毕业论文《四方刀架的plc控制设计》.docx
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毕业论文《四方刀架的plc控制设计》
摘要
四工位自动刀架电路，刀架电机采用三相交流380V供电，正转是驱动刀架正向旋转，各刀具按顺序依次经过加工位置，刀架电机反转时，刀架自动锁死，保证刀具能够承受切削力。
每把刀具各有一个霍尔位置检测开关。
换刀动作由T指令或手动换刀按纽启动，换刀过程如下：
（a）刀架电机正转；
（b）检测到所选刀位的有效信号，停止刀架电机，并延时
（c）延时结束后刀架电机反转锁死刀架，并延时
（d）延时结束后停止刀架电机，换刀完成。
关键词数控机床；电动刀架；自动换刀
第1章机械结构
1.1刀架总述
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。
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。
电动机停止转动，换刀结束。
第2章电动刀架的电气控制
2.1刀架拆卸顺序
A、使刀架处于松开状态，拆下上盖1，拆下发讯盘2上的电线，然后拆下小锣母3、发讯盘2、磁钢座4。
B、取出大螺母5内两只M4螺钉，卸下大螺母5及止退圈6、平面轴承、离合盘7。
C、取下上刀体11，拆下外端齿16、螺杆19、螺母18、离合削8、反靠销10（注意外端齿16、螺母18相对于上刀体11的位置。
D、拆下电机、联接座12、端盖22。
E、从端改22端，向联接座12端敲出蜗杆23以轴承。
F、卸下中轴14，取出蜗轮15及平面轴承，卸下反靠盘17。
2、装配顺序
A、装配时所有零件清洗上油，传动部位上润滑脂。
B、按拆卸反顺序装配。
C、刀架在啮合状态时，上刀体11与下刀体13应四面平行，反靠销10应在反靠盘17槽中，离合销8应在离合盘7平面上，大约离槽125度左右。
D、用内六角扳手转动蜗杆，使刀架端齿处于松开状态，拧紧大螺母5，然后稍稍松开一点大螺母5，使大螺母5上的螺孔与止退圈6上的螺孔对准，装上2—M5防松螺钉，在转动蜗杆使刀架锁紧。
E、使刀架锁紧，调整磁钢21与霍尔元件（发讯盘3中）的相对位置，使刀架处于要刀位置。
图6-1拆装顺序及结构图
2.2工作原理
微机发出换刀信号，控制继电器动作，电机正转，通过蜗轮、蜗杆、螺杆将销盘上升至一定高度时，离合销进入离合盘槽，离合盘带动离合销，离合销带动销盘，销盘带动上刀体转位，当上刀体转到所需刀位时，霍尔元件电路发出到位信号，电机反转，反靠销进入反靠盘槽，离合销从离合盘槽中爬出，刀架完成粗定位。
同时销盘下降端齿啮合，完成精定位，刀架锁紧。
（15T）反转时间到，继电器动作，电机停止。
（5/3T）延时绩电器动作，切断电源，电机停转，并向微机发出回答信号，加工程序开始。
2.3电动刀架的电气控制
电动刀架的电气控制分强电和弱电两部分，强电部分有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——发讯盘构成。
发讯盘采用霍尔传感器发讯。
根据数控系统的不同，发讯盘及相应控制也不相同，现分别说明：
2.3.15/3T型
换刀时，数控系统将相应刀位线（T1~T4）接地，然后等待回答信号，刀架的松开、转位、锁紧动作均由控制箱完成。
图2-2电气控制图
引脚
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
功能
T1
T2
T3
T4
T5
T6
到位
电源
线色
黄
橙
蓝
白
粉红
紫
绿
红
表6-1刀架信号接口（15芯孔式插头）
引脚
1
2
3
4
功能
PE
U
V
W
线色
黄绿
黑
黑
黑
表2-2刀架电机线接口（4芯针式航空插头）
2.3.215T型
图2-3刀架电机控制图
换刀时，数控系统将低电平有效的正转信号送出，然后检测相应刀位信号线（T1~T4），当所要刀位信号线有效（低电平）后，撤消正转信号，同时给出反转信号，系统已设定反转时间，反转时间到，撤消反转信号。
该种方式我厂也配有控制箱，可代替交流接触器，用户可根据实际情况选用。
引脚
1
2
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13
14
15
功能
T1
T2
T3
T4
T5
T6
地
电源
线色
黄
橙
蓝
白
粉红
紫
绿
红
表2-3刀架信号线接口（15芯孔式插头）
引脚
1
2
3
4
功能
PE
U
V
W
线色
黄绿
黑
黑
黑
表2-4刀架电机线接口（4芯针式航空插头）
A、正位（锁进）信号：
有些立式刀架提供正位（锁进）信号，由霍尔传感器发讯，低电平有效。
（LD4-0625刀架，正位信号由微动开关发信，低电平有效）该信号由一根灰色线在插头（15芯孔式插头）外单独引出。
B、霍尔发讯盘：
采用开关型、单记性极性霍尔传感器发讯。
其输出为NPN型常开输出，低电平有效，最大额定输出电流25mA。
使用电源为12V/24VDC。
C、有的发讯盘设计有限流保护电路。
如果发讯盘的输出电流大于额定输出电流则保护电路启动，切断所有刀位信号输出电流（刀架连转）。
此时需断开发讯盘电源，排除电路故障，重新上电即能正常工作。
因此刀架接线时应确认发讯盘的负载电流是否符合要求。
例如不能用发讯盘直接带继电器等大负载器件，另外加上拉电阻时上拉电阻阻值不可太小。
带保护的发讯盘有12V和24VDC两种规格，使用前应确认所使用发讯盘的电源规格。
D、上拉电阻：
有些CNC系统要求刀位输入信号高电平有效，此时应加上拉电阻，上拉电阻阻值及功率不可太小，以免损坏发讯盘。
建议在24V电源下使用1.5K～2.2K，1/2W电阻；在12电源下使用620～1500，1/2W电阻。
第3章数控车床刀架PLC控制
3.1过程分析
以四工位自动刀架为例，刀架电机采用三相交流380V供电，正转是驱动刀架正向旋转，各刀具按顺序依次经过加工位置，刀架电机反转时，刀架自动锁死，保证刀具能够承受切削力。
每把刀具各有一个霍尔位置检测开关。
换刀动作由T指令或手动换刀按纽启动，换刀过程如下：
（a）刀架电机正转；
（b）检测到所选刀位的有效信号，停止刀架电机，并延时（100s）；
（c）延时结束后刀架电机反转锁死刀架，并延时（500s）；
（d）延时结束后停止刀架电机，换刀完成。
3.2安全互锁
（1）刀架电机长时间旋转（如20s），而检测不到刀位信号，则认为刀架出现故障，立即停止刀架电机，以防止将其损坏并报警提示；
过热报警时，停止换刀过程，并禁止自动加工；
3.3程序设计
3.3.1车床刀架用T指令换刀的C语言PLC处理程序
if（X[2]&ox80）==4//若电机过热（X2.7为0）
{
*sys_ext_alm（）|=4;//则显示2号外部报警：
刀架电机过热
mod_T_code（0）=-1;//强制T指令完成
return;//从T指令处理程序返回到PLC主程序
（以下简称“返回”）
}
eles//否则
*sys_ext_alm（）&=～4;//清楚2号外部报警
T_NO=mod_T_code（0）/100;//由T指令获得所要选的刀号
//列如T121，指选1号刀具，刀偏值取21号
If（T_stage_dwell>plcl_time）;//若设定的换刀延时时间未完成
{
T_stage_dwell-=plcl_time;//则延时时间减去本程序执行周期的扫描时间
reture;//并且返回
}
else//否则
T_stage_dwell=0;//清零为下次延时准备
//进入switch结果，执行换刀顺序的下一步
Switch（T_stage）//读取换刀顺序标记
{
case0:
//换刀第0步
Y[0]|=ox40;//输出Y0.6步，刀架正转
Break;//退出switch结构（以下简称“退出”）
case1:
//换刀第1步
if（（X[3]&oxf）!
=（1<<（T-NO_1）））
{//若本扫描周期读取的刀位信号不是所选刀
T_stage=0;//则，回到换刀第0步，即保持正转继续找刀
T_change_time+=lcl_time;//记录正转时间
If（T_change_time>8000）//若超过8s没有找到目标刀位
{
*sys_ext_alm（）|=8;//则显示3号外部报警：
换刀超时
Y[0]&=～ox40;//停止电机
mod_T_code（0）=-1;//T指令强制完成
break;//退出
}
Else
*sys_ext_alm（）&=～8;//否则清楚3号外部报警
Break;//退出
}
Y[0]&=～ox40;//否则，表示以到达所选刀位，Y0.置零，停止刀架正转
T_stage_dwell=100;//设定停止延时=100ms
Break;//退出
case2;//换刀第2步
Y[0]|=ox80;//Y0.7置1，刀电机反转锁死刀架
T_stage_dwell=500;//反转时间为500ms
Break;//退出
Case3;//换刀第3步
Y[0]&=～ox80;//Y0.7置0，刀架电机停止旋转
Mod_T_code（0）=-1;//置T指令完成标记
Break;//退出
}
T_stage++;//换刀顺序标记加1
//若顺利，下面的程序扫描周期中
//待延时时间完成后自动进入换刀顺序过程的下一步
3.4刀架控制逻辑
3.4.1控制逻辑
刀架控制逻辑见表2-1
分类
条件
结果
执行T代码
自动方式下零件加工成功程序中T代码与实际刀位不符时
刀架正转信号有效，信号一直保持到实际刀位与编程中T代码一致，然后刀架反转信号自动生效。
反转信号的保持时间由机床参数设定
连续换刀
手动方式下按下换刀键，直至刀架转到所需位置
刀架正转信号有效，直至换刀键松开，然后刀架反转信号自动生效。
反转信号的保持时间由机床设定
点动换刀
手动方式下短促按下手动换刀键
刀架正转信号有效，直至刀架转过一个刀位，然后刀架反转信号自动生效
表2-1
3.4.2信号地址、名称和意义
刀架控制的有关信号地址、名称和意义见表2-2
输入信号
类型
地址及名称
意义
I/O—PLC信号
I0.0、I0.1、I0.2、I0.3刀位反馈信号
刀架在T1位时I0.0为ON
NCK—PLC信号
V25002000.0、V25002000.1、V25002000.2、V25002000.3
零件程序中的T1、T2、T3、T4
读入编程指令T1,则V25002000.0为ON
V31000000.2有效运动方式“手动”
OFF时为自动方式
MCP—PLC信号
V1000000.3换刀键（K4）
按下K4，V1000000.3为ON
输出信号
类型
地址及名称
意义
PLC—I/O信号
Q0.4、Q0.5刀架正反转
输出刀架正反转信号
PLC—MCP
V11000000.3刀架运动状态显示
刀架正反转时，LED4亮
表2-2
3.4.2自动换刀系统
1.自动换到系统I/O口定义
（1）输入I口
I0.0、I0.1、I0.2、I0.3:
刀位检测信号；
I0.4:
锁紧到位检测信号；
I2.1：
机床面板上的手动换刀键；
I2.2：
零件程序中的T指令正转信号；
I2.3：
零件程序中的T指令反转信号。
（2）输出O口
Q0.4：
刀架正转；
Q0.5:
刀架反转；
Q0.6:
换刀故障指示灯。
2.自动换刀系统自动控制
图2-1刀架电路外部连接图
（1）自动换刀系统工作原理
手动方式下，当短促或长时间按手动换刀键SB1后，网络1单元I2.1为1，使辅助输出M1.1闭合，并由其自身的常开自锁，同时控制网络5中的Q0.4接通中间继电器KA1线圈，刀架正转到与其相邻的一个工位或刀架正转一直保持按键松开。
由网络2中的工位检测判断其有无旋转到该工位上，分别由I0.0、I0.1、I0.2、I0.3、I0.4五个工位位置输入信号检测控制辅助继电器M0.1，当到达该工位后，M0.1闭合，从而断开网络1中的M1.1,使网络5中的Q0.4断开，刀架停转。
自动方式下、网络3中当零件加工程序T正转信号I2.2接通后，使辅助继电器M1.2闭合，并由其自身的常开自锁，同时控制网络5中的Q0.4接通中间继电器KA1线圈，刀架正转一直保持到刀位与编码T相等。
由网络2中的工位检测判断其有无旋转到该工位上，分别由I0.0、I0.1、I0.2、I0.3、I0.4五个工位位置输入信号检测控制辅助继电器M0.1，当到达该工位后，M0.1闭合，从而断开网络1中的M1.1,使网络5中的Q0.4断开，刀架停转；反转同理，在网络4中，当闭合M1.3并由其自身常开自锁，同时控制网络6中的Q0.5接通中间继电器KA2线圈，刀架反转一直保持到刀位与编码T相等。
由网络2中的工位检测判断其有无旋转到该工位上，分别由I0.0、I0.1、I0.2、I0.3、I0.4五个工位位置输入信号检测控制辅助继电器M0.1，当到达该工位后，M0.1闭合，从而断开网络1中的M1.1使网络6中的Q0.5断开，刀架停转。
图2-2
（2）自动换刀系统出现故障时监控
在网络7中，由T37设定值控制刀架转动时间，若长时间刀架转不到位，则使输出Q0.6闭合控制HL2闪烁报警。
第4章数控机床的开机调试
机床的各个部分安装就绪后应做好一下工作
一、在手动方式下调试X轴Z轴方向上的进給与后退
二、在手动方式下完成机床的回零
三、在手动与指令输入的方式下。
调试主轴的正反转与无级调速
四、在手动与指令输入方式完成道具的自动换刀
经济型数控车床一般都配有四工位自动回转刀架，它是根据微机数控系统改造传统机床设备的需要，同时兼顾刀架在机床上能够独立控制的需要而设计的。
现有自动回转刀架，其结构主要有插销式和端齿盘式。
由于刀架生产厂家无统一标准，因此，其结构、尺寸各异。
而无论是哪一类刀架，要使其正常工作，均涉及到机械、电气、控制系统等多方面的稳定、可靠工作。
一旦出现某种故障现象，则可能是机械原因，也可能是电气、控制系统方面的原因。
因此，应根据不同故障类型，找准原因，准确迅速确定故障点，方能及时排除故障。
现以目前使用较多的端齿盘式四工位自动刀架可能出现的各种故障现象加以分析，确定其排除方法。
其它类型的刀架，虽其结构、尺寸、元器件类型号各有差异，但故障原因大多雷同，也可参照此法加以排除。
4.1刀架不能启动
4.1.1机械方面的原因
刀架预紧力过大。
当用六角扳手插入蜗杆端部旋转时不易转动，而用力时，可以转动，但下次夹紧后刀架仍不能启动。
此种现象出现，可确定刀架不能启动的原因是预紧力过大，可通过调小刀架电机夹紧电流排除之。
刀架内部机械卡死。
当从蜗杆端部转动蜗杆时，顺时针方向转不动，其原因是机械卡死。
首先，检查夹紧装置反靠定位销是否在反靠棘轮槽内，若在，则需将反靠棘轮与螺杆连接销孔回转一个角度重新打孔连接；其次，检查主轴螺母是否锁死，如螺母锁死，应重新调整；再次，由于润滑不良造成旋转件研死，此时，应拆开，观察实际情况，加以润滑处理。
4.1.2电器方面的原因
电源不通、电机不转。
检查溶芯是否完好、电源开关是否良好接通、开关位置是否正确。
当用万用表测量电容时，电压值是否在规定范围内，可通过更换保险、调整开关位置、使接通部位接触良好等相应措施来排除。
除此以外，电源不通的原因还可考虑刀架至控制器断线、刀架内部断线、电刷式霍尔元件位置变化导致不能正常通断等情况。
电源通，电机反转，可确定为电机相序接反。
通过检查线路，变换相序排除之。
手动换刀正常、机控不换刀，应重点检查微机与刀架控制器引线、微机i/o接口及刀架到位回答信号。
4.2刀架连续运转、到位不停
由于刀架能够连续运转，所以，机械方面出现故障的可能性较小，主要从电气方面检查：
检查刀架到位信号是否发出，若没有到位信号，则是发讯盘故障。
可检查：
发讯盘弹性触头是否磨坏、发讯盘地线是否断路或接触不良或漏接。
此时需要更换弹性片触头或重修，针对其线路中的继电器接触情况、到位开关接触情况、线路连接情况相应地进行线路故障排除。
当仅出现某号刀不能定位时，则是由于该号刀位线断路所至。
4.3刀架越位过冲或转不到位
刀架越位过冲故障的机械原因可能性较大。
主要是后靠装置不起征作用。
首先检查后靠定位销是否灵活，弹簧是否疲劳。
此时应修复定位销使其灵活或更换弹簧。
其次，检查后靠棘轮与蜗杆连接是否断开，若断开，需更换连接销。
若仍出现过冲现象，则可能是由于刀具太长过重，应更换弹性模量稍大的定位销弹簧。
出现刀架运转不到位（有时中途位置突然停留），主要是由于发讯盘触点与弹性片触点错位，即刀位信号胶木盘位置固定偏移所至。
此时，应重新调整发讯盘与弹性片触头位置并固定牢靠。
若仍不能排除故障，则可能是发讯盘夹紧螺母松动，造成位置移动。
4.4刀架不能正常夹紧
出现该故障时，首先检查夹紧开关位置是否固定不当，并调整至正常位置；其次，用万用表检查其相应线路继电器是否能正常工作，触点接触是否可靠。
若仍不能排除，则应考虑刀架内部机械配合是否松动。
有时会出现由于内齿盘上有碎屑造成夹紧不牢而使定位不准，此时，应调整其机械装配并清洁内齿盘。
第5章故障现象分析
5.1常见的故障
1.按下启动按钮机床未动作
分析：
用万用表测量后发现伺服启动按钮的常开与常闭按钮接错解决的办法，按正确的接线结好即可
2.急停报警
分析：
产生此故障由两个：
一X6接口未接好。
二x6上的15、16管脚上的急停没有和机床面板上的急停按钮相连，解决的办法，X6上的15、16脚外接急停键信号，开路表示“急停状态”常态时与0V接通。
例如15、16脚短接
3.按下主轴按钮主轴运行正常但继电器指示灯不亮
分析：
指示灯未一发光二极管由正负，解决的办法倒一下继电器线圈的两根线即可。
类似故障解决的办法也一样。
4.去掉电动刀架后主轴正反转不能输出，现象：
KA3、KA4不吸合灯不亮
分析：
不能和L1、M1构成回路解决的办法找到X4接口上的2号管脚和10号管脚把系统的24V和开关电源上的24V连上能实现系统对主轴电机的控制。
5.进給轴报警。
解决的办法，选择手动工作方式按与限位方向的手动进給键即可推出行程限位
6.驱动器报警，在屏幕右上角提示Z轴驱动器报警：
程序停止运行并关闭所有输出信号解决的办法检查驱动器即排除故障重新上电
5.2刀架使用的注意事项
A、刀架电机采用三相380V特殊刀架电机，刀架连续运行时，每分钟换刀次数不得超过6次，否则会烧坏电机。
该刀架反转锁紧时间为1.2～1.3秒。
反转锁紧时间设置过长会使电机温升过高而损坏电机。
反转锁紧时间设置
过短会使刀架不能充分锁紧。
在每台刀架的合格证上都注明了该刀架的准确锁紧时间。
故障现象
可能原因
排除方法
1、电机起不动或上刀体不转动
1）电机三相电源线相序接反
2）电源电压偏低
1）立即切断电源，调整电机相序。
2）电源电压正常后在使用。
2、上刀体连转不停或刀台在某刀位不停
1）发讯盘电源故障
2）发讯盘某刀位信号线接触不良
3）某霍尔元件断路或短路
4）磁钢磁极装反
5）磁与霍尔元件高度位置不准
6）某霍尔元件与磁钢无信号
去掉上罩壳，检查发讯盘接线是否有短路或开路现象；发讯盘电源电压是否正常；检查机床相关接线是否良好；调整磁钢磁极方向；调整磁钢与霍尔元件位置；更换霍尔元件。
3、刀架锁不紧
1）刀架电机反转时间不够
2）刀架电机正发转接触器的接线接触不良
3）用刀架锁紧信号关断电机反转接触器
重设刀架反转锁紧时间；检查机床相关控制程序是否正确；不能用刀架锁紧信号控制反转接触器
4、刀台换刀位时不到位或过冲太大
1）磁钢在圆周方向相对霍尔元件太前或太后
2）机床动作控制程序中，在刀架电机正转停止和反转开始之间，插入较长延时。
调整磁钢在圆周方向相对于霍尔元件的位置；修改程序，删除在刀架电机正转停止和刀架电机反转开始之间的延时。
5、工件的加工表面出现波纹
1）刀架没有充分锁紧
2）车刀固定不牢固或刀杆太细
适当延长锁紧时间。
（合格证上注明了该刀架的准确锁紧时间）
表5-5常见故障及排除方法
数控回转刀架是数控车床重要部件之一，它在一定程度上标志着数控车床的技术水平，并且与加工精度和生产效率密切相关。
因此，国内外都在不断地提高数控回转刀架的重复定位精度和转位速度，以适应高质量、高效率生产的要求。
目前具有世界先进水平的数控车床，其转位速度已达到1s以内，重复定位精度可保证小于0.002mm。
数控车床回转刀架按结构分有转塔型和转塔—刀库型两种。
目前转塔型的较多，转塔上一般有4～12个工位，水平式转轴占绝大多数。
现在采用较多的数控回转刀架有：
德国的SAUTER（肖特）、意大利的DU-PLOMATUC（杜普洛马蒂克）和BARUFFALDI（巴鲁法迪）等，它们都有自己的系列型式、规格和专利。
下面仅介绍德国的肖特公司的数控回转刀架。
其结构见附图。
刀架的分度过程是以普通三相交流电动机驱动，通过三级行星齿轮降速，借助电动机正反转来完成转塔刀架的松开、升起、转位、落下和夹紧肖特刀架结构图1.刀盘体2.缓冲橡胶块3.缓冲盘（粗定位盘）4.壳体5.下端齿盘6.固定端齿盘7.连接销钉8.上端齿盘（下部离合器）9.上部离合器10.碟形弹簧11.一级压紧环12.开关传动齿轮13.轴齿轮14.升起圆柱形弹簧15.电机16.粗定位盘3.上的定位孔17.预分度销钉18.预插销连杆固定动作。
主要动作顺序是：
回转刀架被锁紧在某一原位上时，驱动电动机与电磁铁均处于断电状态。
离合器9和8处于锁紧状态。
当电动机15正转时，行星轮机构的最后一级驱动压紧环11和齿形离合器上部9一起旋转，约转20°角，上部离合器9的凸起部分落入下部离合器8的凹槽部分。
在圆柱形弹簧14的作用下使下部离合器8升起而脱开双层端齿盘5（与刀盘1连接）和固定于
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