天津职业技术师范大学TianJin University of T echnology and Education数控课程设计（数控车床六工位刀架设计）专业：机械维修及检测技术教育班级学号：学生姓名：指导教师：（讲师）系别：二〇一二年六月目的为了进一步提高数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一台机床上一次装夹即可完成多道工序或全部工序的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心，如车学中心、镗铣中心、钻穴中心等。

这类多工序加工的数控机床在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置，以便选用不同的刀具，完成不同工序的加工工艺。

自动换刀装置应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储备量、占地面积小、安全可靠等特性。

摘要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，其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。

因此数控车床的刀架设计的好与坏、效率高与低将直接影响到产品的加工时间和质量，进而影响到制造业的飞速发展。

本次主要是研究数控车床的机械结构和刀架控制系统。

其中分析了数控车床刀架的基本种类，数控车床六工位刀架控制系统的机械机构和电气控制以及六工位刀架的PLC程序；测绘数控车床六工位刀架部分的电气原理图、接线图；对六工位刀架的动作过程的分析。

关键字：刀架；plc控制；编码器；数控机床目录第1节概述........................................................................... 错误！未定义书签。

1.1 数控刀架的发展趋势................................................ 错误！未定义书签。

1.2 发展方向.................................................................... 错误！未定义书签。

1.3 课题研究意义 (1)第2节刀架机械结构 (2)2.1 刀架总述 (2)2.2 刀架的基本结构 (2)2.3 刀架的几种典型结构 (3)第3节换刀工作原理 (4)3.1 数控车床编码器刀架换刀工作原理 (5)3.2 编码器真值表 (5)3.3 编码器的工作原理 (5)3.4 刀架转位过程 (6)第4节数控车刀架电气控制系统设计 (7)4.1 刀架的控制和接口 (7)4.2 六工位刀架PLC接线原理图 (8)4.3 PLC编程的基本步骤及基本编程 (10)4.4 六工位刀架梯形图.................................................... 错误！未定义书签。

第5节结论. (14)参考文献 (14)第一节概述1.1数控刀架的发展趋势随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。

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，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，提高加工精度等。

国产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，近年来需要量可达10000～50000台。

1．2发展方向目前，行业上应用的数控刀架按照与主机配套场合主要有分如下高、中、低三个档次。

低挡数控刀架结构简单，容易设计和制造。

是我国的特色产品，已经形成规模化生产。

中档数控刀架可双向选刀，刚性好，但结构复杂，对制造加工设备要求高，此类刀架在我国初具规模。

高档数控刀架包括伺服刀架和动力刀架。

伺服刀架控制器是伺服刀架和动力刀架的技术核心。

高档刀架采用伺服电机驱动源，实现位置、速度的双闭环控制，容易加工制造、精度高、转位快等特点。

伺服刀架的控制器即伺服刀架的伺服电机控制是高档数控刀架的关键技术。

1.3课题研究意义数控车的刀架控制系统的研究，让我对FANUC数控刀架控制系统有了更全面的了解，比如数控系统的组成部分、刀架的机械结构、车床的进给、刀架控制原理等内容。

现在通过做FANUC数控车床刀架控制的毕业课题更加深入的了解数控车床上刀架部分的知识，更好的加强自己在这方面的专业技能。

通过研究，让我在平时学习的知识在该课题里面得到锻炼，例如：CAD制图，PLC等。

让我养成自学能力，培养了自己爱思考、分析问题的好习惯。

第二节刀架机械结构2.1刀架总述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，并可作移动或回转的部件，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。

刀架是直接完成切削加工的执行部件，所以，刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。

由于切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，所以要求数控车床选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证有较高的重复定位精度。

此外，刀架的设计还应满足换刀的时间短、结构紧凑和安全可靠等要求2.2刀架的基本结构数控刀架作为数控车床的动作执行部件，其基本结构：（1）驱动装置主要有电机、液压电动机、齿轮、齿条。

（2）分度装置通过机械液压传动结构到所需工位间的转动。

结构主要分为间歇分度结构和连续分度机构。

快速换刀一般选用双向旋转的连续分度机构。

（3）预定位装置到达所需的工位后，停止分度运动，以便于齿盘正确啮合。

伺服电机驱动刀架，利用伺服电机编码器作为预定位。

（4）松开、刹紧装置齿盘副的松开刹紧。

为了完成快速杀紧和得到的杀紧力，松开和刹紧一般选用液压和机械等来实现松开和刹紧。

（5）精定位装置刀具在切削时需要很高的刚性和定位精度，因此刀架都选用齿盘副做的精度定位元件。

（6）发信装置包括工位信号（编码器）和动作控制信号。

（7）装刀装置包括刀盘、刀夹及夹刀装置。

目前刀盘有2种模式：欧式VDI、日式槽刀盘。

德国标准VDI刀盘DIN69880和DIN69881标准。

（8）数控刀架换刀动作系统发出指令——齿盘松开——刀架旋转分度——到达目标工位并发信号给系统——预定位——齿盘锁紧精定位——系统确认后工件切削。

为满足不同工件的加工要求，数控刀架分为4、6、8、10、12工位，形式为立式和卧式。

2.3刀架的几种典型结构（1）螺旋转位刀架如图3-1 所示，电机经弹簧安全离合器至蜗轮副带动螺母旋转，螺母举起刀架使端齿盘的上盘与下盘分离，随即带动刀架旋转到位，然后发信号使电机反转锁紧，使刀架换位，进行切削加工。

螺母升降式零件多，但加力可靠，精度较高，许多刀架都利用这种原理设计。

图3-1 螺旋转位刀架1-内装信号盘 2-刀架 3-端齿盘 4-电机 5-安全离合器（2）数控车床方刀架经济型数控车床方刀架是在普通车床四方刀架的基础上发展的一种自动换刀装置，其功能和普通四方刀架一样：有四个刀位，能装夹六把不同的刀具，方刀架回转90`时，刀具变换一个刀位，但方刀架的回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制的。

换刀时方刀架的动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、刀架定位和刀架夹紧。

完成上述动作要求，有相应的机构来实现。

（3）转塔回转刀架转塔回转刀架适用与盘类零件加工。

在加工轴类零件时，可以换用四方回转刀架。

由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。

回转刀架动作根据数控指令进行，由液压系统通过电磁换向阀进行控制，其动作过程分为如下四个步骤：（1）、刀架抬起，（2）、刀架转位、（3）、刀架压紧，（4）、转位液压缸复位。

如果定位、压紧动作正常，刀架会发出信号表示已完成换刀过程，可进行切削加工。

（4）盘形自动回转刀架盘形自动回转刀架根据刀位又可分为A型、B型和C型，其中A型和B型刀架可配置12把刀具，C型可配置8把刀具。

A、B型回转刀盘的外切刀可使用25mm*150mm标准刀具和刀杆截面为25mm*25mm的可调工具，C型可用尺寸为20mm*20mm*125mm的标准刀具。

镗刀杆直径最大为32mm。

该种刀架更换和对刀十分方便。

刀位选择由刷形选择器进行，松开、夹紧位置检测由微动开关控制。

整个刀架控制是一个纯电气系统，结构简单。

（5）车削中心的动力刀架车削中心的动力刀架的刀盘上可以安装各种非动力辅助刀夹（车刀夹、镗刀夹、弹簧刀夹、莫氏刀柄），夹持刀具进行加工，还可安装动力刀夹进行主动切削，配合主机完成车、铣、钻、镗等各种复杂工序，实现加工程序自动化、高效化。

该刀架采用端齿盘作为分度定位元件，刀架转位由三相异步电机驱动，电动机内部带有制动机构，刀位由二进制绝对编码起器识别，并可双向转位和任意刀位就近选刀。

动力刀具由交流伺服电机驱动，通过同步齿形带、传动轴、传动齿轮、端面齿离合器将动力传递到动力刀夹，再通过刀夹内部的齿轮传动，刀具回转，实现主动切削。

第三节换刀工作原理数控车床的刀架是车床自动换刀的机构，是车床上一个重要的部件。

刀架具有很多种类。

有霍尔元件检测刀位的简易刀架，有带位置编码可双相换刀的自动刀架，有可带动刀具的自动刀架，控制刀架旋转有的使用普通异步电动机，有的使用伺服电极。

有很多刀架的控制厂为车床提供各种各样的刀架。

每个厂家生产的刀架控制方法有所差别，就是同一厂家提供不同型号的刀架，其控制时序也不是百分百相同。

3.1数控车床编码器刀架换刀工作原理在本课题中以六工位刀架为例，首先需要根据当前的刀具位置确定出刀架就近旋转到目标刀位的方向，并启动刀架电机按该方向旋转，同时检测有刀架位置编码器信号发出的实际刀位和选通信号。

当检测到实际刀位等于目标位，且选通信号的下降沿出现时，PLC应用程序则控制预定位电磁铁动作。

这时PLC应用程序继续监控预定位传感器的下降沿，在下降沿出现后，控制电机方向相反方向转动，这时刀架进入锁紧过程。

锁紧过程启动后，PLC应用程序监控当前刀位以及选通信号的上升沿。

一旦当前刀位等于目标刀位，且选通信号的上升沿出现时，控制预定位电磁铁关闭，刀架电机停止，整个换刀过程完成。

另外应减少控制回路中滞后的中间环节，如刀架电机的正转、反转不应在PLC数字输出和接触器之间通过继电器接力控制，应采用24V直流接触器直接控制，见图3.1支流接触器直接控制刀架电机。

这样才能保证预定位电磁铁的动作时间和刀架正转、反转的切换时间。

数字输出24V直流接触器直流接触器直接控制刀架电机图3.1支流接触器直接控制刀架电机对于六工位自动回转刀架来说，它最多装有六把刀具，微机系统控制的任务，就是选中任意一把刀具，让其回转到工作位置。

3.2 编码器真值表3.3 刀架编码器工作原理码盘、狭缝、发光组件和接收器组合在一起，就实现了刀架工位编码器的光电转换。