单片机在数控雕刻机上的应用研究_开题报告

（一）国内研究现状

我们不能不慨叹，运营者对市场的认识越来越强，了解也越来越深;正像我们最初为客户引见的那样，第一批靠打字复印的人发财了;第一批上喷绘的人也发财了;第一批上ATC自动换刀雕刻机的人的确也发财了;一个新的产品培养一批英杰，同时也预示着一次应战、一次机遇、一个行业重新洗牌的时机，许多客户就是靠本人的先知先觉抓住了一个又一个的时机，成为当地有影响的大户，在剧烈的市场竞争中显得愈加沉着，这是和新设备所带来的宏大的社会效益亲密相连的!目前雕刻行业已进入成熟期，详细表现一是雕刻业务急剧增加。

未来加工中心的发展动向是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能。加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，随着我国经济的不断发展，推动了广告制造业、机械加工业的巨大发展，使得数控机床的使用越来越普遍，而加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。然而，目前市场上生产和销售的都是以大、中型的加工中心为主，小型加工中心几乎是不断的发展，推动了广告制造业、机械加工业的巨大发展，使得数控机床的使用越来越普遍，而加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。

在加工中心中，刀库和机械手组成自动换刀装置（Automatic Tool Changer,简称ATC）。而自动换刀装置的好坏，将直接影响加工中心的好坏，从目前情况看，加工中心的主机部分基本定型，变化不大，但自动换刀装置种类繁多，五花八门，是最难搞好的部分。它是加工中心的象征，又是加工中心成败的关键环节。因此各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置，以求在激烈的竞争中取得好效益，正因为自动换刀装置是加工中心的核心内容，各厂家都在保密，极少公开有关资料，尤其机械手这部分更是如此。

未来ATC自动换刀雕刻机行业的发展趋势 

在购置ATC自动换刀雕刻机时，既要看一次性投资的TCO;又要经过对雕刻机的运用寿命、稳定性、效率、精度、效劳等诸多方面停止评价。社会在进步，科技在开展，请求运营者必需有远见卓识，紧跟科技开展的步伐，抓住市场先机，方能立于不败之地。

   2014-2020年在市场经济的浪潮中，广告装饰装饰行业被誉为浪尖上的朝阳产业，一直处于一日千里的革新中。做为现代广告装饰公司，稍有不慎或没有及时运用高科技设备去抢占本来属于本人的市场，随时都可能在竞争中被淘汰。

   客观的讲，目前投资雕刻业务的报答率仍是其他行业的数倍，只是对设备提出了更高的请求，请求以后的ATC自动换刀雕刻机性能更稳定、实践工作速度更快、资料的应用率更高、可晋级才能更强、适用范围更广;而对用户来讲，主要是选择一款合适本身开展，满足市场需求的设备，来顺应市场竞争的需求，由于公司之间的竞争归根结底是其所具有尖端设备的竞争，技术的竞争，人才的竞争。只要不时地更新设备，进步技术，培育人才，才干永远独占鳌头。

    如今只需你有设备，根本都有业务做，机器不用停下来，不象前两年雕刻业务很难揽到;二是客户请求越来越高。从工号牌、有机标牌到水晶字、PVC字，已被广阔用户承受，业务增加来势之雄猛是许多同行始料不及的;同时高档客户为了展现其企业形象，标新立异，又提出三维的标识标牌请求，这应该说是市场开展的需求，是给进入该行业的后来者一次新的机遇。三是市场竞争愈加剧烈，利润更趋合理;随着ATC自动换刀雕刻机容量的增加，雕琢业务的利润由原来的几十倍调整至如今情况，让人实真实在地感遭到了市场的魔力。同时各企业的不断竞争与发展，以及需求量的不断增长，建立起了刀库生产的健全体系，例如台湾吉辅的产品性能优良、型号多样，达到了世界级的先进水准，其生产的大型链刀库HK100A-240CH，在刀重及容量上都可以与发达国家相媲美。此外其研发的40CV立式刀库，结构简单、可靠性强，实现了刀对刀换刀时

（二）国外研究现状

    1956年美国IBM公司研究成功“APT”（刀具程序控制装置）。1958年美国K&T公司研制出带ATC（自动刀具交换装置）的加工中心。公司首次把铣、钻、镗等多种工序集中于一台数控机床上，通过换到方式实现连续加工，完成世界第一台加工中心。该产品出现后，销量惊人，引起了日、德、美、英、法、意等先进工业国家的高度重视，并竞相生产，不断扩大和完善机床的功能，成为数控机床中发展最快、需求量最大的商品之一。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。当前，很多国家为提高加工效率，使得刀库成为不可缺少的配件。这些工业发达的国家在高速加工中心上的竞争与比拼，一些高端的技术便应运而生，而且得到合理化的应用。例如，由奥地利ANGERG公司生产的多主轴自动换刀机床仅需0.4s便可以完成切削及换刀，采用电动机直连驱动单一的刀具，由夹具快速位移来完成换刀，这种换刀系统是目前世界上切屑到切屑换刀时间最短的机床；德国Burkardt公司生产的MC325数控加工中心，采用了凸轮分度的方式，虽然换刀总时间是换位及进给时间总和，但是由该装置实现的切削对切削换刀时间却仅需2秒。为了让数控机床行业向多功能、高效率、高速化、高可靠性的方向发展，以往出现的一些常见故障（机械手动作不到位、掉刀、机械手抓刀不稳、刀库动作不到位等）必须得以解决。

目前，机床的自动换刀系统主要采用单片机或PLC控制，可以正反转和高低速控制。它通过几条与主控机的联络信号线以及系统内设置的自诊断、自适应功能实现对换刀系统的全自动控制管理。采用高性能弹簧夹头夹持刀具，使用外驱动机械手完成刀具的夹紧、放松，系统配置扩展型链式刀库和刀具交换装置，整机采用电磁机械传动、PLC控制，换刀系统具有夹紧力大、夹紧力恒定(可调)、自动复位以及各种自检保护功能，同时具有占据空间小的特点。

二、^范文提纲

自动换刀雕刻机是数控雕刻机的一大分类，更是代表着最高技术的雕刻机设备。它具有独立的刀库，能在对工件进行加工中自动更换所需刀具，无需停止工作。能对复杂的图案雕刻时，选择不同的刀具，大大加速了工作效率、提高了产品质量。自动换刀雕刻机也是数控雕刻机设备发展的最终趋势。

1分别从三个方面分析单片机的发展前景

1.1低功耗CMOS化。

企业经营都追求成本最小化，在保证顺利完成生产的条件下减少功耗势在必行。工业生产要求低功耗，但是以往的单片机，例如MCS-51系列中的8031的功耗为630mW,功率非常大，但随着技术的提高普遍的功率都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。

1.1.2单片机的微型化。

现在的制造工艺一般是将随机存储数据存储器、中央处理器、只读程序存储器、并行或着是串行通信接口、中断系统、定时电路等集成到一个芯片之上；脉宽调制电路、液晶驱动电路、WDT、转换器等都集中到一个芯片上，这种集中方式就使得原来的单片机电路变得更丰富，其功能也相应强大，同时还能依据客户的需求来进行芯片的制作。这种单片机体积小、重量轻、低功耗、高性能；且具备多种封装方式，最受用户青睐。因此，单片机向微型化发展是必然趋势。

1.1.3主流与多品种共存

现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。

1.2单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：

1.2.1在智能仪器仪表上的应用 

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

1.2.2在工业控制中的应用 

用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

1.2.3在家用电器中的应用 

可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。

1.2.4在计算机网络和通信领域中的应用 

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

1.2.5单片机在医用设备领域中的应用 

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 

此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

1.3单片机在目前的发展形势下，表现出几大趋势：  

1.3.1 可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是一种明显的走向。  

1.3.2 所集成的部件越来越多； 

NS（美国国家半导体）公司的单片机已把语音、图象部件也集成到单片机中，也就是说，单片机的意义只是在于单片集成电路，而不在于其功能了；如果从功能上讲它可以讲是万用机。原因是其内部已集成上各种应用电路。  

1.3.3功耗越来越低和模拟电路结合越来越多。  

随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变化和进步，最终人们可能发现：单片机与微机系统之间的距离越来越小，甚至难以辨认。

2主要研究单片机在数控雕刻机刀库控制器方面的作用。

2.1数控加工中心

2.1.1加工中心的功能及组成

2.1.2盘式刀库系统

2.2自动换刀雕刻机的自动换刀装置常见的形式

2.2.1回转刀架换刀

数控雕刻机上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀系统,根据不同加工对象,可以设计成四方刀架和六角刀架多种形式,回转刀架上分别安装多把,并按数控装置的指令换刀。

回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性,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装置,于对于数控雕刻机来说,加工过程中刀尖位置不进行人工调整。

因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构,以保证回转刀架在每次转位之后,具有尽可能高的重复定位精度。

回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制,分为刀架抬起、刀架转位、刀架压紧和转位油缸复位四个流程。

2.2.2更换主轴头换刀

在带有旋转的数控雕刻机中,更换主轴头是一种比较简单的换刀方式。主轴头通常有卧式和立式两种,而且常用转达塔的转位来更换主轴头,以实现自动换刀。

在转塔的各个主轴头上,先安装有各工序所需要的旋转,当发出换刀指令时,各主轴头依次地转到加工位置,并换通主运动,使相应的主轴带动旋转,而其它处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。

2.2.3带刀库的自动换刀系统

带刀库的自动换刀系统由刀库和交换机构组成,目前它是多工序数控雕刻机上应用最广泛的换刀方法,整个换刀过程较为复杂。

首先把加工过程中需要使用的全部分别安装在标准的刀柄上,在机外进行尺寸调整后,按一定的方式放入刀库,换刀时先在刀库中进行选刀,并由装置从刀库和主轴上取出；

在进行交换后,将新装入主轴,把旧放回刀库。这种方式可以进行多种复杂的工序加工,特别是在数控钻床,数控铣床和数控镗床上应用最多。

2.3  ATC自动换刀雕刻机的工作原理解析

数控广告雕刻机顾名思义就是通过数控系统来控制的机床，数控机床的种类繁多。可以根据机床的作用来进行区分，数控机床常见机械故障的原因：数控机床常见故障中，机械故障往往具有明显的特征。

2.3.1机床主轴定向位置不准，但是机床并未报警。可能的原因：由于现在的机床，主轴定向一般采用编码器定向方式，主轴与主轴电机采用1：1联结的，直接采用电机内置编码器定向。因此出现这种情况必定是机械联结部分有问题！  

 2.3.2定位精度时好时坏，机床并不报警：可能的原因：机械传动链联接不好。如联轴节松动等。

 2.3.3机床负载过重：经常出现过电流报警，电机发热异常。可能的原因：机械装配不好，导致机械负载重。对于新设计的机床，伺服电机选择偏小也会出现此现象。另外，伺服参数设置错误也会出此报警。

 2.3.4机床辅助动作，如换刀手动作，控制其动作的输出信号已经有，但是动作没有。可能的原因：机械卡死，管路堵塞等。注：当机床出现故障时，往往是机电交织在一起，数控广告雕刻机机械部分有相关的在此不再赘述。

2.4可编程控制器

2.4.1PLC的选择

2.4.2PLC逻辑控制及接线

2.4.3IO分配表的编制

2.4.4电器元件表

3盘式刀库PLC控制系统设计

3.1设计方案

3.1.1刀库编号

3.1.2刀位置管理与换刀

3.1.3刀库位置确认

3.1.4换刀方式

3.1.5换刀信号

3.1.6主轴的配合

3.2盘式刀库流程图

4 PLC控制程序设计

4.1盘式刀库控制程序设计、分析

4.2 PLC控制程序调试

三、参考文献

[1] 作者:文怀兴,夏田编著 《数控机床系统设计》第二版 

[2] 作者：王华侨 ，张颖 等著《数控机床设备选型及其应用指南》

[3] 作者： 顾其俊 主编《数控机床操作与编程技能实训教程》 

[4] 作者： 王晓忠 等主编《数控机床典型系统调试技术》

[5] 作者:程美玲《数控车床操作入门》（机械类）（修订版）

[6]《数控车床操作图解》 [陈为国，陈昊 编著] 2012年

[7]《数控机床电气及PLC控制技术》第二版[张华宇主编]

[8]《数控机床伺服驱动系统的设计与应用》作 者:孙莹著

[9] 《数控机床》 [李新德 主编] 2013年

[10] 《机床数字控制技术手册:技术基础卷》作 者:王先逵主编,刘强分册主编出版时间:2013