《加工中心机械手自动换刀控制及常见故障分析》论文.doc
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长沙航空职业技术学院
毕
业
论
文
设计题目：
加工中心机械手自动换刀控制及常见故障分析
指导老师:
黄登红
数控设备应用于维护专业0601班姓名陈启波学号18
时间：
2008-11-25
目录
摘要……………………………………………………………（03）
1、引言……………………………………………………（05）
2、加工中心自动换刀方式………………………………（07）
3、随机自动选刀的控制……………………………………（08）
3.1数据表和计数器的设置及选刀控制………………（08）
3.2选刀与数据更新……………………………………（10）
3.3PMC程序设计与实现………………………………（11）
3.3.1系统PMC输入/输出地址分配………………（11）
3.3.2随机制动选刀的PMC控制……………………（12）
4、主轴准停及PMC控制……………………………………（15）
4.1主轴准停装置的种类………………………………（15）
4.1.1 机械式准停装置……………………………（15）
4.1.2 电气准停机构………………………………（16）
4.2数控系统准停PMC程序设计与实现………………（18）
5、机械手动作及其控制……………………………………（20）
5.1自动刀具交换动作步骤……………………………（20）
5.2PMC程序设计与实现………………………………（23）
5.2.1PMC程序设计与实现………………………（23）
5.2.1系统PMC输入/输出地址分配………………（24）
6、刀库及换刀机械手的常见故障和维护…………………（27）
6.1刀库及换刀机械手的维护要点……………………（27）
6.2刀库的故障…………………………………………（27）
6.3换刀机械手故障………………………………………（28）
6.4自动换刀装置故障维修实例…………………………（28）
6.4.1机械手故障的维修……………………………（28）
6.4.2刀库无法旋转的故障维修…………………（32）
7、总结………………………………………………………（35）
8、参考文献…………………………………………………（36）
9、致谢………………………………………………………（37）
10、附录……………………………………………………（38）
摘要
现代机械加工中为了进一步提高数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序的发展，因此出现了各种类型的加工中心，加工中心机床加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置，以便选用不同的刀具完成不同工序的加工工艺，为了进一步提高加工效率引进了机械手自动换刀装置，加工中心的自动换刀装置，大都采用有机械手换刀方式。
它是有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,由于机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作,按预定的程序轨迹及其它要求,实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置而可编程控制器（PLC）由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改,易于扩展和维护,环境要求低、体积小巧,安装调试方便,在工业控制中有着广泛的应用。
根据我们所设计的机械手的驱动部件为步进电机的特点,应用（PLC）移位寄存指令可以很方便、灵活地对机械手进行控制。
所以在加工中心机床中得到广泛应用，从而更有效的提高了机床的加工效率。
但由于自动换刀控制过程中的故障率也比较高、加工中心机械手自动换刀装置故障也比较多，所以掌握好机械手自动换刀控制和一些常见故障处理方法非常重要。
数控加工中心由于配有刀具库和自动换刀系统，能实现一次装夹完成，多道工序，大大减少了专用工夹具的数量，缩短了生产准备时间，同时减少了多次安装造成的定位误差，提高加工精度，能实现高精高效的加工，而被各企业广泛的使用，加工中心的关键在于自动换刀系统的控制。
本文着重讨论PMC对加工中心自动换刀系统的控制，并阐述了数控加工中心自动换刀的原理，分析加工中心主轴准停，计算机随机自动换刀的PMC控制思路，以及机械手换刀动作的分析，本文以FANUCOi数控系统为例，给出了PMC控制程序，并对其进行了深入的分析。
关键字：
自动换刀；数控；可编程机床控制器；机械手；机械准停
1、引言
加工中心是指在一次装夹中，能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。
更为明确的说法是：
加工中心就是自动换刀数控镗铣床。
这就把加工中心和自动换刀数控车床和车削中心区别开来。
加工中心区别于别的数控镗铣床的主要特点就在于它具有根据工艺要求自动更换所需刀具的功能，机自动换刀（ATC）机能。
加工中心的自动换刀系统,通常是由刀库和机械手组成,它是加工中心的象征,又是加工中心成败的关键环节。
因此各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置,以求在激烈的竞争中取得好的效益。
正因为自动换刀装置是加工中心的核心内容,各厂家都在保密,极少公开有关资料,尤其机械手部分更始如此。
数控加工中心因带有由刀库和机械手组成的自动换刀装置（ATC）,能使工件在一次装夹中完成大部分甚至全部工序加工中心利用刀库实现换刀,这是目前加工中心大量使用的换刀方式。
由于有了刀库,机床只要一个固定主轴夹持刀具,有利于提高主轴刚度。
独立的刀库,大大增加了刀具的储存数量,有利于扩大机床的功能,并能较好地隔离各种影响加工精度的干扰因素。
刀库换刀,按照换刀过程有无机械手参与,分成有机械手换刀和无机械手换刀两种情况。
在有机械手换刀的过程中,使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴中拔出,与此同时,另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出,然后两者交换位置,完成换刀过程。
有机械手的系统在刀库配置、与主轴的相对位置及刀具数量上都比较灵活。
因而大大减少了装卸工件和换刀等辅助时间,消除由于多次安装造成的定位误差,比一般数控机床更能实现高精度、高效率、高度自动化加工。
ATC换刀时,根据数控系统选刀指令,从刀库中将所需要的刀具转到取刀位置,称为自动选刀然后由机械手从刀库和主轴上取出刀具,进行刀具交换,将新刀具装人主轴,用过的旧刀具放回刀库。
机械手的驱动一般的有液压驱动和电气驱动。
液压驱动的机械手需要采用严格的密封，还需较复杂的缓冲机构，控制机械手动作的电磁阀都有一定的时间常数，因为换刀速度较慢。
近年来国内、外先后研制出凸轮联动式单臂双抓机械手。
这种机械手的优点是由电机驱动，不需要较复杂的液压系统及其密封、缓冲机构，没有漏油现象，结构简单，工作可靠。
同时，机械手手臂的回转和插刀、拔刀的分解动作是联动的，部分时间可重叠，从而大大缩短了换刀时间。
因此，被广泛的应用在加工领域。
2、加工中心自动换刀方式
加工中心自动换刀系统的控制主要分为两部分：
刀库选刀控制（T指令）和刀具交换控制（M06指令）。
目前刀库选刀一般有四种控制方式：
顺序选刀方式，刀具编码方式，刀套编码方式，计算机记忆随机换刀。
顺序选刀方式是将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的每一个刀座内，刀具顺序不能搞错。
更换加工工件时，刀具在刀库上的排列顺序也要改变。
这种方式的缺点是同一工件上的相同的刀具不能重复使用，因此刀具的数量增加，降低了刀具和刀库的利用率，但其控制以及刀库运动等则比较简单。
刀具编码方式采用了一种特殊的刀柄结构，并对每把刀具进行编码。
换刀时通过编码识别装置，根据换刀指令代码，在刀库中寻找出所需要的刀具。
由于每一把刀都有自己的代码，因而刀具可以放入刀库的任何一个刀座中，这种方式编程控制简单，但是编码刀柄结构复杂，容易出故障。
刀套编码方式是对刀库各刀座预先编码，每把刀具放入相应刀座之后，就具有了相应刀座的编码，即刀具在刀库中的位置是固定的。
缺点是用过的刀具必须放回原来的刀座，增加了辅助换刀的时间，降低了换刀效率。
计算机记忆随机换刀方式是目前使用最为广泛的一种方式。
这种方式的的特点是刀具号和刀座号对应地记忆在计算机地存储器或可编程控制器的存储器中，不论刀具放在哪个地址，都始终记忆着它的踪迹，这样刀具可以任意取出，任意送回。
刀柄采用国际通用的形式，没有编码条，结构简单，通用性能好。
本文以BT50-24TOOL圆盘式刀库自动换刀为例，讨论计算机记忆随机换刀方式的PMC的控制。
3、随机自动选刀的控制
3.1数据表和计数器的设置及选刀控制
在随机自动换刀方式中，刀库上的刀具能与主轴的刀具任意的直接交换。
随机换刀控制方式需要在PMC内部设置一个模拟刀库的数据表,其长度为刀库容量+1，数据表的表序号与刀套编号相对应，主轴的刀套编号为0，数据表内容对应刀套中所存刀具号。
以图3-1十工位鼓盘式刀库为例，以地址D420～D430建立数据表，
其数据表序号和对应刀具号如表3-1。
数据表地址（数据表内容及刀具号
序号及刀套号）
D420（0）21
D421
（1）12
D422
（2）17
D423（3）11
D424（4）13
D425（5）20
D426（6）19
D427（7）18
D428（8）14
D429（9）15
D430（10）16
表3-1刀号数据表
其中0～10为刀套号，也是数据表序号，且0是将主轴作为刀库中的一个刀套，11～21为刀库中相应刀套号中的刀具号，由于刀具数据表实际上是刀库中存放刀具的一种映象，所以数据表与刀库中刀具的位置应始终保持一致，对刀具的识别实质上转变为对刀库位置的识别。
当PMC接到寻找新刀具的指令（Txx）后，在模拟刀库的刀号数据表中进行数据检索，检索到T代码给定的刀具号在数据表中的表序号也就是刀套号，存入目标刀套号存储器中，设目标刀套号的存储地址为D431。
若在刀号数据表中没有检索刀指令刀具号，则机床出现报警，结束换刀指令处理。
将目标刀套号与当前换刀位置的刀套号（称为当前刀套号）相比较来决定是否转动刀库，因此需要建立一个环形计数器来记录当前刀套号。
见图3-2。
据FANUC数控系统专用PMC指令中计数器控制数据的格式：
D350～D351：
计数器的预置值，这里为刀库中的刀套数。
D352～D353：
计数值，这里为当前刀套号。
D354：
为PMC系统使用。
当刀库旋转时，每个刀套通过换刀位置时，由外部检测装置产生一个脉冲信号送到计数器。
当刀库正转1个工位时，当前刀套号增1；当刀库反转1个工位时，当前刀套号减1；因此D352～D353中的值总是指示刀库的现在位置。
当目标刀套号为0，即目标刀号已经在主轴上，则不用换刀；当检索刀套号与当前刀套号一致时，就不用旋转刀库，直接换刀；不一致时，则可利用ROT功能指令计算刀库旋转方向和旋转步数。
刀库旋转方向输出给W1,旋转步数计算结果存储到
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