掌握霍尔元件的使用原理，识读数控刀架相关的电气图纸，能根据图纸连接数控刀架控制线路。

电气是机械的大脑，通过对电气原理的设计可以执行复杂的机械动作。通过对霍尔效应、刀架的接线原理图和具体的经济型刀架换刀过程的梯形图介绍让大家对刀架的电气原理运用有更深一步的认识。

一、霍尔效应

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的更加明显，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，确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计霍尔电流传感器。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。

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，则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。

二、霍尔元件在刀架中运用的概述

在数控机床上常用到的是霍尔接近开关。霍尔元件是一种磁敏元件，利用霍尔元件做成的开关，叫作霍尔开关。当磁性物体接近霍尔开关时，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改变，由此识别附近有磁性物体的存在，进而控制开关的通和断，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CNC发出换刀指令，随后电动机开始正转，刀架抬起，电动机继续正转，刀架转过一个工位，霍尔元件检测是否为所需要的刀位，若是，则电动机停转，随后反转，刀架下降并锁紧。若不是，电动机继续正转，刀架继续转位，直至所需刀位。

从原理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的作用，而且也是数控机床精度可靠性的保障。

三、刀架相关电气原理图

电气原理图用来表明设备的工作原理及各电气元件之间的作用，一般由主回路、控制回路、检测保护电路、配电电路等几大部分组成。这种图，由于直接体现了电子电路与电气结构以及其相互间的逻辑关系，所以一般用在设计、分析电路中。分析电路时，通过识别图纸上所画各种电气元件符号，以及它们之间的连接方式，就可以了解电路实际工作时的情况。

下面以图4－2－1为例来分析刀架相关的电气原理。

图4－2－1 刀架电气原理

（a）主回路；（b）控制回路

图4－2－1中各元器件名称、线号及其作用如表4－2－1所示。

表4－2－1 各元器件名称、代号及其作用

根据上一任务，我们了解到刀架的基本动作为刀架抬起、刀架转位、刀架定位、刀架锁紧4个步骤，其中3个步骤和刀架电动机息息相关，分别是刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧。其中，刀架抬起和刀架转位是由刀架电动机正转带动的，刀架锁紧则是由刀架电动机反转带动的。所以分析刀架的工作过程可以了解到，涉及刀架电动机的部分，只有电动机的正转和反转。下面就根据电气原理图来分析刀架的正反转。

刀架正转：合上QM2，接通电源，当中间继电器KA4常开触点闭合后，接触器KM4线圈得电，接触器KM4主触点闭合，刀架电动机M得电正转，同时KM4辅助常闭触点断开，对KM3线圈支路进行联锁保护，防止误动作导致电源短路，引起事故。

同理，刀架反转：合上QM2，接通电源，当中间继电器KA5常开触点闭合后，接触器KM3线圈得电，接触器KM3主触点闭合，刀架电动机M得电反转，同时KM3辅助常闭触点断开，对KM4线圈支路进行联锁保护，防止短路事故发生。

刀架停止：在刀架电动机正转时，当中间继电器KA4常开触点断开后，接触器KM4线圈失电，接触器KM4主触点断开，刀架电动机M失电停止运行，KM4辅助常闭触点复位闭合。在刀架电动机反转时，当中间继电器KA5常开触点断开后，接触器KM3线圈失电，接触器KM3主触点断开，刀架电动机M失电停止运行，KM3辅助常闭触头复位闭合。

通过对电气原理图的分析，我们发现刀架电动机的正转或者反转，包括停止都是通过两个中间继电器的常开触点来控制的，那么这个接触器的常开触点又受什么控制呢？它们受机床的PLC控制，那么什么是PLC呢？

四、机床刀架I／O接线

PLC是Programmable Logic Controller的简称，中文称为可编程逻辑控制器，它是一种可以广泛应用于工业自动化各领域的通用控制器，它不仅具有开关量逻辑控制功能，还可通过选配各种模拟量控制模块，用于化工、冶金等生产过程的控制。PMC是Programmable Machine Controller的简称，是一种专门用于机床控制的PLC，一般只能进行开关量的逻辑处理，而不能用于生产过程等其他行业的控制，其功能相对单一。

5轴以下的全功能CNC一般采用CNC、PMC集成结构，PMC作为CNC逻辑顺序来控制功能的拓展，用来处理诸如CNC操作方式选择、坐标轴移动、进给速度调节、主轴正反转和启动／停止、刀具及工作台自动交换、冷却开／关等控制信号和辅助机能。

集成PMC是一种结构相对简单的专用型PLC，其工作原理、程序执行过程、编程方法与通用PLC基本相同，但不能独立使用。集成PLC的I／O（输入／输出）模块通常为点数较多的专用开关量输入／输出单元（I／O单元），其输入规格和输出驱动能力统一，通常也无特殊功能模块可供选择。

集成PMC的功能和编程指令较为简单，功能指令远远少于通用PLC，但也有部分适合CNC控制的特殊指令，如辅助功能译码、回转体分度控制指令等。PMC程序设计的目的是使CNC满足机床的控制要求，PMC程序不仅要进行加工程序中的M、T等辅助功能的译码与处理、控制机床执行元件的动作，还需要将操作面板上的控制按钮、开关转化为CNC的操作方式选择、坐标轴控制和程序运行控制信号。

I／O信号在PMC程序中既可以作为二进制位信号进行开关量逻辑处理，也能以字节、字、双字的形式进行多位逻辑运算、数学运算等处理。信号在FANUC机床上的表示方法如下：

（1）二进制位信号：在PMC程序中可直接用“触点”“线圈”进行编程，信号地址的格式为“地址＋字节·位”如X00010、Y0001.0、G008.6、F007.1等。其中X地址为机床外部开关或者面板按钮等输入地址、Y地址为机床外部电动机或者照明灯等输出地址、G地址为PMC发送给机床数控系统的地址、F地址为数控系统发送给PMC的地址。

（2）字节／字／双字信号：字节／字／双字信号的地址格式均为“地址＋起始字节”，信号的长度（位数）取决于功能指令，如G008、F007在字节处理功能指令中代表8位二进制信号G008.0～G008.7、F007.0～F007.7；在字处理功能指令中代表16位信号G008.0～G009.7、F007.0～F008.7等。

常见FANUC刀架I／O接线如图4－2－2所示，图中出现的CB105为FANUC系统机床特有，为4个I／O端口之一，该4个端口为CB104、CB105、CB106、CB107。其中CB104端口只能接X0000、X0001、X0002、Y0000、Y0001的输入输出，CB105端口只能接X0003、X0008、X0009、Y0002、Y0003的输入输出，CB106端口只能接X0004、X0005、X0006、Y0004、Y0005的输入输出，CB107端口只能接X0007、X0010、X0011、Y0006、Y0007的输入输出。如果接错，则会出现机床报警，或者出现机床短路等事故，而且该输入输出的电压均为直流24 V，因此，在中间继电器的选型上需要注意。

图4－2－2 刀架I／O接线

当机床PMC发出刀架正转信号时，Y2.4被导通，中间继电器KA4线圈得电，随后KA4常开触点闭合，使接触器KM4线圈得电，最终刀架电动机正转。

当机床PMC发出刀架反转信号时，Y2.5被导通，中间继电器KA5线圈得电，随后KA5常开触点闭合，使接触器KM3线圈得电，最终刀架电动机反转。

当刀架旋转到一定位置时，若刀架上的霍尔开关感应到是所需要的刀位，则随即导通X3.0、X3.1、X3.2、X3.3其中对应的信号，机床PMC即停止正转信号输出，并切换成反转信号输出，直至刀架锁紧。

参照电气原理图，完成控制回路的电气接线

一、工具选择

剥线钳：剥线钳是内线电工，电动机修理、仪器仪表电工常用的工具之一，用来供电工剥除电线头部的表面绝缘层。剥线钳可以使电线被切断的绝缘皮与电线分开，是安装接线的重要工具。

压线钳：压线钳是将用剥线钳去除绝缘皮后的电线头部导线压实到冷压端子上的工具。根据冷压端子型号的不同，选择不一样的压线钳。

冷压端子：是用于实现电气连接的一种配件产品，在工业上被划分为连接器的范畴。

螺丝刀：螺丝刀用来松开或者拧紧元器件上的螺钉，方便冷压端子插入或取出相应的接口。

剪刀：用于切断导线。

二、元器件选择

1.低压断路器

低压断路器常用来做电动机的过载与短路保护。

1）低压断路器的主要技术数据

（1）额定电压。(www.daowen.com)

（2）断路器额定电流。

（3）断路器壳架等级额定电流。

（4）断路器的通断能力。

（5）保护特性。

2）低压断路器的选用

（1）低压断路器的额定电压和额定电流大于等于电路的正常工作电压和计算负载电流。

（2）热脱扣器的整定电流等于所控制负载的额定电流。

（3）电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流大于负载电路正常工作时的峰值电流。

（4）欠电压脱扣器的额定电压等于电路的额定电压。

（5）接触器吸引线圈的额定电压应由所接控制电路电压确定。

2.熔断器

在低压配电系统和电力拖动系统中的熔断器是一种保护电器。在使用时，熔断器串接在所保护的电路中，当该电路发生短路故障时，起保护作用。

1）短路保护基本概述

当电动机绕组绝缘损坏、控制电路发生或操作不当引起短路故障时，电路中将产生很大的短路电流，使电动机、电路等电气设备严重损坏，甚至导致电气火灾事故。所以在发生短路故障时，保护电器立即动作，迅速切断电源，从而保证电气设备的安全。

电气控制系统中，常用的短路保护电器是熔断器。熔断器的熔体串联在被保护电路中，正常工作时，熔体相当于一根导线允许一定大小的电流量而不熔断；当电路发生短路故障时，熔体中流过很大的短路电流，使熔体立即熔断，切断电源使电动机停转，从而保护了电动机及其他电器设备。

2）熔断器的选用

（1）根据使用环境和负载性质选择适当类型的熔断器。

（2）熔断器的额定电压大于等于电路的额定电压。

（3）熔断器的额定电流大于等于所装熔体的额定电流。

（4）上、下级电路保护熔体的配合应有利于实现选择性保护。

3.接触器

交流接触器主要用于远距离频繁地接通或断开交直流主电路及大容量控制电路，还具有欠压、失压保护，同时有自锁、联锁的功能。

1）交流接触器的工作原理

线圈接通后，在铁芯中产生磁通及电磁吸力。此电磁吸力克服弹簧反力使得衔铁吸合，带动触点机构动作，常闭触点打开，常开触点闭合，互锁或接通电路。线圈失电或线圈两端电压显著降低时，电磁吸力小于弹簧的反作用力，使得衔铁释放，触点机构复位，此时断开电路或接触互锁。

2）交流接触器的选用

（1）根据接触器所控制的电动机及负载电流类别来选择相应的接触器类型。

（2）接触器主触点的额定电压大于等于负载回路的额定电压。

（3）接触器控制电阻性负载时，主触点的额定电流等于负载的额定电流。

（4）控制电动机时，主触点的额定电流应大于或稍大于电动机的额定电流。

三、安装接线

安装要求：根据原理图进行安装接线，保证接线正确，安装可靠，导线应走线槽内，不得有铜丝裸露在外，以免引起短路现象。

四、检测

按照原理图，用电阻法进行控制回路的检测。

根据任务完成过程中的表现，填写表4－2－2。

表4－2－2 任务评价

机械手换刀

机械手换刀的形式繁多，但总体上都是通过机械手运动完成刀库侧和主轴侧的刀具交换和装卸动作，其机械手需要进行上下180°旋转、刀具松夹等运动，在大型机床上有时还需要做平移等运动；而刀库则需要进行回转选刀，有时还需要进行换刀位置刀具的90°翻转动作；整合自动换刀装置的部件众多，机械结构复杂。

图4－2－3所示为典型的机械手换刀的立式加工中心，其刀具装卸通过机械手上下和180°回转实现。在换刀前刀库先通过回转运动将所需要的下一把刀具预先旋转到换刀位置上，换刀时刀库侧刀具翻转90°、Z轴上升到换刀位，然后通过机械手的运动，便可交换刀库与主轴侧的刀具；换刀后，刀库换刀位上的刀具将被改变。

图4－2－3 机械手换刀的立式加工中心

采用机械手换刀的加工中心虽然结构复杂，但换刀快捷；此外，由于刀库可以布置在机床侧面，其刀库容量、刀具的尺寸不受限制，因此，它是一种多刀具交换的大、中型加工中心常用的自动换刀形式。

采用机械手换刀的加工中心，其刀库布置灵活，刀具数量不受结构的限制，且还可以实现刀具预选。此外，由于它采用机械凸轮控制，动作迅捷，可大大提高换刀速度，因此，它是一种高速、高性能加工中心普遍采用的换刀方式。机械手的运动控制可通过气动、液压机械凸轮联动机构等实现，与气动、液压控制相比，机械凸轮联动换刀具有换刀迅捷、定位准确的突出优点，在加工中心上得到了广泛的应用。

换刀机械手的形式和种类繁多、结构各异，有单臂单爪回转式、单臂双爪回转式、双臂回转式、多机械手换刀等，其中以单臂双爪回转式最为常用。大型机床的刀库往往远离主轴布置，此时机械手还需要做移动运动。具体换刀动作过程如下：

（1）刀具预选。在机床加工时，根据CNC下一把刀的T指令，由回转电动机将下一把刀具回转到刀具交换位置，完成刀具的预选动作。

（2）主轴定向准停和Z轴运动。当CNC的换刀指令发出后，先进行主轴定向准停，使主轴上的定位键和刀库定位键方向一致。与此同时，Z轴快速向上运动到换刀位置；刀座转位气缸将预选的刀具连同刀座向下翻转90°，使刀具的轴线和主轴轴线平行。

（3）机械手回转。当Z轴到达换刀位置，刀库上的刀具完成90°翻转动作后，机械手在电动机和凸轮换刀机构或其他液压、气动控制装置的驱动下回转，使两边的手爪分别夹持刀库换刀位及主轴上的刀具。

（4）卸刀。机械手完成夹刀动作后，同时松开刀库及主轴内的刀具；刀具松开后，机械手在电动机和凸轮换刀机构或其他液压、气动控制装置的驱动下伸出，刀库和主轴上的刀具被同时取出，完成卸刀动作。

（5）刀具换位。卸刀完成后，机械手在电动机和凸轮换刀机构或其他液压、气动控制装置的驱动下旋转180°，进行刀库侧和主轴侧的刀具互换。

（6）装刀。刀具完成换位后，机械手在电动机和凸轮换刀机构或其他液压、气动控制装置的驱动下向上缩回，将刀库侧和主轴侧的刀具同时装入刀库刀座和主轴，并夹紧。

（7）机械手返回。刀库和主轴内的刀具夹紧后，机械手在电动机和凸轮换刀机构或其他液压、气动控制装置的驱动下反向旋转回到起始位置，换刀动作完成。

（8）换刀完成后，Z轴便可向下运动进行加工，同时，刀座转位气缸将从主轴上换下的刀具连同刀座向上翻转90°，然后根据CNC下一把刀的T指令，再次进行刀具的预选。