自动刀架.docx
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自动刀架
目录
一．课程设计目的------------------------------------------2
二．课程设计题目描述和要求--------------------------------2
三．本课题的内容------------------------------------------2
四．四工位刀架--------------------------------------------3
4.1四工位刀架的组成--------------------------------------3
4.2四工位刀架的机械结构----------------------------------4
4.3四工位刀架控制电路的组成------------------------------6
4.4四工位刀架传感器的选择--------------------------------7
4.5刀架的PLC程序-----------------------------------------8
4.6西门子802S数控车床的PLC程序如下---------------------11
五．结论-------------------------------------------------16
六．参考文献---------------------------------------------17
一．课程设计目的
通过这次的课程设计，我将对西门子802S数控车床有个更深的认识，还有使自己各方面的能力都有所提高（自学能力、动手能力、语言表达能力、文字表达能力、解决实际问题的能力）。
对西门子802S数控车床的认识，可以为我以后学习各类数控机床有个好的基础。
同样刀架的PLC程序能应用和设计，再要应用和设计刀库的PLC程序就容易了。
为今后从事本专业的工作运用打下基础，使自己能很快的融入社会。
二．课程设计题目描述和要求
设计基于SINUMERIK802S数控系统的电动刀架控制单元。
要求：
熟悉SINUMERIK802S的接口、SINUMERIK802S中PLC与CNC的信息交换，分析简易电动刀架的控制原理，在此基础上，设计基于SINUMERIK802S的电动刀架的PLC控制程序和相关的接口电路原理图。
三．本课题的内容
（1）设计基于SINUMERIK802S的电动刀架的PLC控制程序和相关的接口电路原理图
在实验室里进行实物测绘，同时查阅其相关资料进行西门子802S数控车床的电气原理图、接线图的绘制。
西门子802S数控系统有主轴、进给、ECU单元、冷却、润滑、刀架等辅助装置组成。
（2）设计刀架控制系统；
在原有西门子802S数控车床的刀架控制系统的基础上，对其系统进行深入的研究。
（3）有关四工位刀架结构；
在实验室里查阅有关四工位刀架的结构原理图。
（4）有关PLC程序设计；
在原有西门子802S数控车床PLC程序的基础上，加以改进和完善。
（5）撰写有关毕业设计说明书；
本设计中重点和难点就是对西门子802S数控车床刀架控制设计和PLC程序的调试,需要对刀架的结构非常了解，清楚刀架上的传感器信号的输入输出。
其研究途径可根据西门子802S数控车床中原有的PLC程序，了解刀架PLC程序的整个换刀过程，然后根据实际刀架的结构进行刀架PLC程序调试。
此外需绘制基于SINUMERIK802S的电动刀架的PLC控制程序和相关的接口电路原理图,有关四工位刀架结构等内容.
四．四工位刀架
4.1四工位刀架的组成
西门子802S数控车床的电动四工位刀架采用的电机是三相异步电机，功率90W，转速1300r/min。
电动四工位刀架如图3—1所示：
刀架由电动机、蜗轮蜗杆机构，传动轴，蜗杆，下齿盘，上齿盘，定位槽，插销，丝杠螺母机构，反靠槽，霍尔开关，磁性板霍尔元件电路或干簧管、微动开关电路等组成。
图3—1四工位刀架
刀架的动作：
当数控系统发出换刀指令后，通过比较电路比较目标刀具与原刀具的位置差，再来判断是否要旋转，若与原来的一样的话，刀架没有任何的动作，若不一样的话，在确定好目标刀具号后，刀盘松开并被顶起，然通过接口电路使电机正转，经传动装置、驱动蜗杆蜗轮机构,蜗轮带动丝杠螺母机构，将刀盘松开并抬起，直至两定位多齿盘脱离啮合状态，然后由插销带动刀盘转位，数控装置发出的换刀指令使霍尔开关中的某一个选通，当磁性板与被选通的霍尔开关对齐后，霍尔开关反馈信号使电机反转并夹紧的动作，插销向预分度盘上的分度槽反靠实现预分度，刀盘停止转动，通过丝杠机构使刀盘移动到齿盘重新啮合，实现精确定位。
多齿盘啮合精确定位后，电机应能停止反转。
换刀完成。
例如，四工位自动回转刀架回转电机反转1.5s后，由数控装置自动停止，防止电机不停反转而过载毁坏。
反靠机构使卜带动刀架旋转的机构，由于它必须在刀架正转时对卡死，反转时半卡死，因此该反靠槽的两个侧面一个设计成垂直面，另一个设计成倾斜面。
预定位插销和预定位槽（在下齿盘上）的作用在于实现刀架的预定位。
电机正转时，定位插销被插销上方的弹簧拉起，回转电机反转，插销被弹簧入预定位槽内实现刀架的预定位，精确定位采用多齿盘结构，利用其表面精度高、硬度高的梯形齿结构进行啮合以达到精确定位。
整个信号走向是：
操作面板或程序发出换刀指令输到CNC，CNC与PLC输出转接板来控制输出板上的中继的动作从而控制电动刀架的正反转，当从CNC插口过来正转信号为低电平信号时，由于CNC输入插口信号线低电平有效，所以相对应的中间继电器线圈得电，常开触点闭合，输出架电机正端有信号输出，通过外部电路闭合控制继电器KM1线圈得电，常开触点KA6闭合，些时刀转；当从CNC插口过来的反转信号为低电平时，相对应输出转接板中的中间继电器线圈得电，常开触点闭合，输出端有信号输出，触点闭合控制继电器KA7线圈得电，常开触点KA7闭合控制刀架电机反转。
在正转与反转到位时，由刀架四工位的四个霍尔开关控制，通过霍尔开关反馈回输入转接板检测是否转到位。
输到PLC输入板再经过CNC处理决定动作。
图3—2刀架信号走向示意图
4.2四工位刀架的机械结构
图3—3数控车床刀架结构
1—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—转位套10—电涮座11—发迅体12—螺母13，14—电涮15—粗定位销
该刀架可以安装四把不同的刀具，转位信号由加工程序指定。
其结构图可见附图所示。
下面介绍以下该刀架的结构及动作过程：
当换刀指令发出后，小型电动机1起动正转，通过平键套筒联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动蜗轮4转动。
蜗轮的上部外圆柱加工有外螺纹，所以该零件称蜗轮丝杠。
刀架体7内孔与刀架中心轴外圆是滑配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠环绕中心轴旋转。
当蜗轮开始转动时，由于在刀架底座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，这时刀架体7抬起。
当刀架体抬到一定距离后，端面齿脱开。
转位套9用销钉与蜗轮丝杠4连接，随蜗轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开，转位套正好转过160`（如图A—A剖示所示），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。
刀架体7转动时带动电刷座10转动，当转到程序指定的刀号时，定位销15在弹簧的作用下进入粗定位盘6的槽中进行粗定位，同时电刷13、14接触导通，使电机1反转，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上是端面齿啮合，实现精确定位。
电动机继续反转，此时蜗轮停止转动，蜗杆轴3继续转动，随夹紧力增加，转距不断增大时，达到一定值时，在传感器的控制下，电机1停止转动。
译码装置由发信体11、电刷13、14组成，电刷13负责发信，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。
4.3四工位刀架控制电路的组成
（a）刀架控制主回路（b）控制的输入输出控制回路
（c）plc控制的输入输出控制回路
刀架电器控制部分如上图所示。
（a）是刀架控制的主回路，主要是通过控制刀架电机的正转和反转来控制刀架的正转和反转；（b）（c）是刀架控制的输入输出控制回路。
每把刀具都有一个固定刀号，通过霍尔开关进行刀位检测。
4.4四工位刀架传感器的选择
图a中发信盘上的4只霍尔开关选用型号UGN3120U，它们都有3个引脚，第一脚接+12V电源，第二脚接+12V地，第三脚输出。
转位时刀台带动磁铁旋转，当磁铁对准某一个霍尔开关时，其输出端第三脚输出低电平；当磁铁离开时，第三脚输出高电平。
4只霍尔开关的4个刀位信号T1~T4分别送到图b的4只光电耦合器进行处理，经过光电耦合的信号再送给I/O接口芯片。
4.5刀架的PLC程序
I/O配置信号说明
输入信号
接口：
X2003
I0.0
刀架位置码：
T1
I0.1
刀架位置码：
T2
I0.2
刀架位置码：
T3
I0.3
刀架位置码：
T4
I0.4
刀架位锁紧到位信号
机床面板
用户定义键
用户键K4
手动换刀
输出信号
接口：
X2005
Q0.4
刀架正转
Q0.5
刀架反转
输入信号说明：
LAP可控制每个刀位均有反馈信号的刀架.I0.0到I0.3作为四工位刀架反馈信号,如果刀架有锁紧到位信号，应该将信号连接到I0.4，如果没有到位信号则应该将I0.4屏蔽掉。
所使用的变量
地址名称变量类型数据类型注释
ENINBOOL
LW0TmaxINWORD一些刀架工具
LW2C_timeINWORD刀架夹紧检测时间（单位：
0.1S）
LW4M_timeINWORD刀架搜索检测时间（单位：
0.1S）
L6.0T_KEYINBOOL刀架更改键
L6.1T_01INBOOLT位置代码
L6.2T_02INBOOL
L6.3T_03INBOOL
L6.4T_04INBOOL
L6.5T_05INBOOL
L6.6T_06INBOOL
L6.7T_07INBOOL
L7.0T_08INBOOL
L7.1OVLoadINBOOL刀架电机过载（NC）
L7.2T_CWOUTBOOL刀架正转连续搜索
L7.3T_CCWOUTBOOL刀架反转连续搜索
L7.4T_LEDOUTBOOL刀架搜索指示灯
L7.5ERR1OUTBOOLError1：
没有刀架的位置信号
L7.6ERR2OUTBOOLError2:
编程刀具以外的刀架范围
L7.7ERR3OUTBOOLError3:
工具搜索实时监测超时
L8.0ERR4OUTBOOLError4:
刀架超载
LD12T_DW_cTEMPDWORD当前刀具号格式
LD16TmaxDWTEMPDWORD最大刀架数量
L20.0T_stillTEMPBOOL刀架停顿
V320000006.0PLC→NCK进给保持
V27000000.1NCK→PLC急停有效
V33000001.7NCK→PLC程序测试有效
V16000003.0PLC→NCK找刀监控时间超出
V31000000.0NCK→PLC自动方式有效
V31000000.1NCK→PLCMDA方式有效
V25000001.4NCK→PLC更改功能
VD25002000NCK→PLCT功能译码
子程序流程示意图
4.6西门子802S数控车床的PLC程序如下：
网络1．输出的初始化程序。
在子程序开始时，当前所有的数值都要初始化。
刀架电动机正转输出复位；刀架电动机反转输出复位；换刀指示灯输出复位；无刀架定位信号报警复位；编程刀具号大于刀架刀位数报警复位；找到监控时间超出报警复位；刀架电机过载报警复位。
网络2.通过复位键退出紧急状态。
使能端有效，按下控制面板上的复位键，可使进给保持复位，找刀监控时间超出报警取消。
网络3.读入当前的被激活的刀号。
当前刀号存储器清零。
刀架刀位数为4时，若1#刀位信号有效，则当前刀号等于1；若2#刀位信号有效，则当前刀号等于2；若3#刀位信号有效，则当前刀号等于3；若4#刀位信号有效，则当前刀号等于4；在刀架停顿状态下，若刀架位置为零，则出现无刀架定位信号报警，并退出换刀程序。
网络4.在如下的情况下不允许换刀。
下列情况下退出换刀程序：
急停有效时；程序测试有效时；找刀时间超出时；刀架电机过载时。
网络5.读入当前刀位号。
在自动方式或MDA方式下，目标刀具号赋初值等于当前刀具号值。
更改T功能时，将编程刀号值送入目标刀号寄存器。
若编程刀号大于最大刀具数，则编程刀号大于刀架刀位数报警，并退出换刀程序。
网络6.在JOG模式下换刀控制。
设置手动换刀使能，在手动换刀使能有效时，按下手动换刀键，刀架电机正转，禁止进给。
换刀开始时，将当前刀具号赋予目标刀具号，当当前刀具号与目标刀具号不相等且当前刀具号值不等于零时，刀架位置改变，刀架正转，换到下位置时，正转停止，刀架反转锁紧开始，启动刀具夹紧监测。
网络7.在自动或手动输入模式下换刀。
在自动方式或MDA方式下，生成编程刀号不等于零标志和编程刀号不等于当前刀号标志。
当编程刀号不等与零且不等于当前刀号值时，正转换刀开始，禁止进给；当当前刀号等于编程刀号时，正转换刀结束，反转锁紧开始，同时启动刀具夹紧监测。
网络8.换刀时间的控制。
当刀架电动机正转开始时，换刀时间监控计时器开始计时，若计时时间到，电动机还处于正转找刀状态，则找刀监控时间超出报警。
网络9.刀架夹紧延迟。
刀架电机反转开始时，反转延时计时器开始计时，反转延时到，反转锁紧过程结束，整个换刀过程结束。
网络10.换刀状态输出。
自定义指示灯LED4为换刀状态指示。
五．结论
这次对西门子802S数控车床刀架控制的设计不仅是对我的一种锻炼，也是对我大学所学知识的综合检查。
从开始设计到设计的完成，我感觉收获很多，不仅在理论上有了很大的升华,并且还在实践中锻炼了自己。
使自己成长了许多。
本文首先对整个系统的工作原理和实现方法进行了简单的介绍，给出了系统工作的整体框图。
在此基础上，介绍了系统设计用到的各个模块的功能特性，并进性了方案比较，选择出了最优越的方案。
在理论上对整个系统有一定了解的情况下，充分利用各方面的资料，发挥我所学的特长。
整个系统的开发过程是曲折的，首先在硬件设计上，由于以前所学课程有一定的基础，我多方查阅资料，不断的向老师、同学学习请教，以确保设计的电路系统完整，并能实现最完美的系统功能。
经过这段时间的学习，我按时完成了老师要求的设计。
对于软件设计，因为以前的编程经验不够，因此，在这方面花费了很多的精力和时间。
尽管过程很艰难，但是在真正意义上学到了知识，为以后的工作和学习积累了宝贵的经验。
但是，总的说来，由于我在理论和实践方面存在一定的不足，所以在设计思路和实现功能上难免有不足之处，请各位老师多多批评指正。
六．参考文献
[1]杨克冲主编.数控机床电气控制[M].武汉：
华中科技大学出版社，1992
[2]李善术主编.数控机床及其应用[M].北京：
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[4]西门子802S简明调试手册[Z].机床生产厂商文献2000
[5]王润孝主编.机床数控原理与系统[M].西安：
西北工业大学出版社，1989
[6]数控教育网[J].www.zjucnc.org
[7]俞秀金.丁明军.机电设备控制技术[M].浙江机电职业技术学院
[8]许石.数控加工中心双刀库自动换刀的控制方法与实现[J].CAD/CAM与制造业信息化，.2007-06
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