PLC加工中心控制設計

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鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 ( 2009) 加工中心 摘 要 ： 加工中心（ 稱 由機械設備與數(shù)控系統(tǒng)組成的適用于復雜零件的高效率自動化機床。它能實現(xiàn)三軸或三軸以上的聯(lián)動控制，以保證刀具進行復雜表面的加工。 隨著科學技術的發(fā)展世界先進制造技術的興起和不斷成熟，而對作為現(xiàn)代制造業(yè)非常重要的加工中心提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技術的應用，對加工中心的各種組成部分提出了更高的性能指標。由于加工中心備有刀具庫，大大增加了刀具的儲存容量。有利于提高主軸的剛度，獨立的刀庫，大大增加了刀具的儲存數(shù)量 ，有利于擴大機床的功能，并能較好的隔離各種影響加工精度的干擾因素。 本設計采用 刀具庫系統(tǒng)的自動控制，自動換刀裝置在隨機換刀時只識別刀具不識別刀套，因此可以把刀具編號，并且按順序將刀具插入刀庫中對應號和刀套上。由數(shù)控系統(tǒng)的 定刀號，使刀具號和刀庫中的刀套地址對應的記在 經(jīng)設定，機床在以后的使用中，不論刀具在哪個刀套上 終記憶著它的蹤跡。簡化了控制系統(tǒng)的硬件和界限，減小了控制器的體積，提高了控制系統(tǒng)的靈活性，同時， 較完善的自診斷和自保護能力，可以增強系統(tǒng)的抗干擾能力，提高系 統(tǒng)的可靠性。應用表明， 簡潔、快捷在自動換刀裝置中得到了廣泛的應用。 關鍵詞 ： 刀庫；存儲；功能；自動控制 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 ( 2009) to C, by of It or of to of of as s of as a a on of a as a of of to of of of of of of LC in a to it be in to on By o. in by in in of in LC of to of to of at to s is 2009) 目 錄 1前 言 ............................................................................................................................. 1 述 ............................................................................................................................. 1 題來源及基本技術要求 ......................................................................................... 2 要設計內容及設計思路 ......................................................................................... 2 期成果及其意義 ..................................................................................................... 2 2 本介紹 ................................................................................................................. 3 紹 ...................................................................................................................... 3 組成 .................................................................................................................. 3 應用領域 .......................................................................................................... 4 生產(chǎn)廠家 .......................................................................................................... 4 3 作原理 ................................................................................................................. 5 作原理及優(yōu)點 .................................................................................................. 5 X 系列 性能簡介 .......................................................................................... 6 制系統(tǒng)設計概述 .............................................................................................. 9 4 加工中心 制設計 ............................................................................................. 10 工中心的組成部分 ............................................................................................... 10 庫的自動換刀裝置 ............................................................................................... 12 工中心 入輸出 接線圖 .............................................................................. 13 工中心 制的軟件流程圖 .......................................................................... 15 形圖及工作原理 ................................................................................................... 17 行結果 ................................................................................................................... 20 結束語 .............................................................................................................................. 21 參考文獻 .......................................................................................................................... 22 致 謝 .......................................................................................................................... 24 附 錄 .......................................................................................................................... 24 附錄 1：加工中心刀庫自動轉位 接線圖 ....................................................................... 24 附錄 2：加工中心刀庫自動轉位 控制梯形圖 ............................................................... 26 附錄 3：梯形圖指令程序 ............................................................................................... 30 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 ( 2009) 1 加工中心 1 前 言 隨著微處理器、計算機和數(shù)字通信的飛速發(fā)展，計算 機控制已擴展到了幾乎所有的工業(yè)領域。現(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求做出迅速的反應，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質量產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設備和自動生產(chǎn)線的控制必須具有極高的可靠性和靈活性。可編程序控制器真是應這一要求出現(xiàn)的，他是一位處理器為基礎的通用工業(yè)裝置。 可編程控制器（ 稱為 的應用面廣、功能強大、使用方便，已成為當代工業(yè)自動化的主要控制設備之一，在工業(yè)生產(chǎn)的所有領域得到了廣泛的使用，在其他領域（如民用核家庭自動化）的 應用也得到了迅速的發(fā)展。 可編程序控制器在數(shù)控領域也得到了廣泛的使用，以下課題為數(shù)控刀具庫的轉換就是利用可編程序控制器的強大功能所設計的，在數(shù)控及其普通機床上（無極變速）都運用了可編程序控制器，數(shù)控機床由電器部分和機械部分兩大部分組成，現(xiàn)在都是用可編程序控制器來控制使其達到更準確的目的。 可編程序控制器是機床各項功能的邏輯控制中心。它將來自 各種運動及功能指令進行邏輯排列，使它們能夠在準確的、協(xié)調有序的安全運行；同時將來自機床的信息及工作狀態(tài)傳輸給 現(xiàn)機床的控制。 當代 集成于數(shù)控系統(tǒng)中，這主要是指控制軟件的集成化，而 件則在規(guī)模較大的系統(tǒng)中往往采取分布式機構。 集成是采取軟件接口實現(xiàn)的，一般系統(tǒng)都是將兩者間各種通信信息分別指定其固定的存放地址，由系統(tǒng)對所有地址的信息狀態(tài)進行監(jiān)控，根據(jù)各接口的現(xiàn)時信息狀態(tài)進行分析和判別，據(jù)此作出進一步的控制指令，完成對運動或功能的控制。 推廣在我國得到了迅猛的發(fā)展，他已經(jīng)廣泛運用在各種機械設備和生產(chǎn)過程的電氣裝置中。了解 工作原理，具備設計、調試和維護 制系統(tǒng)的能力，已經(jīng) 成為現(xiàn)代工業(yè)對電氣技術人員和工科學生的基本要求。 述 本次設計內容是用可編程控制器（ 數(shù)控加工中心進行自動換刀控制，要求在加工過程中，根據(jù)工藝要求，在需要換刀的時候給出某刀具編號， 據(jù)所給刀具號進行判別，驅動刀庫盤旋轉到取刀口停止，再由機械手進行取刀換刀。刀庫采用隨機換刀方式，即機械手在取刀后，刀庫不再轉動，換刀、存刀一次完成，直到下一次換刀， 據(jù)某刀具號轉動刀庫盤。 加工中心 2 刀具號的檢測要求只有一個， 輸出（ 用給定的刀具號與取刀口的當前刀具號比較的方法判別刀庫盤的旋轉方 向。 題來源及基本技術要求 控制要求： 動將指定刀具轉至換刀位置（取刀口） 0把刀具供選擇 求換刀時按最小旋轉角（ ≤180?）轉動 指定刀具號轉到距刀口上兩個刀具位時減速到取刀口處停止 械手上行抓緊刀具，下行、左行放松刀具（停留 5 秒，由加工中心安裝刀具），右行到機械手原位停止 所設計的控制電路圖需通過實驗室等設備進行實際接線調試和操作，達到控制要求，設計的控制電路要求簡單、可靠性高，便于操作。 對每個 行程控制電路應有詳細的控制過程說明和控制電路動作原理說明。 要設計內容及設計思路 要設計內容 利用 知識設計出加工中心自動換刀控制的輸入輸出接線圖和主電路，并根據(jù)控制要求和輸入輸出接線圖繪制梯形圖。 計思路 制 入輸出接線圖和主電路圖。 期成果及其意義 作 為加工中心，刀庫的選刀是其核心部分之一，直接影響刀庫、機械手和主軸間的自動換刀，對機床的加工效率和加工精度具有十分重要的意義。經(jīng)過長時期的發(fā)展， 具有強大的運算能力，良好的通訊功能，極高的處理速度，已獲得廣泛的應用。對于高精尖的大型數(shù)控機床主要部件目前大部分都用的進口元件，費用高。 其定位控制器用于刀庫、機械手和主軸間的自動換刀控制，取代某些昂貴的進口元件，降低了設備費用，本設計對于小型加工中心的自動選刀控制，是一種理想的控制設備。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 ( 2009) 3 2 紹 可編程控制器： 文全稱 文全稱為可編程邏輯控制器。是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在 1987 年國際電工委員會（ 布的 準草案中對 一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或 生產(chǎn)過程。 其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。 組成 要由 I/O 模塊，編程器，系統(tǒng)電源和存儲器等部分組成。 控制器、運算器和寄存器組成。這些電路集成在一個芯片上。 過地址總線、數(shù)據(jù)總線與 I/O 接口電路相連接。起 “心臟 ”作用。當從編程器輸入的程序存入到用戶程序存儲器中，然后 據(jù)系統(tǒng)所賦予的功能（系統(tǒng)程序存儲器的解釋編譯程序），把用戶程序翻譯成 部所認可的用戶編譯程序。輸入狀態(tài)和 輸入信息從輸入接口輸進， 之存入工作數(shù)據(jù)存儲器中或輸入 映像 寄存器。然后由 數(shù)據(jù)和程序有機地結合在一起。把結果存入輸出 映像 寄存器或工作數(shù)據(jù)存儲器中，然后輸出到輸出接口、控制外部驅動器。 模塊 輸入 /輸出（ I/O）單元是 外部設備連接的紐帶。輸入單元接受現(xiàn)場設備向 供的開關量信號，經(jīng)過處理后，變成 出單元將 編程器分為兩種，一種是手持編程器，攜帶方便。但缺點是只能編輯指令表。另一種是通過 計算機 過專用軟件先在電腦上編輯梯形圖或指令表程序，再編譯成機器碼傳輸?shù)?。 般合用 2204部的開關電源為各模塊提供±12V、 24V 等直流電源。不同型號的 不同的供電方式，所以 24有 11020部使用的電源是整體的供給中心，它的優(yōu)劣直接影響到 功能和可靠性，因此目前大部分 用開關式穩(wěn)壓電源。 加工中心 4 具有記憶功能的半導體電路。它分為系統(tǒng)程 序存儲器和用戶存儲器。 系統(tǒng)程序存儲器用以存放系統(tǒng)程序，包括管理程序，監(jiān)控程序以及對用戶程序做編譯處理的解釋編譯程序。由只讀存儲器、 成。廠家使用的，內容不可更改，斷電不消失。 用戶存儲器：分為用戶程序存儲區(qū)和工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。由隨機存取存儲器（ 成。用戶使用的。斷電內容消失。常用高效的鋰電池作為后備電源，壽命一般為 3~5年。 應用領域 在我國， 經(jīng)廣泛應用在所有的工業(yè)部門，隨著其性能價格比的不斷提高，應用范圍的不斷擴大。 應用領域主要有： 有 “與 ”、 “非 ”等邏輯指令，可以實現(xiàn)電路的串并、聯(lián)，代替繼電器進行組合邏輯、定時控制與順序邏輯控制。開關量邏輯控制可以用于單臺設備，也可以用于自動生產(chǎn)線，其應用領域遍及各個行業(yè)，甚至深入到家庭。 令使用專用的指令或運動控制模塊，對直線運動或圓周運動的位置速度、加速度進行控制，可以實現(xiàn)單軸、雙軸、 3 軸和多軸位置控制，使運動控制和順序控制有機的結合起來。 運動控制功能廣泛的運用于各種機械場合，例如金屬切削機床、金屬成形機械、裝配機械、機器人、電梯等。 過程控制是 指對溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。 過模擬量 I/O 模塊，實現(xiàn)模擬量（ 數(shù)字量（ 間的 A/，并對模擬量進行閉環(huán) 例 微分）控制。 熱爐、熱處理爐、鍋爐等設備，以及輕工、化工、機械、 冶金 、電力、建材等方面。 現(xiàn)代的 有數(shù)學運算（包括整體運算、浮點數(shù)運算、函數(shù)運算、字邏輯運算、求反、循環(huán)、移位和浮點數(shù)運算等）、 數(shù)據(jù)傳送、轉換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，也可以用通信功能傳輸送到別的智能裝置上，或者將它們打印制表。 通信包括 遠程 I/O 之間的通信、多臺 間的通信、 其他智能控制設備（例如計算機、變頻器、數(shù)控裝置）之間的通信。 其它智能控制設備一起，可以組成 “集中管理、分散控制 ”的分不是控制系統(tǒng)。 生產(chǎn)廠家 自從第一臺 現(xiàn)以后，日本、德國、法國等也相繼開始研制 得鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 ( 2009) 5 到了迅速的發(fā)展。 目前，世界上有 200 多家 商， 400 多品種的 品，按地域可分成美國、歐洲、和日本等三個流派產(chǎn)品，各流派 品都各具特色，如日本主要發(fā)展中小型 小型 能先進，結構緊湊，價格便宜，在世界市場上占用重要地位 。 著名的 產(chǎn)廠家主要有美國的 公司 、 公司 ，日本的三菱電機（ 公司 、歐姆龍（ 司 ，德國的 司 、西門子（ 公司 ，法國的 司 等。 我國的 制、生產(chǎn)和應用也發(fā)展很快，尤其在應用方面更為突出。在 20世紀 70 年代末和 80 年代初，我國隨國外成套設備、專用設備引進了不少國外的后，在傳統(tǒng)設備改造和新設備設計中， 應用逐年增多，并取得顯著的經(jīng)濟效益， 我國的應用越來越廣泛，對提高我國工業(yè)自動化水平起到了巨大的作用。 目前，我國不少科研單位和工廠在研制和生產(chǎn) 遼寧無線電二廠、無錫華光電子 公司 、上海香島電機制造 公司 、廈門 。 3. 作原理及優(yōu)點 采用 “順序掃描，不斷循環(huán) ”的方式進行工作的。即在 行時， 指令步序號 (或地址號 )作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷 新等工作。 一個掃描周期必須輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。 輸入采樣階段：首先以掃描的方式按順序將所有暫存在輸入鎖存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段。 程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應的運算和處理后，其結果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內容隨著程序的執(zhí)行而改變。 輸出刷新階段：當所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至 輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅動相應輸出設備工作。 優(yōu)點有： 加工中心 6 不同類型的硬件設備采用相同的可編程序控制器，編寫不同應用軟件就可以了，并且可以用一臺可編程控制器控制幾臺操作方式完全不同的設備。 可編程序控制器為改進和修訂原設計提供了極其方便的手段，以前也許要花費幾周的時間才能完成的工作使用可編程序控制器只要幾分鐘就可以了。 在可編程序控制器中，一個輸入中的開關量或程序中的一個 “線圈 ”可提供用戶所需用的連鎖節(jié)點，即節(jié)點在 程序中可不受限制的使用。 可編程序控制器提供的繼電器節(jié)點、計數(shù)器、計時器、順控器的數(shù)量比采用繼電器、計數(shù)器、計時器、順控器等實際元器件要便宜的多。 可編程序控制能對所有功能在實驗室內進行模擬調試，縮短現(xiàn)場的調試，而古典電器線路是無法在實驗室進行調試的，只能花費現(xiàn)場大量時間。 在可編程序控制器系統(tǒng)中，操作人員能通過顯示器觀測到所控每一個節(jié)點的運行情況，隨時監(jiān)測事故發(fā)生點。 傳統(tǒng)繼電器節(jié)點的響應時間一般要幾百毫秒，而可編程序控制器里的節(jié)點反應很快 ，內部是微秒級的。 可編程序控制器由集成電路元件構成，因此可靠性大大高于機械和電器繼電器。 可編程序控制器是一個完整的系統(tǒng)，購置了一臺可編程序控制器，就相當于購買了系統(tǒng)所需要的所有繼電器、計數(shù)器、計時器等器件。 傳統(tǒng)控制電路要靠畫藍圖，而藍圖不能隨意設計的不同階段不斷更新的，采用可編程序控制器很容易做到隨時打印出更新后的電路圖。 X 系列 性能簡介 X 系列 列 高度為 90度為 75 列）和 87 列），和 4個 I/O 點的基本單元 )的底部尺寸僅為 90 0 當于一張卡片大小，很適合在機電一體化產(chǎn)品中使用。內置的 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 ( 2009) 7 三菱的 列 收了整體式和模塊式 優(yōu)點，它的基本單元、擴展單元和擴展模塊的高度和深度相同，寬度不同。他們之間用扁平電纜連接，緊密拼裝后組成一個整齊的長方體。 觀、高度、深度差不多，但是性能和價格有很大的差別，見表 3 表 3 號 I/O 點數(shù) 用戶程序步數(shù) 應用指令 /條 通信功能 基本指令執(zhí)行時間 /05 較強 49 強 6置 8大 16128 最強 功能實用，價格便宜，可以用于小型開關量控制系統(tǒng)，最多 30 個 I/通信功能，可以用于一般的緊湊型 能使用的地方； 多可以配置 128 個 I/O 點，可以用于要求較高的中小型系統(tǒng)； 功能最強，可以用于要求很高的系統(tǒng)。 結構緊湊，基本單元有 16點、 32點、 64點和 96點 4種，可以擴展到 256點，有很強的通信功能。由于不同的系統(tǒng)可以選擇不同的字系列，避免了資源的浪費，使用戶能用最少的投資來滿足系統(tǒng)的要求。 系統(tǒng)裝配靈活，用戶不僅能 夠可以選不同的子系統(tǒng)外，還可以選用多種基本單元，擴展單元和單元模塊，組成不同 I/O 點和不同功能的控制系統(tǒng)，各種配置都可以得到很高的性能價格比。 樣靈活，因為它的基本單元采用的是整體式結構，又具有比模塊式 高的性能價格比。 有多種規(guī)格的顯示模塊和數(shù)據(jù)操作終端，可以用來修改定時器、計數(shù)器的設定值和數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)，也可以用來做監(jiān)視裝置，有的只能顯示符號，有的可以顯示畫面。 列的體積雖小，卻具有很強的功能。它內置高速計數(shù)器，有輸入輸 出刷新、中斷、輸入濾波時間調整、恒定掃描時間等功能，有高速計數(shù)器的專用比較指令。使用脈沖列輸出功能，可以直接控制步進電動機和伺服電動機。脈沖寬度調整功能可以用于溫度控制或照明燈的調光控制。可以設置 8位數(shù)字密碼，以防別人對用戶程序的吳改寫或盜用，保護設計者的知識產(chǎn)權。 列的基本單元和擴展單元一般采用插接式的接線端子排，更換單元方便快捷。 加工中心 8 列 列 13 種基本單元，可組成 14 I/O 點的系統(tǒng)，并能使用特殊功能模塊、顯示模塊和功能模塊。用戶存儲容量為 8000步，有內置的實時鐘。 列的基本單元 見表 3 表 3列的基本單元 源， 24源， 24輸入點數(shù) 輸出點數(shù) 繼電器輸出 晶體管輸出 繼電器輸出 晶體管輸出 6 4 10 4 16 6 24 列的功能強大、速度高。它的基本指令執(zhí)行時間達每條指令 置的用戶存儲器為 8K 步，可以擴展到 16K 步，最大可以擴展到 256個 I/O 點，有多種特殊功能模塊或功能擴展板，可以實現(xiàn)多軸定位控制。機內有實時鐘， 功能很強的數(shù)字指令集，例如浮點數(shù)運算、開平方和三角函數(shù)等。每個 個特殊單元。 列的基本單元見表 3 表 3列的基本單元 源， 24源， 24輸入點數(shù) 輸出點數(shù) 繼電器輸出 晶體管輸出 繼電器輸出 晶體管輸出 8 6 16 4 24 2 32 0 40 4 64 列帶電源的 I/O 擴展 單元見表 3 表 3 列帶電源的 I/O 擴展單元 源， 24源， 24入 輸入點數(shù) 輸出點數(shù) 可連接的電器輸出 晶體管輸出 繼電器輸出 晶體管輸出 6 16 4 24 4 24 4 24 城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 ( 2009) 9 列擴展 I/O 模塊 見表 3 表 3 列擴展 I/O 模塊 輸入模塊 繼電器輸出模塊 晶體管輸出模塊 輸入點數(shù) 輸出點數(shù) 4 6 6 6 6 制系統(tǒng)設計概述 氣控制系統(tǒng)是控制電氣設備的核心部件，因此 控制性能是關系到整個控制系統(tǒng)能否能正常、安全、可靠、高效的關鍵所在。在設計 制系統(tǒng)時，應遵循以下基本原則： 濟、實用，維修方便。 靠性。 便，并考慮有防止誤操作的安全措施。 各項技術指標和環(huán)境要求。 制設計的基本步驟： 在進行 制設計之前，首先要詳細了解其工藝過程和控制要求，應采取什么控制方式，需要哪些輸入信號，選用什么輸入元件，哪些信號需輸出到 部，通過什么元件執(zhí)行驅動負載 ;弄清楚整個工藝過程各個環(huán)節(jié)的相互聯(lián)系；了解機械運動部件的驅動方式；了解系統(tǒng)的控制方式是全自動還是半自動的，控制過程是連續(xù)運行還是單周期運行，是否有手動調整要求等。另外，還要注意哪些量需要監(jiān)控、報警、顯示，是否需要故障診斷，需要哪些保護措施等。 控制系統(tǒng) 的設計往往是一個漸進式、不斷完善的過程。在這一過程中，先 大致確定一個初步控制方案，首先解決主要控制部分，對于不太重要的監(jiān)控、報警、顯示、故障診斷以及保護措施等可暫不考慮。 制 入輸出接線圖和主電路圖 根據(jù) 入輸出量選擇合適的輸入和輸出控制元件。計算所需的輸入輸出點數(shù)，并參照其他要求選擇合適的 型。根據(jù) 型特點和輸入輸出控制元件繪制 入輸出接線圖，確定輸入和輸出控制元件和 輸入和輸出端的對應關系 。輸入輸出元件的布置應盡量考慮接線、布線的方 便，同一類的電器元件應盡量排一起，這樣利于梯形圖的編程。一般主電路比較簡單，可一并繪制。 加工中心 10 這一部是整個設計過程的關鍵，梯形圖的設計需要掌握 各種指令的應用技能和編程技巧，同時還要了解 基本工作原理和硬件結構。梯形圖的正確設計是確?？刂葡到y(tǒng)安全可靠運行的關鍵。 根據(jù)繪制的梯形圖，如有必要還可反過來修改和完善輸入輸出接線圖和主電路圖及初步方案設計，加入監(jiān)控、報警、顯示、故障診斷和保護措施等，進行最后統(tǒng)一完善 。 根據(jù)上述設 計的內容，進行電氣控制元件的安裝和接線，將梯形圖輸入到 好現(xiàn)在 進行模擬調試，或在模擬仿真軟件上進行調試，確?？刂铺菪螆D沒有問題后進行連機調試。 4. 加工中心 工中心的組成部分 加工中心分兩大部分：數(shù)控機床和刀具自動交換裝置。刀具自動交換裝置應能滿足以下幾個方面的要求： ① 換刀時間短； ② 刀具重復定位精度高； ③ 識刀、選刀可靠，換刀動作簡單； ④ 刀庫容量合理，占地面積小，并能與主機配合，使機床外觀完整； ⑤ 刀具裝卸、調整、維護方便。刀具自動交換系統(tǒng)由刀庫、刀具交換裝 置、刀具傳送裝置、刀具編碼裝置、識刀器等五個部分組成。 刀庫存儲加工所需各種類型刀具的倉庫。它是刀具自動交換系統(tǒng)中的重要組成部分，具有接受刀具傳送裝置送來的刀具和將刀具給予刀具傳送裝置的功能。它的容量、布局和具體結構對整個加工中心的總體布局和性能有很大的影響，按其結構、形狀可分為以下六種： ① 圓盤式刀庫，又分為軸向式 (刀具中心線與圓盤中心線平行 )、徑向式 (刀具中心線與圓盤中心線垂直 )和多盤式 (在一根旋轉軸上分設幾層圓盤刀庫 )。 ② 轉塔式刀庫，又分傾斜式和水平式。 ③ 鼓輪式刀庫。 ④ 鏈式刀 庫。 ⑤格子式刀庫。 ⑥ 直線式刀庫。 應當根據(jù)被加工零件的工藝要求合理的確定刀庫的存儲量。根據(jù)對車床、銑床和鉆床的所需刀具的數(shù)的統(tǒng)計表明，在加工過程中經(jīng)常使用的刀具數(shù)目并不很多，對于鉆削加工，用 14 把不同的規(guī)格的刀具就可以完成約 80%的加工，即使要求完成 90%的工件加工，用 20 把刀具也就足夠了。對于銑削加工，需要的刀具更少，用 4把不同規(guī)格的銑刀就能完成約 90%加工，用 5把不同規(guī)格的銑刀可以加工 95%的工件。因此從使用角度來看，刀庫的存儲量一般為20~40把較為合適，多的可達 60把刀，超過 60把刀的很少。采用 鏈式刀庫。本次設計的刀庫容量為 32把刀，為中型加工中心刀庫 。 機械手 ) 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 ( 2009) 11 它的職能是將機床主軸上的刀具與刀庫或刀具傳送裝置上的刀具進行交換，其動作循環(huán)為：拔刀 ─新舊刀具交換 ─裝刀。換刀機械手種類繁多，可以說每個廠家都推出自己的機械手，基本上換刀裝置按交換方式又分為兩類。 ① 無機械手換刀，由刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)換刀。在這類裝置中，刀庫一般為格子式，裝在工作臺上。換刀時，先使工作臺與主軸相對運動，將使用過的舊刀送回刀庫，然后再使工作臺與主軸相對運動一次，從刀庫中取出新刀。這種換刀 方式的換刀時間長，另外刀庫設置在工作臺上，減少了工作臺的有效使用面積。 ② 采用機械手換刀，機械手刀具交換裝置，有單臂單手式機械手、回轉式單臂雙機械手、雙臂機械手、多手式機械手。特別是雙臂機械手刀具交換裝置具有換刀時間短、動作靈活可靠等優(yōu)點，應用最為廣泛。雙臂機械手中最常用的幾種結構有：鉤手；抱手；伸縮手；叉手。雙臂機械手進行一次換刀循環(huán)的基本動作為：抓刀 (手臂旋轉或伸出，同時抓住主軸和刀庫里的刀具 )；拔刀 (主軸松開，機械手同時將主軸和刀庫中的刀具拔出 )；換刀 (手臂轉 180°，新、舊刀交換 )；插刀 (同時將新刀插 入主軸，舊刀插入刀庫，然后主軸夾緊刀具 )﹔縮回 (手臂縮回到原始位置 )。機械手的手爪，大都采用機械鎖刀的方式，有些大型的加工中心，也有采用機械加液壓的鎖刀方式，以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出。對于本次設計采用雙機械手換刀裝置。 當?shù)稁烊萘枯^大、布置得離機床較遠時，就需要安排兩只機械手來完成新舊刀的交換動作，一只靠近刀庫，稱為后機械手，完成拔新刀、插舊刀的動作；一只靠近主軸，稱為前機械手，完成拔舊刀、插新刀的動作。在前后機械手之間則設有運刀裝置。它一方面將前機械手從主軸上拔出的舊刀運回刀庫旁， 以便后機械手將該舊刀拔出并插回刀庫；另一方面則將后機械手從刀庫中拔出的新刀運到主軸旁，以便前機械手將該新刀拔出并插入主軸。運刀器的職能就是在前后機械手之間來回運送新、舊刀具。此設計無此動作。 將加工所需的刀具自動地從刀庫中選擇出來稱為自動選刀，有順序選擇和編碼選擇兩種方式。 ① 順序選擇方式： 將在加工中心上加工某一零件所需的全部刀具按工序先后依次插入刀庫中。加工時按加工順序一一取用。采用這種選刀方式不需要識刀器，刀庫結構及其驅動裝置都非常簡單，每次換刀時控制刀庫轉位一次即可。采用順序選刀方 式時，為某一個工件準備的刀具，不能在其他工件中重復使用，這在一定程度上限制了機床的加工能力。 ② 固定地址選擇方式：這是一種對號入座的方式，又稱為刀座編碼方式。這種方式是對刀庫的刀座進行編碼，并將與刀座編碼相對應的刀具一一放入指定的刀座中。然后根據(jù)刀座的編碼選取刀具。該方式使刀柄的結構簡化，刀具可以做得較短，但刀具不能任意安放，一定要插入配對的刀座中。與順序選擇方式相比較，刀座編碼方式最突出的優(yōu)點是刀具可以在加工過程中多次使用。 ③ 編碼選擇方式： 將加工某一項零件所需的全部刀具 (或刀座 )都預先編上代碼，存放在 刀庫中。加工時根據(jù)程序尋找所需要的刀具。由于每把刀具都有自己的代碼，它們在刀庫中的位置和存放順序可以與加工順序無關。每把刀具都加工中心 12 可被多次重復使用。刀具編碼有多種方式，常用的有三種。刀具編碼：在每一把刀具的尾部都用編碼環(huán)編上自己的號碼。選刀時根據(jù)穿孔帶所發(fā)出的刀號指令任意選擇所需的刀具。由于每把刀具都有自己確定的代碼，無論將刀具放入刀庫的哪個刀座中都不會影響正確選刀。采用這種編碼方式可簡化換刀動作和控制線路，縮短換刀時間。這種編碼現(xiàn)已獲廣泛應用。刀座編碼：在刀庫的每一個刀座上用編碼板編碼。這種編碼方式的優(yōu)點是刀 柄不會因尾部有編碼環(huán)而增加長度﹔缺點是刀具必須對號入座，換刀時間長。 編碼鑰匙：預先給每把 刀具都系上一把表示該刀具代碼的編碼鑰匙。 庫的自動換刀裝置 帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)由刀具換刀機構組成，目前這種換刀方法在數(shù)控機床上的應用最為廣泛。帶刀庫的自動換刀裝置的數(shù)控機床主軸箱和轉塔主軸頭相比較，由于主軸箱內只有一個主軸，所以主軸部件有足夠的剛度，因而能夠滿足各種精密加工的要求。另外，刀庫可以存放數(shù)量很多的刀具，可以進行復雜零件的多工序加工，可明顯的提高數(shù)控機床的適應性和加工效率。 由于本次設計有 30 把 刀具，比較復雜，我們以 6 把刀具為例，畫出其機械手與調取刀具示意圖。 調取當前刀時（圖中為 1號刀）刀盤不動作。 調取刀具時分兩種方法即順時針取刀和 逆時針取刀，順時針取刀時調取的是 5號和 6號刀，逆時針取刀時調取的是 2、 3、 4號刀。 機械手在 1 號位，調取 5 號和 6 號刀時，刀盤順時針旋轉 調取刀具示意圖如圖4 圖 4盤順轉調取 5刀 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 ( 2009) 13 機械手在 1號位，調取 2、 3、 4號刀時，刀盤逆時針旋轉調取刀具如圖 4 圖 4盤逆轉調取 2 30把刀具的裝配圖的原理與 6把刀具的原理幾乎相同，只是多了刀具的而已。 工中心 入輸出 接線圖 本次設計采用隨機換刀控制方式，在隨機換刀控制中，換刀的位置是隨機的，刀具選擇指令與刀套編號無關，是隨機變動的，指令僅以刀具自身的直接編號為目標。這種換刀方式在新刀取出后，刀具不需轉動，可立即隨機存入原先使用的道具，即換刀、存刀一次完成，縮短了換刀時間。 圖 4功能處理示意。 數(shù)控裝置刀庫回轉指令譯 控制位 置 信 號反 饋圖 4 功能處理示意 一個完整的 計由 I/O 配置表、 軟件流程圖、梯形圖和指令表組成。本次設計詳細介紹了本課題的各個環(huán)節(jié)。 加工中心 14 表 40把刀具的 I/O 及內部繼電器元件分配表 表 4～ 于設定 值 庫正向回轉 庫反向回轉 庫減速回轉 庫停轉 轉標志 轉標志 轉標志 速標志 動脈沖