数控车床四工位刀架电气设计 毕业设计

毕业设计说明书
课题名称：数控车床四工位刀架电气设计
学生姓名XXX
学号XXXXXXXX
二级学院（系）电气电子工程学院
专业 XXXXXXXXXXXXX
班级 XXXXXX
指导教师 XXXXX XXXXX
起讫时间：201X 年 2 月24 日～201X 年 4 月18 日
数控车床四工位刀架电气设计
摘要
本文通过对FANUC数控车床刀架的研究，有效的设计了刀架程序、电气原理，使该刀架能够在一次装夹中完成多道工序。

我们针对数控车床的四工位刀架进行了研究设计。

分析了刀架的机械组成、对刀架的典型结构以及电气控制部分进行研究分析。

该刀架采用三相异步电动机驱动，刀位检测采用霍尔元件。

这种刀架只能单方向换刀，电动机正转换刀，反转锁紧。

最后，本文给出了对FANUC数控车床四工位刀架的PLC设计，以及电气原理图。

关键词：FANUC数控车床；PLC设计；电气设计；数控车床；
目录
数控车床四工位刀架电气设计 (I)
摘要 (I)
第1章绪论 (3)
1.1 引言 (3)
1.2 国内外刀架研究现状及发展趋势 (3)
第2章刀架结构介绍 (5)
2.1现有刀架的典型结构 (5)
2.2四工位刀架换刀工作原理 (7)
2.2.1刀架机械结构图 (7)
2.2.2工作方式 (8)
第3章数控车床电气系统组成 (10)
3.1刀架系统组成 (10)
3.1.1霍尔效应霍尔元件 (10)
3.1.2霍尔元件在刀架中的应用 (10)
3.1.3刀架系统 (11)
3.2其它电气系统的组成 (11)
3.2.1主轴系统 (11)
3.2.2伺服驱动系统 (13)
3.2.3冷却系统 (14)
3.2.4润滑系统 (15)
第4章 FANUC数控刀架PLC程序设计 (16)
4.1 FANUC 0i D系统简介 (16)
4.2 PLC在数控机床中的应用 (17)
4.3 刀架I/O地址分配 (18)
4.4 刀架程序编写 (19)
4.4.1刀架有关的PMC功能指令介绍 (19)
4.4.2 刀架的工作过程和转动要求 (23)
4.4.3 刀架程序 (24)
4.5 程序的调试 (28)
第5章总结 (29)
参考文献 (30)
致谢 (31)
附录： (32)
附录一：功能原理图 (32)
附录二：电气原理图 (37)
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
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。

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，
90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方刀架回转o
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
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
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
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。

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。

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。

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
围，提升加工质量都有着很重要的作用。

经济型数控车床大多数是不能自动变速的，需要变速时，只能把机床停止，然后手动变速。

而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。

无级变速系统主要有伺服主轴系统和直流主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机。

通过皮带传动带动主轴旋转，或通过皮带传动和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩)带动主轴旋转。

由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。

在采用了变频器的交流拖动系统中，异步电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率实现的。

因此，在进行调速控制时，可以通过控制变频器的输出频率使电动机工作在转差率较小的范围，电动机的调速范围较宽，并可以达到提高运行效率的目的。

一般来说，通用型变频器的调速范围可以达到1:10以上，而高性能的矢量控制方式的变频器的调速范围可以达到1:1000。

此外，当采用矢量控制方式的变频器对异步电动机进行调速控制时，还可以直接控制电动机的输出转矩。

因此，高性能的矢量控制变频器与变频器专用电动机的组合在控制性能方面可以达到和超过高精度直流伺服电动机的控制性能。

主轴电气原理图如3-1所示。

图3-1主轴控制电路
3.2.2伺服驱动系统
我们采用FANUC公司的伺服驱动系统，现以FANUC数控车床的驱动系统为例，对数控车床的驱动系统作出介绍。

FANUC伺服驱动具有如下特点：1）供电方式为三相200V-240V供电。

2）智能电源管理模块，碰到故障或紧急情况时，急停链生效，断开伺服电源，确保系统安全可靠。

3）控制信号及位置、速度等信号通过 FSSB光缆总线传输，不易被干扰。

4）电机编码器为串行编码信号输出。

图3-2 驱动连接图
相关接口说明：
1）CZ4接口为三相交流200~240V电源输入口，顺序为U、V、W、地线。

2）CZ5接口为伺服驱动器驱动电压输出口，连接到伺服电机，顺序为U、V、W、地线。

3）CZ6与CX20为放电电阻的两个接口，若不接放电电阻须将CZ6及CX20短接，否则，驱动器报警信号触发，不能正常工作，建议必须连接放电电阻。

4）CX29接口为驱动器内部继电器一对常开端子，驱动器与CNC正常连接后，即CNC检测到驱动器且驱动器没有报警信号触发，CNC使能信号通知驱动器，驱动器内部信号使继电器吸合，从而使外部电磁接触器线圈得电，给放大器提供工作电源。

5）CX30接口为急停信号接口，短接此接口1和3脚，急停信号由I/O给出。

6）CX19B为驱动器24V电源接口，为驱动器提供直流工作电源，第二个驱动器与第一个驱动器由CX19A到CX19B具体接线详见电气原理图。

7）COP10A接口，数控系统与第一级驱动器之间或第一级驱动器和第二级驱动器之间用光缆传输速度指令及位置信号，信号总是从上一级的COP10A接口到下一级的COP10B接口。

8）JF1为伺服电机编码器反馈接口。

3.2.3冷却系统
冷却系统由系统输出相应的辅助功能信号，驱动冷却系统的外部控制电路即可控制冷却电机的启动与停止。

按数控系统操作面板上的冷却功能按键，冷却电机启动，再按一次，冷却电机停止，也可以在MDI和自动方式下，使用M08、M09指令来完成冷却电机的启动与停止。

相应电路参见电气原理图。

图3-3 冷却系统主电路原理图
3.2.4润滑系统
数控机床的润滑系统在机床整机中占有十分重要的位置，它不仅具有润滑作用，而且还具有冷却作用，以减小机床热变形对加工精度的影响。

润滑系统的设计、调试和维修保养，对于保证机床加工精度、延长机床使用寿命等都具有十分重要的意义。

数控机床上常用的润滑方式油脂润滑和油液润滑两种方式。

油脂润滑是数控机床的主轴支承轴承、滚珠丝杠支承轴承及低速滚动线导轨最常采用的润滑方式；高速滚动直线导轨、贴塑导轨及变速齿轮等多采用油液润滑方式；丝杠螺母副有采用油脂润滑的，也有采用油液润滑的。

在这里我们采用的是油液润滑，通过对供油泵的电机控制，来实现车床润滑供油。

手动控制方式是通过按钮信号控制油泵电机继电器的吸合，自动控制方式，是通过PLC程序对润滑的输出地址3.5
Y的信号进行控制。

润滑的电气主原理如图3-4。

图3-4 润滑泵主电路原理图
第4章 FANUC数控刀架PLC程序设计
4.1 FANUC 0i D系统简介
FANUC 0i D系列产品：FANUC 0i-MD、FANUC 0i-TD以及FANUC 0i-Mate MD、FANUC 0i-Mate TD是北京发那科于2008年九月推出的新的高性价比的产品。

FANUC 0i-Mate TD数控系统是具有纳米插补的高可靠性、高性能价格比的CNC，最多可同时控制3个轴，1个主轴。

8.4英寸彩色液晶显示屏，方便存储卡的编辑操作，强有力支持系统初始化设定，可以很方便地选择各种设定和调整画面。

初始化参数设定操作更加简单，安全的加工程序检查功能，高性价比的一体型的伺服放大器。

FANUC I/O Link 是一个串行接口，将CNC、单元控制器、分布式I/O、机床操作面板连接起来，并在各设备间高速传送I/O 信号（位数据）。

当连接多个设备时，FANUC I/O Link 将一个设备认作主单元，其它设备作为子单元。

子单元的输入信号每隔一定周期送到主单元，主单元的输出信号也每隔一定周期送至子单元。

0i-D/0i Mate-D 系列中，JD51A（0i C/0i Mate-C系列中 I/O Link在FANUC主板上的插槽名称为JD1A，与JD51A不同）插座位于主板上。

I/O Link 分为主单元和子单元。

作为主单元的0i/0i Mate系列控制单元与作为子单元的分布式I/O相连接。

子单元分为若干个组，一个I/O Link 最多可连接16组子单元。

(0i Mate系统中I/O 的点数有所限制) 根据单元的类型以及I/O 点数的不同，I/O Link 有多种连接方式。

PMC 程序可以对I/O 信号的分配和地址进行设定，用来连接I/O Link。

I/O 点数最多可达1024/1024 点。

I/O Link 的两个插座分别叫做JD1A和JD1B。

对所有单元（具有I/O Link 功能）来说是通用的。

电缆总是从一个单元的JD1A 连接到下一单元的JD1B。

尽管最后一个单元是空着的，也无需连接一个终端插头。

对于I/O Link中的所有单元来说，JD1A 和JD1B 的引脚分配都是一致的。

本实验台的FANUC主板连接了1个I/O单元。

这个I/O单元就安装在本试验台“数控装置”版块上。

4.2 PLC在数控机床中的应用
一般数控机床标配有主轴，司服轴，PLC轴也即是辅助轴。

而与之相应的控制系统是CNC，PLC，变频器，伺服和电机。

所以讲到PLC在数控机床上的应用就不得不联系到CNC，变频器，伺服和电机。

他们是一个系统工程，一个有机的整体。

随着工业控制的需要及技术的发展传统的PLC(可编程可编程逻辑控制器)正在发生质的变化，有将PLC与CNC合二为一的PAC的方向发展。

使PLC不仅具有逻辑运算，算术运算，定时，计数及顺序控制，还可以提供数据传送，矩阵处理，PID调节、SSAII码操作、远程I/O、运动控制、网络通信等高级功能，还可以使用高级语言(C语言、BASIC语言)编写子程序嵌入PLC程序中运行。

实质上是一种专业控制计算机。

通过PLC提供的宏参数和CNC系统参数可在PLC 和零件加工程序之间传递信息，以完成某些特定功能。

即PLC已经渗透到零件加工程序的编辑中去。

单独的PLC已经可以完成全部的CNC功能，这已经成为现实。

但就目前而言，PLC主要还是在数控系统配置机床上时起一个“接口”作用，包括MST功能，诊断功能等，这种功能正在不断扩大。

PLC在数控系统的实现目前也有好几种方案：
方案一：通用PLC带数控功能
这对于需要逻辑控制又需要相对简单的位置控制的用户来说是一个很好的选择，无论是成本和开发都有很多优势，不过通用型的PLC大多没有联动和插补指令(部分产品有)，并且不支持G代码，无法与CAD软件进行接口。

方案二：专用的数控系统
这种系统有很多使用PLC的平台加DSP加FPGA实现，高档的这种系统可以与CAD软件无缝联接，从CAD导出来的G代码在经过编缉或者不需要编缉下载到控制器内就可以做出各种对应的动作出来。

该种系统对于多轴联动控制和插补G代码均有很强的支撑能力，同时一般带有显示，可以在运行时同步在显示屏上显示运动的轨迹。

方案三：IPC+数控板卡
这是国内数控厂商的主要形态，有灵活性高的优点，但很多系统不支持标准的G代码，而是要用户使用C、C++语言或者VC去编写对应的控制程序，由板卡厂商提供函数库。

当然目前大多数情况下是由数控厂商代用户完成这一部分的编程。