数控车床四工位刀架电气设计 任务书(刀架)

毕业设计说明书课题名称：数控车床四工位刀架电气设计学生姓名XXX学号XXXXXXXX二级学院（系）电气电子工程学院专业 XXXXXXXXXXXXX班级 XXXXXX指导教师 XXXXX XXXXX起讫时间：201X 年 2 月24 日～201X 年 4 月18 日数控车床四工位刀架电气设计摘要本文通过对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 (I)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。

工程科技与产业发展科技经济导刊 2016.34期简易数控车床电动刀架的电路设计李 哲 赵 丽 李小明（豫西工业集团河南北方红阳机电有限公司 河南 南阳 473000）一般的刀架控制器采用继电器逻辑控制线路来实现电动刀架自动换刀的控制。

在这种逻辑控制线路中使用的元器件数量多，特别是使用了近10只带有机械触点的继电器，可靠性很差，是数控车床故障率较高的一个部分，此种电动刀架使用接触器的数量较少，控制可靠性大幅度提高，此外这种电动刀架具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的优点。

此种电动刀架为四工位，分别标识为T1位、T2位、T3位、T4位，每个刀位对应一个刀位到位信号。

发信盘转位采用霍尔元件，霍尔元件是应用霍尔效应的半导体。

霍尔效应磁敏传感器就是建立在霍尔效应基础上的磁电转换的传感器， 由霍尔元件和转换电路组成。

此种电动刀架选择的电动机型号是YDJ-90 三相380V 0.4A，当换刀时，微机在J1脚发出OV正转信号，刀架电动机正转线圈吸合，相应的KA1闭合，电动机正转，同时CNC系统开始检测相应刀位信号，到刀架刀位后，相应刀位线（霍尔元件第3脚）输出OV信号，微机检测到信号后，J1叫撤消正转信号，同时J2脚输出反转信号，刀架电动机反转线圈吸合，相应的KA2闭合，电动机反转，完成初定位后上刀体下降。

反转信号延时一定时间后，反转信号撤消，换刀程序完成。

延时时间由系统设定。

电动刀架主电路中，RC1、RC2、RC3为阻容吸收，当刀架电机停止转动时，阻容吸收电机中的能量，避免产生过电压而损坏器件。

为保证电动刀架安全运行，根据电动刀架选择的电动机型号YDJ-90 三相380V 0.4A，要求在电动刀架～380V进线处加装快速熔断器和热继电器，热继电器型号选用RJ16B-20/30-0.72安，快速熔断器选用RL1型，额定电流为15A，熔体额定电流为2A。

该电动刀架运用四只霍尔元件分别均布在固定不动的心轴上，磁钢安装在上刀体上随上刀体一起转动。

目录第1章设计任务 (3)1.1 设计总体任务 (3)1.2 设计参数 (3)1.3 设计内容 (3)1.4 设计任务 (3)第2章概述 (4)第3章总体设计方案 (5)3.1 减速传动机构的设计 (5)3.2 上刀锁紧与精定位机构的设计 (5)3.3 刀架抬起机构的设 (5)3.4自动回转刀架的工作原理 (5)第4章数控车床回转刀架机械部分设计 (8)4.1 蜗杆副的设计计算 (8)4.1.1蜗杆的选型 (8)4.1.2蜗杆副的材料 (8)4.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计 (8)4.2滚动轴承的选项 (10)4.2.1概述 (10)4.2.2滚动轴承的选型 (11)4.2.3滚动轴承的配合 (11)4.2.4滚动轴承的密封 (11)第5章电气控制部分设计 (12)5.1 中央处理单元MS-89C51 (12)5.1.1 MCS-51单片机的结构和工作原理 (12)5.1.2 MCS-51单片机的工作方式 (15)5.2端口扩展单元8255的介绍 (17)5.3 键盘显示接口8279介绍 (24)5.4 硬件电路设计 (25)5.5 控制软件设计 (27)第6章总结 (29)第7章参考文献 (30)第1章设计任务一．设计任务题目：数控车床自动回转刀架机电系统设计任务：设计一台四工位的卧式自动回转刀架，适用于C616或C6132经济型数控车床。

二．设计参数推荐刀架所用电机的额定功率为90W，额定转速为1440r/min, 换刀时要求刀架转动的速度为30r/min。

三．设计内容1.总体结构设计2.主要传动部件的设计计算3.电气控制部分设计1）硬件电路设计2）控制软件设计4.编写设计说明书四．设计任务1.模拟整体设计方案2.机械结构装配图一张（A0图）3.控制系统设计要求完成一张A1图纸的硬件电路设计工作，设计控制系统的主要软件流程，对RAM 和I/O接口芯片进行详细编程。

4.设计说明书要求清楚地叙述整个设计过程和详细的设计内容，包括总体方案的分析，比较和确定机械系统的结构设计，主要零部件的计算与选型，控制系统的电路原理分析，软件设计的流程图以及相关程序等。

四工位自动刀架实验本实验台采用通用数控机床的四工位自动刀架，它需要三相380V电源。

实验分高压强电部分、低压控制部分、直流控制部分、信号控制部分。

强电部份由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、转位、锁紧等动作；弱电部分主要由位置传感器－发讯盘构成，发讯盘采用霍尔传感器发讯。

一、刀架结构及拆装顺序拆装顺序：A、按顺序卸去04、06、07、05、12。

B、旋转电动机，使上刀体连续上升至脱离螺杆。

C、卸去上刀体01、离合器09及轴承。

D、拆蜗杆时，卸掉电机及连接座、端盖，用铜棒向端盖方向敲出蜗杆轴。

E、卸掉定轴15、反靠盘16、取出蜗轮14。

F、装配时所有零件必须清洗上油，传动部件应上润滑脂。

G、按拆卸反顺序装配。

H、调整磁钢与霍尔元件，使刀架处于要刀位置。

二、刀架控制原理:微机程序发出换刀信号,控制继电器动作,电机正转，通过蜗轮蜗杆及螺杆将上齿盘上升至一定高度时，由离合器带动定位销，定位销带动上刀体旋转到所需刀位，霍尔元件电路发出刀位信号，使电机反转，反靠销初定位，上齿盘下降，齿牙盘啮合，完成精定位动作并使刀架锁紧。

刀架动作顺序：换刀信号－电机正转－刀架到位－信号复合－电机反转－刀架定位夹紧－电机停转－换刀答信－完成。

注：在作任何模块的实验进行接线、插线、换线时，都要关闭电源进行，否则易造成人员触电伤害或元器件损坏。

三、实验预习：了解CNC4620车床系统使用及接口情况，了解电动刀架控制原理。

四、实验目的掌握数控系统电动刀架的原理和控制三相电机正反转应用以及电气原理布线调试。

五、实验器材⑴CNC4620数控系统⑵架控制模块板⑶CNC4620数控系统逻辑控制器输入/输出控制板⑷四工位自动刀架⑸强电枪形连接线（50ｍｍ）2条；连接线（200ｍｍ）2条⑹信号连接线（50ｍｍ）8条说明：◆CNC4620系统刀架控制接口为XS5，实验台把它扩展到逻辑控制器输入/输出控制板上。

◆四工位刀架的接口扩展到逻辑控制器输入/输出控制板的XS5接口下方区。

毕业设计说明书课题名称：数控车床四工位刀架电气设计毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。

对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。

作者签名：日期：毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解**学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。

有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。

学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。

保密的论文（设计）在解密后适用本规定。

作者签名：指导教师签名：日期：日期：注意事项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它数控车床四工位刀架电气设计摘要本文通过对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。

车床四方刀架课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解车床四方刀架的基本结构及其在机械加工中的应用。

2. 学生能够掌握车床四方刀架的安装、调整和使用方法。

3. 学生能够了解并描述车床四方刀架操作中的安全规则及维护保养知识。

技能目标：1. 学生能够正确安装和调整车床四方刀架，并进行简单的机械加工操作。

2. 学生通过实践操作，能够熟练使用车床四方刀架完成指定零件的加工。

3. 学生能够运用所学的知识解决车床四方刀架使用过程中遇到的问题。

情感态度价值观目标：1. 学生在学习过程中培养对机械加工的兴趣，增强对制造工程的尊重和认识。

2. 学生通过小组合作完成任务，培养团队协作意识和沟通能力。

3. 学生能够认识到安全生产的重要性，形成遵守操作规程和安全意识。

分析：课程性质：本课程为中职或技校机械加工相关专业的实践操作课程，注重理论联系实际。

学生特点：学生具备一定的机械加工基础，动手能力强，对具体操作有较高的兴趣。

教学要求：课程要求学生在理解理论知识的基础上，重点培养操作技能和解决问题的能力，同时注重安全教育和职业素养的培养。

二、教学内容1. 理论知识：- 车床四方刀架的结构组成与工作原理。

- 车床四方刀架的安装、调整和拆卸方法。

- 车床四方刀架在机械加工中的应用案例分析。

- 车床四方刀架操作中的安全规程和维护保养要点。

2. 实践操作：- 车床四方刀架的安装与调整实操训练。

- 使用车床四方刀架进行简单零件的加工操作。

- 针对加工过程中出现的问题，进行原因分析和解决方案制定。

3. 教学大纲：- 第一周：车床四方刀架结构组成与工作原理学习。

- 第二周：车床四方刀架的安装、调整方法学习与实践操作。

- 第三周：车床四方刀架安全规程及维护保养知识学习。

- 第四周：使用车床四方刀架进行实际加工操作及问题分析与解决。

教材关联：本教学内容与教材《金属切削机床与工艺》中第二章“车削加工”相关内容紧密关联，具体涉及第二章第五节“车床刀具及其安装与调整”。

四工位立式刀架机械设计四工位立式刀架是一种在数控机床上常用的自动换刀装置。

它的主要作用是在加工过程中实现刀具的自动更换，以提高生产效率。

以下是对四工位立式刀架机械设计的简要介绍：1. 结构设计：四工位立式刀架通常由刀架本体、传动装置、控制系统、刀具安装部位等组成。

刀架本体通常为立式结构，具有四个刀位，可以安装不同类型的刀具。

传动装置负责实现刀架转体时无需抬起，解决刀架密封问题。

2. 传动方式：四工位立式刀架的传动方式有多种，例如蜗轮蜗杆传动、齿轮传动、丝杠螺母传动等。

蜗轮蜗杆传动具有结构简单、传动比稳定、噪音低等优点；齿轮传动具有传动比准确、承载能力高等优点；丝杠螺母传动具有响应速度快、精度高等优点。

3. 控制系统：四工位立式刀架的控制系统是整个装置的核心部分，负责实现刀架的自动换刀和刀具的保护。

控制系统通常采用数控系统，可以接收来自机床的指令，实现刀架的定位、旋转和锁紧等动作。

此外，控制系统还具有故障诊断和预警功能，有助于确保设备的安全运行。

4. 刀具安装部位：四工位立式刀架的刀具安装部位可根据刀具类型和加工需求进行配置。

常见的刀具类型包括铣刀、钻头、切削刀等。

为了确保刀具的稳定性和加工精度，刀具安装部位需要具有较高的刚性和精度。

5. 安全性设计：在四工位立式刀架的设计中，安全性至关重要。

例如，设置限位开关以防止刀架旋转过位；在刀架升降过程中，采用有限位装置以确保刀架在指定位置停止；此外，还应考虑电缆、气路等元件的防护措施，防止在加工过程中发生意外损坏。

总之，在四工位立式刀架的机械设计中，需要综合考虑结构、传动方式、控制系统、刀具安装部位和安全性等因素，以实现高效、安全、稳定的刀具更换功能。

四工位立式回转刀架机电系统设计本设计是基于数控机床的自动回转刀架仿真。

主要的工作可以分成两部分，一部分是机构仿真，另一部分是电气控制。

机构仿真是先对四工位立式回转刀架的工作原理的分析和对零件进行结构设计。

电气控制就是把程序导入到PLC中来控制刀架电动机中的两个继电器，从而实现对刀架的正反转控制，而且电机的停转可以通过限位开关的开关信号来控制，实现自动换刀。

标签：自动回转刀架；刀架控制原理；刀架电气控制系统仿真1 数控机床刀架的介绍自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。

机床的加工性能受刀具夹持原件的结构特性及它与機床主轴的连接方式的直接影响。

而机床的换刀效率受到刀库结构形式及刀具交换装置工作方式的影响，而整机的成本造价又受自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度的直接影响。

2 数控刀架的工作原理及电气设计电气是机械的控制中心，也就是说电气原理的设计可以实现机械动作的复杂操作控制。

下面我们通过数控刀架的电气知识霍尔效应、刀架的接线原理图和具体的经济型刀架换刀过程等，对电气原理的运用做进一步的了解。

2.1 数控车床四工位刀架换刀工作原理电机会在接到换刀键或者换刀的指令后正转，蜗杆、涡轮、轴、轴套由于花键的定位作用，同联轴器一同转动。

轴套外圆上有两处凸起，能够限位轴套，使轴套在套筒内孔中的螺旋槽内作滑动，因刀架与上端齿盘同套筒相连，此时会因套筒的滑动被举起，使上下齿盘分开，刀架抬起，当套筒继续转动时，刀架会被带动旋转90°（如不到刀位，刀架还可以继续转180°、270°、360°），而且此时控制装置能够收到由微动开关发出的检测信号，直到刀架转到指定位置，控制装置会根据微动开关提供的刀架已经到达指定位置的信号，使电动机反转，此时定位销会使刀架定位不再回转，刀架则向下移动，上下端齿盘重新压合。

当蜗杆继续转动，产生轴向位移，压缩弹簧，曲面压缩开关使电机停止旋转，从而完成一次转位。

数控车床四工位电动刀架设计摘要：数控车床今后将向中高当发展，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。

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。

回转刀架上分别安装四把、六把或更多刀具，并按数控装置的指令换刀。

本部分主要对四工位立式电动刀架的机械设计和应用继电-接触控制系统控制部分的设计。

并对以上部分运用CAD做图，对电动刀架有更直观的了解。

最后的提出了对电动刀架提出了意见和措施。

关键词：数控刀架，电动刀架，四工位Abstract:numerical control lathe, will in future development, the middle-grade high when to by supporting, high-grade nc cutter revised by both cutting, dynamic type hydraulic cutter, servo cutter, vertical cutter etc varieties, expected in recent years on the nc cutter demand will increase greatly. Nc cutter is the development trend of the development of numerical control lathe, along with, nc cutter began to change cutters quickly and electrohydraulic servo driver combined driving and direction. According to different targets, have four processing cutting, hexagonal cutter and eight (or more) can dise-type axial outfit knife knife, and other forms. Turn the tool carrier separately installs four, six or more tools, and press CNC equipment instructions change knife. This part of 4 Labour vertical electric mainly the mechanical design and application of cutting the relay - contact control system of control part of the design. And the above part of CAD do diagram, a more intuitive electric knife understanding. The final proposed to the electric cutter puts forward opinions and measures.Keywords: nc cutter, electric cutter, four locations引言数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。