fanuc数控车床刀架控制系统设计.docx
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fanuc数控车床刀架控制系统设计
摘要
数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种。
预计近年来对数控刀架需求量将大大增加。
数控刀架的发展趋势是：
随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。
本部分主要对四工位立式电动刀架的控制系统进行设计。
关键词：
数控刀架；四工位；电动回转刀架
1.3设计内容…………………………………………………………………....4
2.2霍尔原理及在刀架中运用的简单概述................................................................6
2.2.1霍尔效应与工作原理...............................................6
2.2.2霍尔效应的广泛运用……………………………………………………………..6
2.2.3霍尔元件在刀架中运用的简单概述……………………………………………..7
2.3刀架电气控制.................................................................................................7
2.3.1刀架的锁紧时间控制..............................................................................................8
2.3.2刀架刀位信号的监控...............................................8
2.3.3换刀时间的监控...................................................9
2.3.4刀架上电过程.....................................................9
2.4刀架机械结构.................................................................................................................10
3.1四工位刀架PLC梯形图与原理运用..............................13
3.3.1PLC的概述............................................................................................................13
3.3.2PLC梯形图运用....................................................................................................13
3.3.3刀架的操作............................................................................................................14
3.3.4数控车床刀架PLC梯形图...................................................................................17
3.3.5程序的调试............................................................................................................23
小结…………………………………………………………………………………24
第1章绪论
数控技术是现代制造技术的核心，是企业现代化水平的标志。
采用数控系统控制的数控机床在机械制造、模具加工、航天航空和造船等领域发挥着极其重要的作用。
本章介绍了本课题的研究背景，意义，基本内容
1.1课题研究的背景
FANUC数控系统是由日本富士通公司研制开发，目前在我国得到了广泛的应用。
在中国市场上应用于车床的数控系统主要有FANUCOi-TA/TB/TC和FANUCOimate-MA等。
数控车床主要由主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动系统及数控装置组成。
数控车床的出现对提高生产率改善产品质量以及改善劳动条件等发挥了重要的作用。
为了进一步压缩非切削时间，数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的发展方向。
在这类多工序的数控机床中必须带有自动换刀装置，在多工序数控机床出现之后，又逐步发展和完善了各类回转刀具的自动更换装置，扩大了换刀数量，以便有可能实现更复杂的换刀操作。
在自动换刀数控机床上，自动换刀装置应满足换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具储存量，换刀安全可靠等要求。
各类机床的换刀装置主要取决于机床的型式、工艺范围及刀具的数量和种类等。
自动换刀的形式主要有回转刀架换刀、主轴头转位换刀和带刀库的自动换刀系统。
传统的车床例如CA6140的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进，数控车床上使用的自动回转刀架是一种最简单的换刀装置，自动回转刀架是在一定的空间范围内，能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。
根据加工对象不同，有四方刀架、六角刀架和八（或更多）工位的圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。
1.2本课题的研究意义
（1）掌握了刀架的控制原理，熟悉了刀架的工作过程。
（2）了解刀架在工作过程中遇到的一些故障，能对一些简单的故障进行处理。
（3）使自己进一步了解FANUC数控机床，初步掌握了解决机床问题的一些方法，为以后的工作奠定了基础。
1.3设计内容
（1）测绘FANUC数控车床的电气原理图，接线图。
1）主电路原理图.
2）电动刀架原理图.
3）控制电路原理图.
4）机床输入信号原理图.
（2）设计FANUC数控车床刀架的控制系统（选型、计算）
1）选择四工位刀架.
2）刀架电气控制。
刀架电气控制组成部分包括电源、变压器、整流电路、CNC、PLC输入/输出板、接触器和中间继电器。
刀架电气控制通电过程：
电源-断路器（QF1）-断路器（QF2）-变压器-整流电路-接触器（KM1、KM2）-刀架正反转。
3）PLC控制。
PLC对控制刀架的I/O进行逻辑处理和运算，以实现刀架的顺序控制。
（3）有关机床参数。
1）换刀超时时间，刀具锁紧时间，正转延时时间的设定。
2）刀架控制相关PMC指令。
CODB刀架刀位信号处理；COMPB一致性比较指令；MOVE逻辑乘数据传送指令。
（4）PLC程序设计
1）刀架电动机的转动由PLC数字输出控制。
通过PLC的数字输出，控制直流继电器，继电器再驱动交流接触器接通三相交流电源，使刀架电动机正转或反转。
2）当PLC应用程序由数控系统的信号接口或从机床控制面板得到换刀指令后，控制刀架电动机正转，同时通过PLC的数字输入监控刀架的实际位置。
如果刀架的实际位置已处于指令位置，PLC应用程序控制刀架电动机反转锁紧，并启动延时控制。
延时时间到达后，刀架反转停止，换刀过程结束。
第2章数控刀架电气控制系统设计
2.1数控机床的组成
数控机床是装备了数控系统的机床，既包括NC机床，也包括CNC机床。
数字控制机床（NumericalControlledMachineTool），简称NC机床。
数控系统是一种控制系统，它能控制机床的运动和加工过程。
计算机数控机床（Computer-izedNumericalControlledMachineTool），简称CNC机床，是利用具有专门存储程序输入到数控装置，再由数控装置控制主运动的变数、起停、进给运动的方向、速度和位移大小，以及诸如刀具的选择、交换、工件夹紧、松开和冷却的起、停等动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格按数控程序的要求进行。
数控机床由数控系统模块、主轴控制模块、伺服驱动模块，传感器警示灯、电子器件、电源模块、电动刀架模块、冷却系统模块、接线端子等组成。
采用开放式和拆装式设计，可以进行数控机床电气控制部件的组装、接线、PMC编程、故障诊断和调试。
数控车床的组成部件：
图2-1数控车床组成图
2.2霍尔原理及在刀架中运用的简单概述
2.2.1霍尔效应与工作原理
所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。
金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。
当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。
半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。
由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。
利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。
其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。
若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中，则在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度E成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH确定。
利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。
如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。
根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。
若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。
霍尔元件应用霍尔效应的半导体
2.2.2霍尔效应的广泛运用
霍尔效应在应用技术中特别重要。
如果对位于磁场（B）中的导体（d）施加一个电压（Iv），该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压（UH），人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。
根据霍尔效应做成的霍尔器件，就是以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关的功能。
讫今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：
在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关，等等。
霍尔效应是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。
金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。
当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。
半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。
2.2.3霍尔元件在刀架中运用的简单概述
精度是一台数控机床的生命，假如机床丧失了精度也就丧失了加工生产的意义了，数控机床精度的保障很大一部分源于霍尔元件的检测精准性。
在数控机床上常用到的是霍尔接近开光：
霍尔元件是一种磁敏元件。
利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。
当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。
这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。
用霍尔开关检测刀位。
首先，得到换刀信号，即换刀开关接通先接通。
随后电机通过驱动放大器正转，刀架抬起，电机继续正转，刀架转过一个工位，霍尔元件检测是否为所需刀位，若是，则电机停转延时再反转刀架下降压紧，若不是，电机继续正转，刀架继续转位直至所需刀位。
接通整个电路电源，将换刀开关置于自动挡，再按下开始开关进行换刀，正传线圈自锁，自动进行换刀。
当转到所需刀位时，刀位对应霍尔元件自动断开，电机停止正转。
并接通反转电路，延时反转，刀架下降并压紧。
从执行图与分析中可以看出霍尔元件在数控机床中的重要作用。
它不但起到了检测与反馈作用，而且也是数控机床精度可靠性的保障。
2.3刀架电气控制
刀架具有很多种类。
下面以霍尔元件检测刀位的简易刀架为例，进行说明。
简易刀架是经济型车床上最常用的一种自动换刀机构。
它机械结构简单，调试和使用方便。
刀架采用三相异步电动机驱动，刀位检测采用霍尔元件。
这种道具只能单方向换刀，电动机正转换刀，反转锁紧。
刀架反转锁紧时刀架电动机实际上是一种堵转状态，因此刀架电动机反转的时间不能太长，否则可能导致刀架电动机的损坏。
刀架上每一个刀位都配备一个霍尔元件，如四工位刀架，需要配备4个霍尔元件。
霍尔元件的常态时截止，当刀具转到工作位置时，利用磁体使霍尔元件导通，将刀架位置状态发送到PLC的数字输入端。
霍尔元件只有导通和截止两种状态，因此对于电平有效地数控系统数字输入接口，应该使用大约1.5千欧姆的上拉电阻将导通和截止的状态变成低电平和高电平。
刀架电动机的转动由PLC数字输出控制。
通过PLC的数字输出，控制直流继电器，继电器再驱动交流接触器接通三相交流电源，使刀架电动机正转或反转。
当PLC应用程序由数控系统的信号接口或从机床控制面板得到换刀指令后，控制刀架电动机正转，同时通过PLC的数字输入监控刀架的实际位置。
如果刀架的实际位置已经处于指令位置，PLC应用程序控制刀架电动机反转锁紧，并启动延时控制。
延时时间到达后，刀架反转停止，换刀过程结束。
车床换刀时要考虑的安全问题是在换刀过程中刀具不能与工作碰撞。
换刀时，零件程序首先控制各坐标轴退至安全位置，再执行换刀指令TX。
换刀完成后，快速移动到工件坐标系原点，继续加工。
就是说在换刀指令完成之前，PLC要锁定零件程序的继续执行，同时要禁止坐标轴的运动。
锁定零件程序的继续执行是通过数控系统信号就看中通道信号“读入禁止”实现的；坐标轴禁止运动则是通过通道接口中的“进给保持”信号置位实现的。
2.3.1刀架的锁紧时间控制
刀架锁紧是，刀架电动机处于堵转状态，所以刀架的锁紧时间不能太长。
由于不同厂商生产的刀架，反转锁紧的时间可能不同，因此刀架的锁紧时间在PLC应用程序中是一个可变的值。
刀架锁紧所需的时间，应该以刀架生产厂商的技术指标为准。
考虑锁紧时间的可变性，可以使用PLC参数定义刀架的锁紧时间。
如果使用了PLC参数，必须在PLC应用程序的技术说明书中定义该参数的单位和取值范围，这样在机床的生产过程中，操作人员可以根据PLC技术说明书设定PLC参数。
同时，在PLC初始化时应该检查输入的参数是否在定义的取值范围之内。
如果小于地限值；如果超出高限，则令其等于高限值。
刀架电动机的反转时间切忌过长。
2.3.2刀架刀位信号的监控
如果刀位检测信号出现问题，将使换刀过程不能结束，因此PLC应用程序永远不能找到零件程序中的目标刀具。
这种情况在机床使用过程中是有可能出现的，如果冷却液进入刀架，使霍尔元件损坏或刀位信号断线等。
从刀架的时序图中可以看出，刀架的位置检测信号在任何时候都没有全“0”或都为“1”，则说明刀架硬件故障。
这时应通过激活PLC报警向操作人员提供故障信息，提醒操作人员对刀架进行检修。
2.3.3换刀时间的监控
所谓时间监控是监控从启动换刀到找目标刀具的时间。
如在换刀过程中由于刀位信号故障或编程错误，都可能导致找不到目标刀位，使换刀过程不能完成。
监控换刀时间的PLC应用程序可利用换刀指令激活一个定时器，如果在定时器规定时间内无法找到目标刀位，PLC程序激活报警，操作人员通过报警提示进行检修。
同样，换刀的监控时间可以通过PLC参数设定，并在PLC技术说明书中定义参数单位和取值范围。
2.3.4刀架上电过程
刀架电气控制图如图2-3所示。
1）刀架电气控制组成部分包括电源、变压器、整流电路、CNC、PLC输入/输出板、接触器和中间继电器。
2）刀架电气控制通电过程：
电源-断路器（QF1）-断路器（QF2）-变压器-整流电路-接触器（KM1、KM2）-刀架正反转。
3）刀架电气控制信号传递过程：
外加信号-整流电路-CNC-PLC输入-CNC-PLC输出-中间继电器（KA8、KA9）-刀架正反转。
系统发出换刀信号，控制继电器动作，电动机正转，通过蜗轮、蜗杆、螺杆将刀架体上升一定高度后，端面齿脱开，转位套通过销钉与蜗轮丝杠一起转动，当端面齿完全脱开，转位套正好转过160度，此时球头销在弹力的作用下进入转位套的槽中，带动刀架体旋转。
当刀体转至所需刀位时，霍尔元件电路发出到位信号，电动机反转，由于粗定位槽的限制，刀架体不能旋转，使其在该位置垂直落下，刀架体和刀架端面上的端面齿啮合，实现精确定位。
同时，电动机继续反转一定时间（由PLC或参数决定），紧力增加，刀架锁紧。
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、反转，从而实现电动刀架的松开、转位、锁紧等动作如图2-3（a）所示；弱电部分主要由位置传感器-发信盘构成，发信盘采用霍尔传感器发信。
该数控电动刀架的电动机采用三相异步电动机，功率90W，转速1300r/min。
（a）强电控制（b）PLC输入/出（c）交流控制回路
图2-3刀架电气控制
数控刀架的控制主要由PLC来完成。
PLC输入/输出如图2-3（b）所示。
PLC输入信号到X11、X12、X13、X14时分别对应了1号刀、2号刀、3号刀、4号刀，PLC接到指令后作出相关的反应并传到PLC输出模块Y00、Y01,由中间继电器KA8、KA9来控制刀架的正、反转，输出最终指令。
2.4刀架机械结构
为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，以缩短辅助时间，减少多次安装工件引起的误差，数控车床必须带有自动换刀装置。
自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具存储以及安全可靠等基本要求。
数控车床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置。
根据加工对象不同，有四方刀架、六角刀架和八（或更多）工位的圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。
回转刀架上分别安装四把、六把或更多刀具，并按照数控装置的指令换刀。
回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时切削抗力和减少刀架在切削力作用下的位移变形，提高加工精度。
由于车削加工精度在很多程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀架部要进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后具有更高的重复定位精度，一般为0.001~0.005mm。
回转刀架按其工作原理不同可分为机械螺母升降转位、十字槽轮转位、凸台棘爪式、电磁式及液压式等多种工作方式。
但其换刀过程一般均为刀架抬起、刀架转位、刀架压紧并定位等几个步骤。
现在就以如图2-4所示的数控车床
四工位刀架为例作进一说明。
图2-4四工位刀架
四工位刀架的换刀过程简单，由以下几个步骤来实现：
（1）刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，电动机正转，并经联轴器，由滑键带动蜗杆、涡轮、轴、轴套转动。
轴套的外圆上有两处凸起，可在套筒内孔中的螺旋槽内滑动，从而举起与套筒相连的刀架及上端齿盘，使齿盘与下端齿盘分开，完成刀架抬起动作。
（2）刀架刀位刀架抬起后，轴套仍在继续转动，同时带动刀架转过90度（如不到位，刀架还可以继续转为180、270、360度），并由微动开关发出信号给数控装置。
（3）刀架压紧刀架转到位后，由微动开关的信号使电动机反转，利用销使刀架定位而不再随轴套回转，于是刀架向下移动，上下端齿盘合拢压紧。
蜗杆继续转动并产生轴向位移，压缩弹簧，套筒的外圆曲面压缩开关使电动机停
止旋转，从而完成一次转位。
车床刀架机械结构如图2-5所示。
图2-5车床刀架机械结构
第3章数控刀架PLC控制系统设计
数控机床刀架是由机床PLC来进行控制，对于普通的四工位刀架来说，控制比较简单，一般用于普通的车床。
我们分析车床刀架的控制原理其实就是指刀架的整个换刀过程，刀架的换刀过程其实是通过PLC对控制刀架的所有I/O信号进行逻辑处理及计算。
实现刀架的顺序控制。
另外为了保证换刀能够正确进行，系统一般还要设置一些相应的系统参数来对换刀过程进行调整。
在分析之前，我们首先了解刀架控制的电气部分。
刀架电气控制部分如图2-3所示。
图中的a是刀架控制的强电部分，主要是控制刀架电机的正转和反转，来控制刀架的正转和反转；图b是刀架控制的交流控制回路，主要是控制两个交流接触器的导通和关闭来实现a中的强电控制；图c部分是刀架控制的继电器控制回路及PLC的输入及输出回路，整个过程的控制最终是由这个模块来完成的
3.1四工位刀架PLC梯形图与原理运用
3.3.1PLC的概述
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,PLC自1966年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大。
PLC=ProgrammablelogicController，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
是工业控制的核心部分。
3.3.2PLC梯形图运用
梯形图是PLC使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。
梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。
梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。
PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。
该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。
如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。
使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。
3.3.3刀架的操作
刀架换刀有两种模式，一种是手动换刀，一种是通过T指令进行自动换刀。
（1）手动换刀：
首先把模式选择打到手动（JOG）模式，在按辅助功能模块上的刀库手动按键进行换刀。
短促按一次换一个刀位，长按则连续换刀。
（2）自动换刀：
首先把模式选择打到手动输入模式，在按下MDI单元功能键PROG输入所需的目标刀号（如T0202），按功能键EOB，接着按功能键INSERT,最后按操作面板上的绿色的循环启动键，即能找到所需的目标刀位。
刀架控制相关PMC指令介绍
（1）二进制转换指令如下：
RSTW1
形式指定
ACT变换数据数
变换输入数据地址
变换输出数据地址
RST=1:
指错误输出W1复位
ACT=1:
执行COD命令
W1=1：
变换输入号超过了变换数据数，指
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