自动换刀设计 - 图文

毕业论文（设计）

数控车床自动换刀PLC 控制及常见故障分析

系 航空机械制造工程学院 院 专 业 数控设备应用与维护 班 级 数设1101 号 201100121032 学 姓 名 郭毅 指导老师 王建平

二Ο一四年 月 日

空军航空维修技术学院

毕业设计（论文）任务书

11级数控设备应用与维修专业1101 班 姓名 郭毅 学号 32 指导老师: 王建平

设计题目：数控车床自动换刀PLC控制及常见故障分析 设计题号: wxw08 设计内容及要求：

1. 绘制并打印FANUC系统数控车床电动刀塔自动换刀控制相关输入输出信号地址分配(连接)图一张（2号图纸）；

2.绘制并打印某数控车床自动换刀装置（12把刀以上）PLC控制梯形图一张（2号图纸）；

3.完成设计说明书编制（不少于8000字）；

设计说明书内容应包括：结合所在单位具体数控机床，介绍该

数控车床自动换刀装置的结构和工作原理，自动换刀装置电气控制线路的设计，设计六工位刀号检测的梯形图，并详细说明其检测的原

理；给出数控车床自动换刀控制的PLC程序（使用梯形图）和说明；总结数控车床自动换刀过程中常见故障及解决措施。（机床系统一律

采用FANUC系统）。

联系方式： 电话： 0731-5473750

邮箱：JPWLX@163.com QQ：1350086845

数控教研室 二0一三年十一月

长沙航空职业技术学院毕业设计（论文） 诚信声明

诚 信 声 明

本人郑重声明：所呈交的大专毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果。尽我所知，除了设计（论文）中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

毕业论文（设计）作者签名：

年 月 日

长沙航空职业技术学院毕业设计（论文） 目 录

目录

摘要 ???????????????????????（2） 第一章 数车床自动换刀结构和工作原理????????? (3)

1.1 自动换刀刀架结构 ?????????????? （3） 1.2 自动换刀的工作方式??????????????（6） 1.3 选刀动作流程图???????????????? (6) 1.4 自动换刀的原理???????????????? (7) 1.5 自动换刀的意义???????????????? (9) 第二章 自动换刀装置控制线路的设计 ?????????? (10)

2.1 自动换刀的电气控制线路 ????????????(10) 2.2 刀架电气控制系统???????????????? (11) 2.3 设计六工位刀号梯形图?????????????（11） 2.4 六工位刀号检测原理??????????????（12） 第三章 数车床自动换刀常见故障及解决措施????????(13)

3.1 刀库乱刀故障处理方法????????????? (13） 3.2 刀具交换时掉刀????????????????（13） 3.3 自动换刀时刀盘未完全夹紧处理方法??????? (13) 3.4 FANUC数控车床系统刀架故障案例分析???????(14) 3.5刀架不能启动 ?????????????????（15） 参考文献 ??????????????????????（15） 致谢 ???????????????????????（16）

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长沙航空职业技术学院毕业设计（论文） 摘要

数控车床自动换刀PLC控制及常见故障分析

摘要：数控机床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，以缩短辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。数控车床上的回转刀架就是一种简单的自动换刀装置，所不同的是在多工序数控机床出现之后，逐步发展和完善了各类回转刀具的自动换刀装置，扩大了换刀数量，从而能实现更为复杂的换刀操作。

为了完成不同工序的加工工艺，加工时需要很多刀具，必须配有自动换刀装置。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，同时具有换刀时间短，刀具重复定位精度高，结构紧凑及安全可靠等特点。

关键字：自动换刀；数控；可编程机床控制器；机械手；机械准停

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长沙航空职业技术学院毕业设计（论文） 数车床自动换刀

结构和工作原理

第一章 数车床自动换刀结构和工作原理

1.1自动换刀刀架的结构

（1）不带刀库的：

一般情况下，回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位及刀架压紧等。回转刀架按其工作原理分为若干类型，如图1-1所示。

图1-1a所示为螺母升降转位刀架，电动机经弹簧安全离合器到蜗轮副带动螺母旋转，螺母举起刀架使上齿盘与下齿盘分离，随即带动刀架旋转到位，然后给系统发信号螺母反转锁紧。

图1-1 回转刀架的类型及其工作原理 图1-1b所示为利用十字槽轮来转位及锁紧刀架（还要加定位销），销钉每转一周，刀架便转1/4转（也可设计成六工位等）。

图1-1c所示为凸台棘爪式刀架，蜗轮带动下凸轮台相对于上凸轮台转动，使其上、下端齿盘分离，继续旋转，则棘轮机构推动刀架转90o，然后利用一个接触开关或霍尔元件发出电动机反转信号，重新锁紧刀架。

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长沙航空职业技术学院毕业设计（论文） 数车床自动换

刀结构和工作原理

图1-1d所示为电磁式刀架，它利用了一个有10kN左右拉紧力的线圈使刀架定位锁定。

图1-1e所示为液压式刀架，它利用摆动液压缸来控制刀架转位，图中有摆动阀芯、拨爪、小液压缸；拨爪带动刀架转位，小液压缸向下拉紧，产生10kN以上的拉紧力。这种刀架的特点是转位可靠，拉紧力可以再加大，但其缺点是液压件难制造，还需多一套液压系统，有液压油泄漏及发热问题。

图1-2所示为数控车床的六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。这种刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制

图1-2 六角回转刀架结构示意图 （2）带刀库的

此类换刀装置由刀库、选刀机构、刀具交换机构及刀具在主轴上的自动装卸机构等四部分组成，应用最广泛。

图1-3所示为刀库装在机床的工作台（或立柱）上的数控机床的外观图。 图1-4所示为刀库装在机床之外，成为一个独立部件的数控机床的外观图。此时，刀库容量大，刀具可以较重，常常要附加运输装置来完成刀库与主轴之间刀具的运输。

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刀结构和工作原理

刀库主轴箱机械手主轴刀库刀具工件主轴箱立柱

图1-3 刀库与机床为整体式的数控机床 图1-4 刀库与机床为分体式的数控机床 带刀库的自动换刀系统,整个换刀过程比较复杂。首先要把加工过程中要用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上,在机床外进行尺寸预调整后,插入刀库中。换刀时根据选刀指令在刀库上选刀，由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，进行刀具交换，然后将新刀具装入主轴，将用过的刀放回刀库。

采用这种自动换刀系统，需要增加刀具的自动夹紧、放松机构、刀库运动及定位机构，常常还需要有清洁刀柄及刀孔、刀座的装置，因而结构较复杂。其换刀过程动作多、换刀时间长。同时，影响换刀工作可靠性的因素也较多。 为了缩短换刀时间，可采用带刀库的双主轴或多主轴换刀系统，如图1-5所 示。由图可知，当水平方向的主轴在加工位置时，待更换刀具的主轴处于刀换刀 位置，由刀具交换装置预先换刀，待本工序加工完毕后，转塔头回转并交换主轴 （即换刀）。这种换刀方式，换刀时间大部分和机加工时间重合，只需转塔头转位的时间，所以换刀时间短，转塔头上的主轴数目较少，有利于提高主轴的结构刚度，刀库上刀具数目也可增加，对多工序加工有利。但这种换刀方式难保证精镗加工所需要的主轴精度。因此，这种换刀方式主要用于钻床，也可以用于铣镗床和数控组合机床。

图1-5 双主轴头换刀 第4页

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刀结构和工作原理

1.2 自动换刀的工作方式

加工中心自动换刀系统的控制主要分为两部分：刀库选刀控制（T指令）和刀具交换控制(M06指令)。目前刀库选刀一般有四种控制方式：顺序选刀方式，刀具编码方式，刀套编码方式，计算机记忆随机换刀。

顺序选刀方式是将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的每一个刀座内，刀具顺序不能搞错。更换加工工件时，刀具在刀库上的排列顺序也要改变。这种方式的缺点是同一工件上的相同的刀具不能重复使用，因此刀具的数量增加，降低了刀具和刀库的利用率，但其控制以及刀库运动等则比较简单。

刀具编码方式采用了一种特殊的刀柄结构，并对每把刀具进行编码。换刀时通过编码识别装置，根据换刀指令代码，在刀库中寻找出所需要的刀具。由于每一把刀都有自己的代码，因而刀具可以放入刀库的任何一个刀座中，这种方式编程控制简单，但是编码刀柄结构复杂，容易出故障。

刀套编码方式是对刀库各刀座预先编码，每把刀具放入相应刀座之后，就具有了相应刀座的编码，即刀具在刀库中的位置是固定的。缺点是用过的刀具必须放回原来的刀座，增加了辅助换刀的时间，降低了换刀效率。

计算机记忆随机换刀方式是目前使用最为广泛的一种方式。这种方式的特点是刀具号和刀座号对应地记忆在计算机地存储器或可编程控制器的存储器中，不论刀具放在哪个地址，都始终记忆着它的踪迹，这样刀具可以任意取出，任意送回。刀柄采用国际通用的形式，没有编码条，结构简单，通用性能好。本文以BT50-24TOOL圆盘式刀库自动换刀为例，讨论计算机记忆随机换刀方式的PMC的控制。

1.3 选刀动作流程图

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刀结构和工作原理

图1-6 选刀流程图 1.4 加工中心自动换刀的原理

加工中心自动换刀的动作过程步骤多,内部控制原理复杂,且在不同的条件下,换刀动作过程并不完全一致。其换刀功能的正常实现是与上述各个系统的正常工作紧密相连,同时还与用户编写的PMC

程序,设置的PMC参数和系统参数密切相关,这其中的任何一个环节出了问题,都有可能导致换刀故障。下面结合图6,对其换刀过程和换刀控制原理进行详细说明。

⑴程序执行到选刀指令T代码时,系统通过方向判别后,控制刀库电动机1正转或反转,刀库中刀位计数开关2开始计数(计算出到达换刀点的步数),当刀库上所选的刀具转到换刀位置后,刀库电动机立即停转,完成选刀定位控制。如图6(a)所示。

⑵当T代码执行后,倒刀电磁阀线圈得电,气 缸推动选刀的刀套向下翻转90°

(倒下),倒刀确认开关8发出信号,完成倒刀控制,这个信号还是交刀具的开始信号。如图6(b)所示。

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刀常见的故障及

12 COM 接地线

3、自动刀架控制涉及到的I/O信号如下： PLC输入信号：

X4.0~X4.3：1~4号刀到位信号输入； PLC输出信号：

Y0.1：刀架正转继电器控制输出； Y0.2：刀架反转继电器控制输出。

2.3 设计六工位刀号梯形图

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刀常见的故障及

图2-2 六工位刀号梯形图 如图2-2 图中的X2.1、X2.2、X2.3为角度编码器的实际刀号检测输入信号地址，X2.6为角度编码器位置选通输入信号(每次转到位就通地址，通过常数定义指令(NUME)把刀架当前实际位置的号写入到地址D302中。通过判别一致指令COIN)把当前位的刀号(D302中的数值)与程序的T码选刀刀号F26中值)进行判别，如果两个数值相同，则T码辅助功能结束(说明程序要的刀号与当前实际刀号一致)；如果两个数值不相同，则进行R1.1的分度控制。通过判别指令(COIN)和比较指令(COMP)与数字0和数字7进行比较，如果程序指令的T0或大于等于7时，系统要有T代码错误报警信息显示，同时停止刀架分度指的输出。当程序指令的T码与刀架实际刀号不一致时，系统发出刀架分度指令(继电器R0.3为“1”)，刀架电动机正转(输入继电器Y2.4为“1”)，通过蜗杆蜗轮传动松开锁紧凸轮，凸轮带动刀盘转位，同时角度编码器发出转位信号(X2.1、X2.2、X2.3)，当刀架转到换刀位置，系统判别一致指令(COIN)信号R0.0为“1”，发出刀架分度到位信号(继电器R0.4为“1”)，刀架电动机经过定时器01的延时(定时器TMR01为50ms)后，切断刀架电动机正转输出信号Y2.4，同时接通反转运行开始定时器02，经过延时后，系统发出刀架电动机反转输出信号Y2.5，电动机开始反转，进行定位，锁紧凸轮进行锁紧并发出刀架锁到位信号(X2.5)，经过反转停止延时定时器03的延时(定器TMR03设定为0.6s)后，发出电动机反转停止信号(R0.7“1”)，切断刀架电动机反转运转输出信号Y2.5。通过刀架锁紧到位信号X2.5接通T辅助功能完成指令(R1.1为“1”)，系统辅助功能结束指令信号G4.3为“1”，切断刀架分度指令R0.3，从而完成换刀的自动控制。在换刀整过程中，当换刀过程超时(TMR04)、电动机过载温升过高(X2.4)及断路器QF1(X2.7)信号动作时，系统立即停止换刀动发出系统换刀信息。 2.4 六工位刀号检测原理

按下换刀键或输入换刀指令后，电机正转，并经联轴器，由滑键带动蜗杆、涡轮、轴、轴套转动。轴套的外圆上有两处凸起，可在套筒内孔中的螺旋槽内滑

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刀常见的故障及

动，从而举起与套筒相连的刀架及上端齿盘，使齿盘与下端齿盘分开，完成刀架抬起动作。刀架抬起后，轴套仍在继续转动，同时带动刀架转过 60°（如不到位，刀架还可继续转位 120°、 180°、 240°、300°、360°)，并由微动开关发出信号给数控装置。刀架转到位后，由微动开关的信号使电动机反转，利用销使刀架定位而不再随轴套回转，于是刀架向下移动，上下端齿盘合拢压紧。蜗杆继续转动并产生轴向位移，压缩弹簧，套筒的仍在继续转动，同时带动刀架转

°)，并由微动开关发出信号给数控装置。刀架转到位后，由微动开关的信号使电动机反转，利用销使刀架定位而不再随轴套回转，于是刀架向下移动，上下端齿盘合拢压紧。蜗杆继续转动并产生轴向位移，压缩弹簧，套筒的外圆曲面压缩开关使电动机停止旋转，从而完成一次转位。

对于六工位自动回转刀架来说，它最多装有六把刀具，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。在普通车床六方位刀架的基础上发展的一种自动换刀装置，其功能和普通四方位刀架一样：有个刀位，能夹持六把不同功能的刀具，方刀架回转60°时，刀架交换一个刀位，但方刀架回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制的。换刀时方刀架的动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、刀架定位和夹紧。完成上述动作要求，要有相应的机构实现。

经济型数控车床刀架式在普通车床六方位刀架的基础上发展的一种自动换刀装置，其功能和普通四方位刀架一样：有个刀位，能夹持六把不同功能的刀具，方刀架回转60°时，刀架交换一个刀位，但方刀架回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制的。换刀时方刀架的动作顺序是刀架抬起、刀架转位、刀架定位和夹紧。完成上述动作要求，要有相应的机构来实现，下面就以四工位刀架为例来说明其结构与原理，如图2-3所示：

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刀常见的故障及

图1-1 4工位电动刀架结构示意图 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-电刷座；11-发信号；12-螺母；13、14-刀位检测盘；15-粗定位销

第三章 数控车床自动换刀装置常见故障及维修

3.1 刀库乱刀故障处理方法

由于自动换刀装腔作势置是通过记忆数据表中的数据进行换刀的，如果系统 PMC 参数丢失或换刀装置拆修后，系统就会出现换刀过程中乱刀或不执行换刀动作的故障。此时应当恢复系统参数和换刀机械动作，然后对刀库的数据表进行初始化。具体操作是把计数器 01设定为 24，数据表的 D000 设定为 0，D001-D024 设定值应按实际刀库的刀座中的刀具号进行设定，最后系统断电再重新上电，系统恢复正常工作。 3.2 刀具交换时掉刀

换刀时主轴没有准确回到换刀点或主轴准停位置偏移，机械手抓刀时没有到位就开始拔刀，都会导致换刀。处理方法是重新调整主轴换刀点位置并修改第二参考点的坐标值；检查主轴编码器与主轴的连接和编码器本身一转信号是否正确；栓查扣刀到位开关 6 位置调整是否正确及机械手转位是否良好。 3.3 自动换刀时刀盘未夹紧处理方法

FANUC 0T系统在自动加工中，换刀后刀盘没有完全夹紧，出现换刀超时报

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刀常见的故障及

警，报警刀号不固定，有时连续几个班次）出现报警，（每班次8h有时在一个班次就出现多次报警。分析处理：根据换刀循环的机电信号流程图不难看出，刀盘夹紧的先决条件是指令刀号与实际刀号必须相符，然后绞链机构上的分度销完全进入分度凸轮的分度槽中，阀芯完全伸出，同时刀盘夹紧，切断液压马达的供油线路，马达停转，换刀完成。因此先重点检查编码器的反馈给PLC的输入信号 (X20.0～X20.7)，发现当刀盘由高号刀位向号刀位转换时，PLC的输入信号（X20.0～X20.7）正常，各个刀号和对应的编码器信号（TP0～TP7）如表1。当刀盘由低号刀位向高号刀位转换时，PLC的输入信号（X20.0）在刀盘夹紧过程中（端面齿形联结环在啮合过程中）出现异常，X20.0出现由 “0—1—0”的变化，若由“0”变成“1”而后又能迅速地变为“0”，则没有换刀的超时报警，若处在“1”，就出现报警‘这种异常情况多数发生在由7号刀换到8号刀时，原因可能是角度编码器的位置调整不当，处于信号的临界状态或端面齿形联结环的动环与定环角度不正，所以在啮合过程中发生相对转动。本着先简后繁的原则，从编码器入手重新调整它的位置。该编码器是BALLUF生产的用于12个刀位的角度编码器，可以在任意的刀位进行调整。以7号刀位进行编码器的调整，调整前先在编码器上做记号，再将编码器的紧固螺栓松3/4圈，反时针转编码器，直到X20.0～X20.7的信号刚好要变为01011110（8号刀位）时，在安装编码器的机床壳体上记号与编码器的记号点相对，然后顺时针缓慢地转动码器，直到X20.0～X20.7的信号刚好要变为01111101（6号刀位）时，同样做个记号。转编码器，使上面的记号处在以上两个记号的中间；最后将紧固螺栓锁紧，再换刀检查信号，信号恢复正常，故障排除。

3.4 FANUC数控车床系统刀架故障案例分析 故障现象1：刀架越位过冲或转不到位

故障原因及处理方法：

刀架越位过冲故障的机械原因可能性较大。主要是后靠装置不起征作用。首先检查后靠定位销是否灵活，弹簧是否疲劳。此时应修复定位销使其灵活或更换弹簧。其次，检查后靠棘轮与蜗杆连接是否断开，若断开，需更换连接销。若仍出现过冲现象，则可能是由于刀具太长过重，应更换弹性模量稍大的定位销弹簧。出现刀架运转不到位(有时中途位置突然停留)，主要是由于发讯盘触点与弹性片触点错位，即刀位信号胶木盘位置固定偏移所至。此时，应重新调整发讯盘与弹性片触头位置并固定牢靠。若仍不能排除故障，则可能是发讯盘夹紧螺母松动，造成位置移动。

故障现象2：刀架有时转不动

故障原因及处理方法：

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