电动刀架PLC设计

第一章绪论

1.1课题的目的及意义

目前，我国机械制造业拥有相当数量的普通机床，其突出的矛盾是生产效率低、劳动强度大、加工精度低、适应性差，不能加工复杂的零件，为了节约资金，降低成本，对原有普通机床进行数控化改造，是提高普通机床数控化率，解决上述矛盾的一种有效途径。

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。对普通车床进行数控化改造，换刀装置的设计是一个必须解决的问题，在大多数普通车床的数控改造中，电动刀架控制系统的设计往往采用PLC提供控制信号，然后通过继电器和专门电路实现换刀控制，或者采用单片机和继电器实现换刀控制。上述方案，要么控制电路复杂，要么成本提高。本文介绍了以PLC为控制核心，以电动刀架为控制对象的经济型数控车床系统中电动刀架控制系统的软硬件设计与实现方法，设计的电动刀架控制系统电路简单、可靠性高，为车床系统改造中的自动换刀问题提供了一种有效的解决途径。

在设计过程中，会涉及多门专业课程的知识，通过这次课程设计，基本达到以下几点目的：

1.巩固和深化已学的理论知识，掌握电动刀架PLC控制一般方法和步骤；

2.熟悉并会用有关国家标准、部颁标准、设计手册和产品样本等技术资料；

3.对所学理论知识的进一步巩固掌握；能综合运用所学知识解决相应的实际工

程问题，达到学以致用；

4.锻炼学生的实践操作能力，培养学生树立独立思考问题和处理问题的能力;

5.培养学生的文献检索能力与科技文献写作能力。

1.2国内外发展及状况

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粘度的一致性等等。另外，加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，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。

当前数控车床的发展很快,特别是适合中国国情的经济型简易数控车床的迅猛发展,与之相适应的电动刀架的研究与生产也日趋活跃。国内生产、研究电动刀架的厂家很多,据不完全统计,参加“1994年中国机床工具商品展览交易会”的生产厂家就有七家之多,各厂家所采用的结构与控制方式各异,因而数控车床数控系统选择、控制电动刀架是人们所面临的一个新课题数控刀架的市场分析: 随着数控车床的不断发展，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。

数控刀架的高、中、低档产品市场数控刀架作为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转位快，定位精度高，切向扭矩大的特点。它的原理采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。

1.3主要技术要求

1.3.1车床刀架技术指标

重复定位精度＜＜0.005m

工作可靠性＞30000次

换刀时间90°（3.5s）、180°（4s）、270°（4.5s）

1.3.2电动刀架结构及研究方向

如图1-1为端齿盘式四刀回转刀架

图1-1电动刀架外形图

1.3.3电动刀架结构示意图

如图1-2为电动刀架结构示意图

图1-2电动刀架结构示意图

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

1.3.4课题研究目的

本课题的主要目的是通过PLC控制，控制直流继电器，继电器再驱动交流接通三相交流电源使刀架电动机正转或反转从而控制电动刀架能够灵活换刀PLC控制车床的电动刀架，主要是对刀架的自动控制，在原由的普通车床刀架进行创造性的设计，使车床达到经济使用的状态。随着电气技术的飞速发展，PLC控制车床电动，通过用户程序控制生产工艺过程，具有较高的稳定性和可靠性，较强的实时处理能力，使用简单维护方便。程序的编制充分考虑操作指令和现场信号，整个操作变得比较简单，工作台的旋转、变档、调速，进给、快速移动控制，相互的联锁保护和显示等功能均有PLC完成。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。

本章小结

初步了解了设计题目(电动刀架的PLC控制)及发展概况，设计背景，对刀架结构进行剖析及梳理工作原理，对整理设计思路安排设计时间有很好的辅助作用。对一些参数的进行了解同时按准则要求来完成设计。

第二章电动刀架PLC控制整体方案

2.1电动刀架工作过程

电动刀架一般有四工位或六工位,由电动机、机械换刀机构、发讯盘等组成。如图2-1当系统发出换刀信号,刀架电机正转,通过减速机构和升降机构将上刀体上升至一定位置,离合盘起作用,带动上刀体旋转到所选择刀位,发讯盘发出刀位到位信号,刀架电机反转,完成初定位后上刀体下降,齿牙盘啮合,完成精确定位,并通过升降机构锁紧刀架。

图2-1工作过程

工作过程：

（1）微机要刀：

要刀信号PLC设备响应—电机正转—刀架上升—刀架旋转—旋转到霍尔元件发出信号—电机反转—刀架锁紧—电机过流—发出中断信号—应答—加工

（2）手动要刀：

手动按钮压下—电机正转—刀架上升一刀架旋转—到位霍尔元件发讯—电机反转一刀架下降锁紧—电机过流—发出中断信号—应答—加工[1]

2.2电动刀架工作原理

电动刀架原理图见附录1、PC接线图见附录2

按下换刀键或输入换刀指令后，电机正转，通过联轴器，蜗杆带动蜗轮，螺纹带动螺母刀架体松开并上抬，转位、找刀刀架体的上方有一发信盘，盘中每一刀位都安装一霍尔开关刀架体旋转到一刀位时，该刀位的传感器件向数控系统发出信号，数控系统将收到的实际刀位信号与指令刀位信号进行比较，当两信号相同时，说明刀架体已旋转到所选刀位，数控系统控制继电器KA1释放，继电器KA2得电吸合，换刀电动机反转，粗定位销在弹簧的作用下进入粗定位盘的凹槽中进行粗定位，由于粗定位销的限制刀架体不能反转只能在该位置垂直落下，刀架体和刀架体底座的端面齿啮合，实现精确定位，电动机做适当延时，继续反转，当两端面齿增加到一定的夹紧力。刀架体被锁紧时，电动机停止转动，换刀结束。

电动刀架各时序的切换及间隔是系统控制的关键，反向锁紧所用时间取决于