機電一體化畢業(yè)論文數(shù)控加工中心刀具換刀系統(tǒng)的PLC編程

1、課程設計說明書順德職業(yè)技術學院畢 業(yè) 論 文 題 目 數(shù)控加工中心刀具換刀系統(tǒng)的plc編程 系 別 : 機 電 工 程 系 年級專業(yè) ：機電一體化專業(yè) 學生姓名 ： 指導教師 ：專業(yè)負責人：答辯日期 ：2009年5月30日 目 錄前言2課程設計任務書3第一章 plc基本介紹 41.1 plc介紹 41.2 plc的組成 4第二章 plc的工作原理 62.1 plc的工作原理 62.2 plc的優(yōu)點 62.3 plc的選型依據(jù) 7第三章 i/o配置（表） 83.1 i/o配置（表） 8第四章 刀盤取刀示意圖 84.1 機械手與調(diào)取刀具示意圖 9第五章 本系統(tǒng)框圖及程序 105.1 軟件流程圖 1

2、05.2 梯形圖 115.3 指令表 135.4 本系統(tǒng)的詳細工作原理 15第六章 plc的開發(fā)環(huán)境 156.1 本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境 15第七章 本系統(tǒng)的改進 16第八章 總結 16參考文獻 . 17致謝.18前 言加工中心(machining center)簡稱mc，是由機械設備與數(shù)控系統(tǒng)組成的適用于加工復雜零件的高效率自動化機床。加工程序的編制，是決定加工質(zhì)量的重要因素。 加工中心是高效、高精度數(shù)控機床，工件在一次裝夾中便可完成多道工序的加工，同時還備有刀具庫，并且有自動換刀功能。加工中心所具有的這些豐富的功能，決定了加工中心程序編制的復雜性。 加工中心能實現(xiàn)三軸或三軸以上的聯(lián)動控制，以保證

3、刀具進行復雜表面的加工。加工中心除具有直線插補和圓弧插補功能外，還具有各種加工固定循環(huán)、刀具半徑自動補償、刀具長度自動補償、加工過程圖形顯示、人機對話、故障自動診斷、離線編程等功能。 加工中心是從數(shù)控銑床發(fā)展而來的。與數(shù)控銑床的最大區(qū)別在于加工中心具有自動交換加工刀具的能力，通過在刀庫上安裝不同用途的刀具，可在一次裝夾中通過自動換刀裝置改變主軸上的加工刀具，實現(xiàn)多種加工功能。課程設計任務書一、課程設計任務：本課題取自數(shù)控加工中心刀具庫的自動控制實驗。因原有的刀具庫控制方式過于陳舊、功能過于單一且智能度不高，刀盤只能單向轉動，效率較低并且指示燈設計不合理，對刀成功后沒有正確與否的提示。針對原有功

4、能的的不足提出自己的改進方法。對位成功的進行指示燈閃爍提示，調(diào)取不是當前工位的刀時，系統(tǒng)能根據(jù)調(diào)取刀號的大小自動選擇最佳刀盤轉動方向，以提高取刀效率。改進后的基本特征：1、當機械手位置 = 程序調(diào)取刀號位，換刀成功指示燈閃爍3秒。2、當機械手位置 程序調(diào)取刀號位，刀具盤逆轉,調(diào)刀指示燈亮,到位后, 換刀成功指示燈閃爍3秒。3、當機械手位置 程序調(diào)取刀號位，刀具盤順轉, 調(diào)刀指示燈亮,到位后,換刀成功指示燈閃爍3秒。機械手位置與調(diào)取刀號位之間的偏差是選擇正反轉的根據(jù)。二、課程設計要求：1、plc基本介紹2、闡述plc的工作原理3、列出i/o配置表4、刀盤取刀示意圖5、本系統(tǒng)梯形圖及指令表6、本系

5、統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境7、本系統(tǒng)的改進8、總結第一章 plc基本介紹1.1 plc介紹plc即可編程控制器：plc英文全稱programmable logic controller;中文全稱為可編程邏輯控制器。是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（international electrical committee）頒布的plc標準草案中對plc做了如下定義：“plc是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類

6、型的機械或生產(chǎn)過程。plc及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計?！?.2 plc的組成1、cpu模塊cpu由控制器、運算器和寄存器組成。這些電路集成在一個芯片上。cpu通過地址總線、數(shù)據(jù)總線與i/o接口電路相連接。起“心臟”作用。當從編程器輸入的程序存入到用戶程序存儲器中，然后cpu根據(jù)系統(tǒng)所賦予的功能（系統(tǒng)程序存儲器的解釋編譯程序），把用戶程序翻譯成plc內(nèi)部所認可的用戶編譯程序。輸入狀態(tài)和輸入信息從輸入接口輸進，cpu將之存入工作數(shù)據(jù)存儲器中或輸入映象寄存器。然后由cpu把數(shù)據(jù)和程序有機地結合在一起。把結果存入輸出映象寄存器或工作數(shù)據(jù)存儲器中

7、，然后輸出到輸出接口、控制外部驅動器。2、i/o模塊輸入/輸出（i/o）單元是plc與外部設備連接的紐帶。輸入單元接受現(xiàn)場設備向plc提供的開關量信號，經(jīng)過處理后，變成cpu能夠識別的信號。輸出單元將cpu的信號經(jīng)處理后來控制外部設備。輸入接口示意圖： 輸出接口示意圖：3、編程器編程器分為兩種，一種是手持編程器，攜帶方便。但缺點是只能編輯指令表。另一種是通過plc的rs232接口與計算機rs232接口相連。通過專用軟件先在電腦上編輯梯形圖或指令表程序，再編譯成機器碼傳輸?shù)絧lc中。4、系統(tǒng)電源plc一般合用220v交流電源或24v直流電源。內(nèi)部的開關電源為各模塊提供dc5v、12v、24v等直

8、流電源。不同型號的plc有不同的供電方式，所以plc電源的輸入電壓既有12v和24v直流，又有110v和220v交流。plc內(nèi)部使用的電源是整體的供給中心，它的優(yōu)劣直接影響到plc的功能和可靠性，因此目前大部分plc采用開關式穩(wěn)壓電源。5、存儲器具有記憶功能的半導體電路。 它分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)程序存儲器用以存放系統(tǒng)程序，包括管理程序，監(jiān)控程序以及對用戶程序做編譯處理的解釋編譯程序。由只讀存儲器、rom組成。廠家使用的，內(nèi)容不可更改，斷電不消失。用戶存儲器：分為用戶程序存儲區(qū)和工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。由隨機存取存儲器（ram）組成。用戶使用的。斷電內(nèi)容消失。常用高效的鋰電池作為后備電源

9、，壽命一般為35年。第二章 plc的工作原理2.1 plc的工作原理plc是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在plc運行時，cpu根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號(或地址號)作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。plc的一個掃描周期有輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。plc在輸入采樣階段：首先以掃描的方式按順序將所有暫存在輸入鎖存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應的輸

10、入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段。plc在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應的運算和處理后，其結果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。輸出刷新階段：當所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅動相應輸出設備工作2.2 plc的優(yōu)點1、靈活性：不同類型的硬件設備采用相同的可編程序控制器，編寫不同應用軟件就可以了，并且可以用一臺可編程控制器控制幾臺操作方式完全不同的設備。2、便于改進與修正：可編程序控制器為改進和修訂原設

11、計提供了極其方便的手段，以前也許要花費幾周的時間才能完成的工作使用可編程序控制器只要幾分鐘就可以了。3、節(jié)點利用率高：在可編程序控制器中，一個輸入中的開關量或程序中的一個“線圈”可提供用戶所需用的連鎖節(jié)點，即節(jié)點在程序中可不受限制的使用。4、成本低：可編程序控制器提供的繼電器節(jié)點、計數(shù)器、計時器、順控器的數(shù)量比采用繼電器、計數(shù)器、計時器、順控器等實際元器件要便宜的多5、模擬調(diào)試：可編程序控制能對所空功能在實驗室內(nèi)進行模擬調(diào)試，縮短現(xiàn)場的調(diào)試，而古典電器線路是無法在實驗室進行調(diào)試的，只能花費現(xiàn)場大量時間。6、能對現(xiàn)場進行微觀調(diào)試：在可編程序控制器系統(tǒng)中，操作人員能通過顯示器觀測到所控每一個節(jié)點的

12、運行情況，隨時監(jiān)測事故發(fā)生點。7、快速動作：傳統(tǒng)繼電器節(jié)點的響應時間一般要幾百毫秒，而可編程序控制器里的節(jié)點反應很快，內(nèi)部是微秒級的。8、可靠性：可編程序控制器由集成電路元件構成，因此可靠性大大高于機械和電器繼電器。9、系統(tǒng)購置的簡單化：可編程序控制器是一個完整的系統(tǒng)，購置了一臺可編程序控制器，就相當于購買了系統(tǒng)所需要的所有繼電器、計數(shù)器、計時器等器件。10、圖紙簡化：傳統(tǒng)控制電路要靠畫藍圖，而藍圖不能隨哦設計的不同階段不斷更新的，采用可編程序控制器很容易做到隨時打印出更新后的電路圖。11、易于系統(tǒng)的變化：可編程序控制器可以重新編程序，所以可以滿足所控生產(chǎn)流程頻繁變化的要求。2.3 選型、選型

13、依據(jù)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，分析被控對象的復雜程度，進行i/o點數(shù)和i/o點的類型（數(shù)字量、模擬量等）統(tǒng)計，列出清單。適當進行內(nèi)存容量的估計，確定適當?shù)牧粲杏嗔慷焕速M資源的機型（小、中、大形機器）。并且結合市場情況，考察plc生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品及其售后服務、技術支持、網(wǎng)絡通信等綜合情況，選定性價比較好的plc機型。 1、 輸入點和輸出點數(shù)輸入點和輸出點一般按一定比例設置,但不同廠家的plc其設置會不同,如omron公司生產(chǎn)cpm1a型i/o比為3:2,而三菱的fx2n系列i/o比為1:1。用戶可根據(jù)實際控制系統(tǒng)所需輸入輸出信號數(shù)量和信號類型來決定plc的型號或相應的輸入輸出模塊。2、 存儲容量存儲容量

14、一般指存放用戶程序的存儲器的容量，通常用“字”或“步”來表示?！安健本褪莗lc中存放程序的地址單位，每一步占用兩個字，一條基本指令一般為一步，而復雜的功能指令往往有若干步，如omron的cpm1a型plc的存儲容量為2048字，三菱的fx2n系列plc存儲容量為8k步。3、 編程語言不同廠家生產(chǎn)的plc所用的編程語言不同，而且互不兼容。一般梯形圖和指令表是plc最常用 的編程語言。目前 ，plc編程基本上都在計算機上完成，梯形圖以其直觀、編程容易而成為主要編程語言，編制完成的梯形圖程序可直接輸入plc進行調(diào)試，用戶無需寫出指令表。但若用手持編程器編程時，要輸入指令表語句。三菱系列常用可選型號型

15、號i/o點數(shù)用戶程序步數(shù)功能指令通信功能fx0s10-30800步eeprom50無fx0n24-1282k步eeprom55較強fx2n16-256內(nèi)附8k步ram298強第三章 i/o配置3.1 i/o配置（表） i/o口配置表節(jié)點類型節(jié)點名稱節(jié)點作用輸 入x001機械手位置檢測x002機械手位置檢測x003機械手位置檢測x004機械手位置檢測x005機械手位置檢測x006機械手位置檢測x011刀具號選擇x012刀具號選擇x013刀具號選擇x014刀具號選擇x015刀具號選擇x016刀具號選擇輸 出y000刀具到位指示y001刀盤旋轉指示y002刀盤順轉y003刀盤逆轉y004換刀閃爍第四

16、章 刀盤取刀示意圖4.1機械手與調(diào)取刀具示意圖如圖所示,圖中為刀盤和機械手，1.2.3.4.5.為刀具，機械手調(diào)取刀具可以分為3種形式：(1) 調(diào)取當前刀時（圖中為1號刀）刀盤不動作。(2) 假設機械手在1號位，調(diào)取5號和6號刀時，刀盤順時針旋轉。（3）假設機械手在1號位，調(diào)取2、3、4號刀時，刀盤逆時針旋轉。 第五章 本系統(tǒng)框圖及程序5.1軟件流程圖5.2梯形圖續(xù)上圖5.3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

17、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 d192 mps93 and m094 su

18、b 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 ou

19、t 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 end5.4 本系統(tǒng)的詳細工作原理分三種情況考慮：假設機械手一直在1號位。1、調(diào)取當前當?shù)短?。機械手在1號刀位（x11閉合），d0k1，系統(tǒng)調(diào)取當前刀位的刀（x1閉合），d1=k1，兩個值相比較，d0=d1，此時，到位指示燈直接亮起，接著換刀成功指示閃爍，表示換刀完成。2、調(diào)取2-4號刀，機械手在1號刀位（

20、x11閉合），d0k1，系統(tǒng)調(diào)取當2號位的刀（x2閉合），d1=k2，兩個值相比較，d0d1，此時，d0要先加k6再減d1，（較小數(shù)減較大數(shù)計算較復雜，所以采用先加上最大數(shù)再減）d3再和k3比較，d3k3，m10,動作，刀盤逆轉。3、調(diào)取5、6號刀，機械手在1號刀位（x11閉合），d0k1，系統(tǒng)調(diào)取當5號位的刀（x5閉合），d1=k5，兩個值相比較，d0d1，此時，d0要先加k6再減d1，（較小數(shù)減較大數(shù)計算較復雜，所以采用先加上最大數(shù)再減）d3再和k3比較， d3k3，m11/m12,動作，刀盤順轉。第六章 本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境6.1 本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境本系統(tǒng)的編程是采用三菱fx系列plc編程軟件

21、:swopc-fxgp/win-c。swopc-fxgp/win-c v3.3中文版為一個可應用于fx系列可編程控制器的編程軟件。運行于windows平臺（3.1、95、98、me、2000、xp、2003等），在該軟件中，你可通過線路符號、sfc、符號表等編程語言等來創(chuàng)建順控程序，建立注釋數(shù)據(jù)及設置寄存器數(shù)據(jù)。 該程序可在串行系統(tǒng)中與plc進行通訊、文件傳送、操作監(jiān)控以及各種測試功能等。是plc編程、調(diào)試、監(jiān)控等不可多得的好幫手，可在線、離線編輯程序。第七章 系統(tǒng)的改進在加工中心上使用的刀庫主要有兩種，一種是盤式刀庫，一種是鏈式刀庫。盤式刀庫裝刀容量相對較小，一般在 124 把刀具，主要適用

22、于小型加工中心；鏈式刀庫裝刀容量大，一般在 1100 把刀具，主要適用于大中型加工中心。加工中心對自動換刀裝置有如下具體要求： 1、刀庫容量適當 。2、換刀時間短 。3、換刀空間小 。4、動作可靠、使用穩(wěn)定。 5、刀具重復定位精度高 。6、刀具識別準確。數(shù)控加工中心的自動換刀系統(tǒng)中刀具的交換方式通常有兩種：（1）采用機械手交換刀具方式（2）由刀庫與機床的相對運動實現(xiàn)刀具交換的方式前者的優(yōu)點時結構簡單，成本低，換刀的可靠性較高，但是缺點時換刀時間長，刀庫因為結構所限容量不多。而采用機械手進行刀具交換的方式在加工中心應用最為廣泛，本系統(tǒng)中的機械手采用的是單臂機械手。單臂機械手換刀時間較長，速度較慢

23、。所以，我認為本系統(tǒng)可改為雙臂機械手以及雙刀盤的形式，這樣可以有效的節(jié)省換刀時間而機械手的工作行程業(yè)大為縮短，提高換刀的速度?；蛘?，刀具庫容量較大時，可以采用鏈式刀庫則更為方便。第八章 總結機電一體化技術與系統(tǒng)課程設計是我們學完了大學的全部基礎課、技術基礎課以及專業(yè)課之后進行的，這是我們在進行畢業(yè)設計之前對所學各課程的一次深入的綜合性的總復習，也是一次理論聯(lián)系實際的訓練，因此，它在我們大學生活中占有重要的地位，生活中機電的比例也在人們生活中占據(jù)極大的比例，與我們的生活息息相關。本次課程設計的課題為刀具庫換刀系統(tǒng)，刀盤由plc（可編程序控制器）控制來實現(xiàn)其功能。我們在設計中得出了一些理論上數(shù)據(jù)可

24、能與實際數(shù)據(jù)有所出入。設計之前原有刀盤只能單向轉動，效率較低并且指示燈設計不合理，對刀成功后沒有正確與否的提示。改進后有對刀成功的指示燈閃爍提示，調(diào)取不是當前工位的刀時，系統(tǒng)能根據(jù)調(diào)取刀號的大小自動選擇最佳刀盤轉動方向，以提高取刀效率。但這在現(xiàn)實生活中還不可用。現(xiàn)實中當調(diào)試成功后還應當編寫使用說明書做到質(zhì)量可靠、穩(wěn)定有保障。不足之處應在使用中改進升級，最終達到設備安全穩(wěn)定。這次課程設計終于順利完成了，這也是我第一次做這么大型的課程設計，比以往每學期的課程設計更為復雜，難度更高，因為這次是綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，所以在設計中遇到了很多問題，我們曾經(jīng)灰心過，失落過，但是最后在老師的精心指導，耐心講解下，我

25、們悟出了其工作原理，順利的完成了設計任務。我在這次的畢業(yè)設計中，把自己在這三年所學習的專業(yè)知識又總結了一次，同時，在老師身上我學到了很多實用的知識，為日后的工作打下了堅實的基礎，在此我表示感謝！感謝老師在三年來的栽培。參考文獻1.機電一體化概論趙再軍主編 浙江大學出版社;2.plc基礎及應用廖常初主編 機械工業(yè)出版社;3.電器控制與plc丁學恭主編 浙江大學出版社;4.plc應用開發(fā)技術與工程實踐求是科編著 人民郵電出版社;5.可編程控制器系統(tǒng)開發(fā)實例導航汪曉平等編著 人民郵電出版社;6.部分資料通過internet查詢所得。致 謝彈指一揮間，大學三年已經(jīng)接近了尾聲。三年的艱苦跋涉，兩個月的精

26、心準備，畢業(yè)設計終于到了劃句號的時候，心頭照例該如釋重負，但創(chuàng)作過程中常常出現(xiàn)的輾轉反側和力不從心之感卻揮之不去。畢業(yè)設計創(chuàng)作的過程并不輕松：各種壓力的時時襲擾，知識積累的尚欠火候，致使我一次次埋頭于圖書館中，一次次在深夜奮力敲打鍵盤。第一次花費如此長的時間和如此多的精力，完成一套設計作品，其中的艱辛與困難難以訴說，但曲終幕落后留下的滋味，是值得我一生慢慢品嘗的。在這里需要的感謝的人很多，是他們讓我這大學三年從知識到人格上有了一個全新的改變。感謝我的指導老師羅建章老師，夠順利完成畢業(yè)設計，離不開他的悉心指導，他對我的設計從確定題目、修改直到完成，給予了我許多的指點和幫助。感謝他在繁忙的工作之余，擠出時間對設計提出精辟的修改意見。在此，向羅老師致以最誠摯的謝意。我也要感謝順德職業(yè)技術學院所有教育過我的老師！你們傳授給我的專業(yè)知識是我不斷成長的源泉，也是完成本設計的基礎。感謝我的爸爸媽媽，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報，你們永遠健康快樂是我最大的心愿。感謝我的室友和好友們，從遙遠的家來到這個陌生的城市里，是你們和我共同維系著彼此之間兄弟般的感情，維系著寢室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。四年里，我們沒有紅過臉，沒有吵過嘴，沒有發(fā)生上大學前所擔心的任何不開心的事情。你們