【導(dǎo)讀】數(shù)控車床將向中高檔發(fā)展，對(duì)數(shù)控刀架需求量將大大增加。發(fā)展，數(shù)控刀架也向快速換刀、電液組合驅(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。本課題主要對(duì)六刀位自動(dòng)刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。方案的分析確定出了免抬式自動(dòng)刀架的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)用ProE對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行三維實(shí)體建模,驗(yàn)證結(jié)構(gòu)較合理。利用PLC、位置傳感器進(jìn)行了系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)，較好地實(shí)現(xiàn)了換刀控制要求。立的單元，既可用于普通機(jī)床以減少輔助換刀時(shí)間，又適用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，

　　

【正文】 了多種濾波電路，以抑制高頻干擾信號(hào)。在軟件方面， PLC設(shè)置了故障檢測(cè)及自診斷程序、用來檢測(cè)系統(tǒng)硬件是否正常，用戶程序是否正確，便于自動(dòng)地做出相應(yīng)的處理，如報(bào)警、封鎖輸出、保護(hù)數(shù)據(jù)等。 4） 易于操作及維護(hù) PLC的控制程序可通過其專用的編程器輸入到 PLC的用戶程序存貯器中。編程器不僅能對(duì) PLC控制程序進(jìn)行寫入、讀出、檢測(cè)、修改等操作，還能對(duì) PLC的工作進(jìn)行監(jiān)控。使得 PLC的操作及維護(hù)都很方便。 PLC還具有很強(qiáng)的自診斷能力，能隨時(shí)檢查出自身的故障，并顯示給 操作人員，使操作人員能迅速檢查、判斷故障原因。由于 PLC的故障率很低，并且有完善的診斷和顯示能力，當(dāng) PLC或外部的輸入裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，如果是 PLC本身的原因，在維修時(shí)只需要更換插入式模塊及其它易損件即可，既方便又減少影響生產(chǎn)的時(shí)間。 5） 設(shè)計(jì) 、技工、調(diào)試周期短用 PLC完成一項(xiàng)控制工程時(shí)，由于其硬、軟件齊全，設(shè)計(jì)和施工可同時(shí)進(jìn)行。由于用軟件編程取代了繼電器硬接線，實(shí)現(xiàn)控制功能，使得控制柜的設(shè)計(jì)及安裝接線工作量大為減少，縮短了施工周期。同時(shí)， 由于用戶程序大都可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，調(diào)好后再將 PLC控 制系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，使得調(diào)試方便、快速、安全，因此大大縮短了設(shè)計(jì)和投運(yùn)周期。 ② PLC的主要功能 PLC是采用微電子技術(shù)來完成順序控制功能的自動(dòng)化設(shè)備，可以在現(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)作用下，按照預(yù)先輸入的程序?？刂片F(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照一定規(guī)律進(jìn)行動(dòng)作。其主要功能如下： 1） 開關(guān)量控制這是 PLC最基本最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，用來取代繼電器控制系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)邏輯控制和順序控制。它既可用于單機(jī)控制或多機(jī)控制，又可用于自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制。 PLC可根據(jù)操作按鈕、限位開關(guān)及其他現(xiàn)場(chǎng)給出的指令信號(hào)或檢測(cè)信號(hào)，控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行相應(yīng) 的動(dòng)作。 2） 限時(shí)控制 PLC 為用戶提供了一定數(shù)量的定時(shí)器，并設(shè)置了計(jì)時(shí)指令，一般可實(shí)現(xiàn) ，也可按一定方式進(jìn)行定時(shí)時(shí)間的擴(kuò)展。 PLC的限時(shí)控制精度高、定時(shí)時(shí)間設(shè)定方便、靈活，同時(shí)， PLC還提供了高精 3 自動(dòng)刀架控制部分設(shè)計(jì) 20 度的時(shí)鐘脈沖，用于準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)控制。 3） 計(jì)數(shù)控制 PLC為用戶提供的計(jì)數(shù)器分為普通計(jì)數(shù)器、可逆計(jì)數(shù)器、高速計(jì)數(shù)器等、以完成不同用途的計(jì)數(shù)控制。當(dāng)計(jì)數(shù)器的當(dāng)前計(jì)數(shù)值變?yōu)?0(或設(shè)定值 )或在某一數(shù)值范圍時(shí)，發(fā)出控制命令。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可以在運(yùn)行中被讀出，也可以在運(yùn)行中 進(jìn)行修改。 4） 步進(jìn)控制 PLC能通過移位寄存器方便地完成步進(jìn)控制功能。有些 PLC專門設(shè)有步進(jìn)控制指令，使得編程更為方便。此功能在進(jìn)行順序控制時(shí)非常有效。 5） 數(shù)據(jù)處理大部分 PLC都具有不同程度的數(shù)據(jù)處理功能，如 F2系列、 C系列、S5系列等均能完成數(shù)據(jù)運(yùn)算，如加、減、乘、除、乘方、開方等，邏輯運(yùn)算如與、或、異或、求反等， 以及數(shù)據(jù)的移位、比較、傳遞和數(shù)值的轉(zhuǎn)挾等操作。 6） 模擬量處理，目前很多 PLC甚至小型機(jī) (如 P型機(jī)、 F系列、 NB系列、 57系列等 )都具有模擬量處理功能，而且編程和使用都很方便。這里，模擬量一 般為 420mA 的電流，或 15v的電壓；數(shù)字量為 8位或 12位二進(jìn)制數(shù)。用 PLC進(jìn)行模擬量控制的優(yōu)點(diǎn)是：在進(jìn)行模擬量控制的同時(shí)，開關(guān)量也可以控制。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)是別的控制器所不具備的，或?qū)崿F(xiàn)起來不如 PLC方便。 7） 可編程控制器的通信和聯(lián)網(wǎng)功能可以使 PLC 與 PLC 之間、 PLC 與個(gè)人計(jì)算機(jī)等其他智能設(shè)備之間能夠進(jìn)行數(shù)字信息交換，形式一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散控制或集中控制?，F(xiàn)在，幾乎所有的 PLC 產(chǎn)品都有通信聯(lián)網(wǎng)功能，通過雙絞線、同軸電纜或光纖，信息可以傳送到幾十公里遠(yuǎn)的地方；通過 Modem 和互聯(lián)網(wǎng)，可以使 PLC 與世 界上其他地方的計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。目前，有的 PLC 使用專用的通信協(xié)議進(jìn)行通信，或使用較多廠商支持的通信協(xié)議和通信標(biāo)準(zhǔn)，如現(xiàn)場(chǎng)總線。為了盡量減少用戶在通信編程方面的負(fù)擔(dān)， PLC 的通信功能日趨完善，使設(shè)備之間的通信能夠自動(dòng)周期性地進(jìn)行，不需要用戶為通信編程，用戶的工作只是在組成系統(tǒng)時(shí)作一些硬件或軟件上的初始化設(shè)置。 自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)要求 針對(duì)自動(dòng)換刀系統(tǒng)， PLC 控制系統(tǒng)的重點(diǎn)和關(guān)鍵是接受來自數(shù)控系統(tǒng)的換刀指令即 T指令，然后檢測(cè)當(dāng)前所在的刀位與 T指令進(jìn)行比較。具體要求如下： 換刀系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)換刀 功能： ① 手動(dòng)換刀 當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)旋到手動(dòng)檔時(shí)，按一下點(diǎn)動(dòng)換刀開關(guān)，刀盤就轉(zhuǎn)一個(gè)刀位； ② 自動(dòng)換刀 當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)旋到自動(dòng)檔時(shí)，換刀系統(tǒng) PLC讀入換刀號(hào)，通過計(jì)算使得當(dāng)前 刀號(hào)與換刀號(hào)相等。 3 自動(dòng)刀架控制部分設(shè)計(jì) 21 檢測(cè)元件的選擇 大量的資料顯示，現(xiàn)在所生產(chǎn)的自動(dòng)刀架多是采用的霍爾集成電路進(jìn)行位置的檢測(cè)，而電氣產(chǎn)品中的接近開關(guān)，是被廣泛采用的檢測(cè)元件，而且用于該刀架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中能使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。 接近開關(guān)的類別 ① 渦流式接近開關(guān) 這種開關(guān)有時(shí)也叫電感式接近開關(guān)。它是利用導(dǎo)電物體在接近這個(gè)能產(chǎn)生電磁場(chǎng)接近開關(guān)時(shí)，使物體內(nèi)部 產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用到接近開關(guān)，使開關(guān)內(nèi)部電路參數(shù)發(fā)生變化，由此識(shí)別出有無導(dǎo)電物體移近，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是導(dǎo)電體。 ② 電容式接近開關(guān) 這種開關(guān)的測(cè)量通常是構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，而另一個(gè)極板是開關(guān)的外殼。這個(gè)外殼在測(cè)量過程中通常是接地或與設(shè)備的機(jī)殼相連接。當(dāng)有物體移向接近開關(guān)時(shí)，不論它是否為導(dǎo)體，由于它的接近，總要使電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而使電容量發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可控制開關(guān)的接通或斷開。這種接近開關(guān)檢測(cè)的對(duì)象，不限于導(dǎo)體，可 以絕緣的液體或粉狀物等。 ③ 霍爾接近開關(guān) 霍爾元件是一種磁敏元件。利用霍爾元件做成的開關(guān)，叫做霍爾開關(guān)。當(dāng)磁性物件移近霍爾開關(guān)時(shí)，開關(guān)檢測(cè)面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應(yīng)而使開關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識(shí)別附近有磁性物體存在，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)的檢測(cè)對(duì)象必須是磁性物體。 ④ 光電式接近開關(guān) 利用光電效應(yīng)做成的開關(guān)叫光電開關(guān)。將發(fā)光器件與光電器件按一定方向裝在同一個(gè)檢測(cè)頭內(nèi)。當(dāng)有反光面（被檢測(cè)物體）接近時(shí)，光電器件接收到反射光后便在信號(hào)輸出，由此便可 “ 感知 ” 有物體接近。 ⑤ 熱釋電式 接近開關(guān) 用能感知溫度變化的元件做成的開關(guān)叫熱釋電式接近開關(guān)。這種開關(guān)是將熱釋電器件安裝在開關(guān)的檢測(cè)面上，當(dāng)有與環(huán)境溫度不同的物體接近時(shí)，熱釋電器件的輸出便變化，由此便可檢測(cè)出有物體接近。 ⑥ 其它型式的接近開關(guān) 當(dāng)觀察者或系統(tǒng)對(duì)波源的距離發(fā)生改變時(shí)，接近到的波的頻率會(huì)發(fā)生偏移，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。聲納和雷達(dá)就是利用這個(gè)效應(yīng)的原理制成的。利用多普勒效應(yīng)可制成超聲波接近開關(guān)、微波接近開關(guān)等。當(dāng)有物體移近時(shí)，接近開關(guān) 3 自動(dòng)刀架控制部分設(shè)計(jì) 22 接收到的反射信號(hào)會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，由此可以識(shí)別出有無物體接近。 接近開關(guān)的選擇 由 知霍爾接近開關(guān)的工作原理最簡(jiǎn)單，也最便于控制。所以選用霍爾接近開關(guān)。其主要特點(diǎn)有： ①工作時(shí)無火花，無噪音； ②無開關(guān)瞬態(tài)抖動(dòng)抗干擾； ③耐油、防水、防沖、防振動(dòng)； ④輸出信號(hào)強(qiáng)，可靠性高，壽命長(zhǎng)，有多種輸入方式和輸出形態(tài)； ⑤具有短路保護(hù)和極性保護(hù)。 PLC選型 分析控制系統(tǒng)所需的 I/O 接點(diǎn)數(shù) 通過對(duì)自動(dòng)換刀系統(tǒng)控制要求的分析， PLC 控制輸入信號(hào)有手動(dòng)開關(guān) 1 個(gè)、轉(zhuǎn)換開關(guān) 1 個(gè)、停止開關(guān) 1 個(gè)和接近開關(guān) 3 個(gè)，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的中間繼電器兩個(gè)，需要輸出口兩個(gè)。由此可得 輸入接點(diǎn)共 6 個(gè)，輸出接點(diǎn)共 2 個(gè)。按照預(yù)留 15%的接點(diǎn)數(shù)來計(jì)算，輸入接點(diǎn)需要 8 個(gè)，輸出接點(diǎn)需要 3 個(gè)。 用戶應(yīng)用程序占用內(nèi)存大小估算所需 PLC 程序容量大小。本系統(tǒng)為個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，按一般經(jīng)驗(yàn)來估算，同時(shí)由上段對(duì) I/O 接點(diǎn)的分析主要有： 開關(guān)量輸入字節(jié)數(shù)： 6 15=90 開關(guān)量輸出字節(jié)數(shù)： 2 8=16 總計(jì)大約需要 106 個(gè)字節(jié)數(shù)容量。加上預(yù)留 30%，有 1K 的程序容量足夠了。 由以上兩個(gè) PLC 本身主要方面，兼顧系統(tǒng)中應(yīng)用到的能信功能，在眾多市面上的 PLC 產(chǎn)品中 FX 系列可編程控制器是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外最新，最 具特色、最具代表性的微型 PLC。在 FX 系列 PLC 中設(shè)置通信功能，擴(kuò)大了 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域。本系統(tǒng)選擇了 FX2N— 16MR— 001 型 PLC（輸入為 8 點(diǎn)，輸出為 8 點(diǎn)）。 由 PLC 型號(hào)主回路電壓 AC（ 100～ 240） V；輸入端參數(shù)為電壓 DC24V，電流 5/7mA；繼電器輸出端電壓 AC150V， DC30V以內(nèi)。本系統(tǒng)選用直流輸出方式。 PLC 外接電氣元件選擇 ① 開關(guān)的選擇 本控制系統(tǒng)為 PLC 控制，各種開關(guān)的容量要求不高，普通的開關(guān)足已，主要考慮輸入?yún)?shù)要求。對(duì)手動(dòng)和停止開關(guān)，選擇普通按鈕開關(guān) LA 系。手動(dòng)開 關(guān)為 LA2（綠色），停止開關(guān)為 LA2（紅色）。本控制系統(tǒng)還要求有自動(dòng)和手動(dòng)控制之分，所以還要選擇一個(gè) 轉(zhuǎn)換開關(guān) LA1822X3 二位轉(zhuǎn)換開關(guān)一個(gè)。 ② 熔斷器的選擇 3 自動(dòng)刀架控制部分設(shè)計(jì) 23 對(duì)于經(jīng)濟(jì)型控制系統(tǒng)，對(duì) PLC 的保護(hù)選用快速熔斷器 FU。對(duì)應(yīng)于所選的 PLC型號(hào)最大輸入電流 3A，選擇型號(hào) RC1— 3 的熔斷器。該熔斷器額定電流為 3A。 PLC繼電器輸出時(shí)，每一個(gè)輸出點(diǎn)為 2A，輸出點(diǎn)控制為 5 點(diǎn)，所以選額定電流為 3A，型號(hào)為 RC1— 10 的熔斷器。 ③ 整流器的選擇 為降低電壓的波動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)的不良影響，選擇把交流變?yōu)榈蛪褐绷鞴╇?。因此，選擇型 號(hào)為 ZBA10/24 型整流器，它的輸入電壓為交流 220V，輸出電壓為直流 0～ 24V，額定電流 10A。 ④ 對(duì)輸入輸出口保護(hù)選擇 對(duì) PLC 輸入端電阻分析，自帶電阻為 3k 歐 ,對(duì)于 DC24V 的電流為標(biāo)準(zhǔn)電流，對(duì)輸入口保護(hù)不需做特別處理。輸出為直流感性負(fù)載時(shí)，需在負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管或齊納二極管加以抑制。查有關(guān)資料時(shí)，在直流感性負(fù)載輸出時(shí)可選電流為 1A 左右的二極管，電阻約為 50 歐左右。本系統(tǒng)中選二極管為 2AK3 型。 ⑤ 抗電氣噪聲干擾的措施 不正確的接地和電氣控制柜走線不合理，均會(huì)導(dǎo)致 PLC 受電氣噪聲干擾而不能 正常工作。為避免此類故障的發(fā)生，要注意以下幾點(diǎn)： a. 系統(tǒng)應(yīng)正確、良好地接地； b. 低電壓信號(hào)電纜與高壓電動(dòng)力電纜應(yīng)獨(dú)立走線； c. 將 PLC 上 24VDC 傳感電源的負(fù)端接地； d. I/O 分配時(shí)輸入輸出模塊各應(yīng)可能相對(duì)集中地安排，防止輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的干擾，并做到便于布線； e. 當(dāng)對(duì)輸入信號(hào)檢測(cè)頻率要求不高時(shí)，可以將輸入點(diǎn)的輸入信號(hào)濾波時(shí)間延長(zhǎng) 。 隨著機(jī)械自動(dòng)化的快速發(fā)展 ,電氣控制技術(shù)在企業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛 ,其中最常見的就是可編程控制器控制技術(shù)?？删幊绦蚩刂破魇且环N面向生產(chǎn)過程控 制的數(shù)字電子裝置，它具有控制能力強(qiáng)、操作方便靈活、價(jià)格便宜、可靠性高等特點(diǎn)。它不僅可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，還可構(gòu)成復(fù)雜的工業(yè)過程控制網(wǎng)絡(luò)，是一種適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的新型控制器。 系統(tǒng)控制元件列表 自動(dòng)換刀系統(tǒng)控制元件列表如下： 表 系統(tǒng)控制元件表 序號(hào) 符號(hào) 名稱 型號(hào) 規(guī)格 1 SB1 手動(dòng)開頭 LA2 綠色 3 自動(dòng)刀架控制部分設(shè)計(jì) 24 2 SB2 停止開關(guān) LA2 紅色 3 PRS 接近開關(guān) LB082K M5 4 SA 轉(zhuǎn)換開關(guān) LA1822X3 DC24V 5 FU PLC主回路熔斷器 RC1— 10 6 FU PLC輸出回路熔斷 器 RC1— 14 7 PLC輸出端整流器 ZBA10/24 DC24V 8 PLC型號(hào) FX2N— 16MR— 001 9 電機(jī) Y290S6 續(xù)表 10 中間繼電器 4WE5M5/OFA 11 VD 續(xù)流二極管 2AK3 1A 12 R 電阻 50 歐 PLC 的 I/O 地址的分配 通過對(duì) PLC 選擇時(shí)對(duì)輸入輸出信號(hào)分析。已知輸入信號(hào)有手動(dòng)開關(guān)、停止開關(guān)、接近開關(guān)、壓力繼電器等，輸出信號(hào)控制對(duì)象是換向閥。其 I/O地址見下表 所示。表 輸入口地址分配 表 輸出口地址分配 輸出地址 對(duì)應(yīng)的外部設(shè)配 Y001 中間繼電器 KM1 Y002 中間