数控加工中心自动换刀工艺的研究
1.轻型龙门加工中心机床概述
轻型定梁龙门机床为工作台移动、横梁固定式龙门机床，可带刀库，也可不带刀库。机床由床身、立柱和固定横梁构成高刚度封闭框架。工作台在床身导轨上做纵向运动，该向为X坐标;溜板在横梁导轨上做横向运动，该向为Y坐标;滑枕镗铣头在溜板导轨上做垂向运动，该向为Z坐标。机床采用SIEMENS840DE控制系统，机床的X、Y、Z三轴都是CNC控制轴，主轴采用西门子公司交流主轴电动机驱动，X、Y、Z三向进给采用西门子公司伺服电动机驱动。可以实现三维直线插补、二维圆弧插补和任意三轴联动。
2.自动换刀控制要求
2.1刀库控制
刀库可以为盘式刀库，刀库容量为20位，主轴与刀库换刀采用无机械手，就近找刀，原位直接换刀的方式;也可以用链式刀库，刀库容量为40把刀，采用机械手，任意找刀，任意换刀方式。刀库盘由电动机通过齿轮降速驱动，有正、反转和停止控制。为使刀库盘快速停止，在电动机输出轴上加有一失电摩擦制动器。当停止信号发出时，即令该制动器的电磁铁失电，从而使刀库停止转动。刀库盘转动的分度和定位由马氏机构、零位开关和计数开关实现。刀库每转到一个刀位，计数开关即动作一次。当刀库转到零位时，零位开关也动作。当刀库转到指定刀位时，计数开关或零位开关动作，这时立即使电动机停转，制动器失电制动，从而刀库盘停止并依靠马氏机构精确定位在换刀位置。刀库停止后，计数开关或零位开关断开，这时应提示报警。
2.2气动控制
刀库防护门开关和主轴锥孔吹气由气动控制，气源气体经处理后供给汽缸。刀库防护门开关由一气缸来驱动，控制由二位四通双电控换向阀来完成。该换向阀的特点是：换向阀的两个位置，分别由两个电磁铁控制，而且换向阀时只需要给电磁铁一个短暂的电信号(电信号待续时间为2s)即可完成换向。只有给另一个电磁铁一个短暂电信号后，换向阀才会换到另一个位置。主轴锥孔吹气用来清洁主轴锥孔，吹气接通用一个二位三通电控截止阀来实现。当松刀开始时，给该电磁铁通电，开始锥孔吹气，直至松刀状态结束时，电磁铁失电，吹气停止。
2.3主轴拉刀控制
主轴内部装有刀具自动拉紧机构，该机构由碟簧拉紧、液压松开刀具。刀具的拉紧和松开由一个两位四通电磁阀控制。拉刀机构分为有刀、无刀、松刀，由三个无触头感应开关监测这三个状态。
刀具的拉紧及松开可以由指令控制，也可以由操作面板上的按钮控制。刀具的松开和拉紧状态应在面板上有所显示。主轴的转动和刀具的拉紧和松开动作为互锁关系。
3.马氏机构
刀库动作过程本加工中心的刀库由马氏机构刀库盘、零位开关、计数开关、刀库门开关阀和行程开关、主轴吹气阀等组成。马氏机构刀库自动换刀是主轴移动到刀库，利用主轴的松拉刀动作直接在刀库盘上抓刀、还刀。在接近刀库盘和离开刀库盘时都需要慢速移动，以免与刀库盘或者刀具发生碰撞造成事故，在其他位置就需要用快速移动来节约时间。刀库的运动包括三个过程即主轴抓刀，主轴还刀和主轴换刀。主轴将运动到的几个点，S1～S14表示滑枕和溜板运动的过程。主轴抓刀、主轴还刀和主轴换刀三个过程都可以用图解分析出来。
3.1主轴抓刀过程
主轴抓刀是要求现在无刀的主轴去抓刀库盘上的刀。动作是Y轴横向移动到达刀库顶端，Z轴向下移动到达刀具刀位并抓刀后，Y轴横向移动离开刀库(括弧号里内容是对Y和Z轴动作的描述)：S1(Z轴到P0，快速)→S2(Y轴到P1，快速)→主轴定向，第一软限位生效，刀库门开→S8(Y轴到P2，快速)→主轴松刀→S7(Z轴到 P3，快速)→S6(Z轴到P4，慢速)→主轴紧刀→S12(Y轴到P5，慢速)→S13(Y轴到P6，快速)→S14(Z轴到P1，快速)→第二软限位生效，主轴定向取消，刀库门关。
3.2主轴还刀过程
主轴还刀是把主轴上的刀还回刀库盘上原刀位。动作是 Y轴横向移动到达刀具刀位并松刀后，Z向上离开刀具到刀库顶端，Y轴横向离开刀库：S1(Z轴到P0，快速)→S2(Y轴到P1，快速)→主轴定向，第一软限位生效→S3(Z轴到P6，快速)→刀库门开→S4(Y轴到P5，快速)→S5(Y轴到P4，慢速)→主轴松刀→S11(Z轴到P3，慢速)→S10(Z轴到P2，快速)→S9(Y轴到P1，快速)→第二软限位生效，主轴定向取消，主轴紧刀，刀库门关。
3.3主轴换刀过程
主轴换刀是要求把主轴上的刀还回刀库盘上原刀位，并且再抓另外一把刀库盘上的刀。动作是Y轴横向移动到达刀具刀位并松刀后，Z向上离开刀具到刀库顶端，刀库盘转动找刀，Z轴向下移动到达刀具刀位并抓刀后，Y轴横向移动离开刀库：S1(Z轴到P0，快速)→S2(Y轴到P1，快速)→主轴定向，第一软限位生效 →S3(Z轴到P6，快速)→刀库门开→S4(Y轴到P5，快速)→S5(Y轴到P4，慢速)→主轴松刀→S11(Z轴到P3，慢速)→S10(Z轴到 P2，快速)→刀库盘旋转，刀库找刀→S7(Z轴到P3，快速)→S6(Z轴到P4，慢速)→主轴紧刀→S12(Y轴到P5，慢速)→S13(Y轴到 P6，快速)→S14(Z轴到P1，快速)→第二软限位生效，主轴定向取消，刀库门关。
二 马氏机构刀库自动控制程序说明
根据自动换刀控制要求和动作过程编制PLC进行调试，使ATC正常工作。
1. 加工中心I/O点安排
1.1 输入点安排I33.2：主轴紧刀到位开关(上位)，I33.3：主轴紧刀到位开关(中位)，I33.4：主轴松刀到位开关(下位)，I36.3：主轴松刀按钮开关按下，I36.4：主轴紧刀按钮开关按下，I62.0：刀库ATC生效，I62.1：刀库ATC失效，I62.2：刀库点动，I62.3：刀库回零，I62.4：刀库盘正转，I62.5：刀库盘反转，I62.7：刀库计数，I63.0：刀库零位，I63.1：刀库门开，I63.2：刀库门关，I63.3：刀库电动机监控，I63.4：刀库锁。
1.2 输出点安排Q49.0：主轴松刀阀，Q49.3：主轴松刀，Q56.0：刀库ATC生效灯，Q56.1：刀库点动，Q56.2：刀库电动机正转，Q56.3：刀库电动机反转，Q56.4：刀库制动器，Q56.5：刀库门开阀，Q56.6：刀库门闭阀，Q56.7：主轴吹气阀。
2. 程序功能块安排说明
FC51：主轴松拉刀，FC66：马氏机构刀库T码处理，FC67：马氏机构刀库M码处理，FC68：马氏机构刀库综合处理。
3. PLC程序调试说明
刀库调试时需要对各个电气元器件进行单步调试，保证每一件电气元器件都能正常工作;然后根据刀库的抓刀，换刀，还刀等动作进行全部动作的手动强制执行，检验程序的执行情况;最后才能使用T和M指令在自动方式下进行程序的连续自动执行，使刀库能正常运行。
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