加工中心atc电气控制系统设计.docx
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加工中心atc电气控制系统设计
摘要
针对目前制造行业机电一体化程度不高加工精度和质量不高等问题，经过专门的调查、查阅参考文献、研究、优化设计、计算和实际中的运用状况，本课题通过来自参考资料以及书籍、网络的信息，分析了制造企业的设备情况并了解机电一体化的程度，目前现代数控机床的各种自动换刀装置均是利用PLC（可编程序控制器）实现软件选刀和控制换刀，即利用PLC的存储记忆等功能进行识刀和选刀，这样刀库上的刀具与主轴上的刀具可任意交换，即随机换刀。
所以维修人员应充分利用数控系统中内置的或外置式的PLC信息，根据自动换刀控制的工作原理，结合PLC梯形图分析逻辑关系，查询PLC的I/O接口状态，分析故障产生的原因，确定故障发生的部位，快速准确地排除故障。
本次毕业设计对PLC控制机械换刀有一个感性的认识，能够进行简单的电气设计，掌握选择电气原件的方法，掌握PLC的选型以及简单编程应用
关键词：
PLC；电气控制；硬件选型；
第1章绪论
1.1引言
随着科技的进步，机械制造业也在日新月异地变化着，对机械产品的要求也日趋严格，特别是在加工精度方面，必须协调产品加工中的每个方面。
当今信息化技术在现代制造业的普及和发展，机械和电气的结合运用不仅提高了机床的精度而且加工效率大大提升为企业的发展注入活力，为了进一步减少非切削时间，数控机床正朝着在一台数控机床的一次装夹中完成多工序加工的方向发展，这类机床必须带有自动换刀系统，通过PLC，换刀过程是刀库、机械手和主轴三者之间的联动关系。
也就是要完成三者之间的动作顺序、自锁、互锁、定时等逻辑控制。
1.2主要机械结构分析
刀库结构示意图：
第2章PLC在ATC中的应用
随着我国新型工业化的进程，数控加工中心等机床在机械制造业中的应用范围和水平有了很大的提高，箱体类特别是零件和复杂曲面零件非常适合在加工中心上完成多工序加工。
加工中心是目前世界上产以缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有ATC（自动换刀）装置，因此加工中心的加工能力和效率比普通的数控铣床有了很大的提高。
自动换刀系统的性能将直接影响机床的换刀效率和机床的加工性能。
由于加工中心是一种高技术含量的机电一体化产品，自动换刀装置的控制系统本身及相关机械结构的复杂，因此在实际的生产维护、维修过程中，需要技术人员具备较高的机电复合知识和技能现代数控机床的各种自动换刀装置均是利用PLC（可编程序控制器）实现软件选刀和控制换刀，即利用PLC的存储记忆等功能进行识刀和选刀，这样刀库上的刀具与主轴上的刀具可任意交换，即随机换刀。
所以维修人员应充分利用数控系统中内置的或外置式的PLC信息，根据自动换刀控制的工作原理，结合PLC梯形图分析逻辑关系，查询PLC的I/O接口状态，分析故障产生的原因，确定故障发生的部位，快速准确地排除故障。
在加工中心等数控机床的实际生产应用过程中，自动换刀系统是发生故障最频繁的部件之一，远高于其它部件或系统，据统计换刀装置的故障约占常见故障数的1/3。
但是，由于一般的数控机床主机厂商都是外购ATC装置，因此，机床厂很少能把ATC的控制原理和结构图纸提供给实际用户，这也给我厂商都是外购ATC装置，因此，机床厂很少能把ATC的控制原理和结构图纸提供给实际用户，这也给我中的应用来帮助理解和分析同类装置的控制原理和维修方法
2.1ATC的基本结构和动作过程
自动刀具交换动作步骤如下：
1、程序执行到选刀指令T码时，系统通过方向判别后，控制刀库电动机正传或反转，刀库中的刀位计数开关开始计数，当刀库上所选的刀具转到换刀位置后，旋转刀库电动机立即停止转动，完成选刀定位控制。
2、当T码执行后，倒刀电磁阀线圈获电，气缸推动选刀的刀套向下翻转90度（倒下），倒刀到位检测信号开关发出信号，完成倒刀控制，同时这个信号还是交换刀具的开始信号。
3、执行到刀具交换指令，交换指令一般为M06，首先主轴自动返回换刀点，且实现主轴准停，然后换刀电动机起动运行，通过中间凸轮传动机构是机械手逆时针转动90度，进行机械手抓刀控制，当机械手扣刀定位开关发出到位信号后，换刀电动机立即停止运转，主轴刀具夹紧装置自动松开。
4、主轴刀具松开后，换刀电动机起动运行，通过凸轮传动机构是机械手下降，进行拔刀控制。
5、机械手完成拔刀后，换刀电动机继续运转，带动机械手逆时针转动180度，使主轴刀具与刀库刀具交换位置。
换刀电动机继续运转，带动机械手上升，把交换后的刀具插入主轴锥孔和刀库的刀套中。
机械手完成插刀后，换刀电动机停止开关发出信号使电动机立即停止运转。
刀具插入主轴锥孔后，刀具自动夹紧机构夹紧刀具。
6、当机械手扣刀到位检测信号开关再次接通后，换刀电动机运行带动机械手顺时针转动90度，回到机械手原点位置。
机械手原点到位开关接通后，换刀电机立即停止运转。
7、机械手原点到位开关接通后，回刀电磁阀线圈获电，气缸推动刀套向上翻转90度，为下一次选刀做准备。
回刀气缸伸出定位开关接通，完成整个换刀控制。
2.2ATC换刀方式及功能实现
根据刀具与刀库的位置关系可将刀库分成两类：
一类是刀具在刀库中的位置固定不变，称为机械随机控制。
根据来自机床刀库的位置信息和T命令按照给出的命令控制系统决定刀库的旋转方向要求的步数等，每个刀具和刀套（刀鞘）有一一对应关系，通常在主轴和刀库之间以“中间刀套”提供换刀，不用ATC命令而用ROT命令也可以进行此控制;另一类是刀具在刀库中的位置会发生改变，即当刀库旋转时，刀库号和刀具号之间的关系会发生改变，也称为记忆模式随机控制。
根据来自机床刀库的旋转或位置的信息控制系统指出储存在自动模式中的刀具号刀库的寻址刀库旋转的方向和步数由给出的T命令和储存在自动模式中的刀具号确定，每个刀具和刀套（刀鞘）并不总是有一一对应关系，通常不提供“中间刀套”。
西门子系统PLC自动换刀刀具在刀库中的位置随着刀库的旋转发生变化，根据刀具数据表中刀具号与刀库号指针）相对位置的变化方式可分为浮动指针系统和刀台旋转系统，见图3。
浮动指针系统即刀具数据表中刀具号在刀盘中的位置固定不动而刀库号（指针）随刀库的旋转而发生变化，变化方式由指针向前、反向旋转命令（ATCK5、ATCK6）来控制，确定当前刀位所对应的刀具号。
刀台旋转系统是刀具数据表中刀库号（指针）的位置固定不动而刀盘中的刀具号随刀库的旋转而变化，变化方式由刀台向前、反向旋转命令（ATCK7、ATCK8）控制，确定当前刀位所对应的刀具号。
在浮动指针系统和刀台旋转系统中刀库的位置由记录当前刀位号的指针来确定，并且在刀台旋转系统中指针始终为零，即指向数据表的起始处。
这类刀库是刀具的位置不唯一确定，换刀过程与第一类刀库有所不同：
首先由指针（记录当前刀位号）确定刀库位置，根据T命令给出的要求更换的刀号，由刀具搜索命令（ATCK1）找到所要求更换的刀号，把输出在刀库中的位置（刀库号）作为旋转体转位命令（ROK1）中的目标刀号，利用该命令来确定刀库的旋转方向和步数，最后利用换刀命令（ATCK3、ATCK4）将要求更换的刀具与被更换的刀具的数据进行交换。
2.3西门子PLC在ATC中的应用
通过对加工中心换刀过程分析，可以总结出在T命令或刀具改变命令期间ATC和ROT命令的使用顺序和换刀过程，见图4
西门子PLC专用命令在换刀过程中的梯形图程序见图5。
如刀库上可装16把刀具，刀具在刀库中的位置唯一确定，因此属于第一类刀库。
换刀过程采用固定指针系统，通过环形计数器命令（ROTK3）记录当前刀位的刀号来确定刀库位置。
利用旋转体转位命令fROTK1）来确定刀库旋转方向和步数。
其换刀过程是：
在刀库旋转时，利用环形计数器命令记录当前刀位的刀号来确定刀库位置，由T命令来确定所要更换的刀具号并作为目标刀位的刀号，利用旋转体转位命令（ROTK1）来确定刀库旋转方向和步数（根据最短路径原则
第3章元器件的选择
3.1PLC的选择及主要参数
S7 200 系列可编程控制器中央处理单元有 CPU221、CPU222、CPU224 和
CPU226等 CPU221有 4个数字输入 6个继电器（或DC）输出，CPU221无I/O扩展能力；CPU222有8个数字输入、6个继电器（或DC）输出，CPU224可以扩展 2 个 I/O 模块；CPU224 有 14 个数字输入、10 个继电器（或 DC）输出。
CPU224 可以扩展7个I/O模块；CPU224XP可以有14 个数字输入、10个继电器（或DC）输出、2 个模拟量输入和 1 个模拟量输出，CPU224XP 可以扩展 7 个 I/O 模块； CPU226有24个数字输入、16个继电器（或DC）输出，CPU226可以扩展 7个I/O 模块。
其中CPU226N晶体管输出方式如图一所示：
这次设计选择的PLC是西门子的S7—200 系列可编程序控制器CPU226N。
主要通过控制PLC对各个站点进行控制，PLC是本设计的重点。
S7 200 系列可编程控制器中央处理单元有 CPU221、CPU222、CPU224 和
CPU226等 CPU221有 4个数字输入 6个继电器（或DC）输出，CPU221无I/O扩展能力；CPU222有8个数字输入、6个继电器（或DC）输出，CPU224可以扩展 2 个 I/O 模块；CPU224 有 14 个数字输入、10 个继电器（或 DC）输出。
CPU224 可以扩展7个I/O模块；CPU224XP可以有14 个数字输入、10个继电器（或DC）输出、2 个模拟量输入和 1 个模拟量输出，CPU224XP 可以扩展 7 个 I/O 模块； CPU226有24个数字输入、16个继电器（或DC）输出，CPU226可以扩展 7个I/O 模块。
其中CPU226N晶体管输出方式如图一所示：
这次设计选择的PLC是西门子的S7—200 系列可编程序控制器CPU226N。
主要通过控制PLC对各个站点进行控制，PLC是本设计的重点。
PLC的主要参数：
特征 CPU226N
外型尺寸 190×80×62
程序存储器
可在运行下编辑16384字节
不可在运行下编辑 24576字节
数据存储区 10240字节
掉电保持时间 100小时
本机I/O
数字量24入/16出
模拟量
扩展模块数量 7个模块
高速计数器
单相6路30KIHZ
双相 4路20KIHZ
脉冲输出（DC） 2路20KHZ
模拟电位器 2
实时时钟内置
通讯口 2 RS—485
浮点运算有
I/O映像区 256（128入/1228出）
布尔执行速度 0.22us/指令
备：
PLC的电源需要一个DC24V开关电源提供。
开关电源：
常规直流线性电源由变压器、整流桥、滤波电容和稳压器件组成，开关电源通过控制开关的导通占空比控制输出电压，它比常规的直流线性电源体积小、质量轻，所以近年来得到了大量的应用，它的输出电压可以有很多种，并同时也可以有多种输出。
常用的电压输出有DC5V、DC6V、DC10V、DC12V、DC15V、DC24V 等，本次设计中 PLC 供电电源是 DC24V，选用的 AC220V 转变成 DC24V 的开关电源。
3.2西门子s7-300外部端子示意图
输入端接线图（I端）：
输出端接线图（Q端）：
3.3步进电机选择
作用：
主要应用在刀库，控制刀库的正反转和机械手的换刀运动
步进电机与步进驱动器在一些不需要太高精度和太高动态性能的情况下，应用非
常广泛，它可以直接实现同步控制和定位控制而不需要像编码器那样的反馈信号，
步进电机的主要参数是步距角、工作转矩、保持转矩、定位转矩、
空载起动频率、最高运行速度、控制方式、电压电源等。
步进电动机的最小步距角决定了步进电动机的开环控制精度，因此步距角是步进电机最重要的参数之一。
由于步进电机控制方式有相数之分，所以步进电机及步进电机驱动器要配套使用。
3.4元器件清单
元器件清单
序号
名称
型号
规格
数量
备注
电器代号
1
PLC电源模块
PS307
120/230VAC；24VDC，2A
1
西门子
PS307-2A
2
PLCCPU单元
CPU315-2DP
1
西门子6ES7315-2AG10-0AB0
CPU315-2DP/A1
3
PLC输入模块
SM321
16点输入，24VDC
3
西门子6ES7321-1BH02-0AA0
SM321/A2，SM321/A3
4
PLC输出模块
SM322
16点输出，24VDC，0.5A
2
西门子6ES7322-1BH01-0AA0
SM322/A4，SM322/A5
5
DIN导轨
482mm
1
西门子S7-300的机械安装架
6
按钮
9
施奈德
7
转换开关
1
施奈德
8
指示灯
3
施奈德，其中一个为220V电压
9
按钮灯
18
施奈德
10
急停按钮
1
施奈德
11
接触器
3
欧姆龙
12
继电器
3
欧姆龙
13
热继电器
2
欧姆龙
14
开关电源
1
台湾明纬
15
变压器
1
16
CP5511通讯卡
1
西门子
17
CP5611通讯卡
1
西门子
18
空气开关
1
正泰
19
空气开关
1
正泰
20
空气开关
5
正泰
21
台式电脑
1
22
接线端子
若干
施奈德
23
RC灭弧电路
2
24
熔断器
4
3.5电气原理图开关布局
电器原理图
开关布局图
第4章安装工艺要求
硬件要求：
在安装硬件的时候，要求接线美观、固定牢靠。
首先在接线
的时候应对硬件的作用有一个充分的了解。
要做到心中有图，并在控制安装
面板上找到一个合适的位置，要求在此处位置最直观、接线的路径最短，也
最有利于接线人员的施工。
在固定硬件的时候，在安装面板上固定一定要牢
靠，不能出现松动的现象，在安装完毕的时候，应用手测试一下是否牢靠。
在固定位置的选择上也要有所思考，我们应该选择最有利于接线、美观、经
济、牢固的安装位置。
（有时还要考虑到供电线路对传输数据线的干扰问题），
这些在硬件安装的时候都应考虑到。
走线槽也属于硬件安装的规范中，线槽
的安装要求固定牢固，横平竖直美观，在可以的情况下可以为接线人员做些
人性化的处理。
接线要求：
要按照国际电工委员会（IEC）的标准接线。
在接线的时候
要对线路图有充分的认识，也要一定的规律接线：
上进下出、左进右出、
上正下负、上正下负。
这样在出错的时候便于检查。
首先对照电路图把线号
打印出来，打印线号的时候，应考虑好线径的大小，选择合适的套管，字体
的设计要统一，剪切长度相同（有助于美观）。
在固定接线端子时，要确定
端子是否接好，防止脱落，这种错误不容易检查出来。
所以要求接线人员要
有耐心和细心。
在接线时应对接线的顺序、走向要清楚，避免走多线、走长
线这样可以减少成本的投入。
走线时候线要全部经过接线槽，不允许直接从
元器件中间走线，在走线的时候应考虑好走线的方向问题，尽量选择最短的
路径走线充分利用能源，尽量避免一个线槽是满的而其他的线槽中是空的，
分配要均匀。
在接线的时候一定要确定线与元器件的连接是否牢固，防止假
线的出现。
（这种对检测有很大的麻烦）在接线完成之后，第一次检查完成，
将线槽的盖板套装上，最外部的线进行修饰，利用扎带与缠绕带进行固定和
美观。
总结：
安装工艺要求主要就是：
美观、简洁、实用、可靠、经济
第6章结论
三年的大学生活即将接近尾声。
在完成毕业设计课题的过程中，
但总感觉自己三年好像没学到多少东西，有种力不从心的感觉，对知识的掌握总是一知半解的，各种压力时常袭扰，知识积累的不扎实，致使在做课题时有得将忘记的再看一遍。
第一次花费如此长的时间和如此多的精力自己去设计一套完整的设计作品。
在这里需要感谢的人太多，是他们让我从新认识到大学所学的不只是知识。
当我刚看到我的毕业设计课题时，觉得无从下手，所有的设计都需要自己去看书，去查资料做，我的指导老师姜晓强老师给予了我很大的帮助，在老师的逐步指导下，我顺利地完成了学院布置的毕业设计，姜老师不仅是在每周的定点定时辅导，而且在课外，利用业余时间给我多次单独辅导，还通过电话督促、辅导我，给予了我许多的指点和帮助，感谢他在繁忙的工作之余，挤出时间对设计提出精辟的修改意见。
我与毕业设计的同组同学进行学习的交流，彼此都给了对方宝贵的意见，我也随着毕业设计的完成，代表着我的大学生活也即将结束了，将走上自己的工作岗位，进入一个更大的群体。
经过这次的毕业设计，我不仅将大学三年的知识回顾了一遍，让我懂得了学习过程中重要的是态度，而且学到了新知识，使实践与理论相结合，更加固自己所学的知识，同时自己也感到了在理论和实践中欠缺和不足。
这次毕业设计是考验我们大学这三年来所学的知识，它要求我们能将大学三年来所学到的知识能够融会贯通并且熟练运用，使我们能够达到理论联系实际，培养我们的综合运用知识的能力以及解决问题的能力。
总而言之，在做毕业设计的过程中充分认识到自己有好多不足，基础知识掌握的不扎实，缺乏空间想象力，其实，这次毕业设计是对我们大学生三年所学知识的检阅，使我懂得了自己对知识掌握的很肤浅，即使我们毕业了，我们的求学路还很长。
俗话说：
“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。
”争取是自己成为对社会有贡献的人。
本次毕业设计培养和锻炼了我综合运用所学知识分析和解决实际问题的能力，培养了初步的研究和创新的能力，充分认识到电气知识的重要性，在以后的工作中我将会继续学习这方面的知识，目前而言在学校学的打下了一定的基础，所以我该加倍努力争取在新的起跑线上能比他人迈的更快
参考文献
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机械加工业出版社，2006.5
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机械工业出版社，2007.1
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清华大学出版社，2004.5
[4]孙学强.机械加工技术[M].北京：
机械工业出版社，1999.4
[5]罗光伟.可编程控制器教程].北京：
电子科技大学出版社，2004.1
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机械工业出版社，1991.9
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机械工业出版社，1997.3
[8]李云.机械制造工艺学.北京：
机械工业出版社，1995.1
[9]西门子 S7-300 可编程序控制手册．西门子（中国）有限公司
[10]姚福来．电气自动化工程师速成教程北京：
机械工业出版社，1999．10
致谢
通过八周的的忙碌和学习，本次毕业设计已接近尾声。
在这里衷心感谢指导老师的督促指导，以及一起学习的同学们的支持，让我按时完成了这次毕业设计。
此刻我的心中却有些怅然若失，因为我们即将和大学生活挥手告别了在毕业设计过程中，我遇到了许许多多困难，在此我感谢我的指导老师姜老师在实习工作中给我的悉心的帮助和对我耐心细致的指导。
解决问题。
他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作，我才得以解决毕业设计中遇到的种种问题，同时感谢我院、系领导对我们的教导和关注。
我对自己大学三年来所学的知识有更多的认识。
最后我要诚挚地感谢我的家人，使他们无微不至的关怀、一贯的体谅与支持，使我能在工作和学习上不断地前进向所有关心我的亲人、老师、同学和朋友们表示深深的谢意。
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