【正文】 章 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ................................................................... 28 機(jī)械手控制系統(tǒng) PLC 的選擇 ........................................................ 28 機(jī)械手的 PLC 控制系統(tǒng)限位開關(guān)的布局示意圖 ........................ 29 機(jī)械手自動(dòng)換刀系統(tǒng)的工作流程 ................................................. 29 機(jī)械手自動(dòng)換刀系統(tǒng)的原理 ........................................................ 31 PLC 的硬件 I/O 接口原理圖 ......................................................... 32 自動(dòng)換刀系統(tǒng) PLC 程序的設(shè)計(jì) .................................................... 32 編程軟件 ...................................................................................... 32 PLC 的控制流程圖 ...................................................................... 34 梯形圖 .......................................................................................... 35 指令表 ......................................................................................... 36 課程設(shè)計(jì)心得 ......................................................................................... 37 附錄 1 ...................................................................................................... 38 附錄 2 ...................................................................................................... 39 附錄 3 ...................................................................................................... 40 參考文獻(xiàn) ................................................................................................. 41 第 1章 緒論 設(shè)計(jì)背景 加工中心（ Machining Center,MC）是適應(yīng)省力、省時(shí)和節(jié)能的時(shí)代要求而迅速發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，它是綜合了機(jī) 械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、拖動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測(cè)量及傳感技術(shù)以及通信診斷、刀具和編程技術(shù)的高科技產(chǎn)品。由于加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測(cè)量和調(diào)整時(shí)間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)存放時(shí)間，使機(jī)床的切削利用率高于通用機(jī)床 3倍～4 倍，所以說(shuō)，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數(shù)控機(jī)床中生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度最高的綜合性機(jī)床。 1958 年，美國(guó)卡尼，特雷克（ Kearneyamp。Trecker）公司首次把銑、鉆、鏜等多種工序集中于一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上，通過換刀方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，成為世界上第一臺(tái)加工中心 。該產(chǎn)品出現(xiàn)后，銷路驚人，引起了日、德、美、英、法、意等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的高度重視，競(jìng)相開發(fā)生產(chǎn)，不斷擴(kuò)大和完善機(jī)床的功能，成為數(shù)控機(jī)床中發(fā)展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出現(xiàn)了立式、臥式、龍門式、落地式等各種加工中心，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，大約有 1000 多個(gè)品種規(guī)格。 未來(lái)加工中心的發(fā)展動(dòng)向是高速化、進(jìn)一步提高精度和愈發(fā)完善的機(jī)能。加工中心是數(shù)控機(jī)床的代表，是高新技術(shù)集成度高的典型機(jī)電一體化機(jī)械加工設(shè)備，我國(guó)的加工中心從 70 年代開始，已有很大發(fā)展，但技術(shù)、品種和數(shù)量上都還遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展的需要。 隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了模具制造業(yè)、機(jī)械加工業(yè)的巨大發(fā)展，使得數(shù)控機(jī)床的使用越來(lái)越普遍，而加工中心更是以其高自動(dòng)化程度得到廣泛應(yīng)用。然而，目前市場(chǎng)上生產(chǎn)和銷售的都是以大、中型的加工中心為主，小型加工中心幾乎是空白，而機(jī)械加工業(yè)、小型模具的制造、工科院校、技工學(xué)校等對(duì)小型加工中心存在著大量的需求。為加速我國(guó)加工中心的發(fā)展，需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)加工中心的研究、設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用。 立式數(shù)控銑床 立式數(shù)控銑床的主軸軸線與工作臺(tái)面垂直，是數(shù)控銑床中最常見的一種布局形式。立式數(shù)控銑床一般為三坐標(biāo) （ X 、 Y 、 Z ）聯(lián)動(dòng) , 其各坐標(biāo)的控制方式主要有以下兩種： 1 ）工作臺(tái)縱、橫向移 5 動(dòng)并升降，主軸只完成主運(yùn)動(dòng)。目前小型數(shù)控銑床一般采用這種方式 。 2 ） 工作臺(tái)縱、橫向移動(dòng)，主軸升降。這種方式一般運(yùn)用在中型數(shù)控銑床中 。 立式數(shù)控銑床的功能分為一般功能和特殊功能。一般功能是指各類數(shù)控銑床普遍所具有的功能。如點(diǎn)位控制功能、刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償功能、鏡象加工功能、 固定循環(huán)功能等。特殊功能是指數(shù)控銑床在增加了某些特殊裝置或附件后，分別具有或兼?zhèn)涞囊恍┨厥夤δ?。如刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能、靠模加工功能、自動(dòng)變換工作臺(tái)功能、自適應(yīng)功能、 數(shù)控采集功能等。 數(shù)控銑床的主軸開啟與停止，主軸正反轉(zhuǎn)與主軸變速等都可以按輸入介質(zhì)上編入的程序自動(dòng)執(zhí)行。不同的機(jī)床其變速功能與范圍也不同。有的采用變頻機(jī)組，固定幾種轉(zhuǎn)速，可自選一種編入程序，但不能在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)改變。有的采用變頻器調(diào)整，將轉(zhuǎn)速分為幾檔，編程時(shí)可任選一檔，在運(yùn)轉(zhuǎn)中可通過控制面板上的旋鈕，在本檔范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)；有的則不分檔 ,編程時(shí)可在整個(gè)范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速。但是在實(shí)際操作中，調(diào)速不能有大起大落的突變，只能在允許的范圍內(nèi)調(diào)高或調(diào)低，只能在允許的范圍內(nèi)一般都設(shè)有自動(dòng)拉、退刀裝置，能在數(shù)秒內(nèi)完成裝刀與卸刀，換刀 比較方便。此外，多坐標(biāo)數(shù)控銑床的主軸可以繞 X、Y 或 Z軸作數(shù)控?cái)[動(dòng)，擴(kuò)大了主軸自身的運(yùn)動(dòng)范圍，但是主軸結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。 6 第 2章 方案設(shè)計(jì) 課題內(nèi)容 依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，我們的任務(wù)是給數(shù)控立式銑床設(shè)計(jì)安裝合適的自動(dòng)換刀裝置，以力濤 CNC1000 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床為例。 主要技術(shù)參數(shù)為： 工作范圍 X軸行程 1050mm Y軸行程 650mm Z軸行程 500mm 立柱最前端至主軸中心 650mm 工作臺(tái)加工面積（長(zhǎng) 寬） 1400 320mm 工作臺(tái)承載重量 800kg 主軸最高轉(zhuǎn)速 8000rpm 快速進(jìn)給速度 X 軸 5m/min 快速進(jìn)給速度 Y 軸 5m/min 快速進(jìn)給速度 Z 軸 5m/min 刀庫(kù)刀具數(shù) 20 把 定位精度 177。 重復(fù)定位精度 177。 加工精度 主軸錐孔 BT40 刀具最大直徑 ∮ 80mm 換刀時(shí)間（刀對(duì)刀） 4 秒 最大進(jìn)給速度 5000m/min 確定其自動(dòng)換刀裝置的形式 由于 LTCNC1000 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床是一種使用范圍較廣的機(jī)床，且其可加工零件的精度要求也較高，比較上章介紹的幾種換刀形式，決 定選用帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀形式。 LTCNC1000 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床主軸箱上方?jīng)]有好的安裝位置，安裝在機(jī)床外又要增加刀具運(yùn)輸時(shí)間，降低效率，所以安裝在機(jī)床側(cè)面最合適，有些部件交錯(cuò)的地方，作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。設(shè)計(jì)成由由盤式刀庫(kù)和回轉(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手組成。設(shè)計(jì)增加自動(dòng)換刀裝置后的 LTCNC1000數(shù)控立式升降臺(tái)銑床的外觀圖如圖 21 所示。 7 圖 21 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床的外觀圖 加工中心自動(dòng)換刀裝置 （ ATC）形式、特點(diǎn)及各自應(yīng)用范圍 由刀庫(kù)和機(jī)械手組成的自動(dòng)換刀裝置 (Automatic Tool Changer,ATC)是加工中心的重要組成部分。加工中心上所需更換的刀具較多，從十幾把到幾十把．甚至上百把，故通常采用刀庫(kù)形式，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，自動(dòng)換刀裝置種類繁多。由于加工中心上自動(dòng)換刀次數(shù)比較頻繁，故對(duì)自動(dòng)換刀裝置的技術(shù)要求十分嚴(yán)格．如要求定位精度高．動(dòng)作平穩(wěn)，工作可靠以及精度保持性等。這些要求都與加工中心的性能息息相關(guān)。 在使用立式數(shù)控銑床加工工件時(shí)，只要充分利用數(shù)控銑床的各種功能，就可以加工許多普通 銑床難加工的工件。數(shù)控銑床的主要加工對(duì)象有：平面類零件；變斜角類零件；曲面類（立體類）零件。 8 表 21 加工中心上的換刀裝置 形式 類別 特點(diǎn) 應(yīng)用范圍 轉(zhuǎn)塔式 垂直轉(zhuǎn)塔頭 1. 根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同，可分為順序選刀或任意選刀 2. 結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單 3. 容納刀具數(shù)目少 用于鉆削中心 水平轉(zhuǎn)塔頭 刀庫(kù)式 無(wú)機(jī)械手換刀 1. 利用刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)與主軸直接換刀，省去機(jī)械手 2. 結(jié)構(gòu)緊湊 3. 刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)較多 小型加工中心 機(jī)械手換刀 1. 刀庫(kù)只做選刀運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手換刀 2. 布局靈活，換刀速度快 各種加工中心 機(jī)械手和刀具運(yùn)送器 1. 刀庫(kù)距機(jī)床主軸 較遠(yuǎn)時(shí)，用刀具運(yùn)送器將刀具送至機(jī)械手 2. 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 大型加工中心 成套更換方式 更換轉(zhuǎn)塔 1. 利用更換轉(zhuǎn)塔頭，增加換刀數(shù)目 2. 換刀時(shí)間基本不變 擴(kuò)大加工工藝的鉆削中心 更換主軸箱 1. 利用更換主軸箱，擴(kuò)大組合機(jī)床加工工藝范圍 2. 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 擴(kuò)大柔性的組合機(jī)床 更換刀庫(kù) 1. 擴(kuò)大加工工藝，更換刀庫(kù)，另有刀庫(kù)存儲(chǔ)器 2. 充分提高機(jī)床利用率和自動(dòng)化程度 3. 擴(kuò)大加工中心的加工工藝范圍 加工復(fù)雜零件，需刀具很多的加工中心 9 刀庫(kù)及刀具交換裝置 刀庫(kù)的功能是儲(chǔ)存加工工序所需的各種刀具，并按程序指令，把即將要用的刀具迅速、準(zhǔn)確地 送到換刀位置，并接受從主軸送回的已用刀具。所以說(shuō)它是自動(dòng)換刀裝置中主要部件之一。 刀庫(kù)的形式 根據(jù)刀庫(kù)的容量和存取刀具的方式，刀庫(kù)可設(shè)計(jì)成多種形式。目前常見的刀庫(kù)類型如下： 盤式刀庫(kù) 此刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多。此換刀裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，換刀可靠性較好，缺點(diǎn)是換刀時(shí)間長(zhǎng)，適用于刀庫(kù)容量較小的加工中心上采用。如圖 22 所示。 鏈?zhǔn)降稁?kù) 此刀庫(kù)結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫(kù)容量較大，鏈環(huán)的形狀可根據(jù)機(jī)床的布局制成各種形狀，也可將換刀位突出以便于換刀，能充分利用機(jī)床的占地空間，通常為軸向取刀，位置精度 較低，造價(jià)也較高。如圖 23 所示。 格子箱式刀庫(kù) 結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫(kù)空間利用率高，換刀時(shí)間較長(zhǎng)。布局不靈活，通常刀庫(kù)安裝在工作臺(tái)上，應(yīng)用者較少。如圖 24 所示。 直線式刀庫(kù) 刀庫(kù)容量少，一般在十幾把左右，多用于自動(dòng)換刀數(shù)控車床，鉆床上也有采用。如圖 25 所示。 圖 22 盤式刀庫(kù) 圖 23 鏈?zhǔn)降稁?kù) 10 圖 24 格子箱式刀庫(kù) 圖 25 直線式刀庫(kù) 刀具的選擇方式 在自動(dòng)換刀裝置換刀時(shí)，按數(shù)控裝置的刀具選擇指令，從刀庫(kù)中將所需要的刀具準(zhǔn)確地自動(dòng)地選出，并轉(zhuǎn)換到取刀位置．稱為自動(dòng)選刀。從刀庫(kù)中選擇刀具通常采用下述方式： （ 1）順序選擇方式 順序選擇方式是按零件加工的預(yù)定工序要求依次將所用刀具存入刀庫(kù)的刀座中，使用時(shí)按順序?qū)⑵滢D(zhuǎn)到取刀位置。用過的刀具放回原來(lái)的刀座中，亦可以按加工順序故入下一個(gè)刀座中。這種方法不需要刀具識(shí)別裝置，驅(qū) 動(dòng)控制也較簡(jiǎn)單，工作可靠，但刀具不能重復(fù)使用。即工藝相同的不同工序，也要重新安排刀具，故增加了刀具數(shù)量和刀庫(kù)容量。一般用于刀具較少的中小型加工中心、加工批量較大但工件品種較少的加工中心、刀庫(kù)與主抽之間直接換刀的加工中心、有自動(dòng)換刀庫(kù)的數(shù)控機(jī)床 (當(dāng)加工小批量零件時(shí) )