机电数控系毕业论文数控机床刀架自动循环控制名师教案与资料Word格式.docx
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②独立解决实际问题的能力；
③研究内容的理论依据和技术方法；
④取得的主要成果及创新点；
⑤工作态度及工作量；
⑥总体评价及建议成绩；
⑦存在问题；
⑧是否同意答辩等）：
成绩：
年月日
3
****机电工程高等职业学校毕业论文
评阅教师评阅书
评阅教师评语（①选题的意义；
②基础理论及基本技能的掌握；
③综合运用所学知识解决实际问题的能力；
③工作量的大小；
⑤写作的规范程度；
评阅教师签字：
4
答辩及综合成绩
答辩情况
提出问题
回答问题
正确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩
答辩委员会主任签字：
年月日
系部领导小组综合评定成绩
系部领导小组负责人：
5
本人声明
声明内容如下:
我声明,本论文及其设计工作是由本人在指导教师的指导下独立完成的,在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。
特此声明。
作者：
郭AA
日期：
2014年4月20日
6
数控机床刀架自动循环控制
丁文莉
09高职数控一班
摘要：
目前,可编程控制器（PLC）广泛应用于数控机床等工业控制中。
数控机床的控制部分可分为数字控制和顺序控制两部分,数字控制部分包括对各坐标轴位置的连续控制,而顺序控制包括对主轴正/反转和启动/停止、换刀、卡盘夹紧和松开、冷却、尾架、排屑等辅助动作的控制。
现代数控机床采用PLC代替继电器控制来完成逻辑控制,使数控机床结构更紧凑,功能更丰富,响应速度和可靠性大大提高!
可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用一种可编程程序的存储器，在其内部存储执行逻辑算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备和生产过程。
组合机床是针对特定工件，进行特定加工而设计的一种高效率自动化专用加工设备，这类设备大多能多刀同时工作，并且具有自动循环的功能。
组合机床通常由标准通用部件和加工专用部件组合构成，动力部件采用电动机驱动或采用液压系统驱动，由电气系统进行工作自动循环的控制，是典型的机电或机电液一体化的自动加工设备。
关键词：
四方位刀架的原理；
换刀的机械原理；
刀架的自动循环梯形图
7
目录
第一章机械结构9
1.1刀架总述9
1.2换刀的机械原理10
第二章数控车床四方工位换刀装置10
3.1数控刀架四方工位原理图13
第三章设计电路的步骤14
3.1设计这类电路时大体遵循以下步骤16
3.2元器件的介绍19
第四章PLC概述与PLC的组成20
4.1PLC特点22
4.2PLC概述23
4.3PLC的组成24
4.4PLC接口结构25
4.5PLC程序的执行顺序27
4.6PLC发展的重点28
第五章刀架的自动循环的梯形图30
5.1梯形图34
结论35
参考文献36
8
第1章机械结构
1.1刀架总述
车床的刀架是车床的自动换刀装置。
刀架有很多种类，有用霍尔元件检测刀位的经济型刀架，有可双向换刀带位置编码器的自动刀架等，控制刀架的旋转可使用普通异步电机或伺服电机。
用霍尔元件检测刀位信号，采用交流电机驱动刀架正转换刀反转锁紧刀架。
MDI、AUTO或DNC工作模式下通过执行编程指令T0×
0×
（×
为1－6）实现换刀。
使用刀架换刀时，换刀模块上的刀盘一起换刀，和真实刀架同步。
注意：
刀架在反转锁紧时，电机处于堵转状态，因此反转时间不可过长。
否则刀架电机可能会烧坏。
数控刀架安装在数控车床的滑板上。
它上面可以装夹多把刀具，在加工中实现自动换刀刀架的作用是装夹车刀，孔加工刀具及螺纹刀具并能准确迅速的选择刀具进行对工件的切削。
刀架滑板由纵向（Z轴）滑板和横向（X轴）滑板组成，纵向滑板安装在床身导轨上，可以沿床身纵向运动，横向滑板安装在纵向滑板上，能沿纵向滑板的导轨进行横向运动，刀架滑板的作用是安装在其上的刀架刀具在加工中实现纵向和横向的进给运动。
9
1.2换刀的机械原理
按下换刀键或输入换刀指令后，电机正转，通过联轴器，蜗杆带动涡轮，螺纹带动螺母刀架体松开并上抬，转位、找刀刀架体的上方有一发信盘，盘中每一到刀位都安装一霍尔开关刀架体旋转到一刀位时。
该刀位的传感器件向数控系统发出信号，数控系统将收到的实际刀位信号与指令刀位信号进行比较，当两信号相同时，说明刀架体已旋转到所选刀位，数控系统控制继电器KA1释放，继电器KA2得电吸合，换刀电动机反转，粗定位销在在弹簧的作用下进入粗定位盘的凹槽中进行粗定位，由于粗定位槽的限制刀架体不能反转只能在该位置垂直落下，刀架体和刀架底座的端面齿啮合，实现精确定位，电动机做适当的延时。
继续反转，当两端面齿增加到一定夹紧力。
刀架体被锁紧时。
电动机停止转
第二章数控车床四工位换刀装置
2.1刀架抬起
当数控机装置发出换刀指令后，电动机1启动正常，通过套筒连轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动蜗轮丝杠4转动。
刀架体7的内孔加工有螺纹，与蜗轮丝杠旋合，蜗轮与丝杠为整体结构。
蜗轮丝杠内孔与刀架中心轴式间隙配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠绕中心轴旋转。
当蜗轮开始转动时，由于刀架底座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，因此刀架体7抬起。
10
2.2刀架转位
当刀架体抬至一定距离后，刀架底座5和刀架体7的端面齿脱开，转位套9用销钉与蜗轮丝杠4联接，随蜗轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开时转位套正好转过160°
（如图所示），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。
2.3刀架定位
刀架体7转动时带着电刷座10转动，当转到程序指定的刀号时，粗定位销15在弹簧力的作用下进入粗定位盘6的槽中进行粗定位，同时电刷13接触导体使电动机1翻转。
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上的端面齿啮合实现精确定位。
2.4夹紧刀架
电动机继续反转，此时蜗轮停止转动，涡杆轴3自身转动，当两端面齿增加到一定夹紧力时，电动机1停止转动。
译码装置由发信体13.14组成，电刷13负责发信号，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11与电刷14的相对位置。
11
图2-1数控车床四工位刀架结构
1-直流伺服电动机；
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-转为套；
10-电刷座；
11-发信号；
12-螺母；
13、14-电刷；
15-粗定位销
图2-1所示为经济型数控机床常用方刀架结构，该刀架可以安装四把不同的刀具转位信号有加工程序指定。
其工作过程为：
刀架抬起—刀架转位—刀架定位—夹紧刀
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第三章设计电路图的步骤
为实现刀架自动循环，对电动机的基本要求仍然是启动、停转和反向控制，所不同的是当刀架运动到位置2时能自动地改变电动机工作状态。
总之控制对象要求控制装置根据控制过程位置来改变或终止控制对象的运动。
在实现刀架自动循环过程中，最理想的方法就是由控制装置直接反映控制过程变化参数——行程，使刀架在运动到位置2或1时自动发出控制信号进行控制。
通常采用直接测量位置信号的元件——行程开关来实现这一要求。
3.1设计这类电路时大体遵循以下步骤：
3.1.1首先设计主电路因要求电动机实现正反向运转，故采用正反两个接触器KM1和KM2以通、断电路和改变电源相序，如图中主电路所示。
3.1.2确定控制电路的基本部分如起、停按钮及自保环节等，如图所示的控制电路为刀架前进、后退的基本控制线路。
3.1.3设计控制电路的特殊部分在本线路中特殊部分是指自动循环的控制。
这里采用行程开关SQ1和SQ2分别作为测量刀架运动到位置1和2的测量元件，由它们给出的控制信号通过接触器作用于控制对象。
将SQ2的常闭触头串于正向接触器线圈KM1电路中。
SQ2的常开触头于反向起动按钮并联。
这样，当刀架前进到位置2时，SQ2动作，将KM1切断；
KM2接通，刀架自动返回。
SQ1的任务是使电动机在刀架反向运动到位置1时自动停转，故将其常闭触头串联于反向接触中，刀架退回到位置1，撞击SQ1，刀架自动停止运动。
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3.1.4设置必要的保护环节这里采用了熔断器和热继电器分别实现短路和过载保护。
3.1.5综合审查与简化设计线路上述设计是依据各部分的要求局部进行的。
组成一个整体控制线路后需要全面考虑，检查其动作是否无误，有无寄生电路，能否进一部减少电气元件或触头。
这样对任何按行程控制的自动控制线路，根据生产工艺要求，用行程作为控制信号，采用行程开关作为测量元件，再将这个变化参量反馈回来作用于控制装置，以达到对控制对象进行自动控制对象进行自动控制的目的。
电路图
14
电路板
15
3.2元器件的介绍
3.2.1熔断器的作用
安装在电路中，保证电路安全运行的电器元件。
电路中的某些重要器件或贵重器件，也有可能烧毁电路甚至造成火灾。
若电路中正确地安置了熔断器，那么，熔断器就会在电流异常升高到一定的高度和一定的时候，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。
熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。
熔断器
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3.2.2中间继电器的作用
1、隔离。
控制系统的输出信号与负载端电气隔离；
2、转换。
比如控制系统输出信号为DC24V，但负载使用AC220V供电，对于输入可逆；
3、“放大”。
控制器输出的信号的带负载的能力往往有限，在MA或者数A的级别，如果有需要更大电流的负载，只能通过中间继电器来转换;
4、便于维护。
即使是满足负载电流要求的输出端，但因为集成在控制器内部，如果损坏，更换维修比较麻烦，但如果通过中间继电器，输出端的负载只是继电器的线圈，减轻了控制器输出级的负载，从而降低损坏的几率。
而当中间继电器触点因为频繁的使用损坏时，很容易通过简单的插拔完成更换;
中间继电器
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3.2.3接触器的工作原理
接触器是一种用来接通或断开带负载的交直流主电路或大容量控制电路的自动化切换器，主要控制对象是电动机，此外也用于其他电力负载，如电热器，电焊机，照明设备，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。
接触器控制容量大。
适用于频繁操作和远距离控制。
是自动控制系统中的重要元件之一。
接触器
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3.2.4变压器的工作原理
变压器是变换交流电压、交变电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。
变压器
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第四章PLC概述与组成
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制随着技术的发展这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
数控机床做为自动化控制设备，是在自动控制下进行工作的，数机床所受控制可分为两类：
一类是最终实现对各坐标轴运动进行的“数字控制”。
如：
对CNC车床X轴和Z轴，CNC铣床X轴，Y轴，Z轴的移动距离，各轴运行的插补，补偿等的控制即为“数字控制”。
另一
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类为“顺序控制”。
对数控机床来说，“顺序控制”是在数控机床运行过程中，以CNC内部和机床各行程开关，传感器，按钮，继电器等的开关量信号状态为条件，并按照预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起停，换向，刀具的更换，工件的夹紧，松开，液压，冷却，润滑系统的运行等进行的控制。
与“数字控制”比较，“顺序控制”的信息主要是开关量信号。
常把数控机床分为“NC侧”和“MT侧”（即机床侧）两大部分。
“NC侧”包括CNC系统的硬件和软件，与CNC系统连接的外围设备如显示器，MDI面板等。
“MT侧”则包括机床机械部分及其液压、气压、冷却、润滑、排屑等辅助装置、机床操作面板、继电器线路、机床强电线路等。
PMC处于NC与MT之间，对NC和MT的输入、输出信号进行处理。
MT侧顺序控制的最终对象随数控机床的类型、结构、辅助装置等的不同而有很大的差别。
机床结构越复杂，辅助装置越多，最终受控对象也越多。
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4.1、PLC的特点
1PLC的主要特点
4.1.1高可靠性
（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms。
（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
（4）采用性能优良的开关电源。
（5）对采用的器件进行严格的筛选。
（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
4.1.2丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号，如：
交流或直流；
开关量或模拟量；
电压或电流；
脉冲或电位；
强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：
按钮；
行程开关；
接近开关；
传感器及变送器；
电磁线圈；
控制阀，直接连接另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块；
为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等
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4.1.3采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC以外绝大多数PLC均；
采用模块化结构PLC的各个部件包括CPU电源I/O等均采用模块化设计由字串1；
机架及电缆将各模块连接起来系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合字串6
4.1.4编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式对使用者来说；
不需要具备计算机的专门知识因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握
4.1.5安装简单维修方便
PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行使用时只需将现；
场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接即可投入运行各种模块上均有运行和字串5；
故障指示装置便于用户了解运行情况和查找故障；
由于采用模块化结构因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的字串7；
方法使系统迅速恢复运行
1）PLC的功能
（1）逻辑控制
（2）定时控制
（3）计数控制
（4）步进（顺序）控制
（5）数据控制
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4.2PLC概述
可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用一种可编程程序的存储器，在其内部存储执行逻辑算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备和生产过程。
可编程控制器及其有关设备的设计原则是它应该易与工业控制联成一个整体且具有扩充功能。
PLC产品能直接在工业环境中应用，对环境的适应能力强。
PLC体积小、功能强、速度快，可靠性高，又具有较大的灵活性和扩展性。
PLC还有一个重要特性是它具有在线修改功能。
它借助于软件来实现重复的控制，软件本身具有修改性，所以PLC具有灵活性。
从而使PLC具有广泛的工业通用性，同时简化了硬件电路，也提高了PLC系统的可靠性。
据不完全统计，FX系列PLC平均故障间隔大于20000~50000h，而平均修复时间则小于10min；
PLC机能处理工业现场的强电信号，如交流220V、直流24V，并可直接驱动功率部件，可长期工作在严酷的工业环境能够中。
编程采用传统的继电器符号语言，便于工程技术人员掌握，PLC是在按钮开关，限位开关和其它传感器等发出的监控输入信号作用下进行工作。
根据信号，控制器就会作出反映，通过用户编程的内部逻辑便产生输出信号，而且这些输出信号可直接控制外部的控制系统负载，如电机，接触器，指示灯，电磁阀等。
PLC的控制系统省去了传统的继电器控制接线和拆线的麻烦。
用PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“间接网络”，
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这样生产线的自动化过程就能随意去改变，这种性能使PLC具有较高的经济效益。
4.3PLC的组成
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同．
2.3.1中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；
检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可*性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
2.3.2存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
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2.3.3电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。
如果没有一个良好的、可*得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
4.4、PLC接口结构
如图8-1所示：
X地址是机床输入到PMC的信号，Y地址是PMC输出到机床的信号，G地址是PMC输入到NC系统的信号，F地址是NC系统输出到PMC的信号。
图8-1
26
4.5、PLC程序的执行顺序
顺序程序由两部分组成：
第1级程序部分和第2级程序部分。
如图8-2所示。
图8-2
PMC的扫描周期是8ms。
其中第一级程序在每个8ms扫描周期内都会优先执行一次,而第二级程序是向CNC的调试RAM中传送时，系统根据第二级程序的长短被自动分割成n等分，每8ms中扫描完第一级程序后，再依次扫描第二级程序，所以整个PMC的执行周期是n×
8ms。
因此如果第一级程序过长而导致每8ms内扫描的第二级程序过少的话，则第二级程序被分隔的数量n就多，PMC的整个执行周期就相应延长。
子程序是放在第二级程序之后，其是否执行受二级程序的控制。
对于控制较为复杂的PMC程序，建议用子程序编写，以减少PMC的扫描周期，同时使程序更加结构化、合理化。
具体的PMC程序参照机床上的FANUC系统中的程序。
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4.6、PLC发展的重点
4.4.1人机界面更加友好
PLC制造商纷纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业，大大提高了其软件水平，多数PLC品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的结合，提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护降低了成本，使更易形成人机友好的控制系统，目前，PLC＋网络＋IPC＋CRT的模式被广泛应用。
4.4.2网络通讯能力大大加强
PLC厂家在原来CPU模板上提供物理层RS232/422/485接口的基础上，逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。
由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展。
4.4.3开放性和互操作性大大发展
PLC在发展过程中，各PLC制造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄割据的局面，各自发展自己的标准，兼容性很差，这给用户使用带来不便，并增加了维护成本。
开放是发展的趋势，这已被各厂商所认识，形成了长时期妥协与竞争的过程，并且这一过程还在继续。
开放的进程，可以从以下方面反映：
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（1）IEC形成了现场总线标准，这一标准包含8种标准，虽然有人说，多种标准就是没有标准，但必竟是一
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