1、郑州电力职业技术学院课 程 设 计题 目 数控加工中心刀具换刀系统的PLC 编程系 别 : 机 电 工 程 系 年级专业 ：机电一体化专业 学生姓名 ： 指导教师 ： 1目 录前言2课程设计任务书3第一章 PLC 基本介绍 41.1 PLC 介绍 41.2 PLC 的组成 4第二章 PLC 的工作原理 62.1 PLC 的工作原理 62.2 PLC 的优点 62.3 PLC 的选型依据 7第三章 I/O 配置（表） 83.1 I/O 配置（表） 8第四章 刀盘取刀示意图 84.1 机械手与调取刀具示意图 9第五章 本系统框图及程序 105.1 软件流程图 105.2 梯形图 115.3 指令表
2、 135.4 本系统的详细工作原理 15第六章 PLC 的开发环境 156.1 本系统的开发环境 15第七章 本系统的改进 16第八章 总结 16参考文献 . 172前 言加 工 中 心 (Machining Center)简 称 MC， 是 由 机 械 设 备 与 数 控 系 统 组 成 的适 用 于 加 工 复 杂 零 件 的 高 效 率 自 动 化 机 床 。 加 工 程 序 的 编 制 ， 是 决 定 加 工 质 量 的重 要 因 素 。加 工 中 心 是 高 效 、 高 精 度 数 控 机 床 ， 工 件 在 一 次 装 夹 中 便 可 完 成 多 道 工 序 的加 工 ， 同 时
3、还 备 有 刀 具 库 ， 并 且 有 自 动 换 刀 功 能 。 加 工 中 心 所 具 有 的 这 些 丰 富 的功 能 ， 决 定 了 加 工 中 心 程 序 编 制 的 复 杂 性 。加 工 中 心 能 实 现 三 轴 或 三 轴 以 上 的 联 动 控 制 ， 以 保 证 刀 具 进 行 复 杂 表 面 的 加工 。 加 工 中 心 除 具 有 直 线 插 补 和 圆 弧 插 补 功 能 外 ， 还 具 有 各 种 加 工 固 定 循 环 、 刀具 半 径 自 动 补 偿 、 刀 具 长 度 自 动 补 偿 、 加 工 过 程 图 形 显 示 、 人 机 对 话 、 故 障 自 动诊
4、 断 、 离 线 编 程 等 功 能 。加 工 中 心 是 从 数 控 铣 床 发 展 而 来 的 。 与 数 控 铣 床 的 最 大 区 别 在 于 加 工 中 心 具有 自 动 交 换 加 工 刀 具 的 能 力 ， 通 过 在 刀 库 上 安 装 不 同 用 途 的 刀 具 ， 可 在 一 次 装 夹中 通 过 自 动 换 刀 装 置 改 变 主 轴 上 的 加 工 刀 具 ， 实 现 多 种 加 工 功 能 。3课 程 设 计 任 务 书一、课程设计任务：本课题取自数控加工中心刀具库的自动控制实验。因原有的刀具库控制方式过于陈旧、功能过于单一且智能度不高，刀盘只能单向转动，效率较低并且
5、指示灯设计不合理，对刀成功后没有正确与否的提示。针对原有功能的的不足提出自己的改进方法。对位成功的进行指示灯闪烁提示，调取不是当前工位的刀时，系统能根据调取刀号的大小自动选择最佳刀盘转动方向，以提高取刀效率。改进后的基本特征：1、当机械手位置 = 程序调取刀号位，换刀成功指示灯闪烁 3 秒。2、当机械手位置 程序调取刀号位，刀具盘逆转,调刀指示灯亮,到位后, 换刀成功指示灯闪烁 3 秒。3、当机械手位置 程序调取刀号位，刀具盘顺转, 调刀指示灯亮,到位后,换刀成功指示灯闪烁 3 秒。机械手位置与调取刀号位之间的偏差是选择正反转的根据。二、课程设计要求：1、PLC 基本介绍2、阐述 PLC 的工
6、作原理3、列出 I/O 配置表4、刀盘取刀示意图5、本系统梯形图及指令表6、本系统的开发环境7、本系统的改进8、总结4第一章 PLC 基本介绍1.1 PLC 介绍PLC 即可编程控制器： PLC 英文全称 Programmable Logic Controller;中文全称为可编程逻辑控制器。是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义：“PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部
7、存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 ”1.2 PLC 的组成1、CPU 模块CPU 由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU 通过地址总线、数据总线与 I/O 接口电路相连接。起“心脏”作用。当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后 CPU 根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序） ，把用户程序翻译成 PLC 内部所认可的用户编译程序。输入状态和输入信息从输入接口输进
8、，CPU 将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。然后由 CPU 把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。2、I/O 模块输入/输出（I/O）单元是 PLC 与外部设备连接的纽带。输入单元接受现场设备向PLC 提供的开关量信号，经过处理后，变成 CPU 能够识别的信号。输出单元将 CPU 的信号经处理后来控制外部设备。输入接口示意图：5输出接口示意图：3、编程器编程器分为两种，一种是手持编程器，携带方便。但缺点是只能编辑指令表。另一种是通过 PLC 的 RS232 接口与计算机 RS232 接口相连。通过专用软件先在电脑上
9、编辑梯形图或指令表程序，再编译成机器码传输到 PLC 中。4、系统电源PLC 一般合用 220V 交流电源或 24V 直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC5V、 12V、24V 等直流电源。不同型号的 PLC 有不同的供电方式，所以 PLC 电源的输入电压既有 12V 和 24V 直流，又有 110V 和 220V 交流。PLC 内部使用的电源是整体的供给中心，它的优劣直接影响到 PLC 的功能和可靠性，因此目前大部分 PLC 采用开关式稳压电源。5、存储器具有记忆功能的半导体电路。 它分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编
10、译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM 组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为 35年。6第二章 PLC 的工作原理2.1 PLC 的工作原理PLC 是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在 PLC 运行时，CPU 根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号(或地址号)作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程
11、中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC 的一个扫描周期有输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC 在输入采样阶段：首先以扫描的方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC 在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或
12、晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作2.2 PLC 的优点1、灵活性：不同类型的硬件设备采用相同的可编程序控制器，编写不同应用软件就可以了，并且可以用一台可编程控制器控制几台操作方式完全不同的设备。2、便于改进与修正：可编程序控制器为改进和修订原设计提供了极其方便的手段，以前也许要花费几周的时间才能完成的工作使用可编程序控制器只要几分钟就可以了。3、节点利用率高：在可编程序控制器中，一个输入中的开关量或程序中的一个“线圈”可提供用户所需用的连锁节点，即节点在程序中可不受限制的使用。4、成本低：可编程序控制器提供的继电器节点、计数器、计时器、顺控器的数量比采用继电器、计数器、计时器、顺控器等实际元
13、器件要便宜的多5、模拟调试：可编程序控制能对所空功能在实验室内进行模拟调试，缩短现场的调试，而古典电器线路是无法在实验室进行调试的，只能花费现场大量时间。6、能对现场进行微观调试：在可编程序控制器系统中，操作人员能通过显示器观测到所控每一个节点的运行情况，随时监测事故发生点。7、快速动作：传统继电器节点的响应时间一般要几百毫秒，而可编程序控制器里的节点反应很快，内部是微秒级的。8、可靠性：可编程序控制器由集成电路元件构成，因此可靠性大大高于机械和电器继电器。9、系统购置的简单化：可编程序控制器是一个完整的系统，购置了一台可编程序控制器，就相当于购买了系统所需要的所有继电器、计数器、计时器等器件
14、。10、图 纸 简 化 ： 传 统 控 制 电 路 要 靠 画 蓝 图 ， 而 蓝 图 不 能 随 哦 设 计 的 不 同 阶 段 不 断 更 新 的 ，采 用 可 编 程 序 控 制 器 很 容 易 做 到 随 时 打 印 出 更 新 后 的 电 路 图 。711、易于系统的变化：可编程序控制器可以重新编程序，所以可以满足所控生产流程频繁变化的要求。2.3 选型、选型依据根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行 I/O 点数和 I/O 点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大形机器） 。并且结合市场情况，考察
15、PLC 生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定性价比较好的 PLC 机型。1、输入点和输出点数输入点和输出点一般按一定比例设置,但不同厂家的 PLC 其设置会不同,如 OMRON公司生产 CPM1A 型 I/O 比为 3:2,而三菱的 FX2N 系列 I/O 比为 1:1。用户可根据实际控制系统所需输入输出信号数量和信号类型来决定 PLC 的型号或相应的输入输出模块。2、存储容量存储容量一般指存放用户程序的存储器的容量，通常用“字” 或“步”来表示。 “步”就是PLC 中存放程序的地址单位，每一步占用两个字，一条基本指令一般为一步，而复杂的功能指令往往有若干步，如 OM
16、RON 的 CPM1A 型 PLC 的存储容量为 2048 字，三菱的FX2N 系列 PLC 存储容量为 8K 步。3、编程语言不同厂家生产的 PLC 所用的编程语言不同，而且互不兼容。一般梯形图和指令表是PLC 最常用 的编程语言。目前 ，PLC 编程基本上都在计算机上完成，梯形图以其直观、编程容易而成为主要编程语言，编制完成的梯形图程序可直接输入 PLC 进行调试，用户无需写出指令表。但若用手持编程器编程时，要输入指令表语句。三菱系列常用可选型号型号 I/O 点数 用户程序步数 功能指令 通信功能FX0S 10-30 800 步 EEPROM 50 无FX0N 24-128 2K 步 EE
17、PROM 55 较强FX2N 16-256 内附 8K 步 RAM 298 强8第三章 I/O 配置3.1 I/O 配置（表） I/O 口配置表节点类型 节点名称 节点作用X001 机械手位置检测X002 机械手位置检测X003 机械手位置检测X004 机械手位置检测X005 机械手位置检测X006 机械手位置检测X011 刀具号选择X012 刀具号选择X013 刀具号选择X014 刀具号选择X015 刀具号选择输 入X016 刀具号选择Y000 刀具到位指示Y001 刀盘旋转指示Y002 刀盘顺转Y003 刀盘逆转输 出Y004 换刀闪烁9第四章 刀盘取刀示意图4.1 机械手与调取刀具示意图
18、如图所示,图中为刀盘和机械手，1.2.3.4.5.为刀具，机械手调取刀具可以分为 3 种形式：(1) 调取当前刀时（图中为 1 号刀）刀盘不动作。(2) 假设机械手在 1 号位，调取 5 号和 6 号刀时，刀盘顺时针旋转。（3）假设机械手在 1 号位，调取 2、3、4 号刀时，刀盘逆时针旋转。10第五章 本系统框图及程序5.1 软件流程图115.2 梯形图12续上图135.3 指令表0 LD X011 1 MOV K1 D06 LD X0127 MOV K2 D012 LD X013 13 MOV K3 D018 LD X01419 MOV K4 D024 LD X01525 MOV K530
19、 LD X01631 MOV K1 D1 36 LD X00137 ANI M538 MOV K1 D143 SET M544 LD X00245 ANI M546 MOV K2 D151 SET M552 LD X00353 ANI M554 MOV K3 D159 SET M560 LD X00461 ANI M562 MOV K4 D167 SET M568 LD X00569 ANI M570 MOV K5 D175 SET M576 LD X00677 ANI M578 MOV K6 D183 SET M584 LD M585 CMP D0 D11492 MPS93 AND M094
20、 SUB D0 D1101 MRD102 AND M1103 OUT Y000104 MRD105 AND M2106 ADD D0 K6113 MPP114 AND M2115 SUB D2 D1122 LD M5123 CMP D3 K3130 MPS131 AND M10132 ANI Y000133 ANI M20134 OUT M18135 MRD136 AND M11137 ANI Y000138 ANI M20139 OUT M19140 MPP141 AND M12142 ANI Y000143 ANI M20144 OUT M20145 LD M19146 OR M20147
21、 OUT Y002148 LD M18149 OUT Y003150 LD Y000151 OUT T1 K50154 LD Y002155 OR Y003156 OUT Y001157 LD Y000158 AND M8013159 OUT Y004160 LD T1161 RST M5162 END155.4 本系统的详细工作原理分三种情况考虑：假设机械手一直在 1 号位。1、调取当前当刀号。机械手在 1 号刀位（X11 闭合） ，D0 K1，系统调取当前刀位的刀（X1 闭合） ，D1=K1，两个值相比较， D0=D1，此时，到位指示灯直接亮起，接着换刀成功指示闪烁，表示换刀完成。2、调取
22、 2-4 号刀，机械手在 1 号刀位（X11 闭合） ，D0K1 ，系统调取当 2 号位的刀（X2 闭合） ，D1=K2，两个值相比较， D0D1，此时， D0 要先加 K6 再减 D1， （较小数减较大数计算较复杂，所以采用先加上最大数再减）D3 再和 K3 比较，D3K3，M10,动作，刀盘逆转。3、调取 5、6 号刀，机械手在 1 号刀位（X11 闭合） ，D0 K1，系统调取当 5 号位的刀（X5 闭合） ，D1=K5，两个值相比较， D0D1 ，此时，D0 要先加 K6 再减 D1， （较小数减较大数计算较复杂，所以采用先加上最大数再减）D3 再和 K3 比较， D3K3，M11/M
23、12, 动作，刀盘顺转。第六章 本系统的开发环境6.1 本系统的开发环境16本系统的编程是采用三菱 FX 系列 PLC 编程软件:SWOPC-FXGP/WIN-C。SWOPC-FXGP/WIN-C V3.3 中文版为一个可应用于 FX 系列可编程控制器的编程软件。运行于 Windows 平台（3.1、95、98、ME、2000、XP、2003 等），在该软件中，你可通过线路符号、SFC、符号表等编程语言等来创建顺控程序，建立注释数据及设置寄存器数据。该程序可在串行系统中与 PLC 进行通讯、文件传送、操作监控以及各种测试功能等。是 PLC 编程、调试、监控等不可多得的好帮手，可在线、离线编辑程
24、序。第七章 系统的改进在加工中心上使用的刀库主要有两种，一种是盘式刀库，一种是链式刀库。盘式刀库装刀容量相对较小，一般在 124 把刀具，主要适用于小型加工中心；链式刀库装刀容量大，一般在 1100 把刀具，主要适用于大中型加工中心。加工中心对自动换刀装置有如下具体要求： 1、刀库容量适当 。2 、换刀时间短 。3、换刀空间小 。4、动作可靠、使用稳定。 5、刀具重复定位精度高 。 6、刀具识别准确。数控加工中心的自动换刀系统中刀具的交换方式通常有两种：（1）采用机械手交换刀具方式（2）由刀库与机床的相对运动实现刀具交换的方式前者的优点时结构简单，成本低，换刀的可靠性较高，但是缺点时换刀时间长
25、，刀库因为结构所限容量不多。而采用机械手进行刀具交换的方式在加工中心应用最为广泛，本系统中的机械手采用的是单臂机械手。单臂机械手换刀时间较长，速度较慢。所以，我认为本系统可改为双臂机械手以及双刀盘的形式，这样可以有效的节省换刀时间而机械手的工作行程业大为缩短，提高换刀的速度。或者，刀具库容量较大时，可以采用链式刀库则更为方便。第八章 总结机电一体化技术与系统课程设计是我们学完了大学的全部基础课、技术基础课以及专业课之后进行的，这是我们在进行毕业设计之前对所学各课程的一次深入的综合性的总复习，也是一次理论联系实际的训练，因此，它在我们大学生活中占有重要的地位，生活中机电的比例也在人们生活中占据极
26、大的比例，与我们的生活息息相关。本次课程设计的课题为刀具库换刀系统，刀盘由 PLC（可编程序控制器）控制来实现其功能。我们在设计中得出了一些理论上数据可能与实际数据有所出入。设计之前原有刀盘只能单向转动，效率较低并且指示灯设计不合理，对刀成功后没有正确与否的提示。改17进后有对刀成功的指示灯闪烁提示，调取不是当前工位的刀时，系统能根据调取刀号的大小自动选择最佳刀盘转动方向，以提高取刀效率。但这在现实生活中还不可用。现实中当调试成功后还应当编写使用说明书做到质量可靠、稳定有保障。不足之处应在使用中改进升级，最终达到设备安全稳定。这次课程设计终于顺利完成了，这也是我第一次做这么大型的课程设计，比以
27、往每学期的课程设计更为复杂，难度更高，因为这次是综合素质的培养，所以在设计中遇到了很多问题，我们曾经灰心过，失落过，但是最后在老师的精心指导，耐心讲解下，我们悟出了其工作原理，顺利的完成了设计任务。我在这次的毕业设计中，把自己在这几年所学习的专业知识又总结了一次，同时，在老师身上我学到了很多实用的知识，为日后的工作打下了坚实的基础，在此我表示感谢！感谢老师在几年来的栽培。参考文献1.机电一体化概论赵再军主编 浙江大学出版社;2.PLC 基础及应用 廖常初主编 机械工业出版社;3.电器控制与 PLC丁学恭主编 浙江大学出版社;4.PLC 应用开发技术与工程实践求是科编著 人民邮电出版社;5.可编程控制器系统开发实例导航汪晓平等编著 人民邮电出版社;6.部分资料通过 Internet 查询所得。18
