数控车床四工位刀架电气设计毕业论文 - 图文

数控车床四工位刀架电气设计毕业论文

目 录

数控车床四工位刀架电气设计 ................................................. 错误！未定义书签。 摘 要 ....................................................................................... 错误！未定义书签。 第1章 绪论 ............................................................................................................... 2

1.1 引言 ....................................................... 2 1.2 国内外刀架研究现状及发展趋势 ............................... 2 第2章 刀架结构介绍 ............................................................................................... 4

2.1现有刀架的典型结构 .......................................... 4 2.2四工位刀架换刀工作原理 ...................................... 6

2.2.1刀架机械结构图 ......................................... 6 2.2.2工作方式 ............................................... 7

第3章 数控车床电气系统组成 ............................................................................... 9

3.1刀架系统组成 ................................................ 9

3.1.1霍尔效应霍尔元件 ....................................... 9 3.1.2霍尔元件在刀架中的应用 ................................. 9 3.1.3刀架系统 .............................................. 10 3.2其它电气系统的组成 ......................................... 10

3.2.1主轴系统 .............................................. 10 3.2.2伺服驱动系统 .......................................... 12 3.2.3冷却系统 .............................................. 13 3.2.4润滑系统 .............................................. 14

第4章 FANUC数控刀架PLC程序设计 .................................................................. 15

4.1 FANUC 0i D系统简介 ........................................ 15 4.2 PLC在数控机床中的应用 ..................................... 16 4.3 刀架I/O地址分配 ........................................... 17 4.4 刀架程序编写 ............................................... 18

4.4.1刀架有关的PMC功能指令介绍 ............................ 18 4.4.2 刀架的工作过程和转动要求 ............................. 22 4.4.3 刀架程序 ............................................. 23 4.5 程序的调试 ................................................. 27 第5章 总结 ............................................................................................................. 28 参考文献 ..................................................................................................................... 29 致 谢 ..................................................................................................................... 30 附录： ......................................................................................................................... 31

附录一：功能原理图 ............................................. 31 附录二：电气原理图 ............................................. 36

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第1章 绪论

1.1 引言

数控车床为了能在工作的一次装夹中完成多工序加工，缩短辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，必须带有自动回转刀架。数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。

随着数控车床的不断发展，刀架结构形式也在不断翻新。其中按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。传统的车床例如CA6140的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进。自1958年首次研制成功数控加工中心自动换刀装置以来，自动换刀装置的机械结构和控制方式不断得到改进和完善。自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有：回转刀架换刀，更换主轴头换刀以及带刀库的自动换刀系统。

电动刀架是数控车床重要结构，在设计中刀架采用全电控制，无液压或气动等其它动力源，故对简化机床控制的复杂程度带来好处。合理的选配电动刀架，可以缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性。另外，加工工艺适应性和连续工作的工作能力也明显提高

1.2 国内外刀架研究现状及发展趋势

1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床。美国IBM公司同期也研制成功了APT(刀具程序控制装置)。1958年美国K&T公司研制出到ATC的加工中心。1967年出现FMS（柔性制造系统）。1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。1983年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。

刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响机床的加工性能。刀库结构形式及道具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的车成本造价产生

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直接影响。我们应该是数控机床工作性能有所提高，而且使其总体造价大幅度下降。低造价高性能的数控机床蒋辉被中小厂广泛接收。数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，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、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。

目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。立式刀架有四、六工位两种形式，主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等等。另外，加工工艺适应性和连续稳定的工作能力也明显提高。尤其是在加工几何形状较复杂的零件时，除了控制系统能提供相应的控制指令外，很重要的一点是数控车床需配备易于控制的电动刀架，以便一次装夹所需的各种刀具，灵活 方便地完成各种几何形状的加工。国产数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，近年来需要量可达1000～1500台。

国外数控车床的发展目的在于提高加工精度和缩短制造周期。开发多种多样复合化加工的机种，如增添铣削功能的复合加工车削中心、双主轴多刀塔(双刀塔或四刀塔)数控车床和车削中心、双主轴同步驱动，双刀塔同时进行加工车削中心、五轴联动车铣复合中心、车磨复合加工机床、具有车、铣、镗、磨和激光热处理多种功能的高度复合化的复合加工中心等等。我国数控车床经过多年的发展，特别是近几年迅速的发展，与国际先进水平的差距在逐年缩小。对于某些依赖于进口的高档数控车床，如高精度数控车床和车削中心(主轴径跳轴跳?0.001mm)、适用耐热合金和钛合金零件加工的大功率、高扭矩数控车床和车削中心等等要加强产品开发研究攻关，突破其核心技术。

电动刀架是数控机床必需的功能部件，直接影响机床的性能和可靠性，是机床的故障高发点。这就要求设计的刀架具有具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的特点。

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第2章 刀架结构介绍

2.1现有刀架的典型结构

1）数控车床方刀架

经济型数控车床方刀架，是在普通车床四方刀架的基础上发展的一种自动换刀装置，其功能和普通四方刀架一样：有四个刀位，能装夹四把不同的刀具，方刀架回转90o时，刀具变换一个刀位，但方刀架的回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制的（如图2-1）。换刀时方刀架的动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、刀架定位和刀架夹紧。完成上述动作要求，有相应的机构来实现。

2）排刀式刀架

排刀式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒类为主的机床较为常见，它的结构形式为夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床X坐标轴方向排列在横向滑板或一种称为快换台板上。这种刀架的特点之一是刀具布置和机床调整都较方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具在一把刀完成车削任务后，横向滑板只要按程序X轴向移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速、省时、有利于提高机床的生产效率。

3）自动回转刀架

盘形自动回转刀架根据刀位又可分为A型、B型和C型，其中A型和B型刀架可配置12把刀具，C型可配置8把刀具。A、B型回转刀盘的外切刀可使用25mm*150mm标准刀具和刀杆截面为25mm*25mm的可调工具，C型可用尺寸为20mm*20mm*125mm的标准刀具。镗刀杆直径最大为32mm。该种刀架更换和对刀十分方便。刀位选择由刷形选择器进行，松开、夹紧位置检测由微动开关控制。整个刀架控制是一个纯电气系统，结构简单。

4）转塔回转刀架

转塔回转刀架适用与盘类零件加工。在加工轴类零件时，可以换用四方回转刀架。由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。回转刀架动作根据数控指令进行，由液压系统通过电磁换向阀进行控制，其动作过程分为如下四

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个步骤：（1）、刀架抬起，（2）、刀架转位、（3）、刀架压紧，（4）、转位液压缸复位。如果定位、压紧动作正常，刀架会发出信号表示已完成换刀过程，可进行切削加工。

图2-1 方刀架结构示意图

图2-2 回转式刀架

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2.2四工位刀架换刀工作原理 2.2.1刀架机械结构图

图2-3 刀架实体图

2-4 数控车床方刀架结构图

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图2-5 数控车床回转式刀架结构图

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

2.2.2工作方式

刀架的工作过程可分为刀架抬起、刀架转位、刀架定位并压紧等几个步骤其工作过程如下：

1）刀架抬起：当数控系统发出换刀指令后, 通过接口电路使电机正转, 经传动装置、驱动蜗杆蜗轮机构、蜗轮带动丝杆螺母机构逆时针旋转 ,此时由于齿盘处于啮合状态，在丝杆螺母机构转动时，使上刀架体产生向上的轴向力将齿盘松开并抬起,直至两定位齿盘脱离啮合状态,从而带动上刀架和齿盘产生“上台”动作。

2）刀架转位：当圆套逆时针转过150°时，齿盘完全脱开，此时销钉准确进入圆套中的凹槽中，带动刀架体转位。

3）刀架定位：当上刀架转到需要到位后（旋转90°、180°或270°），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,插销7在弹簧力作用下进入反靠盘 地槽中进行粗定位，上刀架体停止转动，电机继续反转，使其在该位置落下，通过螺母丝杆机构使上刀架移到齿盘重新啮合, 实现精确定位。

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4）刀架压紧 刀架精确定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿盘增加到一定夹紧力时， 电机由数控装置停止反转，防止电机不停反转而过载毁坏，从而完成一次换刀过程。

对于四工位自动回转刀架来说，它最多装有4把刀具，微机系统控制的任务，就是选中任意一把刀具，让其回转到工作位置。现以其中任意一把刀具1#刀为例简述刀架换刀的过程。

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第3章 数控车床电气系统组成

3.1刀架系统组成 3.1.1霍尔效应霍尔元件

霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象就是霍尔效应。这个电势差也被称为霍尔电势差。 霍尔元件

霍尔元件是应用霍尔效应的半导体。一般用于电机中测定转子转速，如录象机的磁鼓，电脑中的散热风扇等；是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。

3.1.2霍尔元件在刀架中的应用

精度是一台数控机床的特别重要成分，假如机床丧失了精度也就丧失了加工生产的意义，数控机床精度的保障很大一部分源于霍尔元件的检测精准性。

在数控机床上常用到的是霍尔接近开关：霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。

用霍尔开关检测刀位。首先，得到换刀信号，即换刀开关接通先接通。随后电机通过驱动放大器正转，刀架抬起，电机继续正转，刀架转过一个工位，霍尔元件检测是否为所需刀位，若是，则电机停转延时再反转刀架下降压紧，若不是，电机继续正转，刀架继续转位直至所需刀位。

接通整个电路电源，将换刀开关置于自动挡，再按下开始开关进行换刀，正传线圈自锁，自动进行换刀。当转到所需刀位时，刀位对应霍尔元件自动断开，电机停止正转。并接通反转电路，延时反转，刀架下降并压紧。霍尔元件不但起到了检测与反馈作用，而且也是数控机床精度可靠性的保障。

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3.1.3刀架系统

电动刀架采用由销盘、内端齿、外端齿盘组合而成的三端齿定位机构。采用蜗轮蜗杆传动，齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。当系统没有发出换刀信号时，发讯盘内当前刀位的霍尔元件信号处于低电平状态。当系统要求刀架转到某一刀位时，系统输出正转信号，此时继电器得电吸合，使接触器得电吸合，刀架正转。当刀架转至所需刀位时，该刀位霍尔元件在磁钢作用下，使该刀号产生低电平信号，这时刀架正转信号断开，系统输出反转信号，同时另一继电器得电吸合，使相应接触器得电吸合，刀架反转，反转到位后，刀架电机停止，完成一次换刀控制过程。（刀架电机正反转主电路原理图3-4）

换刀信号——电机正转——上刀体转位——到位信号——电机反转——粗定位——精定位夹紧——电机停转——回答信号——加工顺序进行。

图3-4 刀架电机正反转主电路

3.2其它电气系统的组成 3.2.1主轴系统

主轴是车床构成中一个重要的部分，对于提高加工效率，扩大加工材料范

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