经济型数控车床电动刀架PLC控制电路设计.docx

1、经济型数控车床电动刀架PLC控制电路设计目 录摘 要2毕业设计任务书3数控车床的分类4按车床主轴位置分类4按加工零件的基本类型分类4按刀架数量分类4按功能分类5第二章、经济型数控系统.5一、经济型数控系统的构成及功能.5二、车床经济型数控系统硬件设计.6第三章、数控机床的可编程序控制器.8.一、数控机床用PLC.8二、自动换刀机构.13第四章 PLC控制车床刀架.16一、 电动刀架的选用16二、电动刀架的电机控制.16三、车床控制.161）、简易刀架的控制.172）、带编码器可双相换刀的刀架控制.19第五章、数控车床的控制.21数控车床自动换刀PLC控制.211.电气设计要求222.电动刀架P

2、LC控制23第六章、参考资料.25第七章、总结.25感谢信.26摘 要数控车床今后将向中高当发展，经济型数控刀架配套，采用电动刀架，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和伺服驱动方向发展。 本部分主要对六工位立式电动刀架的PLC车床控制设计，并对电动刀架的电路设计。最后的提出了对电动刀架提出了意见和措施。关键词 ：经济型数控车床 ；车床刀架 ； PLC控制电动刀架毕业设计任务书一、设计题目： 经济型数控车床电动刀架PLC控制电路设计二、设计的目的1） 掌握数电动刀架的功能。2） 掌握电动刀架PLC控制电路的组成。3） 掌握电动刀

3、架输入、输出接口的设计方法。三、设计要求 利用数控装置进行数控化改造。要求用PLC控制经济型数控车床电动刀架：1) 数控电动刀架接口原理框图设计。2) 控制限位输入、输出接口电路设计。3) 选择接口元器件。4) 安装调试说明。四、完成的技术资料要求说明详细，字迹工整，原理正确，元件选择有理。图形清晰，图纸规范，符号标准，线条均匀，用计算机画图。（1）设计图纸 安装原理图、元件安装布置图、接线图。（2）毕业设计说明书（15000，文字不少于6000字） 1）设计题目2）设计方案论证3）控制原理说明4）元件明细表5）设计总结及改进意见数控车床的分类数控车床可分为卧式和立式两大类。卧式车床又有水平导

4、轨和倾斜导轨两种。档次较高的数控卧车一般都采用倾斜导轨。按刀架数量分类，又可分为单刀架数控车床和双刀架数控车，前者是两坐标控制，后者是4坐标控制。双刀架卧车多数采用倾斜导轨。 数控车床与普通车床一样，也是用来加工零件旋转表面的。一般能够自动完成外圆柱面、圆锥面、球面以及螺纹的加工，还能加工一些复杂的回转面，如双曲面等。车床和普通车床的工件安装方式基本相同，为了提高加工效率，数控车床多采用液压、气动和电动卡盘。数控车床的外形与普通车床相似，即由床身、主轴箱、刀架、进给系统压系统、冷却和润滑系统等部分组成。数控车床的进给系统与普通车床有质的区别，传统普通车床有进给箱和交换齿轮架，而数控车床是直接用

5、伺服电机通过滚珠丝杠驱动溜板和刀架实现进给运动，因而进给系统的结构大为简化。一、按车床主轴位置分类(1)立式数控车床 立式数控车床简称为数控立车，其车床主轴垂直于水平面，一个直径很大的圆形工作台，用来装夹工件。这类机床主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。(2)卧式数控车床 卧式数控车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导轨卧式车床。其倾斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性，并易于排除切屑。二、按加工零件的基本类型分类（1）卡盘式数控车床 这类车床没有尾座，适合车削盘类(含短轴类)零件。夹 紧方式多为电动或液动控制，卡盘结构多具有可调卡爪或不淬火卡爪(即软卡爪)。(2)顶尖式

6、数控车床 这类车床配有普通尾座或数控尾座，适合车削较长的零件及直径不太大的盘类零件。三、按刀架数量分类(1)单刀架数控车床 数控车床一般都配置有各种形式的单刀架，如四工位卧动 转位刀架或多工位转塔式自动转位刀架。(2)双刀架数控车床 这类车床的双刀架配置平行分布，也可以是相互垂直分布。四、按功能分类（1）经济型数控车床 采用步进电动机和单片机、PLC对普通车床的进给系统进行改造后形成的简易型数控车床，成本较低，但自动化程度和功能都比较差，车削加工精度也不高，适用于要求不高的回转类零件的车削加工。（2）普通数控车床 根据车削加工要求在结构上进行专门设计并配备通用数控系统而形成的数控车床，数控系统

7、功能强，自动化程度和加工精度也比较高，适用于一般回转类零件的车削加工。这种数控车床可同时控制两个坐标轴，即X轴和Z轴。（3）车削加工中心 在普通数控车床的基础上，增加了C轴和动力头，更高级的数控车床带有刀库，可控制X、Z和C三个坐标轴，联动控制轴可以是(X、Z)、(X、C)或(Z、C)。由于增加了C轴和铣削动力头，这种数控车床的加工功能大大增强，除可以进行一般车削外可以进行径向和轴向铣削、曲面铣削、中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等加工，第二章 经济型数控系统按数控系统的功能水平,可以把数控系统分为高、中、低三档，低档数控系统即可认为是经济型数控系统。经济型数控系统一般分辩力和进给速度

8、较低、联动轴数少、人机接口较简单。一、经济型数控系统的构成及功能 1、开环数控系统的总体结构CNC数控系统由以下几个部分构成： 1）微机，通常包括中央微处理器、存储器、I/O接口等。 2）进给伺服系统，在开环数控系统中为步进电机伺服系统。 3）开关量控制及主轴控制，这部分涉及到M、T、S代码的执行。 4）人机接口和通信接口。2、数控系统的功能802S系统的功能有：1、进给轴/主轴监控；2、连续路径加工，准确停方式；3、速度，设定值实际值系统，闭环控制；4、手动操作及手轮运行；5、程序运行；6、补偿；7、端面轴；8、回参考点运行；9、主轴控制；10、输出给PLC的辅助功能；11、进给率；12、刀

9、具补偿；13、急停等功能。3、数控系统的电气连接如果机床使用变频器作为主轴驱动单元，在设计电柜时应考虑采取必要的抗干扰的措施。变频器是很强的干扰源（主要是电源干扰和无线干扰）。如果可能，变频器可安装在独立的电柜内。当变频器和CNC必须安装在同一电柜内时，应按下列要求进行电柜布局： 1、变频器的电源进线和动力出线在电柜内的长度应尽可能短； 2、变频器的电源线和动力线应单独布线； 3、CNC的模拟量控制信号应屏蔽，屏蔽应在变频器端接地；4、变频器的动力线也应屏蔽，屏蔽应在电动机地脚端接地。4、数控系统的调试1、PLC应用程序调试当系统各部件连接完毕后，首先必须调试PLC应用程序中的相关动作。只有在

10、所有安全功能都正确无误时，才可以进行NC参数和驱动器的调试。2、数控系统的参数设置 PLC机床参数设置完成后，要进行数控系统的参数设置。数控系统的主要参数包括：通用机床数据、显示机床数据、通信专用机床数据、轴相关机床数据、设定数据等。经济型数控车床 采用步进电动机和单片机、PLC对普通车床的进给系统进行改造后形成的简易型数控车床，成本较低，但自动化程度和功能都比较差，车削加工精度也不高，适用于要求不高的回转类零件的车削加工。车床经济型数控系统硬件设计 经济型数控系统的硬件和软件设计直接影响数控系统的加工性能和操作性能。本文介绍经济型数控系统硬件设计中经常遇到的一些问题及处理方法。 1、功能选择

11、 系统功能选择的方法有几种不同的方式，使用CRT显示器作为显示终端时，可以制作功能菜单，用户可以通过菜单选择功能。但经济型数控系统为了降低成本，一般不用CRT显示器，而用数码管组成显示终端。这时可用波段开关通过并行接口组成功能选择电路。图1是由接口电路8255和波段开关组成功能选择图2-1 功能选择及对刀处理电路原理程序编辑加工程序的录入、检查和修改。 参数设定设定传动间隙、G00速度、刀具参数等。 文件处理加工程序装入和转存等。 对刀处理手动和自动检测刀具位置和半径参数并自动存入系统。 手动处理手动进给。 连续加工连续执行加工程序。 单段加工每次执行一段加工程序。 在系统启动后的主程序和以后

12、的各个功能程序中，通过8255循环检测波段开关的位置，并转入相应的功能模块。 2、对刀处理 我们设计的车床经济型数控系统中采用的对刀方式既可实现手动对刀，又可实现自动对刀。对刀棒为一定尺寸的绝缘圆棒，其头部采用金属材料，与机床绝缘，刀具通过机床接地。对刀时刀架带动刀具向对刀棒靠近，对刀信号经8255的PA7送入系统。刀尖与对刀棒不接触时系统接收到高电平，刀尖与对刀棒接触时系统接收到低电平。 进入对刀功能后有三种选择，手动对刀、自动对刀和计算刀补值。 手动对刀方式，显示当前刀位号，用键盘的换刀键手动换刀，用键盘的方向键(横向或纵向)移动刀具。当刀具与对刀棒接触后，刀具移动自动停止并保存其移动距离

13、，继续等待键盘操作。当选择退出手动对刀时，则退出手动对刀功能返回对刀主程序。 自动对刀方式，首先保证刀具从1号位开始，并显示当前刀位号。自动对刀分为纵向对刀和横向对刀。纵向自动对刀时，刀具从第一把刀开始纵向移动至与对刀棒接触时并记录下该刀具的移动距离，将该刀具退至原位并自动换至第二把刀，纵向移动至与对刀棒接触并记录下该刀具的移动距离，直到所有刀具完成对刀并自动保存刀具移动距离。横向自动对刀的方法与纵向相同，只是刀具的移动方向不同。当选择退出自动对刀功能时，则退出自动对刀功能返回对刀主程序。 第三章 数控机床的可编程序控制器一、数控机床用PLC 数控机床用PLC可分为两类：一类是专为实现数控机床

14、顺序控制而设计制造的“内装型”PLC，另一类是那些输入/输出接口技术规范、输入/输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能等均能满足数控机床控制要求的“独立型”PLC。（一）“内装型”PLC“内装型”PLC从属于CNC装置，PLC与NC间的信号传送在CNC装置内部即可实现。PLC与MT（机床侧）则通过CNC输入/输出接口电路实现信号传送。如图：图3-1具有内装置型PLC的CNC机床系统框图（二）“独立型”PLC独立型PLC是独立于CNC装置，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务的装置。如图图3-2具有独立型PLC的CNC机床系统框图1、回转工作台数控机床的圆周进给由回转工作台完成，

15、称之为数控机床的第四轴，回转工作台可以与、三个坐标轴联动，从而加工出各种曲面和曲线等复杂的形状。回转工作台对于自动换刀多工序的加工中心是必备的部件。数控回转工作台主要用于数控镗床和铣床，它的功用是实现圆周进给运动，同时也可以完成分度运动，其外形和分度工作台相似，但它的内部结构具有数控进给驱动的许多特点，不同之处是，数控机床的进给驱动机构实现的是直线运动，而数控回转工作台实现的是圆周进给运动。数控回转工作台分为开环和闭环两种。（1）开环数控回转工作台如图所示为一种补偿型的开环数控回转工作台，它的进给和定位锁紧都由给定的指令进行控制。工作台的回转运动通过电液脉冲马达，经齿轮减速，由蜗杆传给蜗轮。为

16、了消除蜗杆副的传动间隙，采用了双螺距渐厚蜗杆，通过移动蜗杆的轴向位置来调整间隙。这种蜗杆的左右两侧面具有不同螺距，因此蜗杆齿厚从头到尾逐渐增厚。但由于同一侧的螺距是相同的，所以仍然可保持正常的啮合。当工作台静止时，必须处于锁紧状态。为此，在蜗轮底部的辐射方向装有对夹紧瓦和，并在底座上均布着同样数量的小液压缸。当小液压缸的上腔接通压力油时，活塞便压向钢球8，撑开夹紧瓦，并夹紧蜗轮。在工作台需要回转时，先使小液压缸的上腔接通回油路，在弹簧的作用下，钢球抬起，夹紧瓦将蜗轮松开。回转工作台的导轨面由大型滚子轴承13支承，并由圆锥滚子轴承12及调心圆柱滚子轴承11保持准确的回转中心。开环数控回转工作台的

17、定位精度取决于涡轮副的传动精度，因而必须采取高精度的涡轮副。除此之外，还可以在时间测量工作台静态定位误差之后，确定需要补偿的角度位置和补偿脉冲的符号（正向或反向），记忆在补偿回路中，由数控装置进行误差补偿。数控回转工作台设有零点，当它进行回零运动时，先用挡块碰撞限位开关（图2-1中未标出），使工作台降速，然后在无触点开关的作用下，使工作台准确地停在零位。数控回转工作台在任意角度地转位和分度时，光栅10进行读数，从而达到较高地分度精度。（2）闭环数控回转工作台闭环数控回转工作台地结构与开环数控回转工作台大致相同，其区别在于：闭环数控回转工作台有转动角度的测量元件（圆光栅或圆感应同步器），所测量的

18、结果反馈回去与指令值进行比较，按闭环原理进行工作，使回转工作台定位精度更高。图所示为那还数控回转工作台的结构。该回转工作台用伺服电机15通过减速齿轮14、16及蜗杆涡轮副12、13带动工作台1回转，工作台的转角位置用圆光栅9测量。测量结果发出反馈信号与数控装置发出的指令信号进行比较，若有偏差经放大后控制伺服电机朝消除偏差的方向转动，使工作台精确运转或定位。当工作台静止时，必须处于锁紧状态。台面地锁紧用均布地八个小液压缸5来完成，当控制系统发出夹紧指令时，液压缸上腔进压力油，活塞6下移，通过钢球8推开夹紧瓦3及4，从而将涡轮13夹紧。当工作台回转时，控制系统发出指令，液压缸5上腔压力油流回油箱，

19、在弹簧7的作用下，钢球8抬起，夹紧瓦松开，不再夹紧涡轮13。然后按数控系统的指令，由伺服电机15通过传动装置实现工作台的分度、定位、夹紧或连续回转运动。回转工作台的中心回转轴采用圆锥滚子轴承11及双列圆柱滚子轴承10支承，并通过预紧消除其轴向和径向间隙，以提高工作台的刚度和回转精度。工作台支承在镶钢滚柱导轨2上，运动平稳且耐磨。有些数控工作台采用伺服电机轴端带测速发动机和旋转变压器，或带脉冲编码盘，直接反馈电机轴的转速和角位移，进行半闭环控制。数控回转工作台可作任意角度的回转或分度，当使用光栅进行读数时，在光栅沿其圆周上有21600条刻线，通过6倍频线路，刻度的分辩能力可达10。1工作台；2镶

20、钢滚柱导轨；3、4夹紧瓦；5液压缸；6活塞；7弹簧；8钢球；9圆光栅；10、11轴承；12蜗杆；13涡轮；14、16齿轮；15电机图3-4 闭环控制数控回转工作台自动换刀机构（一）、自动换刀装置 一个零件往往需要进行多工序的加工，对于单功能的机床，大量的时间将用于更换刀具装卸零件等非切削时间，切削加工时间只占整个工时中较小的比例。为了缩短非切削时间，往往采用自动换刀装置的数控机床。自动换刀装置已广泛应用于加工中心机床，如车削中心镗铣加工中心钻削中心等。使用这种装置配合精密数控转台，可以使机加工时间提高7080。由于零件在一次装夹中完成零件的多工序加工，大大减少了零件安装定位次数，从而进一步提高

21、了加工精度。自动换刀装置的功能就是储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换。它应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、结构紧凑及安全可靠等要求。各类数控机床的自动换刀装置的结构与数控机床的类型工艺范围使用刀具种类和数量有关。数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点及适用范围见表3-1。表3-1 自动换刀装置的类型、特点及适用范围类型特点使用范围转塔式回转刀架多为顺序换刀，换刀时间短，结构简单紧凑，容纳刀具较少各种数控车床数控车削中心转塔头顺序换刀，换刀时间短刀具主轴都集中在转塔头上，结构紧凑，但刚性较差，刀具主轴数受限制数控钻床镗床刀库式刀库与主轴之间直接换刀换刀运动集中，运动部件

22、少。但刀库运动多，布局不灵活，适应性差各种类型的自动换刀数控机床。尤其是对使用回转类刀具的数控镗铣类立式卧式加工中心机床。要根据工艺范围和机床特点，确定刀库容量和自动换刀装置形式用机械手配合刀库换刀刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，比刀库作换刀运动惯性小速度快用机械手运输装置配合刀库换刀换刀运动分散，由多个部件实现，运动部件多，但布局灵活，适应性好有刀库的转塔头换刀装置弥补转塔头换刀数量不足的缺点，换刀时间短扩大工艺范围的各类转塔式数控机床1用于数控车床的回转刀架（完成）数控车床上使用的回转刀架换刀是一种简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架等多种形式，即在回转刀架上分别安装有四把、六把

23、或更多的刀具，并按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，以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，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，具有尽可能高的重复定位精度(一般为0.0010.005mm)。（1）四方回转刀架如图所示为四方回转刀架的结构图，该刀架广泛应用于经济型数控车床及卧式车床的数控化改造中。当机床执行加工程序中的换刀指令时，刀架自动转位换刀。其换刀过程如下。刀架抬起 当数控装置发出换刀指令后，电动机1正转，并经联轴器2带动蜗杆轴3转动从而带

24、动涡轮丝杠4转动。涡轮的上部外圆柱加工有螺纹，所以该零件称为涡轮丝杠。刀架体7的内孔加工有螺纹与涡轮上的丝杠旋合。涡轮丝杠内孔与刀架中心轴外圆使滑配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，涡轮丝杠环绕中心轴旋转。当涡轮丝杠开始转动时，刀架7和刀架底座5上端面齿的处于啮合状态，且涡轮丝杠轴向固定，因此刀架体7不能转动只能轴向移动，刀架体7抬起。当刀架体抬至一定距离时，端面齿脱开，完成刀架抬起动作。刀架转位 刀架抬起后，由于转位套9用销钉与涡轮丝杠4连接，因此随涡轮丝杠一起转动，当刀架抬起端面齿完全脱开时，转位套恰好转过160(如A-A剖面图所示)，球头销8在弹簧的作用下向下进入转位套9的槽中，带动刀架

25、体转位。粗定位压力下并由微动开关发出信号给数控装置。刀架定位 刀架体转动时带着电刷座10转动，当转到指定的刀号时，粗定位销15在弹簧力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，使电动机反转。由于粗定位槽的限制，刀架体不能转动，使其在该位置垂直向下移动，刀架体7和刀架底座5的端面齿啮合实现精确定位。刀架夹紧 电动机继续反转，此时涡轮丝杠停止转动，蜗杆轴3继续转动，端面齿间夹紧力不断增加，转矩不断增大，达到一定值时，在传感器的控制下电动机1停止转动，从而完成一次转位。译码装置由发信体11、电刷13、电刷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

26、不到位时，可松开螺母12，调整发信体11与电刷14的相对位置。 1电动机；2联轴器；3蜗杆轴；4涡轮丝杠；5刀架底座；6粗定位7刀架体；8球头销；9转位套；10电刷座；11发信体；12螺母；13、14电刷；15粗定位销图3-5 数控车床方刀架结构第四章 PLC控制车床刀架一、刀架的选用目前数控车床刀架基本为电动刀架，其特点是定位更准确、迅速。老式传统车床刀架多为手动、液压驱动或少部分的电动，改造时可以根据需要对其加以更换。 电动刀架可分为卧式转塔刀架（一般安装812把刀）和立式电动刀架，立式电动刀架有四工位（或六工位），其中每一种刀架又有抬刀刀架（两端齿盘）和免抬刀刀架（三端齿盘）之分。卧式转

27、塔刀架价格相对较贵，改造中常用四六工位电动刀架。二、电动刀架的电机控制车床的刀架是车床自动换刀的机构，是车床上一个重要的部件。刀架具有很多种类。有霍尔元件检测刀位的简易刀架，有带位置编码可双相换刀的自动刀架，有可带动刀具的自动刀架，控制刀架旋转有的使用普通异步电动机，有的使用伺服电极。有很多刀架的控制厂为车床提供各种各样的刀架。每个厂家生产的刀架控制方法有所差别，就是同一厂家提供不同型号的刀架，其控制时序也不是百分百相同。电动刀架采用三相异步电动机驱动，刀架检测采用霍尔元件。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。电动刀架电机的控制硬件连接。三、车床刀架

28、控制车床的刀架是车床自动换刀的机构，是车床上一个重要的部件。刀架具有很多种类。有霍尔元件检测刀位的简易刀架，有带位置编码可双相换刀的自动刀架，有可带动刀具的自动刀架，控制刀架旋转有的使用普通异步电动机，有的使用伺服电极。有很多刀架的控制厂为车床提供各种各样的刀架。每个厂家生产的刀架控制方法有所差别，就是同一厂家提供不同型号的刀架，其控制时序也不是百分百相同。（一）、简易刀架的控制 简易刀架是经济型车床上常用的一种自动换刀机构。它的机械结构简单，调试和使用方便。刀架采用三相异步电动机驱动，刀架检测采用霍尔元件。这种刀架只能单方相换刀，电动机正转换刀，反转锁紧。刀架反转锁紧时刀架电机实际上是一种堵

29、转状态，因此刀架电机反转的时间不太长，否则可能导致刀架电机的损坏。刀架上每一个刀位都配备一个霍尔元件，如4工位刀架，需配备4个霍尔元件。霍尔元件的常态是截止，当刀具转到工作位置时，利用磁体和霍尔元件导通。将刀架位置状态发送到PLC的数字输入。 由于霍尔元件只有导通和截止两种状态。对于电平有效的数控系统数字输入接口，应该使用大约1.5千欧的上拉电阻将导通和截止的状态变成低电平和高电平。刀架的电机的转动由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。图4-1、电动刀架电机的控制硬件连接图 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等于指令刀具的位置，PLC应用程序控制刀架电机反转锁紧，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互锁是在换刀过程中刀架不能与工件碰撞。换刀时，零件程序首先控制各坐标轴回退至安全位置，再