摘要本文通过对FANUC数控车床刀架的研究，有效的设计了刀架程序、电气原理，使该刀架能够在一次装夹中完成多道工序。

我们针对数控车床的四工位刀架进行了研究设计。

分析了刀架的机械组成、对刀架的典型结构以及电气控制部分进行研究分析。

该刀架采用三相异步电动机驱动，刀位检测采用霍尔元件。

这种刀架只能单方向换刀，电动机正转换刀，反转锁紧。

最后，本文给出了对FANUC数控车床四工位刀架的PLC设计，以及电气原理图。

关键词：FANUC数控车床；PLC设计；电气设计；数控车床；目录数控车床四工位刀架电气设计 ................................................... 错误!未定义书签。

摘要 . (I)第1章绪论 (3)1.1 引言 (3)1.2 国内外刀架研究现状及发展趋势 (3)第2章刀架结构介绍 (5)2.1现有刀架的典型结构 (5)2.2四工位刀架换刀工作原理 (7)2.2.1刀架机械结构图 (7)2.2.2工作方式 (8)第3章数控车床电气系统组成 (10)3.1刀架系统组成 (10)3.1.1霍尔效应霍尔元件 (10)3.1.2霍尔元件在刀架中的应用 (10)3.1.3刀架系统 (11)3.2其它电气系统的组成 (11)3.2.1主轴系统 (11)3.2.2伺服驱动系统 (13)3.2.3冷却系统 (14)3.2.4润滑系统 (15)第4章 FANUC数控刀架PLC程序设计 (16)4.1 FANUC 0i D系统简介 (16)4.2 PLC在数控机床中的应用 (17)4.3 刀架I/O地址分配 (18)4.4 刀架程序编写 (19)4.4.1刀架有关的PMC功能指令介绍 (19)4.4.2 刀架的工作过程和转动要求 (23)4.4.3 刀架程序 (24)4.5 程序的调试 (28)第5章总结 (29)参考文献 (30)致谢 (31)附录： (32)附录一：功能原理图 (32)附录二：电气原理图 (37)第1章绪论1.1 引言数控车床为了能在工作的一次装夹中完成多工序加工，缩短辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，必须带有自动回转刀架。

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。

随着数控车床的不断发展，刀架结构形式也在不断翻新。

其中按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。

传统的车床例如CA6140的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进。

自1958年首次研制成功数控加工中心自动换刀装置以来，自动换刀装置的机械结构和控制方式不断得到改进和完善。

自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有：回转刀架换刀，更换主轴头换刀以及带刀库的自动换刀系统。

电动刀架是数控车床重要结构，在设计中刀架采用全电控制，无液压或气动等其它动力源，故对简化机床控制的复杂程度带来好处。

合理的选配电动刀架，可以缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性。

另外，加工工艺适应性和连续工作的工作能力也明显提高1.2 国内外刀架研究现状及发展趋势1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床。

美国IBM公司同期也研制成功了APT(刀具程序控制装置)。

1958年美国K&T公司研制出到ATC的加工中心。

1967年出现FMS（柔性制造系统）。

1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC 装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。

1983年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。

刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响机床的加工性能。

刀库结构形式及道具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。

自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的车成本造价产生直接影响。

我们应该是数控机床工作性能有所提高，而且使其总体造价大幅度下降。

低造价高性能的数控机床蒋辉被中小厂广泛接收。

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。

数控刀架的发展趋势是：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，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精度的一致性等等。

另外，加工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，很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。

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1000～1500台。

国外数控车床的发展目的在于提高加工精度和缩短制造周期。

开发多种多样复合化加工的机种，如增添铣削功能的复合加工车削中心、双主轴多刀塔(双刀塔或四刀塔)数控车床和车削中心、双主轴同步驱动，双刀塔同时进行加工车削中心、五轴联动车铣复合中心、车磨复合加工机床、具有车、铣、镗、磨和激光热处理多种功能的高度复合化的复合加工中心等等。

我国数控车床经过多年的发展，特别是近几年迅速的发展，与国际先进水平的差距在逐年缩小。

对于某些依赖于进口的高档数控车床，如高精度数控车床和车削中心(主轴径跳轴跳 0.001mm)、适用耐热合金和钛合金零件加工的大功率、高扭矩数控车床和车削中心等等要加强产品开发研究攻关，突破其核心技术。

电动刀架是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具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的特点。

第2章刀架结构介绍2.1现有刀架的典型结构1）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，能装夹四把不同的刀具，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方刀架回转o加工程序指令控制的（如图2-1）。

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。

2）排刀式刀架排刀式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒类为主的机床较为常见，它的结构形式为夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床X坐标轴方向排列在横向滑板或一种称为快换台板上。

这种刀架的特点之一是刀具布置和机床调整都较方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具在一把刀完成车削任务后，横向滑板只要按程序X轴向移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。

这种换刀方式迅速、省时、有利于提高机床的生产效率。

3）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。

4）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。

图2-1 方刀架结构示意图图2-2 回转式刀架2.2四工位刀架换刀工作原理2.2.1刀架机械结构图图2-3 刀架实体图2-4 数控车床方刀架结构图图2-5 数控车床回转式刀架结构图1—电动机2—联轴器3—蜗杆轴4—蜗轮丝杠5—刀架底座6—粗定位盘7—刀架体8—球头销9—转位套10—电涮座11—发迅体12—螺母13，14—电涮15—粗定位销2.2.2工作方式刀架的工作过程可分为刀架抬起、刀架转位、刀架定位并压紧等几个步骤其工作过程如下：1）刀架抬起：当数控系统发出换刀指令后, 通过接口电路使电机正转, 经传动装置、驱动蜗杆蜗轮机构、蜗轮带动丝杆螺母机构逆时针旋转 ,此时由于齿盘处于啮合状态，在丝杆螺母机构转动时，使上刀架体产生向上的轴向力将齿盘松开并抬起,直至两定位齿盘脱离啮合状态,从而带动上刀架和齿盘产生“上台”动作。

2）刀架转位：当圆套逆时针转过150°时，齿盘完全脱开，此时销钉准确进入圆套中的凹槽中，带动刀架体转位。

3）刀架定位：当上刀架转到需要到位后（旋转90°、180°或270°），数控装置发出的换刀指令使霍尔开关中的某一个选通,当磁性板与被选通的霍尔开关对齐后,霍尔开关反馈信号使电机反转,插销7在弹簧力作用下进入反靠盘地槽中进行粗定位，上刀架体停止转动，电机继续反转，使其在该位置落下，通过螺母丝杆机构使上刀架移到齿盘重新啮合, 实现精确定位。

4）刀架压紧刀架精确定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿盘增加到一定夹紧力时，电机由数控装置停止反转，防止电机不停反转而过载毁坏，从而完成一次换刀过程。

对于四工位自动回转刀架来说，它最多装有4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。

现以其中任意一把刀具1#刀为例简述刀架换刀的过程。

第3章数控车床电气系统组成3.1刀架系统组成3.1.1霍尔效应霍尔元件霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的。

当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象就是霍尔效应。