【正文】 章 PLC 控制系統(tǒng)設計 ................................................................... 28 機械手控制系統(tǒng) PLC 的選擇 ........................................................ 28 機械手的 PLC 控制系統(tǒng)限位開關的布局示意圖 ........................ 29 機械手自動換刀系統(tǒng)的工作流程 ................................................. 29 機械手自動換刀系統(tǒng)的原理 ........................................................ 31 PLC 的硬件 I/O 接口原理圖 ......................................................... 32 自動換刀系統(tǒng) PLC 程序的設計 .................................................... 32 編程軟件 ...................................................................................... 32 PLC 的控制流程圖 ...................................................................... 34 梯形圖 .......................................................................................... 35 指令表 ......................................................................................... 36 課程設計心得 ......................................................................................... 37 附錄 1 ...................................................................................................... 38 附錄 2 ...................................................................................................... 39 附錄 3 ...................................................................................................... 40 參考文獻 ................................................................................................. 41 第 1章 緒論 設計背景 加工中心（ Machining Center,MC）是適應省力、省時和節(jié)能的時代要求而迅速發(fā)展起來的自動換刀數控機床，它是綜合了機 械技術、電子技術、計算機軟件技術、拖動技術、現代控制理論、測量及傳感技術以及通信診斷、刀具和編程技術的高科技產品。由于加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和調整時間，減少工件周轉、搬運存放時間，使機床的切削利用率高于通用機床 3倍～4 倍，所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數控機床中生產率和自動化程度最高的綜合性機床。 1958 年，美國卡尼，特雷克（ Kearneyamp。Trecker）公司首次把銑、鉆、鏜等多種工序集中于一臺數控機床上，通過換刀方式實現連續(xù)加工，成為世界上第一臺加工中心 。該產品出現后，銷路驚人，引起了日、德、美、英、法、意等先進工業(yè)國家的高度重視，競相開發(fā)生產，不斷擴大和完善機床的功能，成為數控機床中發(fā)展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出現了立式、臥式、龍門式、落地式等各種加工中心，據不完全統(tǒng)計，大約有 1000 多個品種規(guī)格。 未來加工中心的發(fā)展動向是高速化、進一步提高精度和愈發(fā)完善的機能。加工中心是數控機床的代表，是高新技術集成度高的典型機電一體化機械加工設備，我國的加工中心從 70 年代開始，已有很大發(fā)展，但技術、品種和數量上都還遠不能適應我國經濟、技術發(fā)展的需要。 隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，推動了模具制造業(yè)、機械加工業(yè)的巨大發(fā)展，使得數控機床的使用越來越普遍，而加工中心更是以其高自動化程度得到廣泛應用。然而，目前市場上生產和銷售的都是以大、中型的加工中心為主，小型加工中心幾乎是空白，而機械加工業(yè)、小型模具的制造、工科院校、技工學校等對小型加工中心存在著大量的需求。為加速我國加工中心的發(fā)展，需進一步加強對加工中心的研究、設計、制造和應用。 立式數控銑床 立式數控銑床的主軸軸線與工作臺面垂直，是數控銑床中最常見的一種布局形式。立式數控銑床一般為三坐標 （ X 、 Y 、 Z ）聯動 , 其各坐標的控制方式主要有以下兩種： 1 ）工作臺縱、橫向移 5 動并升降，主軸只完成主運動。目前小型數控銑床一般采用這種方式 。 2 ） 工作臺縱、橫向移動，主軸升降。這種方式一般運用在中型數控銑床中 。 立式數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控銑床普遍所具有的功能。如點位控制功能、刀具半徑自動補償功能、鏡象加工功能、 固定循環(huán)功能等。特殊功能是指數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?。如刀具長度補償功能、靠模加工功能、自動變換工作臺功能、自適應功能、 數控采集功能等。 數控銑床的主軸開啟與停止，主軸正反轉與主軸變速等都可以按輸入介質上編入的程序自動執(zhí)行。不同的機床其變速功能與范圍也不同。有的采用變頻機組，固定幾種轉速，可自選一種編入程序，但不能在運轉時改變。有的采用變頻器調整，將轉速分為幾檔，編程時可任選一檔，在運轉中可通過控制面板上的旋鈕，在本檔范圍內自由調節(jié)；有的則不分檔 ,編程時可在整個范圍內無級調速。但是在實際操作中，調速不能有大起大落的突變，只能在允許的范圍內調高或調低，只能在允許的范圍內一般都設有自動拉、退刀裝置，能在數秒內完成裝刀與卸刀，換刀 比較方便。此外，多坐標數控銑床的主軸可以繞 X、Y 或 Z軸作數控擺動，擴大了主軸自身的運動范圍，但是主軸結構更加復雜。 6 第 2章 方案設計 課題內容 依據設計任務書，我們的任務是給數控立式銑床設計安裝合適的自動換刀裝置，以力濤 CNC1000 數控立式升降臺銑床為例。 主要技術參數為： 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 工作臺加工面積（長 寬） 1400 320mm 工作臺承載重量 800kg 主軸最高轉速 8000rpm 快速進給速度 X 軸 5m/min 快速進給速度 Y 軸 5m/min 快速進給速度 Z 軸 5m/min 刀庫刀具數 20 把 定位精度 177。 重復定位精度 177。 加工精度 主軸錐孔 BT40 刀具最大直徑 ∮ 80mm 換刀時間（刀對刀） 4 秒 最大進給速度 5000m/min 確定其自動換刀裝置的形式 由于 LTCNC1000 數控立式升降臺銑床是一種使用范圍較廣的機床，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 定選用帶刀庫的自動換刀形式。 LTCNC1000 數控立式升降臺銑床主軸箱上方沒有好的安裝位置，安裝在機床外又要增加刀具運輸時間，降低效率，所以安裝在機床側面最合適，有些部件交錯的地方，作適當的調整。設計成由由盤式刀庫和回轉式雙臂機械手組成。設計增加自動換刀裝置后的 LTCNC1000數控立式升降臺銑床的外觀圖如圖 21 所示。 7 圖 21 數控立式升降臺銑床的外觀圖 加工中心自動換刀裝置 （ ATC）形式、特點及各自應用范圍 由刀庫和機械手組成的自動換刀裝置 (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，故通常采用刀庫形式，其結構比較復雜，自動換刀裝置種類繁多。由于加工中心上自動換刀次數比較頻繁，故對自動換刀裝置的技術要求十分嚴格．如要求定位精度高．動作平穩(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。 在使用立式數控銑床加工工件時，只要充分利用數控銑床的各種功能，就可以加工許多普通 銑床難加工的工件。數控銑床的主要加工對象有：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 應用范圍 轉塔式 垂直轉塔頭 1. 根據驅動方式不同，可分為順序選刀或任意選刀 2. 結構緊湊簡單 3. 容納刀具數目少 用于鉆削中心 水平轉塔頭 刀庫式 無機械手換刀 1. 利用刀庫運動與主軸直接換刀，省去機械手 2. 結構緊湊 3. 刀庫運動較多 小型加工中心 機械手換刀 1. 刀庫只做選刀運動，機械手換刀 2. 布局靈活，換刀速度快 各種加工中心 機械手和刀具運送器 1. 刀庫距機床主軸 較遠時，用刀具運送器將刀具送至機械手 2. 結構復雜 大型加工中心 成套更換方式 更換轉塔 1. 利用更換轉塔頭，增加換刀數目 2. 換刀時間基本不變 擴大加工工藝的鉆削中心 更換主軸箱 1. 利用更換主軸箱，擴大組合機床加工工藝范圍 2. 結構比較復雜 擴大柔性的組合機床 更換刀庫 1. 擴大加工工藝，更換刀庫，另有刀庫存儲器 2. 充分提高機床利用率和自動化程度 3. 擴大加工中心的加工工藝范圍 加工復雜零件，需刀具很多的加工中心 9 刀庫及刀具交換裝置 刀庫的功能是儲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、準確地 送到換刀位置，并接受從主軸送回的已用刀具。所以說它是自動換刀裝置中主要部件之一。 刀庫的形式 根據刀庫的容量和存取刀具的方式，刀庫可設計成多種形式。目前常見的刀庫類型如下： 盤式刀庫 此刀庫結構簡單，應用較多。此換刀裝置的優(yōu)點是結構簡單，成本較低，換刀可靠性較好，缺點是換刀時間長，適用于刀庫容量較小的加工中心上采用。如圖 22 所示。 鏈式刀庫 此刀庫結構緊湊，刀庫容量較大，鏈環(huán)的形狀可根據機床的布局制成各種形狀，也可將換刀位突出以便于換刀，能充分利用機床的占地空間，通常為軸向取刀，位置精度 較低，造價也較高。如圖 23 所示。 格子箱式刀庫 結構緊湊，刀庫空間利用率高，換刀時間較長。布局不靈活，通常刀庫安裝在工作臺上，應用者較少。如圖 24 所示。 直線式刀庫 刀庫容量少，一般在十幾把左右，多用于自動換刀數控車床，鉆床上也有采用。如圖 25 所示。 圖 22 盤式刀庫 圖 23 鏈式刀庫 10 圖 24 格子箱式刀庫 圖 25 直線式刀庫 刀具的選擇方式 在自動換刀裝置換刀時，按數控裝置的刀具選擇指令，從刀庫中將所需要的刀具準確地自動地選出，并轉換到取刀位置．稱為自動選刀。從刀庫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定工序要求依次將所用刀具存入刀庫的刀座中，使用時按順序將其轉到取刀位置。用過的刀具放回原來的刀座中，亦可以按加工順序故入下一個刀座中。這種方法不需要刀具識別裝置，驅 動控制也較簡單，工作可靠，但刀具不能重復使用。即工藝相同的不同工序，也要重新安排刀具，故增加了刀具數量和刀庫容量。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、刀庫與主抽之間直接換刀的加工中心、有自動換刀庫的數控機床 (當加工小批量零件時 )