毕业论文-数控机床刀架进给伺服系统设计.doc

设计题目: 数控机床刀架进给伺服系统设计 目 录 前言.1 1.1数控刀架整体方案设计22.1自动回转刀架自动换刀装置113.1可编程逻辑控制器的概述184.1 数控车床刀架的PLC控制梯形图编程205.1 数控车床刀架故障与诊断24 6.1数控机床进给系统概述25 7.1运动设计32 总 结.39前言制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争。自从20世纪60年代世界上第一台数控机床问世以来，随着计算机技术、微电子技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术和机械制造技术等各相关领域的发展，数控技术已成为现代先进制造系统(FMS，CIMS等)中不可缺少的基础技术。由于机床数控系统技术复杂，种类繁多。现在数控机床的“使用难、维修难”问题，已经是影响数控机床有效利用的首要问题。 工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性”强,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“一个工人，一把刀，一台机床”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。 因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重。 本课题数控机床刀架设计及运动控制，该刀架能够在一次装夹中完成多道工序，使加工范围扩大，大大提高了加工精度和生产效率。本次设计的主要内容为：1）数控机床动力转塔刀架总体布局设计；2）动力刀架传动部分设计；3）动力刀架分度机构设计；4）动力刀架运动控制； 刀架整体设计和刀架运动控制部分设计是这次设计中的重点内容，同时也是难点。通过广泛查阅文献资料，参观数控车床实物样机以及与指导老师相互讨论等途径，拟定了如下的研究手段：回转刀架的换刀分为刀盘抬起、刀架锁紧和刀盘转位三个动作，刀架转位则由伺服电机来驱动。刀盘转位动作的实现顺经以下步骤：数控系统发出刀盘转位的命令伺服电机启动涡轮蜗杆转动刀架主轴转动实现刀盘转位。摘要：本文介绍了80C51单片机在两轴联动数控车床控制中的系统结构框图、CNC软件设计思想及流程图，步进电机的选型和驱动放大电路。 关键词：80C51单片机 数控车床 步进电机 驱动电路Abstract:The essay mainly conveys the following: the block diagram if the systematic architecture which 80c51 singlechip computer work in the 2axis numerical lathe ;The design thought and diagramOf the CNC software ,the choosing of the step motor and driveMagnify circuit.数控机床是一种典型的机电一体化产品，它综合了电子计算机、自动控制、自动检测、液压与气动及精密机械等方面的技术，该系统能逻辑的处理具有使用数字号码或者其它符号编码指令规定的程序，可以自动完成信息的输入、译码、运算，从而控制机床的运动和加工过程。数控车床是数控机床中的一种，它与普通车床一样主要用来加工轴类或盘类转体零件，如车削圆柱、圆锥、圆弧和各种螺纹等。与普通车床相比，数控车床的加工精度高、加工质量稳定、效率高、适应性强、操作劳动强度低，是目前使用较为广泛的一种数控机床。1.1数控刀架整体方案设计1.1.1 数控机床刀架应满足的要求 1） 满足工艺过程所提出的要求。机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀架能够布置足够多的刀具，而且能够方便而正确地加工各工件表面， 为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地转位。 2） 在刀架以要能牢固地安装刀具，在刀架上安装刀具进还应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。以保证刀具和工件间准确的相对位置。刀架的运动精度将直接反映到加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上，为此，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀架运转的终点到位应准确。面且这种精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。 3） 刀架应具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较复杂，而且有些刀架还直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀架必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。 4） 可靠性高。由于刀架在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也高，所以必须充分重视它的可靠性。 5） 刀架是为了提高机床自动化而出现的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以利于提高生产率。目前自动换刀装置的换刀时间在0.86秒之间不等。而且还在进一步缩短。 6） 操作方便和安全。刀架是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀架设计好坏的指标。刀架上应便于工人装刀和调刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整刀架的手柄（或手轮）要省力，应尽量设置在便于操作的地方。1.1.2 动力刀架的整体方案设计刀架是车床的重要组成部分，加工中心的动力刀架可安装各种非动力辅助刀夹和动力刀夹进行加工，用于夹持加工用的刀具,因此其结构直接影响到车床的加工性能和加工效率。刀架采用端齿分度，转位由步进电动机驱动，刀位由二进制绝对编码器识别，动力刀具由变频电机驱动，通过同步齿形带等将动力传递到刀夹。各类数控机床的自动换到装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量。数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适用范围见表1-1表1-1 自动换刀装置类型Table 1-1 trade the knife installment type automatically类别型式特点适用范围转塔式回转刀架多为顺序换刀，换刀时间短、结构简单紧凑、容纳刀具较少各种数控车床，数控车削加工中心转塔头顺序换刀，换刀时间短，刀具主轴都集中在转塔头上，结构紧凑。但刚性较差，刀具主轴数受限制数控钻、镗、铣床刀库式刀具与主轴之间直接换刀换刀运动集中，运动不见少。但刀库容量受限各种类型的自动换刀数控机床。尤其是对使用回转类刀具的数控镗、铣床类立式、卧式加工中心机床要根据工艺范围和机床特点，确定刀库容量和自动换刀装置类型用机械手配合刀库进行换刀刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，刀库容量大1.1.3 数控机床刀架的类型按换刀方式的不同，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，下面对这三种形式的刀架作简单的介绍。 1）排式刀架：排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。其结构形式为：夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的X坐标轴方向排列在横向滑板上。刀具的典型布置方式如图2.1所示。这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，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，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴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。宝鸡机床厂生产的CK7620P全功能数控车床配置的就是排式刀架。 2）回转刀架：回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，一般通过液压系统或电气来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架，并相应地安装4把、6把或更多的刀具。回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀架根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，分为立式刀架和卧式刀架两种。 3）带刀库的自动换刀装置：上述排式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定限制。当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。 (a)回转刀架 (b) 排式刀架 图1.1 机床刀架类型结构图Figure 1.1 types of machine tool structure本次设计的刀架是四工位刀架，刀位较少，且要求精度较高，所以可以选择回转刀架和排式刀架，且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保证转位具有高的重复定位精度具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的特点。而电动机最低转速为35r/min，最高转速为4000r/min，额定转速为ne=2000 r/min刀具顺利换刀，因此需要很高的稳定性。对于以上三种刀架，排式刀架加工棒料或盘类零件为主，局限性较大，同时定位精度不高，况且排式刀架往复运动幅度较大，占用空间多。综上，本次设计选用回转刀架作为设计对象，其具有换刀时间短、结构简单紧凑、容纳刀具较少的特点，所以较为合适，对于回转刀架根据安装方式的 不同可分为立式和 卧式两种根据机械定位方式的 不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等。其中断齿盘定位型换刀时刀架需抬起，换刀速度较慢且密封性较差，但其结构较简单。三齿盘定位型又叫免抬型，其特点是换刀时刀架不抬起，因此换刀时速度快且密封性好，但其结构较复杂。由于本人初次设计数控刀架，所以选择较为简单的端齿盘定位，结构简单。同时，自动回转刀架在结构上必须具有良好的 强度和刚性，以承受粗加工时的 切削抗力。为了保证转位具有高的重复定位精度，自动回转刀架还 要选择可靠的定位方案和合理的定位结构。自动回转刀架的自动换刀时由控制系统和驱动电路来实现的 。发信转位采用霍尔元件，使用寿命长。根据以上对机床刀架类型、性能及其使用场合的综合比较，并结合现有数控车床的实例，本次设计的动力刀架为伺服电机驱动的转塔式自动回转刀架。1.1.4 数控转塔刀架的开发应用数控转塔刀架是加工中心、数控车床必备的机床附件，尤其适用全功能数控车床。当前，数控机床发展迅猛，一方面向高速、高效、高精度方面发展，同时，在制造行业中广泛存在原有设备的数控改造和系统升级问题。作为关键附件，高性能的数控转塔刀架对于提高机床整体运行的可靠性、稳定性和效率有着重要意义，数控转塔刀架是由数控系统来控制的，因此，在转塔刀架本身性能提高的情况下，如何实现控制任务就显得十分重要了。数控转塔刀架是以回转分度实现刀具自动交换及回转动力刀具的传动。因此技术含量高，已趋向专业化开发生产。所以对数控转塔刀架的研究开发及应用已引起数控机床行业重视。典型数控转塔刀架一般由动力源（电机或油缸、液压马达）、机械传动机构、预分度机构、定位机构、锁紧机构、检测装置、接口电路、刀具安装台（刀盘）、动力刀座等组成。数控转塔刀架的动作循环为：T指令（换刀指令）刀盘放松转位刀位检测预分度精确定位刀盘锁紧结束信号。 1.1.5刀架的工作原理回转刀架的工作原理为机械螺纹升降转位式。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。图2.1为自动回转刀架，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3、蜗轮螺纹即螺母机构延逆时针旋转 ,此时由于上下齿盘40、6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上齿盘40松开并抬起,直至两定位齿盘40、6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13逆时针转过150时，齿盘40、6完全脱开，此时销钉准确进入圆套13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19中的某一个选通,当磁性板18 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39在弹簧力作用下进入反靠盘7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40、6 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。 图1.2 自动回转刀架2.1自动回转刀架自动换刀装置 2.1.1经济型数控车床方刀架数控机床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置。按数控装置发出的脉冲指令回转,换刀。由于数控机床的切削加工精度在很大程度上取决于刀尖的位置,加之在加工过程中刀尖位置不能进行人工调整,因此回转刀架在结构上必须有良好的强度和刚性,以及合理的定位结构,以保证回转刀架在每一次转位之后具有尽可能高的重复定位精度。 图2-1 盘行自动回转刀架结构1-刀架； 2、3-鼠牙盘； 4-滑块； 5-蜗轮； 6-轴； 7-蜗杆； 8、9、10-传动齿轮； 11-电动机； 12-微动开关； 13-小轴； 14-圆盘； 15-压板； 16-调节楔铁该刀架的工作过程为：刀架接收数控装置的指令松开刀盘转到指令要求的位置夹紧刀盘发转位结束的信号。转位开始时，电磁制动器断电，电动机11开始转动，通过齿轮8、9、10带动蜗杆7旋转，从而使蜗轮内孔有螺纹，与轴6上的螺纹配合。这时轴6不能回转，当蜗轮转动时，使轴6沿轴向左移动，因为刀架1与轴6、活动鼠牙盘2是固定在一起的，所以刀盘和鼠牙盘也向左移动，鼠牙盘2和3脱开。在轴6上有两个对称槽,内装滑块4，在鼠牙盘脱开后，蜗轮转到一定角度与蜗轮固定在一起的圆盘14上的凸块便碰到滑块4，蜗轮便通过圆盘14上的凸块带动滑块4，连同轴6、刀盘一起进行转位。当转到要求位置后，刷形选位器发出信号，使电动机反转，圆盘14上的凸块与滑块脱离，不再带动轴6转动，蜗轮5与轴6上的螺纹使轴6右移，鼠牙盘2、3结合定位，电磁制动器通电，维持电动机轴上的反转力矩，保证鼠牙盘之间有一定的压紧力。最后电动机断电，同时轴6右端的小轴13压下微动开关12，发出转位结束信号。刀具在刀盘上由压板15及调节楔铁16来夹紧，更换刀具和对刀十分方便。刀架的选位由刷形选位器进行。松开、夹紧位置检测则由微动开关12实行，整个刀架是一个纯电气系统，结构简单。212数控车床四工位换刀装置图2-2 数控车床四工位刀架结构1-直流伺服电动机；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-转为套；10-电刷座；11-发信号；12-螺母； 13、14-电刷；15-粗定位销图1-2所示为经济型数控机床常用方刀架结构，该刀架可以安装四把不同的刀具转位信号有加工程序指定。其工作过程为：刀架抬起刀架转位刀架定位夹紧刀架。（1）刀架抬起 当数控机装置发出换刀指令后，电动机1启动正常，通过套筒连轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动蜗轮丝杠4转动。刀架体7的内孔加工有螺纹，与蜗轮丝杠旋合，蜗轮与丝杠为整体结构。蜗轮丝杠内孔与刀架中心轴式间隙配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠绕中心轴旋转。当蜗轮开始转动时，由于刀架底座5和刀架体7上的端面齿处在啮合状态，且蜗轮丝杠轴向固定，因此刀架体7抬起。 （2）刀架转位 当刀架体抬至一定距离后，刀架底座5和刀架体7的端面齿脱开，转位套9用销钉与蜗轮丝杠4联接，随蜗轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开时转位套正好转过160（如图所示），球头销8在弹簧力的作用下进入转位套9的槽中，带动刀架体转位。 （3）刀架定位 刀架体7转动时带着电刷座10转动，当转到程序指定的刀号时，粗定位销15在弹簧力的作用下进入粗定位盘6的槽中进行粗定位，同时电刷13接触导体使电动机1翻转。由于粗定位槽的限制，刀架体7不能转动，使其在该位置垂直落下，刀架体7和刀架底座5上的端面齿啮合实现精确定位。（4）夹紧刀架 电动机继续反转，此时蜗轮停止转动，涡杆轴3自身转动，当两端面齿增加到一定夹紧力时，电动机1停止转动。译码装置由发信体13.14组成，电刷13负责发信号，电刷14负责位置判断当刀架定位出现过位或不到位时，可松开螺母12，调好发信体11与电刷14的相对位置。2.2回转刀架电气控制装置2.2.1电气控制系统的组成机电设备的电气控制系统的硬件部分一般由控制显示输入、输出的人机界面、控制器和检测装置构成，图如下：图2-3 电气控制系统的基本组成控制器是一个以计算机为核心的系统，控制过程实质上是控制器对预定指令信息与检测到得执行信息进行分析，比较再将其差值进行处理，放大及综合运算并转换后，经功率放大元件将处理后的信号放大，传向执行元件，控制执行元件按指令信号执行，完成要求的运动。执行元件一般与机电设备的工作机构相连接，进而使机电设备的被控量（如位移速度、加速度、力及转矩等量）达到预定目标。机电设备的人机界面是机电一体化的人机接口，机电设备控制系统采用微机控制一般采用标准的个人计算机的人机接口结构，由PC键盘、显示器和打印机组成。其他的如LED显示器/键盘，液晶显示屏/触摸式键盘等也可以作为人机接口，并且可以防止灰尘等干扰因素，提高可靠性，当然有时也可采用简单的可编程控制的方式。检测装置的功能是利用各种传感器从被控对象提取所要求的信号，并将该信号转化为电信号，再经过中间转换电路对信号进行放大，转换，传输等，以便进行显示，记录或处理。检测装置主要用于机电设备控制系统本身，工作对象及环境等的状态，是一个处于被测对象与控制系统间的能量转换器为控制器提供决策的信息依据。机电设备控制系统的控制器主要由CPU、存储器、I/O子系统、现场总线构成。 2.2.2电气控制系统的基本功能电气控制在机电一体化技术中起主导作用，其实质就是一种自动控制系统其基本功能有如下特点：1.良好的人机交互功能机电设备的电气控制系统基本上都具有输入指令，显示工作状态的人机界面，复杂的控制系统还具有程序调用、编辑、调试等功能，以便于操作者方便、快捷、灵活的控制机电设备，按设计意图让机电设备发挥更大作用。因此，好的机电控制系统都应具备方便，简洁亲和的人机界面。2.完善的借口功能机电设备的电气部件主要由被控制对象的传感器和执行机构组成，接口包括机械和电气的物理连接。接口按功能可分为主要完成信息连接，传递的通信接口和独立完成信息处理的智能接口，按信号的性质分为数字量接口和模拟量接口，按通信方式分为串行接口和并行接口。控制系统必须提供足够的接口，以满足被控机电设备的运动部件，检测部件与系统的连接要求。3.实行的信息检测、转换及控制功能。4.对控制软件的支持功能等。2.2.3数控车床刀架电气控制系统图2-4 数控车床刀架电气控制基本组成电动刀架为六工位，每个刀位对应一个刀位到位信号，当刀架运动经过工位时，发出相应的控制信号，使得电机反转，对销反靠，双端齿精定位，螺纹升降夹紧，电机运动停止。数控刀架转到工位时，由安装在刀架内部的霍尔传感器检测刀架到位信号，刀架信号输出端由高电平转到低电平，由信号采集电路对这一瞬时信号进行采集和保持，输出相对应的工位信号（高电平信号），相应的中间继电器线圈得电工作，使得刀架反转夹紧。数控机床刀架是由机床PLC来进行控制，对于普通的四工位刀架来说，控制比较简单，一般用于普通的车床。我们分析车床刀架的控制原理其实就是指刀架的整个换刀过程，刀架的换刀过程其实是通过PLC对控制刀架的所有I/O信号进行逻辑处理及计算。实现刀架的顺序控制。另外为了保证换刀能够正确进行，系统一般还要设置一些相应的系统参数来对换刀过程进行调整。下面我们分析PLC控制下的换刀过程。在分析之前，我们首先了解刀架 控制的电气部分。刀架电气控制部分如图所示。图中的a是刀架控制的强电部分，主要是控制刀架电机的正转和反转，来控制刀架的正转和反转；图b是刀架控制的交流控制回路，主要是控制两个交流接触器的导通和关闭来实现a中的强电控制；图c部分是刀架控制的继电器控制回路及PLC的输入及输出回路，整个过程的控制最终是由这个模块来完成的。 图a 强电回路 图b 接触器电路图c PLC的输入输出1、 图中各元器件的名称2、序号字母名称1M电动机2PE接地线也就是零细线3QS4空气开关4KM5、KM6交流接触器5KA2、KA3支流继电器6RC阻容吸收装置7PMC计算机可编程控制器8HL2指示灯9SQ1SQ6微动开关2、图中各器件的作用如下：序号名称含义1M刀架电动机2QS4刀架电动机带过载保护的电源空开3KM5、KM6线圈刀架电动机正、反转控制交流接触器4KA4由急停控制的中间继电器5KA2、KA3刀架电动机正、反转控制中间继电器6SQ1SQ6刀位检测霍尔元件开关7PMC控制刀架系统8U61单相灭弧器9RC阻容吸收装置起到过载保护作用10KM5、KM6常闭对刀架正反转起到互锁作用11 KA2、KA3常开对刀架正反转起到起到自保作用12COM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：X4.0X4.6：16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。3.1可编程逻辑控制器的概述 3.1.1 可编程逻辑控制器（PLC）的作用数控机床的自动控制由CNC和PLC共同完成，其中CNC负责完成与数字运算和管理有关的功能，如编辑加工程序、插补运算、译码、位置伺服控制等；PLC负责完成与逻辑运算有关的各种动作。PLC接受CNC控制代码M（辅助功能）、S(主轴转速)、T（选刀、换刀）等顺序动作信息，对其进行译码后转换成相应的控制信号，驱动辅助装置完成一系列开关动作，如装夹工件、更换刀具和开关切削液等。PLC是一种专门应用于工业环境，以微处理器为基础的通用型自动控制装置，这种装置的主要作用是解决工业设备逻辑关系与开关量控制，故称为可编程逻辑控制器PLC（prammable logic controller）。在数控机床上使用PLC取代传统的继电器控制系统，使得数控机床的结构更加紧凑，功能更丰富，响应速度更快，工作更可能。 3.1.2 可编程逻辑控制器（PLC）的类型应用于数控机床的PLC分两类，一类是内装型（或集成型）PLC，另一类是外装型(或独立型)PLC。（1）内装型PLC内装型PLC是CNC系统的生产厂家为实现数控机床顺序控制，而将CNC与PLC综合设计在一起的PLC，它是CNC系统的一个组成部分，只可专门用于某种CNC系统。PLC与CNC之间的信号传送在计算机数控系统内部即可实现。PLC与机床则通过I/O接口电路实现信号传送，其系统结构框如图。内装型PLC具有如下特点：图3-1 内装型PLCA 内装型PLC是CNC系统带有的一种基本功能。B 内装型PLC的性能指标是根据CNC系统的性能、规格等确定的，具有针对性强，技术指标较合理、实用等特点，实用于单台数控机床及加工中心等场合。C 内装型PLC可独立使用一个CPU，也可与CNC共用CNC。内装型PLC一般单独制成一块电路板，插装到CNC系统主机上，使用CNC本身的I/O接口完成输入输出功能。D 内装型PLC扩大了CNC系统内部直接处理数据的能力，可以使用梯形图进行编辑和传送复杂的控制功能。（2）外装型PLC 外装型PLC独立于CNC系统，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务的装置，其系统结构如下图所示：独立型PLC具有如下特点：图3-2外装型PLCA 独立型PLC是通用型PLC，具有广泛的应用范围。B 独立型PLC一般采用模块化结构，装在插板式机笼内，具有安装方便、功能易于扩展和变更等优点。C 独立型PLC的I/O接口点数和规模可以通过I/O模块的增减灵活配置，有的独立型PLC还可以通过多个远程终端联接器构成由大量输入、输出点的网络，实现大范围的集中控制。 3.1.3 可编程逻辑控制器（PLC）的组成数控机床的控制可分为两大部分：一部分是坐标轴运动的位置控制；另一部分是数控机床加工过程的顺序控制。在讨论PLC、CNC和机床各机械部件、机床辅助装置、强电回路之间的关系时，常把数控机床分为“NC侧”（数控系统侧）和“MT侧”（机床侧）两大部分。“NC侧”包括CNC系统的硬件和软件、与CNC系统连接的外部设备：“MT侧”包括机床机械部分及其液压、气压、冷却、润滑、排屑等辅助装置、机床操作面板、继电器线路和机床强电线路等。PLC处于CNC和MT之间，对NC侧和MT侧的输入、输出信号进行处理。MT侧顺序控制的最终对象随数控机床的类型、结构、辅助装置等不同而有很大差别。机床机构越复杂，辅助装置越多，最终受控对象也越多。一般来说，最终受控对象的数量和顺序控制程序的复杂程度从低到高依次为CNC车床、CNC铣床、加工中心、FMC、FMS。PLC在数控机床中有三种不同的配置方式。（1）PLC在机床一侧，代替了传统的继电器一接触器逻辑控制，PLC有(m+n)个输入/输出（I/O）点。（2）PLC在电气控制柜中，PLC有m个输入和输出（I/O）点（3）PLC在电气控制柜中，而输入和输出接口在机床一侧，这种配置方式使CNC与机床接口的电缆大为减少。4.1 数控车床刀架的PLC控制梯形图编程 4.1.1 PLC编程的基本步骤及基本编程（1）控制系统开发开始，确定控制对象（机床、NC、PLC）、确定控制对动作的规格，算出输入、输出点数，估计控制规模。不同型号的PC具有不同的硬件组成和性能指标。他们的基本I/O点数和扩展范围、程序存储容量往往差别很大。因此，在进行PLC程序设计之前，要对所用PC的型号、硬件配置（是否需要附加I/O板等）作出选择。1）输入输出点输入点是与机床侧被控对象有关的按钮、开关、继电器和接触器触点等连接的输入信号接口，以及由机床侧直接连接到NC输入信号接口。输出点包括向机床侧继电器、指示灯等输出信号接口。设计者对被控对象的上述输入、输出信号要逐一确认，并分别计算出总的需要数量。选用的PC所具有的输入、输出点数应比计算出输入、输出点数稍多一些，以备可能追加和变更控制性能的需要。2）存储容量等其它指标程序规模虽机床的复杂程度变化，设计者要根据具体任务对程序规模作出估算，并据此确定合格的程序容量。所选择PC的处理时间，指令功能，定时器、计数器、内部继电器的技术规格、数量等指标也应满足要求。（2）制定接口规格，分配DI,DO,编制地址表。根据选定PC的接口技术规格，设计和编制相关技术文件：输入输出信号电路原理图，地址表，PC数据表。梯形图中所用到的所有内部和外部信号、信号地址、名称、传输方向，与功能指令有关的设定数据，与信号有关的电气元件等都反映在这些文件中。编制文件的设计员除需要掌握所用CNC装置和PC的技术性能外，还需要具备一定的电气设计知识。1）输入输出信号原理图与输入信号有关的器件名称、位置。如操作面板按钮、工作台行程限位开关、主轴准停传感器、电机热继电器等。输出信号执行元件（操作面板指示灯、中间继电器线圈等）名称、位置。输入和输出信号插座和插脚编号，或连接端子编号及其信号名称、在PC中的地址。输入和输出信号接线和工作电源。2）地址表输入信号地址表，MTPLC地址表。如X0000,X0002,X0004等均为输入信号的8位地址。少数输入信号的地址由CNC生产厂家定义，如急停输入信号EMS.M、进给轴零点返回减速信号XDEC.M、ZDEC.M等。其它地址的信号名称由设计者定义，信号名称一般用缩写英文字母表示。输出信号地址表，PLCMT地址表。如Y48,Y53,Y80等均为输出信号的8位地址，字节的每位对应一个输出信号接口，应附有该信号的连接器名称和插脚编号。所有输出信号名称由设计者定义，并用缩写英文字母表示。输入输出信号地址一经确定，信号所用连接器、插脚编号易随之确定。安装时，各信号线应按指定连接器和插脚连接。PLCCNC地址表。如G100.G111等8位地址。这些信号已由CNC厂家定义，名称和含义均已固定，用户不得增删和修改。CNCPLC地址表。如F148.F156等8位地址。这些信号已由CNC厂家定义，名称和含义均已固定，用户不得增删和修改。3）PC数据表如地址名称为R300、R699等，该存储区可全部用作内部继电器地址，也可由功能指令参数设定。可以任意将整个存储区域划分成用于定时器、计数器、保持继电器和数据表及内部继电器存储区。（3）编制梯形图。对一台特定的数控机床，只要能满足控制要要求，对梯形图的结构、规模并没有硬性的规定，设计员可以按思路和逻辑方案进行编程。但理想的梯形图程序除能满足机床的控制要求外，还应具有最少的步数、最短的处理时间和易于理解的逻辑关系。（4）顺序程序的输入、调试，如果有仿真器可在仿真器上对程序进行先期的调试。（5）系统运行（RAM）。4.1.2数控车床刀架PLC控制梯形图序号地址地址相应地作用1X4.0X4.5刀架转动刀位对应的输入信号2X8.4急停输入信号3X5.4循环启动输入信号4F7.0辅助功能M的选通信号5F7.2主轴转速S的选通信号6F7.3刀具功能T的选通信号7R指令内部继电器8Y0.4刀架正转9Y0.5刀架反转10G5.0辅助功能M结束信号11G5.2S功能完成应答结束信号12G5.3T功能完成应答结束信号13G8.4急停输出信号14G4.3无论S、T、M完成应答，都会结束信号15G7.2循环启动输出信号16TMRB定时器175.1 数控车床刀架故障与诊断经济型数控车床一般都配有自动回转刀架，它是根据微机数控系统改造传统机床设备的需要，同时兼顾刀架在机床上能够独立控制的需要而设计的。现有自动回转刀架，其结构主要有插销式和端齿盘式。由于刀架生产厂家无统一标准，因此，其结构、尺寸各异。而无论是哪一类刀架，要使其正常工作，均涉及到机械、电气、控制系统等多方面的稳定、可靠工作。一旦出现某种故障现象，则可能是机械原因，也可能是电气、控制系统方面的原因。因此，应根据不同故障类型，找准原因，准确迅速确定故障点，方能及时排除故障。 现以目前使用较多的端齿盘式四工位自动刀架可能出现的各种故障现象加以分析，确定其排除方法。其它类型的刀架，虽其结构、尺寸、元器件类型号各有差异，但故障原因大多雷同，也可参照此法加以排除。 5.1.1故障分析刀故障现象一：刀架不能启动 (1).机械方面的原因 . 刀架预紧力过大。当用六角扳手插入蜗杆端部旋转时不易转动，而用力时，可以转动，但下次夹紧后刀架仍不能启动。此种现象出现，可确定刀架不能启动的原因是预紧力过大，可通过调小刀架电机夹紧电流排除之。 . 刀架内部机械卡死。当从蜗杆端部转动蜗杆时，顺时针方向转不动，其原因是机械卡死。首先，检查夹紧装置反靠定位销是否在反靠棘轮槽内，若在，则需将反靠棘轮与螺杆连接销孔回转一个角度重新打孔连接；其次，检查主轴螺母是否锁死，如螺母锁死，应重新调整；再次，由于润滑不良造成旋转件研死，此时，应拆开，观察实际情况，加以润滑处理。 (2).电气方面的原因 . 电源不通、电机不转。检查溶芯是否完好、电源开关是否良好接通、开关位置是否正确。当用万用表测量电容时，电压值是否在规定范围内，可通过更换保险、调整开关位置、使接通部位接触良好等相应措施来排除。除此以外，电源不通的原因还可考虑刀架至控制器断线、刀架内部断线、电刷式霍尔元件位置变化导致不能正常通断等情况。 .变频器的正转输入端子和反转输入端子断线。. 手动换刀正常、机控不换刀，应重点检查微机与刀架控制器引线、微机I/O接口及刀架到位回答信号。.梯形图中正转输出信号Y0.0和反转输出信号Y0.1在输入有信号的情况下，输出为低电平，导致对应的继电器无输出。故障现象二：电动刀架某一位刀号转不停，其余刀位可以转动 故障原因处理方法 此位刀的霍尔元件损坏:确认是哪个刀位使刀架转不停，在系统上输入指令转动该刀位，用万用表量该刀位信号触点对 24V触点是否有电压变化，若无变化，可判定为该位刀霍尔元件损坏，更换发信盘或霍尔元件。 此刀位信号线断路，造成系统无法检测到位信号:检查该刀位信号与系统的连线是否存在断路，正确连接即可。 系统的刀位信号接收电路有问题:当确定该刀位霍尔元件没问题，以及该刀位信号与系统的连线也没问题的情况下更换主板。故障现象三：刀架连续运转、到位不停 由于刀架能够连续运转，所以，机械方面出现故障的可能性较小，主要从电气方面检查：检查刀架到位信号是否发出，若没有到位信号，则是发讯盘故障。可检查：发讯盘弹性触头是否磨坏、发讯盘地线是否断路或接触不良或漏接。此时需要更换弹性片触头或重修，针对其线路中的继电器接触情况、到位开关接触情况、线路连接情况相应地进行线路故障排除。当仅出现某号刀不能定位时，则是由于该号刀位线断路所至。 故障现象四：电动刀架锁不紧 故障原因处理方法 发信盘位置没对正:拆开刀架的顶盖，旋动并调整发信盘位置，使刀架的霍尔元件对准磁钢，使刀位停在准确位置。 系统反锁时间不够长