自动化机床换刀机械仪表工程科技专业资料.docx
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自动化机床换刀机械仪表工程科技专业资料
毕业设计（论文）
题目：
KH63G柔性加工单元ATC控制设计
系别：
电气工程系
专业：
自动化
班级：
T1023-7
学生姓名：
李灿
学号：
20100230728
指导教师：
罗敏（校内）何晓波（校外）
摘要
KH63G是韩国起亚生产的柔性加工单元，该加工单元使用的是链式刀库，最多能容纳40把刀，采用的是液压机械手进行刀具交换。
本课题依据KH63G柔性加工单元改造中自动换刀功能的设计要求，应用FANUC-18i数控系统，设计采用固定刀套换刀方式的自动刀具交换（ATC）功能。
该柔性加工单元的换刀过程分为：
刀库找刀、机械手取刀、机械手换刀、机械手还刀四个子过程。
这次改造的主要任务是：
设计和完成相应的电气原理图、宏程序及PMC程序的编写。
设计的自动换刀功能具有手动和自动两种运行方式，换刀过程每一个动作均设计了M功能，以方便日常的调整和维护工作。
关键词：
链式刀库，机械手，换刀
Abstract
KH63GisKorea-KIAproductionflexiblemachiningcell,whereisusingthechaintypetoolmagazine.Thecenterisabletoaccommodateupto40toolsatmostandusehydraulictoolExchangemanipulators.AccordingtothedesignrequirementsofautomatictoolchangefeatureoftransformationofKH63Gflexiblemachiningcell,thissubjectappliesthedesignofFANUC-18iNCsystemusingthefixedtoolautomatictoolExchange（ATC）feature.Thetoolchangeprocedureisdividedinto:
magazinesearchtool,takingtool,exchangingtool,returningtool.Designofautomatictoolchangefeaturewithmanualandautomaticoperatingmode.TheM-functionsofthetoolchangingprocesshavebeendesignedtofacilitateroutineadjustmentsandmaintenancework.
Keywords:
Magazine,ATCarm,ATC
第一章绪论1
1.1前言1
1.2自动换刀装置现状及发展趋势2
1.2.1自动换刀装置国内外发展现状2
1.2.2换刀机构核心技术及发展趋势3
1.3课题介绍4
1.4课题任务4
第二章FANUC18i-MB系统介绍5
2.1FANUC18i-MB系统5
2.1.1基本构成及连接5
2.1.2进给与主轴控制5
2.1.3FANUC18i主要规格6
2.1.4FANUC18i硬件连接6
2.2PMC编程介绍7
2.3FANUCLADDER-Ⅲ编程软件9
2.3.1LADDER-Ⅲ基本操作9
2.3.2创建一个新程序11
2.3.3编辑标题11
2.3.4编辑符号和注释12
第三章ATC自动换刀装置14
3.1ATC概述14
3.1.1刀库的类型14
3.1.2机械手的类型17
3.2机械手换刀方式18
第四章KH63G加工单元换刀控制设计20
4.1换刀设计方案论证20
4.2KH63G电气原理图20
4.2.1KH63G柔性加工单元ATC输入电气原理图23
4.2.2KH63G柔性加工单元ATC输出电气原理图27
4.2.3KH63G柔性加工单元I/O模块设计及地址分配28
4.3换刀机械手动作分析29
4.3.1换刀流程分析30
4.3.2机械手运动轨迹示意图32
4.4柔性加工单元换刀宏程序设计与编写35
4.5M辅助功能设计37
4.6PMC程序编写38
4.6.1D区及C区参数说明38
4.6.2换刀动作PMC程序39
第五章总结53
结束语54
致谢55
参考文献56
附录57
第一章绪论
1.1前言
刀库及机械手（AUTOMATICTOOLCHANGER:
ATC）主要用于大中型数控柔性加工单元和柔性加工单元，具有连续换刀且换刀时间短的优点。
目前，ATC已成为数控柔性加工单元的重要组成部分和关键功能装置。
通过刀库及机械手，可以大大减少加工过程中的非切削时间，提高生产率、降低生产成本，提高机床乃至整个生产线的生产力。
随着数控柔性加工单元向高精度、高性能、高速度和高稳定性方向发展，对刀库机械手的精度、性能和可靠性提出了更高的要求。
自动换刀系统一般有刀库、机械手和驱动装置组成。
刀库的容量有大有小，其装刀数在20～160之间。
刀库的功能是储存刀具及辅助工具。
柔性加工单元自动换刀大多采用刀库式自动换刀装置。
带刀库的自动换刀系统由刀库和换刀装置构成，整个换刀过程较为复杂，首先要指令中即将要使用的刀具送到刀库制定位置，再由机械手抓取刀具并送到主轴位置卸载主轴上的刀具，并完成预备刀装刀动作。
刀库将加工过程中所有要使用到的刀具分别安装在标准的刀柄上，在机外进行尺寸的预调整，按照一定的形式放到刀库中，而且每把刀具都有自己的编号，刀库中的刀座亦有相应的编号。
存放刀具的刀库具有较大的容量时，它即可安装在主轴的上方或是侧面，也可以作为单独的部件装置安装到机床的外部。
当刀库安装的机床的外部是，由于远离机床，这就需要在刀库和主轴之间装配换刀机械手来完成刀库和主轴间的换刀动作。
用来完成此功能的机构包括送到臂、摆刀站和换刀臂，总称为机械手。
具体的说，它的作用是完成刀具的装再和拆卸，以及主轴和刀库间的刀具传递。
机械手和刀库完成此项功能一般有驱动装置，驱动装置由步进电机或液压（或气液机构）或凸轮机构组成。
机械手完成刀库里的预备刀与主轴上的刀的交换工作。
由于数控柔性加工单元的刀库中刀具的容量、换刀稳定性及换刀速度直接影响到柔性加工单元的工作效率，而自动换刀装置就是进一步的压缩非切削时间，减少人力劳动，提高生产效率，大大改善工人的工作条件。
因此数控机床为了能够在工件一次夹装中完成多道加工工序，大量的缩短辅助时间，减少频繁安装工件所引起的误差，这就必须要求数控机床带有自动换刀装置。
1.2自动换刀装置现状及发展趋势
自动换刀装置是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产装置，它与数控机床结合组成柔性加工单元，带有工作台交换的数控柔性加工单元被称为柔性加工单元。
自动换刀装置对机床的稳定性，以及提高产品质量，尤其对生产效率的提高有着重要的作用。
1.2.1自动换刀装置国内外发展现状
工业发达的国家对于自动换刀装置的研究，起于上个世纪70年代，并在这个时间段之后获得迅速的发展。
1983年，国际标准化组织制订了数控刀具锥柄的国际标准，从而自动换刀装置形成了一套结构模式。
1956年日本富士通成功的研制出数控转塔式冲床,同年美国IBM公司也成功的开发出了“APT”（刀具过程控制装置）：
两年后美国K&T公司创造性的研制出带有ATC（自动换刀装置）的柔性加工单元；1978年以后,带有ATC装置的柔性加工单元得以迅速发展,至此迎来了机床发展的黄金阶段。
目前意大利、德国、瑞士、奥地利、日本等国家,在高端柔性加工单元上成功实现了自动换刀装置的运用,并取得了非常可观的实际效果。
例如德国CHIRON公司生产的型号为Fz08s和Fz08w柔性加工单元（机床）,采用机械手换刀,刀库安装在在主轴周围，可随主轴一起移动，且每1把刀具配有1套换刀机械手,用来保证换刀的准确性和无误性，缩短换刀时间至0.5秒，同时达到切屑对切屑换刀时间小于1.5秒；意大利MCM-CLOCK公司生产的600Auto柔性加工单元，采用15040，HSK63刀柄，设计有1个旋转工作台，通过同步工作台的回转与换刀机械手，切屑对切屑换刀缩短至2秒。
德国BURKARD和WEBERGMBH公司生产的MC325、MC325-TWN柔性加工单元，采用了可换位置的转塔刀库，换刀时间等于互换位置的进给时间，而且带有可减缓的托盘和回转刀具交换系统，其切屑对切屑换刀时间缩短为2秒。
相比工业发达国家，柔性加工单元在我国的研究起步相对比较晚，因此在自动换刀装置方面的研究也相对落后。
从20世纪80年代起,大连机床集团、北京机床研究所、济南第一机床厂、沈阳机床集团等,都对自动换刀装置进行了探索与开发，并取得了很不错的成绩，如大连机床集团研发自动换到装置，换刀时间已经能够精确缩短在2秒以内。
1.2.2换刀机构核心技术及发展趋势
系统整体设计，是保证大型高速刀库及自动换刀装置产品的质量，气设计的核心在于确保系统各零件、各机构间的协调、有序的的工作，使系统的结构在空间和时间上不发生干涉。
系统设计技术包含创新设计，并行优化设计，可靠性设计等多种设计方法。
其中，模块化设计方法将其运用到自动换刀的系统整体的设计和开发中，建立系统化设计理念。
同时运用结构拓扑优化方法对各模块进行设计与优化，并对各运动件进行动态特性分析，简历快速创新设计支撑平台等。
系统设计技术涉及设计、分析等多种软件的集成与二次开发。
凸轮机构是凸轮式自动换刀装置中的核心组成部分，包括平面凸轮和空间弧面分度凸轮。
其中，互勉分度凸轮机构，是一种高速间歇空间分度机构，与棘轮机构、槽轮机构的间分度机构相比，具有分度高，精度较好，动力学特性好，承载能力大等优点；而弧面分度凸轮的工作轮廓是空间不可展曲面，设计和制造难度大。
凸轮的制造工艺水平和加工精度，直接影响自动换刀装置的换刀速度和换刀的稳定性。
机械手上刀具夹持元件的结构，直接影响着凸轮的使用性能，研究适应重量刀具安全夹持要求的换刀机械手上刀具夹持元件的结构模式，使之具备较大的加紧力，来达到重量刀具的安全夹持，能够自锁和工作稳定等特点，而且还必须有充足的夹持刚度，同时便于刀具的轴向精确定位。
随着机械手的发展，人们对机械手的应用提出了更高的要求，一方面是重复高精度，精度是指机械手到达指定位置的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置联系密切。
重复精度是指在重复工作中，机械手到达同样位置的精确程度，很明显重复精度显然比精度更为重要。
另一方面是模块化，目前有些公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼接的气动机械手成为现代运输技术。
模块化拼接的气动机械手比组合导向装置更具有灵活的安装体系。
还有就是无给油化，无给油化是新提出的概念，主要是为了迎合食品、生物工程、电子、纺织业、精密仪器等行业的无污染的要求，不加润滑脂的不供油的润滑元件已经问世。
未来的自动换刀装置，将根据不同的工作要求，进行多元化的发展。
在现如今越来越注重加工效率的时代，自动换刀装置的时间也将会越来越短，而且其通用性和稳定性也会越来越强。
传动装置将会采用动作更快的机构和驱动元件，凸轮机构近年来已经被大量采用。
正如上面描述的那样，新材料和加工工艺，弥补凸轮机构磨损后稳定性降低的缺点。
新型换刀方式的出现，也为自动换刀装置的进步和发展提出了新思路。
双主轴和多主轴换刀技术，把机床的换刀的速度提高到更高的新水平。
多主轴换刀方式，可以使安装在夹具上的工件快速在各个主轴之间移动，使得切屑对切屑的时间缩短至0.4秒。
通用性方面，立卧式两用自动换刀装置会成为另一个发展的方向。
1.3课题介绍
KH63G系东风德纳车桥有限公司减速器车间柔性加工单元，其刀库为链式刀库，采用液压机械手进行刀具交换。
KH63G系是KIA生产产品，1986年开始生产，年产量超过200台，机床质量稳定，机械性能好、精度指标稳定。
该机床使用FANUC18i-MB标准型系统和RS232C串口，机床整体布局为T字型，带双交换工作台,提高加工效率;工作台在横床身上移动，横向行程大,机床整体刚性好，机床采用八面导轨支撑,机床运行平稳,适合于重切削，内置双自动排屑装置及全封闭性防护罩，操作方便,安全；X/Y/Z三轴均有不锈钢防护拉板，防止冷却液，切屑飞溅，保护导轨及丝杠；机床采用光栅尺全闭环控制，加工精度高，运行可靠，独特的气浮立柱设计，降低70%的Z轴移动摩擦力，提高了Z轴的定位精度及重复定位精度；机床装有中心内冷，外冷;主轴端面装有8个喷嘴，可对刀具进行全方位冷却，防止刀具磨损，提高加工精度。
本课题要求应用FANUC-18i数控系统设计采用固定刀套换刀方式的自动刀具交换（ATC）功能。
通过观察和分析，该柔性加工单元的换刀过程分为：
刀库找刀、机械手取刀、机械手换刀、机械手还刀四个子过程。
设计和完成相应的电气原理图、宏程序及PMC程序的编写。
设计的自动换刀功能具有连续和单步两种运行方式，换刀过程每一个动作均设计了M功能，以方便日常的维修和维护工作。
1.4课题任务
1.KH63G柔性加工单元ATC电气原理图设计；
2.KH63G柔性加工单元刀库选刀及机械手换刀的动作流程；
3.KH63G柔性加工单元ATC自动化换刀宏程序设计；
4.KH63G柔性加工单元ATC自动化换刀PMC程序设计
第二章FANUC18i-MB系统介绍
2.1FANUC18i-MB系统
FANUC数控系统以其高质量、低成本、高性能、较全面的功能，适用于各种机床和生产机械，其市场占有率远远高于其他的数控系统，其主要体现在它的系统设计中大量采用模块化结构，具有可靠性高和便于维修、更换，而且有很强的抵抗恶劣环境影响的能力；同时该系统还有较完善的保护措施，提供丰富的PMC（ProgrammableMachineController，可编程机床控制器）信号和PMC功能指令，以方便机床PMC控制程序的编制，而且增加了变成的灵活性。
FANUC18i系列产品比0i系统体积更进一步缩小，将液晶显示器与CNC控制部分融为一体，实现了超小型化和超薄化。
以纳米为单位计算发送到数字伺服控制器的位置指令，极为稳定，在与高速、高精度的伺服控制部分配合下能够实现高精度加工。
通过使用RISC处理器，可以在进行纳米插补的同时，以适合于机床性能的最佳进给速度进行加工。
该系列系统具有内嵌式以太网控制板，可以与多台电脑同时进行数据的高速传输，适合构建在加工线和工厂主机之间进行信息交换的生产系统。
并配以集中管理软件包，以一台电脑控制多台机床，便于进行监控、运转作业和NC程序传送管理。
2.1.1基本构成及连接
FANUC18i系统由液晶显示器一体型CNC、机床操作面板、伺服放大器、强电盘用I/O模块、I/OLINKβ放大器、编写机床操作面板及适配器、αi系列AC伺服电动机、αi系列AC主轴电动机和应用软件包等部分组成。
2.1.2进给与主轴控制
为实现高速度、高精度、高效率加工，控制系统以纳米为插补计算单位，因此，发送到数字伺服控制器的指令极为稳定，由此来提高表面加工精度。
由于采用响应向量（HRV,HighResponseVector）控制的高增益伺服系统，可以实现高速加工，为避免机械谐振，系统增加了HRV滤波器，实现稳定的高增益伺服控制。
为实现高速、稳定进给，系统采用高性能的αi系列AC伺服电动机、高精度的电流检测和高分辨率的脉冲编码器以及高响应的伺服控制。
主轴控制通过采用高速DSP（DigitalSignalProcessing）,改善控制软件算法（主轴HRV控制），设法提高电路的响应和稳定性。
通过控制回路运算周期的缩短和高分辨率检测回路的有机结合，实现高响应和高精度的主轴控制。
2.1.3FANUC18i主要规格
18i系列主要的规格见表2.1该系列具有一定扩展功能，可以实现对3个路径，最多5个联动轴的控制。
该系统具有内嵌式以太网控制板，可以与多台电脑同时进行高速数据传输，适用于构建在加工线和工厂主机之间进行信息交换的生产系统。
表2.1FANUC18i主要规格
型号
FANUC18iMB
最大控制轴数
12
最大控制通道数
2
每通道最大控制数
6轴/通道
最大联动轴数
5
最大装料机控制轴数
4
最大PMC控制轴数
4
程序容量
1024KB
PMC基本指令执行速度
0.033μs/步
最大PMCI/O点数
2048/2048
2.1.4FANUC18i硬件连接
CNC控制软件有系统厂家制作，在控制器出厂前装入CNC。
机床生产厂家和最终使用户都不能更改CNC控制软件。
系统上电时，BOOT系统把这些控制软件送到DRAM（DynamicRAM）。
CNC提供各种参数，用户可以直接去设定。
CNC的总体连接图如图2.1所示。
图2.1CNC总体连接图
I/O设备即输出/输入设备，是将CNC的程序、参数等各种信息，从外部输入到CNC中，或者从CNC输送到外部去。
FANUC18i-MBI/O接口遵循RS232C标准。
RS232接口的用途有：
通过RS232C用FANUC-LEDDER软件上传或下载梯形图，也可以用FANUC-LEDDER软件从外部PC监视梯形图的运行状态；DNC的运行也是通过其来执行完成，通过RS232C输入或输出参数和加工工序等。
FANUC数控系统与伺服之间的连接是使用FSSB总线。
该总线是使用专用的光纤将1台主控器与多台从控器进行串行连接，主控器是CNC单元，从控器是伺服放大器及分离型位置检测器用接口单元。
2.2PMC编程介绍
PMC（ProgrammableMachineController）是安装在CNC内部负责机床的顺序控制器。
PMC的输入信号分为两大类：
机床侧I/O信号和CNC侧I/O信号。
机床侧I/O信号通过I/OLINK串行总线连接到PMC。
CNC侧I/O信号属于内部信号，G地址信号为PMC至CNC的输出信号，F地址信号为CNC至PMC输入信号。
在PMC上使用的计时器和计数器等统称为PMC参数，保存在SRAM中，SRAM有后备电池，在系统断电后，其内部的数据能保持。
在SRAM中储存的各种数据，涵括CNC参数、加工工序、PMC参数、道具补偿、用户宏变量等，可以使用RS-232-C接口或储存卡进行输入。
不同规格的PMC，其程序容量、处理速度、功能指令数、非易失性存储区地址也不同。
表2.2给出18i-MB内置PMC规格。
表2.2FANUC18i-MB内置PMC规格
PMC类型
PMC-SB7
编程方法
梯形图
程序级数
3
第一级程序扫面周期
8ms
基本指令执行时间
0.033μs/步
程序容量
程序最大容量64000步。
各部分无限制，但总量不能超过其存储容量。
基本指令数
14
功能指令数
69
内部继电器R
8500B
外部继电器E
8000B
显示信息请求位A
2000点
子程序P
2000
标号L
9999
非易失性存储区
数据表D
10000B
可变定时器T
250个
固定定时器
500个
计数器C
100个
固定计数器
100个
保持性继电器K
120B
I/Olink
输入
最大2048点
输出
最大2048点
PMC顺序程序指的是对机床及相关设备进行逻辑控制程序。
顺序程序的编制即梯形图的编制，所谓的梯形图可理解为，CPU中算术运算的执行顺序。
一般用PMC中的指令来完成梯形图的绘制。
通过编程软件（FANUCLEDDER-Ⅲ）绘制出顺序程序放在PMC存储器中，它的每一条指令都可以被CPU高速的读入并执行。
PMC顺序流程图的绘制流程主要包含下面四个步骤：
1．分配接口
首先确定控制对象和控制动作，然后计算出对应的输入/输出点数，接着编接口信号，分配DI/DO端子。
2．绘制梯形图和地址表
使用计算机或内置编辑功能，以梯形图的形式编辑顺序程序。
输入程序的同时，在各输入/输出信号上输入信号名称，在线圈后也可输入相应的注释。
3．调试顺序程序
调试顺序程序最好先通过模拟调试后，在进行实际运行调试。
模拟调试一般用开关和灯组成仿真机床，进行顺序程序调试。
4．顺序程序的保存和管理
顺序程序调试完毕，可将程序输出到打印机打印出来。
同时还必须做好程序的备份和保存，以供维修者的使用。
2.3FANUCLADDER-Ⅲ编程软件
2.3.1LADDER-Ⅲ基本操作
FATPLADDER-Ⅲ软件（简称FLADDER-Ⅲ）是FANUC公司的PMC程序开发软件。
软件启动界面如图2.3所示。
图2.3FATPLADDER-Ⅲ启动界面
在FATPLADDER-Ⅲ软件的主窗口可以显示多个子窗口，软件界面如图2.4所示，在FATPLADDER-Ⅲ软件中有快捷键F1～F9，在界面中有提示信息，主菜单的有8个选项，说明如下：
1.File：
“文件”菜单。
进行PMC程序打开、新建、保存；PMC类型更改及保存；PMC程序的导入导出；PMC程序的打印。
2.Edit：
“编辑”菜单，进行编辑，跳转，搜索等操作。
3.View：
“视图”菜单，选择工具栏、状态栏和软键等显示如否。
4.Diagnose：
“诊断”菜单。
显示PMC信号状态、信号扫描、PMC参数等操作。
5.Ladder：
“梯形图”菜单。
进行在线/离线，监视/编辑等切换功能。
6.Tool：
“工具”菜单。
进行程序编译/反译、PMC程序上传/下载等操作。
7.Window：
“窗口”菜单，进行窗口的选择和排列等操作。
8.Window：
“窗口”菜单，进行窗口的选择和排列等操作。
9.Help：
“帮助”菜单，显示主题的搜索、帮助、版本信息。
图2.4FATPLADDER-Ⅲ软件界面
2.3.2创建一个新程序
创建一个新程序的步骤如下：
1.选择FATPLADDER-Ⅲ软件的“File（文件）”菜单，鼠标左键点击“NewProgram（新建程序）”，弹出如图2.5所示的对话窗口。
2.鼠标左键点击“Browse...（浏览）”新建或选择程序存放的文件夹，然后在“Name（程序名）”栏输入程序名，后缀.LAD可以忽略。
3.在“PMCType（PMC类型）”下拉式列表框中选择所使用的PMC类型。
4.如果使用第3级梯形图，则勾选“LEVEL3ProgramUsing”控制框，如图2.6所示。
图2.5新建程序对话框图2.6新建程序选项
5.如果需要，还可以修改I/Olink的通道数；对“Extendedfunction（扩展功能）”和“ExtendedInstruction（扩展命令）”进行勾选。
6.鼠标左键点击“OK”按钮，完成新程序的建立。
2.3.3编辑标题
编辑标题的步骤如下：
1.显示“ProgramList（程序清单）”对话框，如图2.7所示。
2.鼠标左键双击“Title（标题）”栏，显示如图2.8所示的“EditTitle（编辑标题）”对话框。
图2.7程序清单对话框图2.8编辑标题对话框
3.按表2.1的要求，设定标题各个选项。
表2.1标题各选项的设定字符数
选项
最多字符
备注
MachineToolBuilderName
32
机床厂名
MachineTool
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