加工中心自动换刀控制系统毕业设计.docx
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加工中心自动换刀控制系统毕业设计
加工中心自动换刀控制系统设计
摘要
机床的发展与应用，大大降低了零件加工的辅助时间，极大的提高了生产率。
随着数控机床的普及应用，机械加工的自动化程度大大提高，数控机床发展成了当
今普遍应用的一种更新、更先进的制造设备即加工中心。
加工中心带有刀库和自动
换刀装置，能对工件按预定程序进行多工序加工的高度自动化的多功能的数字控制
机床。
自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具存储量足够、刀具的安置空间小以及
安全可靠等基本要求。
加工中心的关键在于CNC对刀库的自动选刀和刀库、机械
手与主轴间的自动换刀，加工中心出现故障80%都在上述方面本课题就是针对现有
的自动换刀装置进一步减少换刀时间，利用PLC对刀库的选刀控制和刀库、机械
手与主轴间的自动换刀控制以及刀库精确定位。
利用PLC控制液压传动机构，使
液压传动更加稳定和精确。
关键词：
ATC，刀库，PLC，自动选刀，液压传动
I
加工中心自动换刀控制系统设计
Abstract
WiththedevelopmentofNC,theautomatictoolchangersystemisMoreandmore
importantinthemodernadvancedmanufacture,becausetheATCcanshortenthecycle
timeofproductmanufacturing,improvetheprecisionofproductmachining.Thelatest
requirementsofmachinetoolusercompriseofdiversificationofcontrolobject,
complexityofprocess,flexibleofapplicationandhighreliability.
Thefunctionoftoolmagazineisthatstoresthetoolandmovesthetoolwhichwillbe
usedinthenextmanufacturingprocesstotherightchangeoverpositionandrobotwill
finishthechangeovertoolWhenthetoolmagazine'scapacityissobigandthedistance
oftoolpositionismorefarawaytheprincipalaxis,thereneedthetoolexchangingunit
toimplementthechangeoverworkbetweentheprincipalaxisandtoolmagazine.The
frameworkofthisfunctionincludetherobot,toolsrotationstationandchangeoverrobot.
PLCcontroltheuseofhydraulictransmission,madehydraulictransmissiontomore
stableandaccurate.
Keywords:
ATC，toolmagazine，PLC，toolexchangeatrandom，Hydraulic
transmission
II
加工中心自动换刀控制系统设计
第一章绪论………………………………………………………………………1
1.1国内外数控机床的发展情况…………………………………………….....1
1.1.1国内外数控机床的现状…………………………………………………..1
1.1.2数控机床发展趋势…………………………………………………….....2
1.2可编程控制技术的现状及发展情况…………………………………….....3
1.2.1可编程控制器的特点……………………………………………………..3
1.2.2可编程控制器的应用……………………………………………………..4
1.2.3可编程控制器的发展趋势………………………………………………...6
1.3本文的主要研究意义与内容…………………………………………….....7
第二章机械手的自动换刀装置研究………………………………………………8
2.1数控机床自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围………………….8
2.1.1自动回转刀架……………………………………………………………8
2.1.2转塔头式换刀装………………………………………………………….9
2.1.3带刀库的自动换刀系统…………………………………………………..9
2.2ATC的作用及其组成…………………………………………………....10
2.2.1ATC的作用……………………………………………………………..10
2.2.2ATC的主要组成………………………………………………………...10
2.3加工中心机械手自动换刀过程…………………………………………..13
第三章PLC控制系统设计………………………………………………………16
3.1PLC机型的选择…………………………………………………………...16
3.1.1CPU的能力…………………………………………………………….16
3.1.2I/O点数………………………………………………………………..16
3.1.3响应速度……………………………………………………………....17
3.1.4指令系统……………………………………………………………....17
3.1.5机型选择的其它考虑…………………………………………………..18
3.2PLC控制系统设计………………………………………………………..18
3.2.1本机I/O与扩展I/O的地址分配………………………………………..18
III
加工中心自动换刀控制系统设计
3.2.2电器的选择……………………………………………………………20
3.3PLC外部接线图设计……………………………………………………..21
3.4应用S7-200编制梯形图………………………………………………...25
第四章液压传动部分的设计……………………………………………………28
4.1液压传动系统的特点…………………………………………………….28
4.2液压传动系统的选择…………………………………………………….28
4.3液压传动回路设计……………………………………………………….29
第五章机械手三维模型设计…………………………………………………..33
5.1PRO/E软件介绍…………………………………………………………..33
5.2应用PRO/E进行模型设计………………………………………………33
第六章毕业设计结论…………………………………………………………..39
参考文献………………………………………………………………………40
致谢信………………………………………………………………………….42
声明……………………………………………………………………………43
IV
加工中心自动换刀控制系统设计
第一章绪论
1.1国内外数控机床的发展情况
[1]
随着数控技术的发展，带有自动换刀系统的加工中心在现代制造业中起着愈
来愈重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加工。
自动换刀系统一般由刀库、机械手和驱动装置组成。
刀库容量可大可小，其装刀数
在20—180把之间。
刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具准确地送到
换刀位置，供换刀机械手完成新旧刀具的交换。
当刀库容量大时，常远离主轴配置
且整体移动不易，这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。
完成
此功能的机构包括送刀臂、摆刀站和换刀臂，总称为机械手。
具体来说，它的功能
是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。
驱动装置则是使刀库和机械手实
现其功能的装置，一般由步进电机或液压（或气液机构）或凸轮机构组成。
机械手完
成刀库里的刀（新刀）与主轴上的刀（旧刀）的交换工作。
由于数控加工中心的刀库容
量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压
缩非切削时间，提高生产效率，改善劳动条件。
所以数控机床为了能在工件一次装
夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带
有自动换刀装置。
1.1.1国内外数控机床的现状
当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、
高效、自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。
长期以来，欧、美、亚在
国际市场上相互展开激烈竞争，己形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技
术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早
己成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场
的焦点。
中国加入WTO后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业
实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务。
自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床
在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术
无论在硬件和软件方面，都有飞速发展。
1956年，日本富士通研究成功数控转塔
1
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[2]
式冲床，美国IBM公司同期研制成功了“APT”（刀具程序控制装置）的加工中心。
1958
年美国K&T公司研制出带ATC（自动刀具交换装置）的加工中心。
1967年出现了
FMS,1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置。
可实现多工序加工的机床
步入了机床发展的黄金时代。
中国1958年研制出第一台数控机床以来，发展过程大致可分为两大阶段。
在
1958～1979年间为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。
第一阶段中对数控机床
特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情况下，无
法用于生产而停顿。
主要存在的问题是盲目性大，缺乏实事求是的科学精神。
在第
二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从美、日、德等引进数控机
床先进技术和合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生
产和使用，并逐步向前发展。
在20余年间，数控机床的设计和制造技术有较大提
高，主要表现在三大方面:
培训了一批设计、制造、使用和维护的人才;通过合作生
产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差
距;通过利用国外先进零部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性
能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、
消化、掌握及创新却较差。
至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国
外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机
床的水平差距很大。
存在的主要问题包括:
缺乏各方面专家人才和熟练技术工人;缺
少深入系统的科研工作;零部件和数控系统不配套:
企业和专业间缺乏合作，基本上
孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力。
1.1.2数控机床发展趋势
1．高速化、高精度化、高可靠性
质量、效率是先进制造技术的主体。
高速、高精加工技术可极大地提高效率，
提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。
高速化:
（1）提高进给速度:
采用直线滚珠式导轨等;
（2）提高主轴转速:
采用直线电
机技术，直接将电机与主轴连接成一体后，装入主轴部件，可以在1.8秒从0到
15000r/min。
高精度化:
精密化是为了适应高新技术发展的需要，随着高新技术的发展和对
机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。
数
控机床的加工精度提高了一倍，达到15微米。
2
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[3]
高可靠性:
一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以
上。
2．复合化
数控机床的功能复合化的发展，以其复合加工实现了一次装夹后完成各种复杂
零件的全部加工，从而减少了不创造价值的辅助时间，提高了机床的效率和加工精
度，降低了生产制造成本，提高了生产的柔性。
复合功能的机床是近年来发展很快
的机种，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、锉、攻丝、铰孔和扩孔等多种
操作工序。
3．智能化
智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:
为追求加工效率和加工质量的智
能化:
如自适应控制、工艺参数自动生成等;为提高驱动性能的智能化，如:
前馈控制、
电机参数的自适用运算、自动识别负载、自动选定模型、自整定等;简化编程、简
化操作方面的智能化;还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面等，及智能诊
断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。
4．柔性化、集成化
为适应制造自动化的发展，向FMC,FMS,CIMS提供基础设备，要求数控系统
不仅能完成通常的加工功能，而且还能够具备自动测量，自动上、下料，自动换刀，
自动误差补偿、自动诊断、进线和联网功能，依据用户的不同的要求，可方便地灵
活配置及集成。
1.2可编程控制技术的现状及发展情况
1.2.1可编程控制器的特点
可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术
为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectrical
Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“PLC是一种专门为在工
业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置”。
它采用可以编制程序的存储器，
用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，
并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及
其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的
3
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原则而设计。
PLC之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。
它较好的解决了工业控制领域中的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
其特点
如下:
1．可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技
术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可
靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达3万小时。
一些使用
高频CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
此外，PLC带有硬件故障自我检
测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
2．配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各
种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据
运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC
渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增
强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3．易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编
程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路
图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路
的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业
控制打开了方便之门。
4．系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统
设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
5．体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，
功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备
。
1.2.2可编程控制器的应用
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1.开关量的逻辑控制
这是PLC最基本最广泛的应用领域。
PLC取代继电器控制系统，实现逻辑控
制。
例如:
机床刀库换刀控制、汽车配装线、电视机和收音机的生产线控制等。
2.运动控制
PLC可用于对直线运动或圆周运动的控制。
早期直接用开关量I/0模块连接位
置传感器与执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
这类模块一般带有微处
理器，用来控制运动物体的位置、速度和加速度，它可以控制直线运动或旋转运动、
单轴或多轴运动。
它们使运动控制与可编程控制器的顺序控制功能有机地结合在一
起，被广泛地应用在机床、装配机械等场合。
3.闭环过程控制
在工业生产中，一般用闭环控制方法来控制温度、压力、流量、速度这一类连
续变化的模拟量，无论是使用模拟调节器的模拟控制系统还是使用计算机（包括
PLC）的控制系统，PID（ProportionalIntegralDifferential，即比例—积分—微分调节）
都因其良好的控制效果，得到了广泛的应用。
PLC通过模拟量I/0模块实现模拟
量与数字量之间的A/D,D/A转换，并对模拟量进行闭环PID控制，可用PID子
程序来实现，也可使用专用的PID模块。
PLC的模拟量控制功能已经广泛应用于
塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，还广泛地应用于轻工、化工、
机械、冶金、电力和建材等行业。
4.数据处理
现代的PLC具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表、位操作等功能，
可以完成数据的采集、分析和处理。
这些数据可以与存贮在存储器中的参考值比较，
也可以用通讯功能传送到别的智能装置，或将其打印制表。
数据处理一般用在大、
中型控制系统，如柔性制造系统、过程控制系统等。
5.机器人控制
机器人作为工业过程自动生产线中的重要设备，已成为未来工业生产自动化的
三大支柱之一。
现在许多机器人制造公司，选用PLC作为机器人控制器来控制各
种机械动作。
随着PLC体积进一步缩小，功能进一步增强，PLC在机器人控制中
的应用必将更加普遍。
6.通讯联网
PLC的通讯包括PLC之间的通讯、PLC与上位计算机和其它智能设备之间的
5
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[9]
通讯。
PLC和计算机具有接口，用双绞线、同轴电缆或光缆将其联成网络，以实现
信息的交换，并可构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。
目前PLC与PLC
的通讯网络是各厂家专用的。
PLC与计算机之间的通讯，一些PLC生产厂家采用
工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢。
1.2.3可编程控制器的发展趋势
1.技术发展迅速，产品更新换代快
随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的不断发展，PLC的结构和功能不断
改进，生产厂家不断推出功能更强的PLC新产品，平均3—5年更新换代一次。
PLC
的发展有两个重要趋势:
a.向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的微型化发
展，以适应复杂单机、数控机床和工业机器人等领域的控制要求，实现机电一体化;b.
向大型化、复杂化、多功能、分散型、多层分布式工厂全自动网络化方向发展。
例
如工厂全自动化网络系统，不仅具有逻辑运算、美国GE公司推出的Genettwo计
时、计数等功能，还具有数值运算、模拟量控制控制、智能控制、、监控、计算机
接口、数据传递等功能，而且还能进行中断过程控制、远程控制等。
2.开发各种智能模块，增强过程控制功能
智能I/O模块是以微处理器为基础的功能部件。
它们的CPU与PLC的主CPU
并行工作，占用主机CPU的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度。
智能模块主
要有模拟量I/0,PID回路控制、通信控制、机械运动控制等:
高速计数、中断输
入、BASIC和C语言组件等。
智能I/O的应用，使过程控制功能增强。
某些PLC
的过程控制还具有自适应、参数自整定功能，使调试时间减少，控制精度提高。
3.与个人计算机相结合
目前，个人计算机主要用作PLC的编程器、操作站或人/机接口终端，其发展
是使PLC具备计算机的功能。
大型PLC采用功能很强的微处理器和大容量存贮器，
将逻辑控制、模拟量控制、数学运算和通讯功能紧密结合在一起。
这样，PLC与个
人计算机、工业控制计算机、集散控制系统在功能和应用方面相互渗透，使控制系
统的性能价格比不断提高。
4.PLC的通讯功能不断增强
PLC的通讯联网功能使PLC与PLC之间，PLC与计算机之间交换信息，形成
一个统一的整体，实现分散集中控制。
5.发展新的编程语言，增加兼容功能
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改善和发展新的编程语言、高性能的外部设备和图形监控技术构成的人/机对
话技术，除梯形图、流程图、专用语言指令外，还增加了BASIC,C语言的编程功
能和容错功能。
如:
双机热备、自动切换I/O、双机表决（当输入状态与PLC逻辑状
态比较出错时，自动断开该输出）、I/0三重表决（对I/O状态进行软硬件表决，取2
台相同的）等，以满足极高可靠性要求。
6.不断规范化、标准化
PLC厂家在对硬件与编程工具不断升级的同时，日益向制造自动化协议（MAP）
靠拢，并使PLC的基本部件（如输入输出模块、接线端子、通讯协议、编程语言和
编程工具等）的技术规范化、标准化，使不同产品互相兼容、易于组网，以真正方
便用户，实现工厂生产的自动化。
1.3本文的主要研究意义与内容
机床原来的刀库控制程序是单独设计的，没有采用刀具管理系统，功能也比较
升级会员 