FANUC数控车床的刀架控制系统设计摘要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。

本部分主要对四工位立式电动刀架的控制系统进行设计。

关键词：数控刀架；四工位；电动回转刀架目录摘要 (1)第1章绪论 (3)1.1 课题的研究背景 (3)1.2 课题的研究意义 (3)1.3 设计内容 (4)第2章数控刀架电气控制系统设计 (5)2.1数控机床的组成 (5)2.2霍尔原理及在刀架中运用的简单概述 (6)2.2.1霍尔效应与工作原理 (6)2.2.2霍尔效应的广泛运用 (6)2.2.3霍尔元件在刀架中运用的简单概述 (7)2.3刀架电气控制 (7)2.3.1 刀架的锁紧时间控制 (8)2.3.2刀架刀位信号的监控 (8)2.3.3换刀时间的监控 (9)2.3.4刀架上电过程 (9)2.4刀架机械结构 (10)第3章数控刀架PLC控制系统设计 (13)3.1四工位刀架PLC梯形图与原理运用 (13)3.3.1 PLC的概述 (13)3.3.2 PLC梯形图运用 (13)3.3.3刀架的操作 (14)3.3.4 数控车床刀架PLC梯形图 (17)3.3.5 程序的调试 (23)小结 (24)参考文献 (25)致谢 (26)第1章绪论数控技术是现代制造技术的核心，是企业现代化水平的标志。

采用数控系统控制的数控机床在机械制造、模具加工、航天航空和造船等领域发挥着极其重要的作用。

本章介绍了本课题的研究背景，意义，基本内容1.1 课题研究的背景FANUC数控系统是由日本富士通公司研制开发，目前在我国得到了广泛的应用。

在中国市场上应用于车床的数控系统主要有FANUC Oi -TA/TB/TC 和FANUC Oi mate- MA等。

数控车床主要由主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系统、气动系统及数控装置组成。

数控车床的出现对提高生产率改善产品质量以及改善劳动条件等发挥了重要的作用。

为了进一步压缩非切削时间，数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的发展方向。

在这类多工序的数控机床中必须带有自动换刀装置，在多工序数控机床出现之后，又逐步发展和完善了各类回转刀具的自动更换装置，扩大了换刀数量，以便有可能实现更复杂的换刀操作。

在自动换刀数控机床上，自动换刀装置应满足换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具储存量，换刀安全可靠等要求。

各类机床的换刀装置主要取决于机床的型式、工艺范围及刀具的数量和种类等。

自动换刀的形式主要有回转刀架换刀、主轴头转位换刀和带刀库的自动换刀系统。

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，数控车床上使用的自动回转刀架是一种最简单的换刀装置，自动回转刀架是在一定的空间范围内，能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的一种机构。

根据加工对象不同，有四方刀架、六角刀架和八（或更多）工位的圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。

1.2 本课题的研究意义（1）掌握了刀架的控制原理，熟悉了刀架的工作过程。

（2）了解刀架在工作过程中遇到的一些故障，能对一些简单的故障进行处理。

（3）使自己进一步了解FANUC数控机床，初步掌握了解决机床问题的一些方法，为以后的工作奠定了基础。

1.3 设计内容（1）测绘FANUC数控车床的电气原理图，接线图。

1）主电路原理图.2）电动刀架原理图.3）控制电路原理图.4）机床输入信号原理图.（2）设计FANUC数控车床刀架的控制系统（选型、计算）1）选择四工位刀架.2）刀架电气控制。

刀架电气控制组成部分包括电源、变压器、整流电路、CNC、PLC输入/输出板、接触器和中间继电器。

刀架电气控制通电过程：电源-断路器(QF1)-断路器（QF2）-变压器-整流电路-接触器(KM1、KM2)-刀架正反转。

3）PLC控制。

PLC对控制刀架的I/O进行逻辑处理和运算，以实现刀架的顺序控制。

（3）有关机床参数。

1）换刀超时时间，刀具锁紧时间，正转延时时间的设定。

2）刀架控制相关PMC指令。

CODB刀架刀位信号处理；COMPB一致性比较指令；MOVE逻辑乘数据传送指令。

（4）PLC程序设计1）刀架电动机的转动由PLC数字输出控制。

通过PLC的数字输出，控制直流继电器，继电器再驱动交流接触器接通三相交流电源，使刀架电动机正转或反转。

2）当PLC应用程序由数控系统的信号接口或从机床控制面板得到换刀指令后，控制刀架电动机正转，同时通过PLC的数字输入监控刀架的实际位置。

如果刀架的实际位置已处于指令位置，PLC应用程序控制刀架电动机反转锁紧，并启动延时控制。

延时时间到达后，刀架反转停止，换刀过程结束。

第2章数控刀架电气控制系统设计2.1 数控机床的组成数控机床是装备了数控系统的机床，既包括NC机床，也包括CNC机床。

数字控制机床（Numerical Controlled Machine Tool），简称NC机床。

数控系统是一种控制系统，它能控制机床的运动和加工过程。

计算机数控机床（Computer-ized Numerical Controlled Machine Tool），简称CNC机床，是利用具有专门存储程序输入到数控装置，再由数控装置控制主运动的变数、起停、进给运动的方向、速度和位移大小，以及诸如刀具的选择、交换、工件夹紧、松开和冷却的起、停等动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格按数控程序的要求进行。

数控机床由数控系统模块、主轴控制模块、伺服驱动模块，传感器警示灯、电子器件、电源模块、电动刀架模块、冷却系统模块、接线端子等组成。

采用开放式和拆装式设计，可以进行数控机床电气控制部件的组装、接线、PMC编程、故障诊断和调试。

数控车床的组成部件：图2-1 数控车床组成图2.2 霍尔原理及在刀架中运用的简单概述2.2.1霍尔效应与工作原理所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。

金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。

当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。

半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。

由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。

利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。

其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中，则在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度E成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH 确定。

利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。

如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。

根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。

若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。

霍尔元件应用霍尔效应的半导体2.2.2霍尔效应的广泛运用霍尔效应在应用技术中特别重要。

如果对位于磁场(B)中的导体(d)施加一个电压(Iv)，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压(UH)，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。

根据霍尔效应做成的霍尔器件，就是以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关的功能。

讫今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关，等等。

霍尔效应是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。

金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。

当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。

半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。

2.2.3霍尔元件在刀架中运用的简单概述精度是一台数控机床的生命，假如机床丧失了精度也就丧失了加工生产的意义了，数控机床精度的保障很大一部分源于霍尔元件的检测精准性。

在数控机床上常用到的是霍尔接近开光：霍尔元件是一种磁敏元件。

利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。

当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。

这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。

用霍尔开关检测刀位。

首先，得到换刀信号，即换刀开关接通先接通。

随后电机通过驱动放大器正转，刀架抬起，电机继续正转，刀架转过一个工位，霍尔元件检测是否为所需刀位，若是，则电机停转延时再反转刀架下降压紧，若不是，电机继续正转，刀架继续转位直至所需刀位。

接通整个电路电源，将换刀开关置于自动挡，再按下开始开关进行换刀，正传线圈自锁，自动进行换刀。

当转到所需刀位时，刀位对应霍尔元件自动断开，电机停止正转。

并接通反转电路，延时反转，刀架下降并压紧。

从执行图与分析中可以看出霍尔元件在数控机床中的重要作用。

它不但起到了检测与反馈作用，而且也是数控机床精度可靠性的保障。

2.3 刀架电气控制刀架具有很多种类。

下面以霍尔元件检测刀位的简易刀架为例，进行说明。

简易刀架是经济型车床上最常用的一种自动换刀机构。

它机械结构简单，调试和使用方便。

刀架采用三相异步电动机驱动，刀位检测采用霍尔元件。

这种道具只能单方向换刀，电动机正转换刀，反转锁紧。

刀架反转锁紧时刀架电动机实际上是一种堵转状态，因此刀架电动机反转的时间不能太长，否则可能导致刀架电动机的损坏。

刀架上每一个刀位都配备一个霍尔元件，如四工位刀架，需要配备4个霍尔元件。

霍尔元件的常态时截止，当刀具转到工作位置时，利用磁体使霍尔元件导通，将刀架位置状态发送到PLC的数字输入端。

霍尔元件只有导通和截止两种状态，因此对于电平有效地数控系统数字输入接口，应该使用大约1.5千欧姆的上拉电阻将导通和截止的状态变成低电平和高电平。

刀架电动机的转动由PLC数字输出控制。

通过PLC的数字输出，控制直流继电器，继电器再驱动交流接触器接通三相交流电源，使刀架电动机正转或反转。