数控加工中心刀具库自动换刀系统.docx

1、数控加工中心刀具库自动换刀系统职业技术学院毕 业 论 文题目： 数控加工中心自动换刀系统 学 生： 学 号： 院 （系）： 专 业： 指导教师： 2013 年 5 月 3 日数控加工中心刀具库自动换刀系统摘 要 本设计介绍了加工中心自动换刀装置的机械手运动的部分设计及控制系统的设计，最终实现自动换刀动作，介绍了目前加工中心常用的刀库，及其在加工中心上的应用情况，从而可以看出在数控方面的发展趋势。 换刀装置作为加工中心的重要组成部分，其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，提高生产率，降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置，其结构设

2、计及其控制是实现加工中心设计制造的关键。加工中心的换刀过程较为复杂，动作多，动作间的相互协调多，进而自动换刀系统的好坏直接影响加工效率的高低。 带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着越来越重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加工。加工中心是数控中较为复杂的加工设备，由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用，其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置。关键字：数控加工中心，机械手，自动换刀，系统摘要 第一章 毕业设计（论文）任务书 2第二章 毕业论文分析及参数设置42.1 刀具自动换刀分析 42.2 换刀系统参数设置 4第三章 毕业设计过程53.1

3、PLC介绍 5 3.1.1可编程控制器的功能及特点6 3.1.2可编程控制器的应用6 3.1.3可编程控制器的作用7 3.1.4可编程控制器的发展7 3.1.5可编程控制器的基本组成73.2 PLC的工作原理 8 3.2.1 PLC的工作过程9 3.2.2 PLC的内部运作方式10 3.2.3PLC的选择依据113.3 I/O配置表 113.4 刀盘取刀示意图 133.5 梯形图及指令表 143.6 本系统改进 18 3.6.1研究适用于机床主轴结构并能满足自动换刀要求的高性能弹簧夹头结构模式 19 3.6.2研究确定弹簧夹头与机床主轴头部可靠联结的结构方案19 3.6.3 换刀机械手与驱动装

4、置的研究19 3.6.4 刀库结构及刀库驱动方式的研究19 3.6.5 智能型控制系统的研究193.7总结20致谢21参考文献22陕 西 科 技 大 学 职 业 技 术 学 院毕业设计（论文）任务书 机电一体化专业 机电101 班级 学生： 题目： 数控加工中心刀具库自动换刀系统设计 毕业设计（论文）从 2013 年 2 月 1 日起到 2013 年 5 月 1 日课题的意义及培养目标： 数控加工中心刀具换刀系统要求针对斗笠式刀库的6把刀具，以机械手位置为基准通过PLC控制刀盘顺时针和逆时针旋转从而实现换刀，要求学生主要就换刀系统硬件总体、组成及PLC控制方面进行设计。通过该毕业设计使学生能将

5、学到的知识系统化，并得到扩大和补充将理论与实践结合起来，使知识提高到一个新的水平；使学生学会解决实际工程技术问题的初步能力；培养调查研究的习惯；合理正确地进行毕业设计，能从图纸和说明书表达设计思想和结果；能更好的培养发挥学生的创新能力。 设计（论文）所需收集的原始数据与资料： 本设计需关注国内外有关数控加工中心刀具换刀系统，换刀控制系统等方面的信息。具体需收集的资料有机床设计手册，PLC、液压和气动控制，机械设计手册等有关书籍。 课题的主要任务（需附有技术指标分析）： 数控加工中心刀具换刀系统设计主要任务包括： 1、换刀系统总体设计； 2、PLC控制系统的总体方案的确定及硬件接线图、控制程序的

6、编写； 3、设计说明书，数量规格按学院有关要求。 设计（论文）进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）：周 次设计（论文）任务及要求12收资，调研，熟悉课题。 录3方案论证，掌握设计任务，对可行方案进行论证 4总体设计，确定总体方案 58详细设计并完成设计说明书等9-10修改打印说明书，准备答辩 学生签名： 日期： 指导教师： 日期： 教研室主任： 日期： 第二章 毕业论文分析及参数设置2.1 刀具自动换刀分析刀具换刀由PLC控制来实现其功能。刀具库分为斗笠式和机械手换刀刀库。斗笠式刀库装6把刀，从上向下看顺时针编号，如图1所示。以机械手位置为基准，刀号变大方向连续3把刀盘逆时针换刀；刀号变

7、小连续2把刀采用顺时针旋转换刀。例如：假设1号刀为停留在机械手位置处时，调去1号刀时刀盘不动作；调取5、6号刀时刀盘顺时针旋转，调去2、3、4号刀时，刀盘逆时针旋转。2.2 换刀系统参数设置 （1）寄存器D0：机械手当前位置寄存器。 （2）寄存器D1：程序刀号寄存器。 （3）寄存器D3：偏差寄存器。 （4）参数K：参数K1、K2、K3、K4、K5、K6分别为1、2、3、4、5、6。第三章 毕业设计过程3.1 PLC基本介绍可编程控制器( Programmable Controller )简称PC。可编程控制器是一种以微处理器为核心，集自动化技术，计算机技术，通信技术为一体的工业自动控制装置。

8、1968年美国的汽车工业首先提出了可编程控制器的概念，1969年美国数字设备公司制造了世界上第一台PLC，这时的可编程控制器只能用于执行逻辑判断、定时、计数等顺序控制功能，所以称为可编程控制器，简称PLC。PLC最早用于取代汽车生产线上的继电器控制系统，随即扩大到食品加工、制造冶金等部门。1971年日本引进了这项生产技术，并开始生产自己的PLC。1973年欧洲的一些国家也研制生产了自己的PLC。进入20世纪70年代后，随着半导体技术及微软技术的发展，PLC采用了微处理器作为中央处理器，输入与输出单元和外围电路也采用了中、大规模集成电路，使PLC具有多项优点，并形成了各种规格的系列产品，成为了一

9、种新型的工业自动化控制标准设备。这时的PLC已经有逻辑判断、数据处理、PID控制和数据通信功能，因此被改称为可编程控制器。1987年2月，国际电工委员会（IEC）在可编程控制器的标准中做可如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计，是带有存储器，他采用用可编程序的存储器逻辑运算它能够存储和执行命令，进行顺序控制、定时、技数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出接口。控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于工业控制系统连成一个整体， 并易于扩充其功能的原则设计。”可编程控制器按容量分为大型PLC：I/O总点数在20

10、48点以上，存储容量8K步以上；中型PLC:I/O总点数在256-2048点以上，存储容量2K-8K步；小型PLC:I/O总点数在64-256点以上，存储容量2K步以内；微型PLC:I/O总点数在64点以下。可编程控制器按结构形式分为整体式结构：它的特点是将PLC的基本组成部件，如CPU板，输入板 ，输出板，电源板等很紧凑地安装在一个标准机壳内，构成一个整体，组成PLC的一个基本单元（主机)或扩展单元。基本单元上设有扩展端子，通过电缆与扩展单元相连，以构成PLC不同的配置。整体式结构PLC体积小，成本低，安装方便，微型PLC大多采用这种结构形式。模块式结构：这种PLC由一些标准模块如CPU模块

11、，输入模块，输出模块，电源模块等构成，各模块功能是独立的。使用时，可根据需求灵活配置标准模块，将各标准模块插在框架上或基板上即可组装成PLC。可编程控制器在其内部结构和功能上都类似于通用计算机，所不同的是可编程控制器还具有很多通用计算机所不具有的功能和结构。PLC还有很多适应于各种工业控制系统的模块。PLC采用以传统电气图为基础的梯形图语言编程，方法简单且易于学习和掌握。所以在控制系统应用方面PLC优于计算机 ，它易于和控制系统相连接，可以方便灵活的构成不同要求，不同规模的控制系统，其环境适应性和抗干扰能力强，所以可将可编程控制器称工业控制计算机，由于这些特点，目前可编程控制器已成为工业自动控

12、制系统的重要支柱。3.1.1 可编程控制器的功能及特点：（1）操作方便，改变控制程序灵活；（2）通用性和灵活性高，应用范围广；（3）系统组成灵活；（4）编制程序简单容易；（5）维护方便；（6）可靠性高；（7）体积小；（8）可将数据直接传入管理计算机；（9）在成本上可以与继电器控制柜竞争；3.1.2 可编程控制器的应用：（1）顺序控制：顺序控制是PLC应用最广泛的领域，它取代了传统的继电器接触器顺序控制。PLC可用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制，例如各种机械机床、电梯控制等。（2）运动控制：目前PLC制造商提供了拖动步进电机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块，使得PLC具有运动控制的功

13、能。 3）过程控制：大多数PLC具有压力、温度、流量、速度控制等PID调节专用智能模块，使PLC具有开环和闭环控制功能，可完成压力、温度、流量、速度等过程控制。（4）数据控制：数控机床中PLC和计算机数字控制（CNC）设备紧密结合，实现了PLC和CNC设备之间内部数据的自由传递。（5）通讯和联网：PLC之间、PLC和上级计算机之间还具有通信和联网的功能。3.1.3 可编程控制器的作用：（1）电平转换（2）传递语言（3）噪声隔离3.1.4 可编程控制器的发展：（1）向体积更小，速度更快的方向发展；（2）向大型化，高可靠性，好的兼容性，多功能方向发展；（3）与其他工业控制产品的结合 ；3.1.5

14、可编程控制器的基本组成：（1）中央处理单元(CPU)中央处理器单元是PLC的核心，PLC的档次越高CPU的位数越多，系统处理信息量越大，运算速度就越快，指令功能也越强。（2）存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。（3）输入输出接口（I/O）现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。（4）电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源

15、系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 。（5）编程器编程器用于将用户程序送入PLC的存储器，是PLC最重要的外部设备。编程器可用来编程，也可以用来进行程序修改和检查，还可以对PLC工作状态进行监控。3.2 PLC的工作原理可编程器用于将用户程序送入PLC的存储器，是PLC最重要德外部设备。编程器可用于编程，也可以用来进行程序修改和检查，还可以对PLC工作状态进行监控。PLC逻辑控制系统等效电路图的工作原理，外部输入信号，经PLC输入继电器的线圈，控制内部控制电路（梯

16、形图）中对应的触点（虚拟触点），经由内部控制电路（梯形图）进行逻辑运算后，再有内部控制电路控制电路（梯形图）中输出继电器的线圈来 图3-1 PLC控制系统等效电路图控制输出继电器电路中对应的触点（虚拟触点），最终控制PLC外部所接负载得电或失电。 PLC的工作过程分为三个阶段，即输入采样（或输入处理）阶段、用户程序执行和输出刷新（或输出处理）三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 3.2.1 PLC的工作过程 （一）输入采样阶段PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态（ON/OFF,即“1或”“0”），读入到输入

17、映像寄存器中寄存起来，称为对输入信号的采样，在程序执行阶段，即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入。 （二）用户程序执行阶段 在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描，如果程序用梯形图表示，则总是按由上到下，由左到右的顺序进行扫描，每扫描到一条指令时所需要的输入状态或其他元素的状态分别由输入映像寄存器和元素映像寄存器中读出，而将执行结果写入元素 映像寄存器。在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映像区的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映像区或系统RAM存储区内的状态和数据都可能发生变化，而且排在

18、上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期采能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程中映像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程映像寄存器会被立即更新，这更立即输入有些区别。 （三）输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，将元素映像寄存器中输出继电器的状态转存到输出锁存器，在驱动用户输出负载 。PLC的内部运作方式：虽然PLC所使用阶段梯形图程式中往往使

19、用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空间。实际上PLC执行梯形图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入CPU中并最后执行控制运作。3.2.2 PLC内部运作方式： PLC 输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”。 PLC执行用户程序的工作过程图3-2所示。 图3-2执行用户程序的工作流程图3.2.3 PLC的选型依

20、据根据生产工艺要求，分析被控制对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型。并且结合市场价，以及售后服务，网络通信等综合情况，选定性价比较好的PLC机型。 （一） 输入输出点数输入点和输出点一般按一定比例设置，不同厂家的设置会不同，比如FX2N系列I/O比为1:1。用户可根据实际控制系统所需输入输出信号数量和信号类型来决定PLC型号或相应的输出模块。 （二）存储容量储存容量一般只存放用户程序的存储，通常用“字”或“步”来表示，“步”就是PLC中存放程序的地址单元，每一步占两个字，一条指令一般为一步，而复杂的

21、功能指令往往有如干步。 （三）编程语言 不同厂家生产PLC所用编程语言不同，且互不兼容。一般梯形图和指令表是PLC最常用的编程语言。目前，PLC编程基本上在计算机上完成，梯形图直观，编程容易而成为主要编程语言，编程完成的梯形图可直接输入PLC进行调试，但手持编程时，需输入指令表语句。 （四）三菱系列可选型号型号I/O点数用户程序步数功能指令通信功能FX0S10-30800步EEPROM50无FXON24-1282K步EEPROM55较强FX2N16-256内附8KRAM298强 表3-1 型号选择表3.3 I/O配置表节点类型节点名称节点作用 输 入X001机械手位置检测X002机械手位置检测

22、X003机械手位置检测X004机械手位置检测X005机械手位置检测X006机械手位置检测X0011刀具号选择X0012刀具号选择X0013刀具号选择X0014刀具号选择X0015刀具号选择X0016刀具号选择 输 出Y000刀具到位指示Y001刀盘旋转指示Y002刀盘顺转Y003刀盘逆转Y004换刀闪烁 表3-2 I/O配置表3.4 刀盘取刀示意图 如图3-3所示，以1号刀位在机械手位置处为例。 （一）调取当前刀号。机械手在1号刀位D0=K1，系统调取当前刀号，D0=K1，两值比较D0=D1，此时，到位指示灯直接亮起，接着换刀成功指示灯闪烁，表示换刀完成 。 （二）调取2（或3、4）号刀。机械

23、手在1号位D0=K1，系统调取2号刀，D1=K2，两值比较D0K3,M10动作，刀盘逆转。 图3-3 调取2-4号刀时逆时针旋转 （三）如图3-4， 调取5（或6）号刀，机械手在1号位置D0=K1，系统调取5号刀，D1=K5，两值比较D0D1，此时，D0要先加K6再减D1得D3，D3再和k3比较，D3K3，M11、M12动作，刀盘顺转。图3-4 调取5-6号刀时顺时针旋转3.5 梯形图及指令表 指令表 1 LD X011 输入X011(输入1号刀号)2 MOV K1 D0 将k1传送到d0（1号刀号送给寄存器d0）3 LD X012 输入X012(输入2号刀号)4 MOV K2 D0 将k2传

24、送到d0（2号刀号送给寄存器d0）5 LD X013 输入X013(输入3号刀号)6 MOV K3 D0 将k3传送到d0（3号刀号送给寄存器d0） 7 LD X014 输入X014(输入4号刀号)8 MOV K4 D0 将k4传送到d0（4号刀号送给寄存器d0）9 LD X015 输入X015(输入5号刀号)10 MOV K5 D0 将k5传送到d0（5号刀号送给寄存器d0）11 LD X016 输入X016(输入6号刀号)12 MOV K6 D0 将k6传送到d0（6号刀号送给寄存器d0）13 LD X001 输入x001（机械手检测到1号刀位置）14 ANI M5 与非m5（与常闭触点串

25、联）15 MOV K1 D1 k1送给d1（为1将1号刀号传送给机械手）16 SET M5 复位（不为1触点常开）17 LD X002 输入x002（机械手检测到2号刀位置）18 ANI M5 与非m5（与常闭触点串联）19 MOV K2 D1 k2送给d1（为1将2号刀号传送给机械手）20 SET M5 复位（不为1触点常开）21 LD X003 输入x003（机械手检测到3号刀位置）22 ANI M5 与非m5（与常闭触点串联）23 MOV K3 D1 k3送给d1（为1将3号刀号传送给机械手）24 SET M5 复位（不为1触点常开）25 LD X004 输入x004（机械手检测到4号刀

26、位置）26 ANI M5 与非m5（与常闭触点串联）27 MOV K4 D1 k4送给d1（为1将4号刀号传送给机械手）28 SET M5 复位（不为1触点常开）29 LD X005 输入x005（机械手检测到5号刀位置）30 ANI M5 与非m5（与常闭触点串联）31 MOV K5 D1 k5送给d1（为1将5号刀号传送给机械手）32 SET M5 复位（不为1触点常开）33 LD X006 输入x006（机械手检测到6号刀位置） 34 ANI M5 与非m5（与常闭触点串联）35 MOV K6 D1 k6送给d1（为1将6号刀号传送给机械手）36 SET M5 复位（不为1触点常开）37

27、 LD M5 输入m5（与常开触点串联）38 CMP D0 D1 M0 比较d0与d1的大小放在m0中（刀号与机械手检测位置比较）39 MPS 子程序开始（栈）40 AND M0 与m0（与常开m0串联）41 SUB D0 D1 D3 d0减d1放入d342 MRD 43 AND M144 OUT Y00045 AND M246 ADD D0 K6 D247 AND M248 SUB D2 D1 D349 LD M550 CMP D3 D3 M1051 MPS 52 AND M10 53 ANI Y00054 ANI M20 55 OUT M18 56 MRD 57 AND M11 58 AN

28、I Y000 59 ANI M20 60 OUT M1961 MPP62 AND M1263 ANI Y00064 ANI M2065 OUT M2066 LD M1967 OR M2068 OUT Y002 69 LD M1870 OUT Y00371 LD Y00072OUT T1 K5073 LD Y002 74 OR Y00375 OUT Y00176 LD Y00077 AND M8013 78 OUT Y004 79 LD T1 80 RST M581 END3.6 本系统的改进 目前国内外数控机床自动换刀系统中，刀具、辅具多采用锥柄结构，刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。在这种模式中，机床主轴常采用空心的带有长拉杆、碟形弹簧组的结构形式，由液压或气动装置提供动力，实现夹紧放松刀柄的动作。利用这种机构夹持刀具进行数控加工的最大问题是，它不能同时获得高的夹持刚度和刀具振摆精度，而且主轴结构复杂，主轴轴向尺寸过大，加上它的液压驱动装置及刀具辅具锥柄的制造成本，使得自动换刀系统的造价在机床整机中占有较大的比重。在加工中心上使用的刀库主要有两种，一种盘式刀库，一种是