加工中心自动换刀控制系统毕业设计.docx

1、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

2、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 With the development of NC, the automatic tool changer system is More and more important in the modern advanced manufacture, because the ATC can shorten the cycle time o

3、f produ ct manufacturing, improve the precision of product machining. The latest requirements of machine tool user comprise of diversification of control object, complexity of process, flexible of application and high reliability.The function of tool magazine is that stores the tool and moves the to

4、ol which will be used in the n ext manufacturing process to the right changeover position and robot will finish the change over tool When the tool magazines capacity is so big and the distance of tool position is more far away the principal axis, there need the tool exchanging unit to implement the

5、changeover work between the principal axis and tool magazine. The framework of this function include the robot, tools rotation station and changeov er robot. PLC control the use of hydraulic transmission, made hydraulic transmission to more stable and accur ate. Key words: ATC，tool magazine，PLC，tool

6、 exchange at random，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

7、.9 2.1.3 带刀库的自动换刀系统.9 2.2 ATC 的作用及其组成.10 2.2.1 ATC 的作用.10 2.2.2 ATC 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 3.1 PLC 机型的选择.16 3.1.1 CPU 的能力.16 3.1.2 I/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 3.2 PLC 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 3.3 PLC

8、 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 5.1 PRO/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

9、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 20180 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

10、。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

11、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加工中心自动换刀控制系统设计 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

12、)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19581979 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

13、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

14、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

15、，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加工中心自动换刀控制系统设计 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

16、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

17、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 (Programmable logic Controller )，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( Internatio nal Electrical 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

18、 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加工中心自动换刀控制系统设计 3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，P

19、LC 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

20、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

21、控制器的应用 4加工中心自动换刀控制系统设计 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，

22、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(Proportional Integral Differential，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

23、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

24、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加工中心自动换刀控制系统设计 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 35 年

25、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 C PU 与 PLC 的主 CPU并

26、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、

27、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 6加工中心自动换刀控制系统设计 11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