电动刀架PLC设计
第一章绪论
1.1课题的目的及意义
目前，我国机械制造业拥有相当数量的普通机床，其突出的矛盾是生产效率低、劳动强度大、加工精度低、适应性差，不能加工复杂的零件，为了节约资金，降低成本，对原有普通机床进行数控化改造，是提高普通机床数控化率，解决上述矛盾的一种有效途径。
数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。对普通车床进行数控化改造，换刀装置的设计是一个必须解决的问题，在大多数普通车床的数控改造中，电动刀架控制系统的设计往往采用PLC提供控制信号，然后通过继电器和专门电路实现换刀控制，或者采用单片机和继电器实现换刀控制。上述方案，要么控制电路复杂，要么成本提高。本文介绍了以PLC为控制核心，以电动刀架为控制对象的经济型数控车床系统中电动刀架控制系统的软硬件设计与实现方法，设计的电动刀架控制系统电路简单、可靠性高，为车床系统改造中的自动换刀问题提供了一种有效的解决途径。
在设计过程中，会涉及多门专业课程的知识，通过这次课程设计，基本达到以下几点目的：
1.巩固和深化已学的理论知识，掌握电动刀架PLC控制一般方法和步骤；
2.熟悉并会用有关国家标准、部颁标准、设计手册和产品样本等技术资料；
3.对所学理论知识的进一步巩固掌握；能综合运用所学知识解决相应的实际工
程问题，达到学以致用；
4.锻炼学生的实践操作能力，培养学生树立独立思考问题和处理问题的能力;
5.培养学生的文献检索能力与科技文献写作能力。
1.2国内外发展及状况
目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。立式刀架有四、六工位两种形式，主要用于简易数控车床;卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工粘度的一致性等等。另外，加工艺适应性和连续稳定的工作能力也明显提高:尤其是在加工几何形状较复杂的零件时，除了控制系统能提供相应的控制指令外，重要的一点是数控车床需配备易于控制的电动刀架，以便一次装夹所需的各种刀具，灵活方便地完成各种几何形状的加工。
当前数控车床的发展很快,特别是适合中国国情的经济型简易数控车床的迅猛发展,与之相适应的电动刀架的研究与生产也日趋活跃。国内生产、研究电动刀架的厂家很多,据不完全统计,参加“1994年中国机床工具商品展览交易会”的生产厂家就有七家之多,各厂家所采用的结构与控制方式各异,因而数控车床数控系统选择、控制电动刀架是人们所面临的一个新课题数控刀架的市场分析: 随着数控车床的不断发展，数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，预计近年来对数控刀架需求量将大大增加。
数控刀架的高、中、低档产品市场数控刀架作为数控机床必需的功能部件，直接影响机床的性能和可靠性，是机床的故障高发点。这就要求设计的刀架具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的特点。它的原理采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。
1.3主要技术要求
1.3.1车床刀架技术指标
重复定位精度＜＜0.005m
工作可靠性＞30000次
换刀时间90°（3.5s）、180°（4s）、270°（4.5s）
1.3.2电动刀架结构及研究方向
如图1-1为端齿盘式四刀回转刀架
图1-1电动刀架外形图
1.3.3电动刀架结构示意图
如图1-2为电动刀架结构示意图
图1-2电动刀架结构示意图
1－电动机；2－联轴器；3－蜗杆轴；4－涡轮丝杠；5－刀架底座；6－粗定位
7－刀架体；8－球头销；9－转位套；10－电刷座；11－发信体；12－螺母；13、
14－电刷；15－粗定位销
1.3.4课题研究目的
本课题的主要目的是通过PLC控制，控制直流继电器，继电器再驱动交流接通三相交流电源使刀架电动机正转或反转从而控制电动刀架能够灵活换刀PLC控制车床的电动刀架，主要是对刀架的自动控制，在原由的普通车床刀架进行创造性的设计，使车床达到经济使用的状态。随着电气技术的飞速发展，PLC控制车床电动，通过用户程序控制生产工艺过程，具有较高的稳定性和可靠性，较强的实时处理能力，使用简单维护方便。程序的编制充分考虑操作指令和现场信号，整个操作变得比较简单，工作台的旋转、变档、调速，进给、快速移动控制，相互的联锁保护和显示等功能均有PLC完成。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。
本章小结
初步了解了设计题目(电动刀架的PLC控制)及发展概况，设计背景，对刀架结构进行剖析及梳理工作原理，对整理设计思路安排设计时间有很好的辅助作用。对一些参数的进行了解同时按准则要求来完成设计。
第二章电动刀架PLC控制整体方案
2.1电动刀架工作过程
电动刀架一般有四工位或六工位,由电动机、机械换刀机构、发讯盘等组成。如图2-1当系统发出换刀信号,刀架电机正转,通过减速机构和升降机构将上刀体上升至一定位置,离合盘起作用,带动上刀体旋转到所选择刀位,发讯盘发出刀位到位信号,刀架电机反转,完成初定位后上刀体下降,齿牙盘啮合,完成精确定位,并通过升降机构锁紧刀架。
图2-1工作过程
工作过程：
（1）微机要刀：
要刀信号PLC设备响应—电机正转—刀架上升—刀架旋转—旋转到霍尔元件发出信号—电机反转—刀架锁紧—电机过流—发出中断信号—应答—加工
（2）手动要刀：
手动按钮压下—电机正转—刀架上升一刀架旋转—到位霍尔元件发讯—电机反转一刀架下降锁紧—电机过流—发出中断信号—应答—加工[1]
2.2电动刀架工作原理
电动刀架原理图见附录1、PC接线图见附录2
按下换刀键或输入换刀指令后，电机正转，通过联轴器，蜗杆带动蜗轮，螺纹带动螺母刀架体松开并上抬，转位、找刀刀架体的上方有一发信盘，盘中每一刀位都安装一霍尔开关刀架体旋转到一刀位时，该刀位的传感器件向数控系统发出信号，数控系统将收到的实际刀位信号与指令刀位信号进行比较，当两信号相同时，说明刀架体已旋转到所选刀位，数控系统控制继电器KA1释放，继电器KA2得电吸合，换刀电动机反转，粗定位销在弹簧的作用下进入粗定位盘的凹槽中进行粗定位，由于粗定位销的限制刀架体不能反转只能在该位置垂直落下，刀架体和刀架体底座的端面齿啮合，实现精确定位，电动机做适当延时，继续反转，当两端面齿增加到一定的夹紧力。刀架体被锁紧时，电动机停止转动，换刀结束。
电动刀架各时序的切换及间隔是系统控制的关键，反向锁紧所用时间取决于
电动刀架生产厂家有推荐指标，过长会引起电机发热甚至烧毁。为保证电动刀架安全运动，在电动刀架交流380V进线处加装快速熔断器和热继电器[2]系统电气控制总框图如图2-2所示
图2-2电气控制总框图
2.3刀架动作
数控系统调刀代码开始执行时，或行动调刀时，首先输出刀架正转信号，使刀架旋转，当接收到指定的刀具的到位信号后，关闭刀架正转信号，延时50ms 时间后，刀架开始反转而进行锁紧，并开始检查锁紧信号，延时60s,当接收到该信号后，关闭刀架反转信号，延迟时间，并对电机制动。换刀结束。程序转入下一程序段继续执行。如执行的刀号与现在的刀号(自动记录)一致时，则换刀指令立刻结束，并转入下一程序段执行。
根据上述描述的换刀动作过程，做了如下动作流程图2-3所示
图2-3动作流程图
本章小结:
本章主要介绍电气控制,电动刀架工作过程，电动刀架工作原理以及电动刀架动作。
第三章电动刀架控制系统硬件
3.1PLC简介
3.1.1PLC概念
可编程序控制器 (PLC)是在继电器控制和计算机控制基础上发展起来的新兴工业装置,是工业自动化的主导产品。自1996年第一台可编程序控制器问世以来,经过30多年的发展,现在可编程序控制器已经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。在可编程序控制器中,充分应用了大规模集成电路技术、微电子技术及通信技术,迅速地从早期的逻辑控制发展进入到位置控制、伺服控制、过程控制等领域。用可编程序控制器已经可以构成包括逻辑控制、数据采集与控制、图形工作站等的综合控制系统。可编程序控制器作为计算机型的控制装置,已广泛应用于机械制造、冶金、化工、轻工、能源、交通等各部门。无论是单机或多机控制、生产自动线控制、生产过程自动控制及对老控制系统进行技术改造等方面,都大量采用了PLC。
3.1.2PLC在数控系统中的类型
数控机床所用PLC可分为两种类型。一种类型是PLC独立于CNC装置，有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定的控制任务，以满足数控机床或其它顺序控制领域要求的“通用型”PLC：另一种类型是专为实现数控机床顺序控制而设计、制造的“内装型”PLC，它从属于CNC装置，与CNC共用计算机硬件资源。PLC与CNC之间的信号传送在计算机内部即可实现。“内装型”PLC除了具有结构紧凑、可靠性好、操作方便等优点外，与“通用型”PLC相比，它在性能、价格方面也具有明显的优势[3]。
3.2三相异步电动机的选取
电动刀架的电器控制部分强电和弱电两部分，强电部分有三相电源驱动三相交流异步电动机正、反向旋转，从而实现电动刀架的松开、转为、锁紧等动作。
许多机械加工需要微量进给。要实现微量进给，步进电机、直流伺服交流伺服电机都可作为驱动元件。对于后两者，必须使用精密的传感器并构成闭环系统，才能实现微量进给。在开环系统中，广泛采用步进电机作为执行单元。这是因为步进电机具有以下优点[7]:
1.直接采用数字量进行控制;
2.转动惯量小，启动、停止方便;
3.成本低;
4.无误差积累;
5.定位准确;
6.低频率特性比较好:
7.调速范围较宽;
根据技术参数：需要电动机功率180W，电机转速1400转/分查手册《机械产品目录》选出三相异步电动机型号：Y801-4(额定功率0.55KW 同步转速1500r/min)
3.3检测件设计
电动刀架的电气控制弱电部分主要由位置传感器—发信盘构成。发信盘采用霍尔传感器发信。根据数控系统的不同。
电动刀架发信盘是固定在刀架内部中心固定轴上由尼龙材料作为封装的圆盘部件。发信盘的内部根据刀架工位数设有四个或六个霍尔元件，并与固定在刀架上的磁钢共同作用来检测刀具的位置
3.3.1发信盘内部结构和工作原理
四工位发信盘共有六个接线端子，两个端子为直流电源端，其余四个端子按顺序分别接四个刀位所对应的霍尔元件的控制端，根据霍尔传感器的输出信号来识别和感知刀具的位置状态。当程序指令刀架更换2号刀具时，刀架电机驱动刀架旋转；当在刀架上的磁钢到达发信盘的2号位置时，霍尔元件就会发出开关信号给CNC系统刀架位置控制接口，确定刀具已到达确定位置并锁住刀架。电路原理如图3-1所示。从原理图可知，发信盘的主要器件构成是霍尔器件[5]。
图3-1电路原理图
3.3.2霍尔器件结构和检测及选择
为了防止积水对开关触点接触不良的影响开关选用干簧管或霍尔元件并安装于圆柱形铝柱的体内
开关组传感器结构如图3-2。传感器安装于空心轴上其外圆周的边缘钻有均匀分布的4只圆孔，用于安装4只磁控开关传感器外圆周的一个磁铁和上刀体一
起绕传感器外圆周旋转小磁铁在把刀工作位置上分别使4个开关接通。
图3-2传感器结构示意图
刀架发信盘内部核心元件是霍尔器件，它是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器和集电极开路的输出级集成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压信号。它是一种单磁极工作的磁敏电路，适合于在矩形或者柱形磁体下工作。数控车床电动刀架的发信盘通常采用3020型霍尔开关器件，采用TO-92T封装，标识面为磁极工作面。图3-3所示为霍尔器件内部功能框图
图3-3霍尔元件内部功能框图
3.3.3霍尔器件原理
霍尔器件原理图见图3-4，在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场 B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图3-4中的 VH，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文·霍尔在 1879 年发现的。VH 称为霍尔电压。这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压。
在片子上作四个电极，其中 C1、C2 间通以工作电流 I，C1、C2 称为电流电极，C3、C4 间取出霍尔电压 VH，C3、C4 称为敏感电极。将各个电极焊上引线，并将片子用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件（又称霍尔片）。
霍尔开关器件具有电源电压范围宽（4.5 V-24 V DC）、开关速度快，没有瞬间抖动、工作频率宽（DC-100 kHz）、能直接和晶体管及TTL、MOS等逻辑电路接口、对环境要求不苛刻等优点。
检测霍尔开关器件时，将器件的1、2引脚分别接到直流稳压电源（可选20 V）的正负极，指针式万用表在电阻档（×10）上，黑表笔接3引脚，红表笔接2引脚，此时万用表的指针没有明显偏转。当用一磁铁贴近霍尔器件标志面时，指针有明显的偏转（若无偏转可将磁铁调换一面再试），磁铁离开指针又恢复原来位置，表明该器件完好，否则该器件已坏如图3-4。
图3-4霍尔元件原理图
本章小结：
本章主要介绍PLC概念及发展，选择电动刀架的两个硬件计算选取三相异步电动机及霍尔元件的选取及工作原理。
第四章电动刀架PLC控制
4.1过程分析
以四工位自动刀架为例，刀架电机采用三相交流380V供电，正转是驱动刀架正向旋转转，各刀具按顺序依次经过加工位置，刀架电机反转时，刀架自动锁死，保证刀具能够承受切削力。每把刀各有一个霍尔位置检测开关。
换刀动作由T指令或手动换刀按钮启动，换刀过程如下：
1.刀架电机正转
2.检测到所选刀位的有效信号，停止刀架电机，并延时（50ms）
3.延时结束后刀架电机反转锁死刀架，并延时（100s）
4.延时结束后停止刀架电机，换刀完成[8]
4.2安全互锁
刀架电机长时间旋转（如20s），而检测不到刀位信号，则认为刀架出现故障，立即停止刀架电机，以防止将其损坏并报警提示，过热报警时，停止换刀过程，并禁止自动加工
4.3刀架控制逻辑
4.3.1控制逻辑
4.3.2信号地址、名称和意义
4.3.3PLC I/O配置和梯形图
4.3.4梯形图
4.3.5语句指令LD I1.1
O M1.1 AN I1.2 AN I1.3 AN M0.1 AN M1.3 = M1.1 LD I0.0
O I0.1
O I0.2
O I0.3 AN I1.1 AN I1.2 AN I1.3 = M0.1 LD M0.1
O T36 TON T36, 5 LD T36
O M1.3 AN I1.1
AN I1.2
AN M1.1
AN M1.2
LPS
AN T37
= M1.3
LPP
TON T37, 600
LD M1.1
= Q0.4
LD M1.3
= Q0.5
LD M1.1
O M1.3
TON T38, 1800
A T38
A SM0.5
= Q0.6
4.3.6 PLC软件工作原理
自动换刀系统工作原理：
1、手动方式下：当短促或长时间按手动换刀键SB1后，网络1单元I1.1
为1，使辅助输出M1.1闭合，并自锁，同时控制网络5中的Q0.4接通中间继电器KA1线圈，刀架正转到与其相邻的一个工位或刀架正转一直保持按键松开如图4-1。由网络2中的工位检测判断其有无旋转到该工位上，分别由I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 五个工位位置输入信号检测控制辅助继电器M0.1，当到达该工位后，M0.1闭合，从而断开网络1中的M1.1，使网络5中的Q0.4断开，刀架停转如图4-2[9]。
图4-1手动换刀电机正转输出
图4-2工位检测到刀具电机停止正转
反转同理在网络4中，当闭合M1.3并由其自身常开自锁，同时控制网络6中的Q0.5接通中间继电器KA2线圈，刀架反转一直保持到刀位与编码T相等如图4-3。由网络2中的工位检测判断其有无旋转到该工位上，分别由I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 五个工位位置输入信号检测控制辅助继电器M0.1从而断开网络1中的M1.1，使网络6中的Q0.5断开，刀架停转如图4-4。
图4-3反转控制
图4-4反转停止
（2）自动换刀系统出现故障时监控
在网络7中，由T37设定值控制刀架旋转时间，若长时间刀架转不到位，则使输出Q0.6闭合控制HL2闪烁报警如图4-5。
图4-5刀架故障监控
本章小结：
本章主要介绍PLC的工作流程过程控制，I/O口分配以及梯形图及梯形图分析。
第五章电动刀架调试
5.1刀架不能启动
5.1.1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加紧电流排除之。
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，检查加紧装置反靠定位销是否在反靠棘轮槽内，若在，则需要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，管擦实际情况，加以润滑处理[9]。
5.1.2电器方面的原因
电源不通，电机不转。检查融芯是否完好，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，使接通部件接触良好等相应措施来排除。除此之外，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，电刷是霍尔元件位置变化不能正常通断等情况。
电源通，电机反转，可确定为电机相序接反。通过检查线路，变换相序排除之。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[10]。
5.2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原因比较小，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，则是发信盘故障。可检查发信盘弹性触头是否磨坏、发信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、线路连接情况相应的进行线路故障排除。当仅出现某刀号不能定位时，则是由于该号刀位线断路所致[11]。
本章小结：
本章主要介绍电动刀架的调试方法以及几种常见的机械方面和电气方面的检。
第六章故障现象分析
6.1刀架使用的注意事项
1、刀架电机采用三相380V特殊刀架电机，刀架连续运行时，每分钟换刀次数不能超过6次否则会烧毁电机。
2、该刀架反转锁紧时间为1.2-1.3秒，反转锁紧时间过长会使电机温升过高而损坏电机。反转时间设置过短会导致刀架不能充分锁紧。在每台刀架的合格证上都注明了该刀架的准确锁紧时间[12]。
6.2常见的故障及排除方法
表5-1 电动刀架常见的故障及排除方法见