operatio

11、n efficiency is high,which can meet the practical requirements. Key words: MC , ATC，tool magazine，PLC，tool exchange at random?Hydraulic transmission 緒 論 1.1 國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展情況 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的加工中心在現(xiàn)代制造起著愈來愈重要的作用，他能縮短產(chǎn)品的制造周期，提高產(chǎn)品的加工精度，適合柔性加工。自動(dòng)換刀系統(tǒng)一般由刀庫，機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置組成。刀庫容量可大可小，其裝刀數(shù)在20—180把之間。刀庫

12、的功能是存儲(chǔ)刀具并把下一把即將要用的刀具準(zhǔn)確地送到換到位置，供換刀機(jī)械手完成新舊刀具的交換。當(dāng)?shù)稁烊萘看髸r(shí)，常遠(yuǎn)離主抽配置且整體移動(dòng)不易，這就需要在主軸和刀庫之間配置換刀機(jī)構(gòu)來執(zhí)行換刀動(dòng)作。完成此功能的機(jī)構(gòu)包括送刀臂、擺刀站和換刀臂、總稱為機(jī)械手。具體來說，它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。驅(qū)動(dòng)裝置則是使刀庫和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其功能的裝置，一般由步進(jìn)電機(jī)或液壓（或氣壓機(jī)構(gòu)）或凸輪機(jī)構(gòu)組成。機(jī)械手完成刀庫里的刀（新刀）與主軸上的刀（舊刀）的交換工作。由于數(shù)控加工中心的刀庫容量、換刀可靠性及換刀速度直接影響到加工中心的效率，而自動(dòng)換刀就是進(jìn)一步壓縮非切削時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件

13、。所以數(shù)控機(jī)床為了能在工件一次裝夾中完成多道加工工序，縮短輔助時(shí)間，減少多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動(dòng)換刀裝置。 1.1.1國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀 當(dāng)今世界，工業(yè)發(fā)達(dá)國家對機(jī)床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機(jī)電一體化，高精、高效、自動(dòng)化先進(jìn)機(jī)床，以加速工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。長期以來，歐、美、亞在國際市場上互相展開激烈競爭，已形成一條無形戰(zhàn)線，特別是隨著電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床在20世紀(jì)80年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多要求，早已成為四大國際機(jī)床展上各國機(jī)床制造商競相展示先進(jìn)技術(shù)、爭奪用戶、擴(kuò)大市場的焦點(diǎn)。中國加入WTO后，正式參與世界市場激烈競爭，今后如何加強(qiáng)機(jī)床工業(yè)實(shí)力、加速數(shù)

14、控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實(shí)是緊迫而又艱巨的任務(wù)。 自從1052年美國麻省理工學(xué)院研制出世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床以來，數(shù)控機(jī)床在制造工業(yè)，特別是在汽車、航空航天、以及軍事工業(yè)中被廣泛地應(yīng)用，數(shù)控技術(shù)無論在硬件和軟件方面都有飛速發(fā)展。1956年，日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床，美國IBM公司同期研制成功了“APT”（刀具程序控制裝置）的加工中心。1958年美國K&T公司研制出帶ATC（自動(dòng)刀具交換裝置）的加工中心。1967年出現(xiàn)了FMS，1978年以后，加工中心迅速發(fā)展，帶有ATC裝置?？蓪?shí)現(xiàn)多工序加工的機(jī)床步入了機(jī)床發(fā)展的黃金時(shí)代。 中國1958年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床以來，發(fā)展過程大致可分為兩大階段。

15、在1958~1979年間為第一階段，從1979年至今未第二階段。第一階段中對數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)、發(fā)展條件缺乏認(rèn)識(shí)，在人員素質(zhì)差、基礎(chǔ)薄弱、配套件不過關(guān)的情況下，無法用于生產(chǎn)而停頓。主要存在的問題時(shí)盲目性大，缺乏實(shí)事求是的科學(xué)精神。在第二階段從日本、德、美、西班牙先后引進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)，從美、日、德等引進(jìn)數(shù)控機(jī)床先進(jìn)技術(shù)和合作，合資生產(chǎn)，解決了可靠性、穩(wěn)定性問題，數(shù)控機(jī)床開始正式生產(chǎn)和使用，并逐步向前發(fā)展。在20余年間，數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)有較大提高，主要表現(xiàn)在三大方面：培訓(xùn)額一批設(shè)計(jì)、制造使用和維護(hù)的人才；通過合作生產(chǎn)先進(jìn)數(shù)控機(jī)床，使設(shè)計(jì)、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進(jìn)技術(shù)的差距；通過利

16、用國外先進(jìn)零部件，數(shù)控系統(tǒng)配套，開始能自行設(shè)計(jì)及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動(dòng)加工的數(shù)控機(jī)床，供應(yīng)國內(nèi)市場需求，但對關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)驗(yàn)、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件，自動(dòng)化刀具，數(shù)控系統(tǒng)依靠國外技術(shù)支撐，不能獨(dú)立發(fā)展，基本上處于從仿制走向自行開發(fā)階段，與日本數(shù)控機(jī)床水平差距很大。存在的主要問題包括：缺乏各方面專家人才和熟練技術(shù)工；缺少深入的科研工作；零部件和數(shù)控系統(tǒng)不配套；企業(yè)和專業(yè)間缺乏合作，基本上孤軍奮戰(zhàn)，雖然廠多人眾‘但形成不了合力。 1.1.2 數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢 1. 搞速化、高精度化、高可靠性 質(zhì)量、效率是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精度加工技術(shù)可極大地提高效率，

17、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭力。 高速化：提高進(jìn)給速度，采用直線滾珠式導(dǎo)軌等；提高主軸轉(zhuǎn)速，采用直線電機(jī)技術(shù)，直接將電機(jī)與主軸連接成一體后，裝入軸部件，可以在1.8秒從0到15000r/min。 高精度化：精密化是為了適應(yīng)高新技術(shù)發(fā)展的需要，隨著高新技術(shù)的發(fā)展對機(jī)電產(chǎn)品性能與質(zhì)量要求的提高，機(jī)床用戶對機(jī)床加工精度的要求也越來越高，數(shù)控加工機(jī)床的加工精度提高了一倍，達(dá)到15微米。 高可靠性：一般數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于數(shù)控設(shè)備的可靠性在一個(gè)數(shù)量級以上。 2. 復(fù)合化 數(shù)控機(jī)床的功能復(fù)合化的發(fā)展以其復(fù)合加工實(shí)現(xiàn)了一次裝夾后完成各種復(fù)雜零件的全部加工，從而減少了不創(chuàng)造價(jià)值

18、的輔助時(shí)間，提高了機(jī)床的效率和加工精度，降低了生產(chǎn)制造成本，提高了生產(chǎn)的柔性。復(fù)合功能的機(jī)床是今年來發(fā)展快的機(jī)種，其核心是在一臺(tái)機(jī)床上要完成車、銑、鉆、攻絲、鉸孔和擴(kuò)孔等多種操作工序。 3. 智能化 智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量的智能化，如自適應(yīng)控制、工藝參數(shù)自動(dòng)生成等；為提高驅(qū)動(dòng)性能的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適用控制、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載、自動(dòng)選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的扥智能化；智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等，及智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容，方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 4. 柔性化、集成化 為適應(yīng)制造自動(dòng)化的發(fā)展，向FMC、FM

19、S、CIMS提供基礎(chǔ)設(shè)備，要求數(shù)控系統(tǒng)不僅能完成通常的加工功能，而且還能夠具備自動(dòng)測量，自動(dòng)上下料，自動(dòng)換刀，自動(dòng)誤差補(bǔ)償，自動(dòng)診斷，進(jìn)線和聯(lián)網(wǎng)功能，一句用戶的不同要求，可方便地靈活配置及集成。 1.2 可編程控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r 1.2.1 可編程控制器的特點(diǎn) 可編程控制器，簡稱PLC（Programmable logic controller），是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會(huì)（International Electrical Committee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC做了如下定義：“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字操作的

20、電子裝置”。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原理而設(shè)計(jì)。 PLC之所以高速發(fā)展除了工業(yè)自動(dòng)化的客觀需求外，還有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。它較好的解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中的可靠、安全、靈活、方便經(jīng)濟(jì)等問題。其特點(diǎn)如下： 1. 編程方法簡單易學(xué) 梯形圖是使用最多的PLC的編程語言，其電路符號(hào)和表達(dá)式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語言形象直觀，易學(xué)易懂，熟悉繼電器電路圖的電器技術(shù)人員只要花幾天時(shí)間就能

21、可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶語言。 2. 性能強(qiáng)，性能價(jià)格比高 一臺(tái)小型PLC內(nèi)有成百上千個(gè)可供用戶使用的編程元件，有很強(qiáng)的功能，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。與相同功能的繼電器控制系統(tǒng)相比，具有很高的性能價(jià)格比，PLC可以通過通信聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)分散控制，集中管理。 3. 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng) PLC產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化、配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶使用用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同的功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可以直接驅(qū)動(dòng)一般的電磁閥和小型交流接觸器。 硬件配置確定后，

22、可以通過修改用戶程序，方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。 4. 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的中間繼電器，時(shí)間繼電器。由于觸電接觸不良，容易出現(xiàn)故障。PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，PLC外部僅剩下與輸入和輸出的有關(guān)的少量硬件元件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的1/10~1/100，因觸電接觸不良造成的故障大為減少。 PLC采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可以直接用于有強(qiáng)烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，PLC已被廣大用戶公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。 5. 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小 PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中

23、間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等期間，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。 PLC的梯形圖程序一般用順序控制設(shè)計(jì)法來設(shè)計(jì)。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)梯形圖的時(shí)間比設(shè)計(jì)相同功能的繼電器控制系統(tǒng)電路圖的時(shí)間要少很多。 PLC的用戶程序可以在實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，輸入信號(hào)用小開關(guān)來模擬，通過PLC上的發(fā)光二極管可觀察出信號(hào)的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間比繼電器系統(tǒng)少很多。 6. 維修工作量小，維修方便 PLC的故障率很低，且有完善的自診斷和顯示功能。PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生

24、故障時(shí)，可以根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管或編程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更換模式的方法可以迅速的排除故障。 7. 體積小，能耗低 復(fù)雜的控制系統(tǒng)使用PLC后，可以減少大量的中間繼電器盒時(shí)間繼電器，小型PLC的體積僅相當(dāng)于幾個(gè)繼電器的大小，因此可將開關(guān)柜的體積縮小到原來的1/2~1/10。 PLC的配線比繼電器控制系統(tǒng)的的配線少很多，股可以節(jié)省大量的配線和附件，減少大量的安裝接線工時(shí)，加上開關(guān)柜體積的縮小，可以節(jié)省大量的費(fèi)用。 1.2.2 可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域 PLC已經(jīng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在很多的工業(yè)部門，隨著其性能的價(jià)格比的不斷提高，PLC的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，主要有一下幾個(gè)方面：

25、 1. 數(shù)字量邏輯控制 PLC用“與”、“或”、“非”等邏輯控制指令來實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)和電路的串、并聯(lián)，代替繼電器進(jìn)行組合邏輯控制、定時(shí)控制欲順序邏輯控制。數(shù)字量邏輯控制可以用于單臺(tái)設(shè)備，也可以用于自動(dòng)生產(chǎn)線，其應(yīng)用領(lǐng)域已遍及各行各業(yè)，甚至深入到家庭。 2. 運(yùn)動(dòng)控制 PLC使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊，對直線運(yùn)動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)的位置、速度和加工控制，可以實(shí)現(xiàn)單軸、雙軸、三軸和多軸位置控制，是運(yùn)動(dòng)控制欲順序控制有機(jī)地結(jié)合在一起。PLC的運(yùn)動(dòng)控制功能廣泛地用與各種機(jī)械，例如金屬切削機(jī)床、金屬成形機(jī)械、裝配機(jī)器、機(jī)器人、電梯等場合。 3. 閉環(huán)過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的

26、閉環(huán)控制。PLC通過模擬量I/O模塊，實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換，并對模擬量實(shí)行閉環(huán)PID（比例-積分-微分）控制。小型PLC用PID指令實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制。PID閉環(huán)控制功能已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于塑料擠壓成形機(jī)、加熱爐、熱處理爐、鍋爐等設(shè)備，以及輕工、化工、機(jī)械、冶金、電力、建材等行業(yè)。 4. 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代的PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（包括整數(shù)運(yùn)算、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、字邏輯運(yùn)算，以及求反、求補(bǔ)、循環(huán)和移位等）、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中的參考值進(jìn)行比較，也可以用通信功能傳送到別的

27、智能裝置，或者將他們打印制表。 5. 通信聯(lián)網(wǎng) PLC的通信包括PLC與遠(yuǎn)程I/O之間的通信、多臺(tái)PLC之間的通信、PLC與其他智能控制設(shè)備（例如計(jì)算機(jī)、變頻器、數(shù)控裝置）之間的通信。PLC與其他智能控制設(shè)備一起，可以組成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。 1.2.3 可編程邏輯控制器的發(fā)展趨勢 從當(dāng)前產(chǎn)品技術(shù)性能來看，PLC發(fā)展趨勢仍然主要體現(xiàn)在體積的縮小與性能的提高兩大方面。 1 體積小型化。電子產(chǎn)品體積的小型化是微電子技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果?，F(xiàn)代PLC無論從內(nèi)部元件組成還是硬件、軟件結(jié)構(gòu)都已經(jīng)于早期的PLC有了很大的不同，PLC體積被大幅度縮小。 2 性能的提高。PLC的性

28、能主要包括CPU性能與I/O性能兩大方面。 智能I/O模塊式以微處理器為基礎(chǔ)的功能部件。他們的CPU與PLC主PLC并行工作，占用主機(jī)CPU的時(shí)間很少，有利于提高PLC的掃描速度。智能模塊要有模擬量I/O，PID回路控制，智能I/O的應(yīng)用，使過程控制功能增強(qiáng)。某些PLC的過程控制還具有自適應(yīng)，參數(shù)自整定功能，使調(diào)試時(shí)間減少，控制精度提高。 另外，PLC不斷與計(jì)算機(jī)相結(jié)合。個(gè)人計(jì)算主要用作PLC的編程器、操作站或人/機(jī)接口終端，其發(fā)展是使PLC具備計(jì)算機(jī)的功能。大型PLC采用功能很強(qiáng)的微處理器和大容量存儲(chǔ)器，將邏輯控制，模擬量控制，數(shù)字運(yùn)算和通訊功能緊密結(jié)合在一起。這樣，PLC與個(gè)人計(jì)算機(jī)，

29、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，集散控制系統(tǒng)在功能和應(yīng)用方面互相滲透，使控制系統(tǒng)的性能價(jià)格比不斷提高。 改善和發(fā)展新的編程語言、高性能的外部設(shè)備和圖形監(jiān)控技術(shù)構(gòu)成的人/及對話技術(shù)，除梯形圖、流程圖、專用語言指令外，還增加了BASIC、C語言的編程功能和容錯(cuò)功能。如：雙機(jī)熱備、自動(dòng)切換I/O、雙機(jī)表決（當(dāng)出入狀態(tài)與PLC邏輯狀態(tài)比較出錯(cuò)時(shí)，自動(dòng)斷開改輸出）、I/O三重表決（I/O狀態(tài)進(jìn)行軟硬件表決，取兩臺(tái)相同的）等，以滿足極高可靠性要求。 1.3. 課題的研究意義 自動(dòng)換刀系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。刀具夾持元件的結(jié)構(gòu)特性及它與機(jī)床主軸的聯(lián)絡(luò)方式，將直接影響機(jī)床的加工性能。刀庫結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式及刀具交換裝置

30、的工作方式，則會(huì)影響機(jī)床的換刀效率。自動(dòng)換刀系統(tǒng)本省及相關(guān)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度又會(huì)對機(jī)床的成本造價(jià)產(chǎn)生直接影響。 本文對數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置進(jìn)行研究，不僅提升數(shù)控機(jī)床的工作效率，而且通過對其結(jié)構(gòu)的研究，使得在可行的范圍內(nèi)降低整機(jī)的成為可能，對實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。 第二章 機(jī)械手的自動(dòng)換刀裝置研究 加工中心要完成對工件的多工序加工，必須要在加工過程中自動(dòng)更換刀具，為完成這項(xiàng)工作而設(shè)置的儲(chǔ)存及更換刀具的系統(tǒng)統(tǒng)稱為自動(dòng)換刀系統(tǒng)。自動(dòng)換刀系統(tǒng)中的刀庫，換刀的可靠性，即換刀速度直接影響到加工中心的工作效率。 利用刀庫換刀，是目前加工中心中大量使用的

31、換刀方式。由于有了刀庫，機(jī)床只要一個(gè)固定主軸夾持刀具，有利于提高主軸剛度。獨(dú)立的刀庫大大增加了刀具的儲(chǔ)存數(shù)量，有利于擴(kuò)大機(jī)床的功能，并能較好地減少各種影響加工精度的干擾。 2.1 自動(dòng)換刀系統(tǒng)研究 2.1.1 刀庫介紹 刀庫式換刀裝置有一個(gè)存儲(chǔ)刀具的刀庫，機(jī)床只需一個(gè)夾持刀具進(jìn)行切削的刀具主軸（鉆，膛，銑類機(jī)床）或刀架（車床類機(jī)床）。當(dāng)需要某一刀具進(jìn)行切削加工時(shí)，將該刀具自動(dòng)地從刀庫轉(zhuǎn)置至機(jī)床主軸或刀架中；在切削完畢后，又將用過的刀具自動(dòng)的從機(jī)床主軸或刀架移回刀庫中。由于在換刀過程中刀具需要在多個(gè)部件之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以各部件的動(dòng)作必需準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。 刀庫中刀具的數(shù)目可根據(jù)工藝要求與機(jī)床的結(jié)

32、構(gòu)布局而定，數(shù)量可較多。刀庫的儲(chǔ)存量一般在8～64把范圍內(nèi)，多的可達(dá)10～200把。 刀庫可布置在遠(yuǎn)離加工區(qū)的地方，從而消除了它與工件發(fā)生干涉的可能性。 刀庫不承受切削加工的作用力，它的工作條件比較好。 機(jī)床的主軸或刀架的尺寸不象刀塔那樣的受限制，這樣就有可能提高主軸或刀架的剛度。從而有利于提高機(jī)床的加工精度。 采用這種自動(dòng)換刀方式的刀具主軸或刀架，需要自動(dòng)夾緊、放松刀具的機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)傳力機(jī)構(gòu)。另外，還常需要清潔刀柄及刀孔、刀座的裝置，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換刀時(shí)間一般也比較長。 “自動(dòng)換刀過程時(shí)間”包括下述動(dòng)作的時(shí)間：一個(gè)工序加工完畢后，刀具快速退離工件，從加工位置退到換刀位置（同時(shí)主軸準(zhǔn)

33、停）；進(jìn)行新舊刀具的交換；然后松開主軸（消除準(zhǔn)停）、變速、主軸啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)并快速趨近加工位置，用更新的新刀具開始下一工序的加工。 由于這種自動(dòng)換刀裝置是用于多工序零件加工，換刀頻繁，如果每一次的“自動(dòng)換刀過程時(shí)間”稍長一點(diǎn)，多次換刀所積累的結(jié)果就會(huì)相當(dāng)可觀，就不能顯著提高生產(chǎn)效率，因此，在設(shè)計(jì)條件允許的情況下，應(yīng)盡可能縮短“自動(dòng)換刀過程時(shí)間”。中型機(jī)床，每次換刀時(shí)間一般在10秒左右，當(dāng)然，在自動(dòng)換刀過程的各個(gè)動(dòng)作中，有些動(dòng)作如刀具快速退離和快速接近工件所需時(shí)間，尚與工件加工面具體位置有關(guān)，不完全決定于設(shè)計(jì)者。但有些動(dòng)作如進(jìn)行新舊刀具交換所需要的“換刀時(shí)間”，則可基本上由機(jī)床設(shè)計(jì)者所決定。這種“換

34、刀時(shí)間”有的已降低至2.5秒或更少，一般約為5秒。 2.1.1.1 鏈?zhǔn)降稁? 鏈?zhǔn)降稁彀▎苇h(huán)鏈和多環(huán)鏈 , 鏈環(huán)形式可有多種變化，如圖2—1（a）、（b）、（c） （a） （b） （c） 圖2—1 圖2—2是方形刀庫的典型結(jié)構(gòu)示意圖。主動(dòng)鏈輪由伺服電動(dòng)機(jī)通過蝸輪減速裝置驅(qū)動(dòng)（根據(jù)需要，還可以經(jīng)過齒輪副傳動(dòng)）。這種傳動(dòng)方式，不僅在鏈?zhǔn)降稁熘胁捎茫谄渌问降牡稁靷鲃?dòng)中，也多采用。 圖2—2 方形鏈?zhǔn)降稁焓疽鈭D 導(dǎo)向輪一般做成光輪，圓周表面硬化處理。兼起張緊輪作用的左側(cè)兩個(gè)導(dǎo)論，其輪座必須

35、帶有導(dǎo)向槽（或?qū)蜴I），以免松開安裝螺釘時(shí)，輪座位置歪扭，對張緊調(diào)節(jié)帶來麻煩?；亓阕矇K可以裝在鏈條的任意位置上，而回零開關(guān)則安裝在便于調(diào)整的位置上。這時(shí)處于機(jī)械手抓刀位置的刀套，編號(hào)為1好，然后依次編上其他刀號(hào)。刀庫回零時(shí)，只能從一個(gè)方向回零，至于是順時(shí)針回轉(zhuǎn)回零，還是逆時(shí)針回轉(zhuǎn)回零，可由機(jī)電設(shè)計(jì)人員商定。 如果刀套不能準(zhǔn)確地停在換刀位置上，將會(huì)使換刀機(jī)械手抓刀不準(zhǔn)，以致在換刀時(shí)容易發(fā)生掉刀現(xiàn)象。因此，刀套的準(zhǔn)停問題將是影響換刀動(dòng)作可靠性的重要因素之一。為了確保刀套準(zhǔn)確地停在換刀位置上，需要采取如下措施： （1）定位盤準(zhǔn)停方式，由液壓缸推動(dòng)的定位銷插入定位盤的定位槽內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)刀套的準(zhǔn)停，或

36、采取定位塊進(jìn)行快速定位。刀位盤上的每個(gè)定位槽（或定位孔），對應(yīng)于一個(gè)相應(yīng)的刀套，而且定位槽（或定位孔）的節(jié)距要一致。這種準(zhǔn)停方式的優(yōu)點(diǎn)是能有效地消除傳動(dòng)鏈反向間隙的影響，保護(hù)傳動(dòng)鏈，使其免受換刀撞擊力，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)可不用制動(dòng)自鎖裝置。 （2）鏈?zhǔn)降稁煲x用節(jié)距精確度較高的套筒滾子鏈和鏈輪，而且在把套筒裝在鏈條上時(shí)，要用專用夾具來定位，以保證刀套節(jié)距一致。 （3）傳動(dòng)時(shí)要消除傳動(dòng)間隙。消除反向間隙方法有以下幾種：電氣系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償方式，在鏈輪軸上安裝編碼器，單頭雙導(dǎo)程蝸桿傳動(dòng)方式，使刀套單方向運(yùn)行、單方向定位以及使刀套雙向運(yùn)行、單向定位方式等。 鏈?zhǔn)降稁煊腥缦绿攸c(diǎn)：適用于刀庫容量較大的場合，所

37、占的空間小。一般適用于刀具數(shù)在30～120把的刀庫。僅增加鏈條長度即可增加刀具數(shù)，可以不增加圓周速度，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不像盤式刀庫增加的那樣大。 2.1.1.2 盤式刀庫 在盤式刀庫結(jié)構(gòu)中，刀具可以沿主軸徑向、軸向、斜向安放，如圖2—3（a）、（b）、（c）。刀具軸向安裝的結(jié)構(gòu)最為緊湊，但為了換刀時(shí)刀具與主軸同向，有的刀庫中的刀具需要在換刀位置作翻轉(zhuǎn)。在刀庫容量較大時(shí)，為在存取方便的同時(shí)保持結(jié)構(gòu)緊湊，可采取彈倉式結(jié)構(gòu)，但是較其他形式復(fù)雜。目前大量的刀庫安裝在機(jī)床立柱的頂面或側(cè)面。在刀庫容量較大時(shí)，也有安裝在單獨(dú)的地基上的，以隔離刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)造成的振動(dòng)。 盤式刀庫的刀具軸線也圓盤軸線平行，刀具環(huán)形排

38、列，分徑向、軸向兩種取刀方式，其刀座結(jié)構(gòu)不同。這種盤式刀庫結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用較多，適用于刀庫容量較小的情況。為增加刀庫空間利用率，可采用雙環(huán)或多環(huán)排列刀具的形式，但圓盤直徑增大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就增加，選刀時(shí)間也較長。 （a） （b） （c） 其他的刀庫形式還有格子盒式刀庫，由于篇幅的限制這里就不再詳細(xì)介紹了。經(jīng)過對上述兩種刀庫形式的比較，以及結(jié)合的實(shí)際情況，在本設(shè)計(jì)中采用盤式刀庫這種結(jié)構(gòu)。 2.1.2 換刀機(jī)械手介紹 采用機(jī)械手進(jìn)行刀具交換的方式應(yīng)用的最為廣泛，這是因?yàn)闄C(jī)械手換刀有很大的

39、靈活性，而且可以減少換刀時(shí)間。 加工中心換刀機(jī)械手的種類繁多，可以說每個(gè)廠家都推出自己的獨(dú)特的換刀機(jī)械手，在加工中心的自動(dòng)換刀系統(tǒng)中，是機(jī)械手具體執(zhí)行刀具的自動(dòng)更換，對其要求是迅速可靠、準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。由于加工中心機(jī)床的刀庫和主軸，其相對位置距離不同，相應(yīng)的換刀機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過程也不盡相同，它們由各種形式的機(jī)械手來完成。 2.1.2.1 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)的軸線與刀具主軸平行，機(jī)械手的手臂可以回轉(zhuǎn)不同的角度來進(jìn)行自動(dòng)換刀，換刀具的所花費(fèi)的時(shí)間長，用于刀庫換刀位置的刀座的軸線相平行的場合。如圖2—4所示： 圖2—4 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 2.1.2.2 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式

40、機(jī)械手 圖2—5 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 這種機(jī)械手的手臂上有兩個(gè)卡爪，兩個(gè)卡爪有所分工，一個(gè)卡爪只執(zhí)行從主軸上取下“舊刀”送回刀庫的任務(wù)，另一個(gè)卡爪則執(zhí)行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務(wù)，其換刀時(shí)間較上述單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手要短，如圖2—5所示。 2.1.2.3 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 這種機(jī)械手的兩臂各有一個(gè)卡爪，可同時(shí)抓取刀庫及主軸上的刀具，在回轉(zhuǎn)180之后有同時(shí)將刀具歸回刀庫及裝入主軸，是目前加工中心機(jī)床上最為常用的一種形式，換刀時(shí)間要比前兩種都短，如圖2—6所示： 圖2—6 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 這種機(jī)械手在有的設(shè)計(jì)中還采用了可伸縮的手臂，如圖2—7所示： 圖2—7 雙臂回

41、轉(zhuǎn)式機(jī)械手（手臂可伸縮式） 2.1.2.4 雙機(jī)械手 這種機(jī)械手相當(dāng)與兩個(gè)單臂單爪機(jī)械手，相互配合起來進(jìn)行自動(dòng)換刀。其中一個(gè)機(jī)械手執(zhí)行拔“舊刀”歸回刀庫，另一個(gè)機(jī)械手執(zhí)行從刀庫取“新刀”插入機(jī)床主軸上，如圖2—8所示： 圖2—8 雙機(jī)械手 2.1.2.5 雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手 這種機(jī)械手兩臂可往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并交叉成一定角度。兩個(gè)手臂分別稱作裝刀手和卸刀手。卸刀手完成往主軸上取下“舊刀”歸回刀庫，裝刀機(jī)械手執(zhí)行從刀庫取出“新刀”裝入主軸。整個(gè)機(jī)械手可沿導(dǎo)軌或絲杠作直線移動(dòng)或繞某個(gè)轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)刀庫與主軸之間的運(yùn)送刀具工作，如圖2—9所示： 圖2—9 雙臂往復(fù)交叉式機(jī)

42、械手 2.1.2.6 雙臂端面夾緊式機(jī)械手 這種機(jī)械手只是在夾緊部位上和前幾種不同，上述幾種機(jī)械手均靠夾緊刀柄的外圓表面來抓住刀具，而此種機(jī)械手則是夾緊刀柄的兩個(gè)端面，如圖2—10所示： 圖2—10 雙臂端面夾緊式機(jī)械手 由于雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的動(dòng)作比較簡單，而且能夠同時(shí)抓取和裝卸機(jī)床主軸和刀庫上的刀具，換刀時(shí)間較短，故我們選用雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手。 如果我們采用不能伸縮的機(jī)械手，由于機(jī)械手回轉(zhuǎn)時(shí)其手部回轉(zhuǎn)半徑較大，如刀庫中刀具排得較密，可能碰撞刀具，且用這種類型的機(jī)械手直接在刀庫與主軸之間換刀，只宜采用順序換刀或刀具編碼式任意選刀，不然，換刀時(shí)間將增加。故我們采用手臂可伸縮式的雙臂回

43、轉(zhuǎn)式機(jī)械手。 2.2.ATC的作用及其組成 2.2.1 ATC的作用 加工中心與一般數(shù)控機(jī)床的顯著區(qū)別是具有對零件進(jìn)行多工序加工的能力，即能在一次裝夾中自動(dòng)完成銑、鏜、擴(kuò)、攻螺紋和內(nèi)槽加工等，其之所以有這種加工能力就是因?yàn)樗幸惶鬃詣?dòng)換刀裝置。 自動(dòng)換刀裝置是指能夠自動(dòng)完成主軸與刀具儲(chǔ)存位置之間刀具交換的裝置。ATC的主要組成部分是刀庫、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置。刀庫的功能是存儲(chǔ)刀具并把下一把即將要用的刀具準(zhǔn)確地送到換刀位置。供換刀機(jī)械手完成新舊刀具的交換。當(dāng)?shù)稁烊萘看髸r(shí)，常遠(yuǎn)離主軸配置且整體移動(dòng)不易，這就需要在主軸和刀庫之間配置換刀機(jī)構(gòu)來執(zhí)行換刀動(dòng)作。 完成此功能的機(jī)構(gòu)包括送刀臂、擺刀站

44、、和換刀臂，總稱為機(jī)械手。具體來說，它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。驅(qū)動(dòng)裝置則是使刀庫和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其功能的裝置，一般由步進(jìn)電機(jī)或液壓（或氣液機(jī)構(gòu)）或凸輪機(jī)構(gòu)組成。 2.2.1 ATC的組成 2.2.1.1 刀庫 1. 刀庫的功能 刀庫的作用是儲(chǔ)備一定數(shù)量的刀具，機(jī)械手實(shí)現(xiàn)主軸上刀具的互換。刀具的類型有盤式刀庫、鏈?zhǔn)降稁斓榷喾N形式，刀庫的形式和容量要根據(jù)機(jī)床的工藝范圍來確定。 2. 刀庫的容量 刀庫的容量首先要考慮加工工藝的需要，從使用角度出發(fā)，一般為10~40把刀，刀庫的利用率會(huì)高，而結(jié)構(gòu)比較緊湊。 3. 刀具的選擇方式 （1）順序選擇 將刀具按加工工序的

45、順序，一次放人刀庫的每一個(gè)刀座內(nèi)。每次換刀時(shí)，刀庫順序轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)刀座位置，并取出所需要的刀具，已經(jīng)使用過的刀具可以放回原來的刀座內(nèi)，也可以順序放入下一個(gè)刀座內(nèi)。但由于刀庫中刀具在不同的工序中不能重復(fù)使用，必須增加刀庫的容量，降低了利用率。 （2）任意選擇 目前大多數(shù)的數(shù)控系統(tǒng)都采用任意選刀的方式，其分為刀套編碼、刀具編碼和記憶式等三種。刀具編碼或到套編碼需要在刀具或到套上安裝用于識(shí)別的編碼條，一般都是根據(jù)二進(jìn)制編碼的原理進(jìn)行編碼。刀具編碼選刀方式采用了一種特殊的刀柄結(jié)構(gòu)，并對每把刀具編碼。每把刀具都有自己的代碼，因而刀具可在不同的工序中多次重復(fù)使用，換下的刀具不用放回原刀座，刀庫的容量也可相

46、應(yīng)減少。采用記憶式選刀，這種方式能將道具號(hào)和倒庫中的刀套位置對應(yīng)地記憶在數(shù)控系統(tǒng)的PLC中，無論刀具放在哪個(gè)刀套內(nèi)，刀具信息都始終據(jù)存在PLC內(nèi)。刀庫上裝有位置檢測裝置，可獲得每個(gè)刀套的位置。這樣刀具就可以任意取出并送回。刀庫上還沒有機(jī)械遠(yuǎn)點(diǎn)，使每次選刀時(shí)就近選取。 4. 刀庫的控制方式 （1）刀庫作為系統(tǒng)的定位軸來控制。在梯形圖中根據(jù)指令的T瑪進(jìn)行運(yùn)算比較厚輸出角度和速度指令到考庫伺服驅(qū)動(dòng)刀庫伺服電機(jī)。刀庫的容量、旋轉(zhuǎn)速度、加/減速時(shí)間等均可在系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)定，此種方式不受外界因素影響定位準(zhǔn)確、可靠但成本較高。 （2）刀庫由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，有快/慢速之分，用接近開關(guān)計(jì)數(shù)并定位。在梯形圖中比

47、較系統(tǒng)存儲(chǔ)的當(dāng)前刀號(hào)（主軸上的刀）和目標(biāo)刀號(hào)（預(yù)選刀）并運(yùn)算，再輸出旋轉(zhuǎn)指令，同時(shí)判斷按最短路徑旋轉(zhuǎn)到位。這種方式需要足夠的液壓動(dòng)力和電磁閥刀庫旋轉(zhuǎn)速度可通過節(jié)流閥調(diào)整。但使用一段時(shí)間后可能胡因?yàn)橛唾|(zhì)、油壓、油溫及環(huán)境因素的變化而影響運(yùn)動(dòng)速度和準(zhǔn)確性。一般用于不需頻繁換刀的大中型機(jī)床。 （3）刀庫由交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)（馬氏）機(jī)構(gòu)，用接近開關(guān)計(jì)數(shù)，這種方式運(yùn)行穩(wěn)定，定位準(zhǔn)確可靠，一般與凸輪機(jī)械手配合使用，換刀速度快，定位準(zhǔn)確。 2.2.1.2 機(jī)械手 1. 機(jī)械手的功能 機(jī)械手是執(zhí)行刀庫和主軸之間換刀動(dòng)作的裝置。 2. 機(jī)械手的機(jī)械動(dòng)作 機(jī)械動(dòng)作一般包含：拐臂旋轉(zhuǎn)、手臂伸

48、縮、手臂180度旋轉(zhuǎn)、抓手的松緊。 3. 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)與控制方式: （1）機(jī)械手用液壓驅(qū)動(dòng)，靠接近開關(guān)檢測位置。如收的平移/爪刀/換刀/插刀等動(dòng)作分別有不同的電磁閥驅(qū)動(dòng)；但這種方式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較多，且收液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性檢測元件靈敏度等外界因素的影響。常用于不需頻繁換刀的大型臥式加工中心。 （2）機(jī)械手由交流異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，整個(gè)換刀過程機(jī)械手僅在主軸送/拉到是啟動(dòng)/停止3次，整個(gè)換刀動(dòng)作連貫穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，換刀時(shí)間一般在2s左右。但對主軸拉松刀及爪刀位置的準(zhǔn)確性要求較高，常用于需頻繁換刀的中小型加工中心。 （3）機(jī)械手由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定位精度高，換刀快速穩(wěn)定，但成本較高。 2.2

49、.1.3 夾抓類型 根據(jù)爪刀柄在換刀機(jī)構(gòu)刀臂上的夾持方式可分為固定爪、活動(dòng)爪、單夾爪、雙夾爪、彈簧爪、動(dòng)力爪等類。固定爪是指刀臂夾持部能吻合刀柄V形槽的半圓形部分，半圓形夾持部的一端或兩端有彈簧扣，即所謂單夾爪、雙夾爪：由兩個(gè)可張開的夾指所組成即活動(dòng)爪，其夾緊力由彈簧產(chǎn)生的即彈簧爪，通常以直徑方式抓刀松刀；由液壓缸等動(dòng)力議案控制其張合的為動(dòng)力爪。 2.2.1.4 刀柄 自動(dòng)換刀裝置的工作質(zhì)量表現(xiàn)為換到時(shí)間和故障率，刀柄的選擇直接影響到機(jī)床的開動(dòng)率和設(shè)備的投資大小，因此對刀柄的選擇十分重要。采用標(biāo)準(zhǔn)刀柄，標(biāo)準(zhǔn)刀柄與機(jī)床主軸連接的結(jié)合面試7:24錐面。刀面有多種規(guī)格，常用的有ISO標(biāo)準(zhǔn)的40

50、號(hào)、45號(hào)、50號(hào)，個(gè)別的還有35號(hào)和30號(hào)。另外還必須考慮換刀機(jī)械手尺寸的要求和主軸上拉緊刀柄的拉釘尺寸要求。目前國內(nèi)機(jī)床上使用的刀柄規(guī)格很多，而且使用標(biāo)準(zhǔn)有美國的、德國的、日本的。因此，在選定機(jī)床后，選擇刀柄之前必須了解該機(jī)床主軸用的規(guī)格，機(jī)械手夾持尺寸及刀柄的實(shí)際尺寸。 2.2.2加工中心機(jī)械手自動(dòng)換刀過程簡介 機(jī)械手將刀具從刀庫中取出送至機(jī)床主軸上，然后將用過的舊刀送回刀庫。其動(dòng)作過程簡述如下（結(jié)合如下?lián)Q刀過程示意圖4-3）： 1、刀套下轉(zhuǎn)90 如上圖a所示刀庫位于立柱左側(cè)，刀具軸線在刀庫中的安裝方向與主軸垂直。換刀前，刀庫將待換刀具送到換刀位置，然后刀套連同刀具翻轉(zhuǎn)90，使刀

51、具軸線與主軸軸線平行，如圖b所示。 2、機(jī)械手轉(zhuǎn)75 如圖c所示，換刀機(jī)械手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)75，兩手爪分別抓住刀庫上和主軸上的刀柄。 3、機(jī)械手拔刀 待主軸上自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)松開刀具后，機(jī)械手下降，同時(shí)拔出主軸上和刀庫上的刀具，如圖d所示。 4、刀具位置交換 如圖e所示，機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)180，使主軸刀具與刀庫刀具交換位置。 5、機(jī)械手插刀 機(jī)械手上升，分別將刀具插入主軸錐孔和刀庫刀套中,如圖f所示。 6、機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)75 如圖g所示,待主軸上自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)夾緊刀具后，機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)75，回到原始位置。 7、刀套帶著換回的舊刀具向上翻轉(zhuǎn)90，準(zhǔn)備下一次選刀,如圖h所示。 圖2

52、-11 換刀過程示意圖 第三章 可編程序控制器介紹 3.1 PLC的基本概念與基本結(jié)構(gòu) 3.1.1 PLC的基本概念 國際電工委員會(huì)在1985年的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案第3稿中，對PLC作了如下定義：可編程序控制器是一種數(shù)字操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)的設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 3.1.2 PLC的基本結(jié)構(gòu) 1. CPU模塊 CPU模塊

53、主要由微處理器（CPU芯片）和存儲(chǔ)器組成。在PLC控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當(dāng)于人的心臟和大腦，它不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲(chǔ)器用來儲(chǔ)存程序和數(shù)據(jù)。 2. I/O模塊 輸入模塊和輸出模塊簡稱為I/O模塊，它們相當(dāng)于人的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場設(shè)備和CPU模塊的橋梁。 3. 編程器 編程器用來生成用戶程序，并用它來編輯、檢查、修改用戶程序，監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行情況。手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編輯指令表程序，因此又叫做指令編輯器。它的體積小，價(jià)格便宜，一般用來給小型PLC編程，或用于現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù)。 4. 電源 PLC使用AC 220V

54、 電源或 DC 24V 電源。內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供不同電壓等級直流電源。小型PLC可以為輸入電路和外部的電子傳感器提供DC 24V 電源，驅(qū)動(dòng)PLC負(fù)載的直流電源一般由用戶提供。 3.2 PLC的工作原理 PLC通電后，需要對硬件和軟件作一些初始化工作。為了使PLC得輸出及時(shí)地響應(yīng)各種輸入信號(hào)，初始化后PLC要反復(fù)不停地分階段處理各種不同的任務(wù)如圖3—1，這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。 1. 讀取輸入 在PLC的存儲(chǔ)器中，設(shè)置了一片區(qū)域存放輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的狀態(tài)，它們分別稱為輸入過程映像寄存器和輸出過程映像寄存器。 在讀取輸入階段，PLC把所有外部電路把所有

55、外部數(shù)字量輸入電路的0/1狀態(tài)讀入輸入過程的映像寄存器。外界的輸入電路閉合時(shí)，對應(yīng)地輸入過程映像寄存器為1狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入點(diǎn)的敞開觸電接通，常閉觸點(diǎn)斷開。外接的輸入電路斷開時(shí)，對應(yīng)的輸入過程映像寄存器為0狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入點(diǎn)的常開觸點(diǎn)斷開，常閉觸點(diǎn)接通。 2. 執(zhí)行用戶程序 PLC的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲(chǔ)器中按順序排列。在RUN模式的程序執(zhí)行階段，如果沒有跳轉(zhuǎn)指令，CPU從第一條指令開始，逐條順序得地執(zhí)行用戶程序。 在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入過程映像寄存器的狀態(tài)也不會(huì)隨之改變，輸入信號(hào)變化了的狀態(tài)只能在下一個(gè)周期的讀取階段被讀入。程

56、序運(yùn)行時(shí)，對輸入、輸出的存取通常是通過映像寄存器，而不是實(shí)際的I/O點(diǎn)，這樣做有以下兩點(diǎn)好處： （1）程序執(zhí)行輸入點(diǎn)的狀態(tài)是固定不變，程序執(zhí)行完以后再輸出過程映像寄存器的值更新輸出點(diǎn)，使系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定。 （2）用戶程序讀寫I/O映像寄存器比讀寫I/O點(diǎn)快得多，這樣可以提高程序的執(zhí)行速度。 3. 通信處理 在處理通信請求階段，CPU處理通信接口和智能模塊接收到的信息，例如讀取智能模塊的信息并放在緩沖區(qū)，子適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)⑿畔魉徒o通信請求方。 4. CPU自診斷測試 自診斷測試包括定期檢查CPU模塊的操作和擴(kuò)展和擴(kuò)展模塊的狀態(tài)是否正常，將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部的工作。 5

57、. 改寫輸出 CPU執(zhí)行完用戶程序后，將輸出過程映像寄存器的0/1狀態(tài)傳送大輸出模塊并鎖存起來，梯形圖中某一輸出位的線圈“通電”時(shí)，對應(yīng)的輸出過程映像寄存器為1狀態(tài)。信號(hào)經(jīng)輸出模塊隔離和功率放大后，繼電器輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點(diǎn)閉合，使外部負(fù)載通電工作。若梯形圖中輸出點(diǎn)的線圈“斷電”，對應(yīng)的輸出過程映像寄存器中存放的二進(jìn)制數(shù)為0，將它送到繼電器型輸出模塊，對應(yīng)的u影見繼電器的線圈斷電，其常開觸點(diǎn)斷開，外部負(fù)載斷電，停止工作。 當(dāng)CPU的操作模式從RUN變?yōu)镾TOP是，數(shù)字量輸出位置為系統(tǒng)塊中的輸出表定義的狀態(tài)，或保持當(dāng)時(shí)的狀態(tài)，默認(rèn)的設(shè)置是將所有的數(shù)字量輸出清零。

58、 6. 中斷程序處理 如果在程序中使用了中斷，中斷事件發(fā)生時(shí)，CPU停止正常的掃描工作方式立即執(zhí)行中斷程序，中斷功能可以提高到PLC對某些事件的相應(yīng)速度。 7. 立即I/O處理 在程序執(zhí)行過程中使用立即I/O指令可以直接存取I/O點(diǎn)，用立即I/O指令讀輸入點(diǎn)的值時(shí)，相應(yīng)的輸入過程映像寄存器的值未被更新。用立即I/O指令來改寫輸出點(diǎn)時(shí)，相應(yīng)的輸出過程映像寄存器的值被更新。 3.3 PLC的編程語言與程序結(jié)構(gòu) 3.3.1 PLC編程語言的國際標(biāo)準(zhǔn) IEC（國際電工委員會(huì)）通于1994年5月公布了PLC標(biāo)準(zhǔn)（IEC61131），它由以下5部分組成：通用信息、設(shè)備與測試要求、編程語言、用戶

59、指南和通信。其中的第三部分（IEC 61131-3）是編程語言的標(biāo)準(zhǔn)。IEC 61131-3是世界上第一個(gè)，也是至今為止唯一的工業(yè)控制系統(tǒng)的編程語言標(biāo)準(zhǔn)。 IEC61131-3詳細(xì)地說明了句法，語義和下述5種編程語言（見圖3-1） 圖3-1 PLC編程語言 1） 順序功能（Sequential Function Chart，SFC）。 2） 梯形圖（Ladder Diagram，LD）。 3） 功能塊圖（Function Block Diagram，F(xiàn)BD）。 4） 指令表（Instruction List，IL）。 5） 結(jié)構(gòu)文本（Structured Text，ST）。

60、 標(biāo)準(zhǔn)中有兩種圖形語言——梯形圖和功能模塊圖，還有兩種文字語言——指令表和結(jié)構(gòu)文本，可以認(rèn)為順序功能圖是一種結(jié)構(gòu)塊控制程序流程圖。 1. 序功能圖 這是一種位于其他編程語言之上的圖形語言，用來編制順序控制流程。順序功能圖提供了一種組織程序的圖形方法，步、轉(zhuǎn)換和動(dòng)作時(shí)順序功能圖中的三種主要元件。 2. 梯形圖 梯形圖是使用得最多的PLC圖形編程語言。梯形圖與繼電器控制系統(tǒng)的電路圖相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被工廠熟悉繼電器的技術(shù)人員掌握，特別適用于數(shù)字量邏輯控制，有時(shí)候梯形圖稱為電路或程序。 梯形圖由觸點(diǎn)、線圈和用方框表示的功能塊組成。觸點(diǎn)代表邏輯輸入條件，例如外部的開關(guān) 按鈕等

61、。線圈通常代表邏輯輸出結(jié)果，用來控制外部的指示燈、交流接觸器和內(nèi)部的標(biāo)志位等。功能塊用來表示定時(shí)器、計(jì)數(shù)器或者數(shù)學(xué)運(yùn)算器等指令。 3. 功能塊圖 這是一種類似于數(shù)字邏輯電路的編程語言，有數(shù)字電路基礎(chǔ)的人很容易讀懂。改編程語言類似與門、或門的方框來表示邏輯運(yùn)算關(guān)系，方框的左側(cè)為邏輯運(yùn)算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量，輸入、輸出端的小圓圈表示“非”運(yùn)算，方框被“導(dǎo)線”連接在一起，信號(hào)從左向右流動(dòng)。如圖3-2中的控制邏輯與圖3-3中的相同。 圖3-2 梯形圖與語句表 圖3-3 功能模塊 4. 語句表 PLC的指令是一種與微機(jī)的匯編語言中的指令相似的助記符表達(dá)式，由指令組成指令

62、表或語句表程序。 語句表比較適合熟悉PLC和程序設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)豐富的程序員使用。 5. 結(jié)構(gòu)文本 結(jié)構(gòu)文本是為IE61131-3標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建的一種專用的高級編程語言。與梯形圖相比，他能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算，編寫的程序非常簡潔和緊湊。 3.3.2 PLC的程序結(jié)構(gòu) 以西門子S7-200為例，S7-200 CPU的控制程序由主程序、子程序和中斷程序組成。 1. 主程序 主程序是程序的主體，每一個(gè)項(xiàng)目都必須并且只能有一個(gè)主程序。在主程序中可以調(diào)試用子程序和中斷程序。 主程序通過指令控制整個(gè)應(yīng)用程序的執(zhí)行，每個(gè)掃描周期都要執(zhí)行一次主程序。STEP7-Micro/WINde 程序編輯器窗口下部的標(biāo)

63、簽用來選擇不同的程序。因?yàn)楦鱾€(gè)程序都放在獨(dú)立的程序塊中，各程序結(jié)束時(shí)不需要加入無條件結(jié)束指令或無條件返回指令。 2. 子程序 子程序可逆的，僅在被其他程序調(diào)用時(shí)執(zhí)行。同一個(gè)子程序可以在不同的地方多次調(diào)用。使用子程序可以簡化程序代碼和減少掃描周期時(shí)間。設(shè)計(jì)的好的子程序容易移植到其他別的項(xiàng)目中。 3. 中斷程序 中斷程序用來即使處理與用戶程序的執(zhí)行時(shí)序無關(guān)的操作，或者不能事先預(yù)測何時(shí)發(fā)生的中斷事件。中斷程序不是有用戶用戶程序調(diào)用。而是在中斷事件發(fā)生時(shí)由操作系統(tǒng)調(diào)用。中斷程序是用戶編寫的。因?yàn)椴荒茴A(yù)知何時(shí)會(huì)出現(xiàn)中斷事件，所以不允許中斷程序改寫可能在其他程序中使用的存儲(chǔ)器。

64、 第四章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 PLC 實(shí)現(xiàn)隨機(jī)換刀 在隨機(jī)換刀控制中，換刀的位置是隨機(jī)的，刀具選擇指令與刀套編號(hào)無關(guān)，是隨機(jī)變動(dòng)的，指令僅以刀具自身的直接編號(hào)為目標(biāo)。這種換刀方式在新刀取出后，刀具不需轉(zhuǎn)動(dòng)，可立即隨機(jī)存入原先使用的刀具，即換刀、存刀一次完成，縮短了換刀時(shí)間。數(shù) 控 裝 置 刀 庫 回 轉(zhuǎn) 指 令 刀 號(hào) 復(fù) 合 判 斷 刀 具 檢 索 譯 T 指 令 代 碼 刀 庫 回轉(zhuǎn)控制 位置反饋 圖4-1 T功能處理示意圖 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出T代碼換刀指令給PLC，經(jīng)譯碼后在數(shù)據(jù)表中檢索，找到代碼指定的新刀

65、號(hào)所在的數(shù)據(jù)表地址，并與實(shí)現(xiàn)刀號(hào)對照，如果不相同，則將刀庫回轉(zhuǎn)控制信號(hào)送至刀庫控制系統(tǒng)，直到定位到新刀號(hào)位置，刀庫才停止回轉(zhuǎn)，并準(zhǔn)備換刀。 4.2 刀庫換刀定位控制 4.2.1 換刀過程 盤式刀庫的三個(gè)基本動(dòng)作：取刀、還刀、換刀。取刀既是主軸上無刀具，將目標(biāo)刀具由刀庫取刀主軸上。還刀是主軸上有刀具，將主軸刀具還回刀庫中對應(yīng)的位置。換刀是主軸上有刀具，先將主軸上的刀具還回刀庫中對應(yīng)的位置上，然后目標(biāo)刀具由刀庫取到主軸上。取刀的基本過程：1、刀庫將目標(biāo)刀具按就近原則轉(zhuǎn)到換到位置。2、Z軸進(jìn)入換刀準(zhǔn)備位置。3、刀庫進(jìn)入換刀位置。4、主軸準(zhǔn)停，主軸松刀。5、Z軸進(jìn)入換刀位置。6、主軸緊刀。8、

66、刀庫回到原始位置。9、Z軸返回到換刀準(zhǔn)備位置。還刀的基本過程：1、Z軸進(jìn)入換刀準(zhǔn)備位置。2、z軸進(jìn)入換刀位置，主軸準(zhǔn)停，3、刀庫進(jìn)入換刀位置。4、主軸松刀。5、z軸返回到換刀準(zhǔn)備為位置。6、主軸緊刀。換刀控制的基本約定：1、盤式刀庫采用固定刀位，即刀具號(hào)就是刀庫位置號(hào)。2、就近尋找目標(biāo)刀具。3、程序測試時(shí)要求：刀庫無換刀動(dòng)作。編程的刀具應(yīng)生效，以便系統(tǒng)檢測加上刀具參數(shù)后有無超出軟限位，記錄進(jìn)入程序測試時(shí)，主軸上的刀具號(hào)，在程序測試結(jié)束后的第一次換刀時(shí)，恢復(fù)原主軸的刀具號(hào)。換刀控制部件包括：換刀固定循環(huán)和換刀PLC子程序,以及液壓缸的液壓原理圖。 根據(jù)加工要求，自動(dòng)將指定的刀具轉(zhuǎn)至換刀位置；刀庫盤上共有10刀具供選；為提高換刀效率，要求換刀時(shí)按最小旋轉(zhuǎn)角（小于等于180）轉(zhuǎn)動(dòng)：為提高定位精度，當(dāng)指定刀具號(hào)轉(zhuǎn)至離取刀具號(hào)位置時(shí)減速。若設(shè)定值為8，現(xiàn)值為2，則8-2=6>5，置正轉(zhuǎn)標(biāo)志；若設(shè)定值為4，現(xiàn)值為2，則4-2=2<5，則置反轉(zhuǎn)標(biāo)志；若定之為1，現(xiàn)值為2,則1-2=-1，-1+10=9>5置正轉(zhuǎn)標(biāo)志；由于9>5，經(jīng)小于半數(shù)處理：10-9=1，置減速標(biāo)志。 數(shù)