【正文】 control system design. Through the analysis of the knife of the automatic tool changing process, so that the cutter in machining center can be matched with the tool changing manipulator needs in NC program under the control of flexible implementation tool changing process every time new knife only needs to input the corresponding tool change signal can be. The analysis and control on the basis of the requirements, designs the corresponding control procedure. The control program includes: establish the library image, recording request tool number, the rotation of the turntable direction judgment and to determine the turntable is reversed, to send pulses to control the cutter disc to rotate in place, lights and tool change indicator display parts, good program structure, readability is strong, operation efficiency is high,which can meet the practical requirements. Key words: MC , ATC ， tool magazine ， PLC ， tool exchange at random?Hydraulic transmission 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 4 緒 論 國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展情況 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的加工中心在現(xiàn)代制造起著愈來(lái)愈重要的作用，他能縮短產(chǎn)品的制造周期，提高產(chǎn)品的加工精度，適合柔性加工。刀庫(kù)容量可大可小，其裝刀數(shù)在 20— 180把之間。當(dāng)?shù)稁?kù)容量大時(shí)，常遠(yuǎn)離主抽配置且整體移動(dòng)不易，這就需要在主軸和刀庫(kù)之間配置換刀機(jī)構(gòu)來(lái)執(zhí)行換刀動(dòng)作。具體來(lái)說(shuō)，它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫(kù)之間的傳遞。機(jī)械手完成刀庫(kù)里的刀（新刀）與主軸上的刀（舊刀）的交換工作。所以數(shù)控機(jī)床為了能在工件一次裝夾中完成多道加工工序，縮短輔助時(shí)間，減少多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動(dòng)換刀裝置。長(zhǎng)期以來(lái)，歐、美、亞在國(guó)際市場(chǎng)上互相展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng)，已形成一條無(wú)形戰(zhàn)線，特別是隨著電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床在 20世紀(jì) 80 年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多要求，早已成為四大國(guó)際機(jī)床展上各國(guó)機(jī)床制造商競(jìng)相展示先進(jìn) 技術(shù)、爭(zhēng)奪用戶、擴(kuò)大市場(chǎng)的焦點(diǎn)。 自從 1052年美國(guó)麻省理工學(xué)院研制出世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床以來(lái)，數(shù)控機(jī)床在制造工業(yè)，特別是在汽車、航空航天、以及軍事工業(yè)中被廣泛地應(yīng)用，數(shù)控技術(shù)無(wú)論在硬件和軟件方面都有飛速發(fā)展。 1958年美國(guó) Kamp。 1967 年出現(xiàn)了 FMS， 1978 年以后，加工中心迅速發(fā)展，帶有 ATC裝置。 中國(guó) 1958年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床以來(lái)，發(fā)展過(guò)程大致可分為兩大階段。第一階段中對(duì)數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)、發(fā)展條件缺乏認(rèn)識(shí)，在人員素質(zhì)差、基礎(chǔ)薄弱、配套件不過(guò)關(guān)的情況下，無(wú)法用于生產(chǎn)而停頓。在第二階段從日本、德、美、西班牙先后引進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)，從美、日、德等引進(jìn)數(shù)控機(jī)床先進(jìn)技術(shù)和合作， 合資生產(chǎn)，解決了可靠性、穩(wěn)定性問(wèn)題，數(shù)控機(jī)床開(kāi)始正式生產(chǎn)和使用，并逐步向前發(fā)展。至今許多重要功能部件，自動(dòng)化刀具，數(shù)控系統(tǒng)依靠國(guó)外技術(shù)支撐，不能獨(dú)立發(fā)展， 基本上處于從仿制走向自行開(kāi)發(fā)階段，與日本數(shù)控機(jī)床水平差距很大。 數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢(shì) 1. 搞速化、高精度化、高可靠性 質(zhì)量、效率是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。 高速化：提高進(jìn)給速度，采用直線滾珠式導(dǎo)軌等；提高主軸轉(zhuǎn)速，采用直線電機(jī)技術(shù)，直接將電機(jī)與主軸連接 成一體后，裝入軸部件，可以在 0到 15000r/min。 高可靠性：一般數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于數(shù)控設(shè)備的可靠性在一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。復(fù)合功能的機(jī)床是今年來(lái)發(fā)展快的機(jī)種，其核心是在一臺(tái)機(jī)床上要完成車、銑、鉆、攻絲、鉸孔和擴(kuò)孔等多種操作工序。 4. 柔性化、集成化 為適應(yīng)制造自動(dòng)化的發(fā)展，向 FMC、 FMS、 CIMS提供基礎(chǔ)設(shè)備，要求數(shù)控系統(tǒng)不僅能完成通常的加工功能，而且還能夠具備自動(dòng)測(cè)量，自動(dòng)上下料，自動(dòng)換刀，自動(dòng)誤差補(bǔ)償，自動(dòng)診斷，進(jìn)線和聯(lián)網(wǎng)功能，一句用戶的不同要求，可方便地靈活配置及集成。在 1987年國(guó)際電工委員會(huì)（ International Electrical Committee）頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì) PLC 做了如下定義：“ PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字操作的電子裝置”。 PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原理而設(shè)計(jì)。它較好的解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中的可靠、安全、靈活、方便經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題。 2. 性能強(qiáng)，性能價(jià)格比高 一臺(tái)小型 PLC內(nèi)有成百上千個(gè)可供用戶使用的編程元件，有很強(qiáng)的功能，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。 3. 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng) PLC產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化 、模塊化、配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶使用用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同的功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。 PLC有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可以直接驅(qū)動(dòng)一般的電磁閥和小型交流接觸器。 4. 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的中間繼電器，時(shí)間繼電器。 PLC 用軟件代替大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器， PLC外部?jī)H剩下與輸入和輸出的有關(guān)的少量硬件 元件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的 1/10~1/100，因觸電接觸不良造成的故障大為減少。 5. 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小 PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等期間，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。 PLC的用戶程序可以在實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，輸入信號(hào)用小開(kāi)關(guān)來(lái)模擬，通過(guò) PLC上的發(fā)光二極管可觀察出信號(hào)的狀態(tài)。 6. 維修工作量小，維修方便 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 8 PLC 的故障率很低，且有完善的自診斷和顯示功能。 7. 體積小，能耗低 復(fù)雜的控制系統(tǒng)使用 PLC后，可以減少大量的中間繼電器盒時(shí)間繼電器，小型 PLC的體積僅相當(dāng)于幾個(gè)繼電器的大小，因此可將開(kāi)關(guān)柜的體積縮小到原來(lái)的 1/2~1/10。 可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域 PLC 已經(jīng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在很多的工業(yè)部門，隨著其性能的價(jià)格比的不斷提高， PLC 的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，主要有一下幾個(gè)方面： 1. 數(shù)字量邏輯控制 PLC用“與”、“或”、“非”等邏輯控制指令來(lái)實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)和電路的串、并聯(lián)，代替繼電器進(jìn)行組合邏輯控制、定時(shí)控制欲順序邏輯控制。 2. 運(yùn)動(dòng)控制 PLC使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊，對(duì)直線運(yùn)動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)的位置、速度和加工控制，可以實(shí)現(xiàn)單軸、雙軸、三軸和多軸位置控制，是運(yùn)動(dòng)控制欲順序控制有機(jī)地結(jié)合在一起。 3. 閉環(huán)過(guò)程控制 過(guò)程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。小型 PLC用 PID指令實(shí)現(xiàn) PID閉環(huán)控制。 4. 數(shù)據(jù)處理 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 9 現(xiàn)代的 PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（包括整數(shù)運(yùn)算、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、字邏輯運(yùn)算，以及求反、求補(bǔ)、循環(huán)和移位等）、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn) 換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。 5. 通信聯(lián)網(wǎng) PLC的通信包括 PLC與遠(yuǎn)程 I/O之間的通信、多臺(tái) PLC之間的通信、 PLC與其他智能控制設(shè)備（例如計(jì)算機(jī)、變頻器、數(shù)控裝置）之間的通信。 可編程邏輯控制器的發(fā)展趨勢(shì) 從當(dāng)前產(chǎn)品技術(shù)性能來(lái)看， PLC發(fā)展趨勢(shì)仍然主要體現(xiàn)在體積的縮小與性能的提高 兩大方面。電子產(chǎn)品體積的小型化是微電子技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。 2 性能的提高。 智能 I/O模塊式以微處理器為基礎(chǔ)的功能部件。智能模塊要有模擬量 I/O， PID回路控制，智能 I/O的應(yīng)用，使過(guò)程控制功能增強(qiáng)。 另外， PLC 不斷與計(jì)算機(jī)相結(jié)合。大型 PLC采用功能很強(qiáng)的微處理器和大容量存儲(chǔ)器，將邏輯控制，模擬量控制，數(shù)字運(yùn)算和通訊功能緊密結(jié)合在一起。 改善和發(fā)展新的編程語(yǔ)言、高性能的外部設(shè)備和圖形監(jiān)控技術(shù)構(gòu)成的人 /及對(duì)話技術(shù)，除梯形圖、流程圖、專用語(yǔ)言指令外，還增加了 BASIC、 C語(yǔ)言的編程功能和容錯(cuò)功能。 . 課題的研究意義 自動(dòng)換刀系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。刀庫(kù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式及刀具交換裝置的工作方式，則會(huì)影響機(jī)床的換刀效率。 本文對(duì)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置進(jìn) 行研究，不僅提升數(shù)控機(jī)床的工作效率，而且通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)的研究，使得在可行的范圍內(nèi)降低整機(jī)的成為可能，對(duì)實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。自動(dòng)換刀系統(tǒng)中的刀庫(kù)，換刀的可靠性，即換刀速度直接影響到加工中心的工作效率。由于有了刀庫(kù)，機(jī)床只要一個(gè)固定主軸夾持刀具，有利于提高主軸剛度。 自動(dòng)換刀系統(tǒng)研究 刀庫(kù)介紹 刀庫(kù)式換刀裝置有一個(gè)存儲(chǔ)刀具的刀庫(kù)，機(jī)床只需一個(gè)夾持刀具進(jìn)行切削的刀具主軸（鉆，膛，銑類機(jī)床）或刀架（車床類機(jī)床）。由于在換刀過(guò)程中刀具需要在多個(gè)部件之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以各部件的動(dòng)作必需準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。刀庫(kù)的儲(chǔ)存量一般在 8～ 64把范圍內(nèi)，多的可達(dá) 10～ 200把。 刀庫(kù)不承受切削加工的作用力，它的工作條件比較好。從而有利于提高機(jī)床的加工精度。另外，還常需要清潔刀柄及刀孔、刀座的裝置，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換刀時(shí)間一般也比較長(zhǎng)。 由于這種自動(dòng)換刀裝置是用于多工序零件加工，換刀頻繁，如果每一次的“自動(dòng)換刀過(guò)程時(shí)間”稍長(zhǎng)一點(diǎn)，多次換刀所積累的結(jié)果就會(huì)相當(dāng)可觀，就不能顯著提高生產(chǎn)效率，因此，在設(shè)計(jì)條件允許的情況下，應(yīng)盡可能縮短“自動(dòng)換刀過(guò)程時(shí)間”。但有些動(dòng)作如進(jìn)行新舊刀具交換所需要的“換刀時(shí)間”，則可基本上由機(jī)床設(shè)計(jì)者所決定。 鏈?zhǔn)降稁?kù) 鏈?zhǔn)降稁?kù)包括單環(huán)鏈和多環(huán)鏈 , 鏈環(huán)形式可有多種變化，如圖 2— 1（ a）、（ b）、（ c） （ a） （ b） （ c） 圖 2— 1 圖 2— 2 是方形刀庫(kù)的典型結(jié)構(gòu)示意圖。這種傳動(dòng)方式，不僅在鏈?zhǔn)降稁?kù)中采用，在其他形式的刀庫(kù)傳動(dòng)中，也多采用。兼起張緊輪作用的左側(cè)兩個(gè)導(dǎo)論，其輪座必須帶有導(dǎo)向槽（或?qū)蜴I），以免松開(kāi)安裝螺釘時(shí)，輪座位置歪扭，對(duì)張緊調(diào)節(jié)帶來(lái)麻煩。這時(shí)處于機(jī)械手抓刀位置的刀套，編號(hào)為 1好，然后依次編上其他刀號(hào)。 如果刀套不能準(zhǔn)確地停在換刀位置上，將會(huì)使換刀機(jī)械手抓刀不準(zhǔn)，以致在換刀時(shí)容易發(fā)生掉刀現(xiàn)象。為了確保刀套準(zhǔn)確地停在換刀位置上，需要采取如下措施： （ 1）定位盤準(zhǔn)停方式，由液壓缸推動(dòng)的定位銷插入定位盤的定位槽內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)刀套的準(zhǔn)停，或采取定位塊進(jìn)行快速定位。這種準(zhǔn)停方式的 優(yōu)點(diǎn)是能有效地消除傳動(dòng)鏈反向間隙的影響，保護(hù)傳動(dòng)鏈，使其免受換刀撞擊力，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)可不用制動(dòng)自鎖裝置。 （ 3）傳動(dòng)時(shí)要消除傳動(dòng)間隙。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 14 鏈?zhǔn)降稁?kù)有如下特點(diǎn)：適用于刀庫(kù)容量較大的場(chǎng)合，所占的空間小。僅增加鏈條長(zhǎng)度即可增加刀具數(shù)，可以不增加圓周速度，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不像盤式刀庫(kù)增加的那樣大。刀具軸向安裝的結(jié)構(gòu)最為緊湊，但為了換刀時(shí)刀具與主軸同向，有的刀庫(kù)中的刀具需要在換刀位置作 ?90 翻轉(zhuǎn)。目前大量的刀庫(kù)安裝在機(jī)床立柱的頂面或側(cè)面。 盤式刀庫(kù)的刀具軸線也圓盤軸線平行，刀具環(huán)形排列，分徑向、軸向兩種取刀方式，其刀座結(jié)構(gòu)不同。為增加刀庫(kù)空間利用率，可采用雙環(huán)或多環(huán)排列刀具的形式，但圓盤直徑增大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就增加，選刀時(shí)間也較長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)對(duì)上述兩種刀庫(kù)形式 的比較，以及結(jié)合的實(shí)際情況，在本設(shè)計(jì)中采用盤式刀庫(kù)這種結(jié)構(gòu)。 加工中心換刀機(jī)械手的種類繁多，可以說(shuō)每個(gè)廠家都推出自己的獨(dú)特的換刀機(jī)械手，在加工中心的自動(dòng)換刀系統(tǒng)中，是機(jī)械手具體執(zhí)行刀具的自動(dòng)更換，對(duì)其要求是迅速可靠、準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)的軸線與刀具主軸平行，機(jī)械手的手臂可以回轉(zhuǎn)不同的角度來(lái)進(jìn)行自動(dòng)換刀，換刀具的所花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)，用于刀庫(kù)換刀