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数控加工中心刀库控制PLC设计
毕业论文
数控加工中心刀库控制PLC设计
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数控加工中心刀库控制PLC设计
[摘要]介绍了某型数控加工中心刀具库的PLC控制设计，在分析控制要求的基础上，选用S7-200CPU224控制器和EM221（CN）扩展模块，并设计出相应控制程序。
控制程序包含：
纪录当前刀具号、请求刀具号、转盘转动方向判断并确定转盘正反转、换刀定时及换刀指示灯闪烁等部分，程序结构性好、可读性强、运行效率高。
能很好地满足实用要求。
[关键词]□数控加工中心□□刀具库□□S7-200□□可编程控制器
PLCControlSystemDesignofPneumaticExperimentManipulator
[Abstract]ThenumericalcontrolmanufactureingcenterabouttoolstoreroomofPLCControlispresented，thesimaticS7-200CPU224
PLCandEM221（CN）areelected，thecontrolprogramisprojectedbasedonanalysiscontrolrequest.Thecontrolprogramismadeupofthecurrenttoolnumberrecorded、thetoolnumberrequested、theturntableturningestimatedanddirectionconfirmed、theconversiontimeandthedicatorlightglitteredabouttool，sotheprogramisfineininstructue，goodinreadingandrunfasterinefficiency.Itisverysatisfiedinapplication.
[Keywords]□thenumericalcontrolmanufactureingcenter□□toolstoreroom□□S7-200PLC□□PLC
目录
引言1
一、数控机床组成结构及工作过程1
二、数控机床PLC和NC的关系2
三、控制要求3
四、编程方法与规则4
（一）编程要求4
（二）编程方法5
五、PLC控制系统设计6
（一）I/O地址分配及PLC的选择6
（二）PLC控制程序7
六、数控机床的发展方向9
结论11
致谢12
参考文献13
附录一：
英文原文14
附录二：
英文译文16
引言
某型数控加工中心小型刀具库由八种刀具、换刀转盘和取放刀机械手组成。
该刀具库SB1～SB8按钮控制选择八种刀具，由霍尔元件构成的行程开关ST1～ST8进行刀具到位限位，机械手进行换取刀。
一、数控机床组成结构及工作过程
本例数控机床有输入、输出装置、可编程控制器、伺服系统、检测反馈装置和机床主机等组成。
如下图所示：
图1-1.1数控机床组成机构图
输入装置可将不同加工信息传递给计计算机。
在数控机床产生的初期，输入装置为穿孔纸带，现已趋于淘汰；目前，使用键盘、磁盘等，大大方便了信息输入工作。
输出指输出内部工作参数（含机床正常、理想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等），一般在机床刚工作状态需输出这些参数做记录保存，带工作一段时间后，再将输出与原始资料做比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。
数控装置只数控机床的核心与主导，完成所有加工数据的处理、计算工作，最终实现数控机床个功能的指挥工作。
它包含为计算机的电路，各种借口电路、CRT显示器等硬件及相应软件。
可编程控制器对主轴单元实现控制，将程序中的转速指令进行处理而控制主轴转速；管理刀库，进行自动刀具交换、选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命及道具刃磨次数等管理；控制主轴正反转和停止、准停、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送刀等动作；还对机床外部开关（行程开关、压力开关、温控开关等）进行控制；对输出信号（刀库、机械手、回转工作台等）进行控制。
检测反馈装置由检测元件和相应的电路组成，主要是检测速度和位移，并将信息反馈与数控装置，实现闭环控制以保证数控机床加工精度。
数控机床的工作过程如下图所示：
图1-1.2数控机床的工作过程
数控加工的准备过程比较复杂，内容多，含对零件的结构认识、工艺分析、工艺方案的制定、加工程序的编制、选用工装及使用方法等。
机床的调整主要包括刀具命名、调入刀库、工件安装、对刀、测量刀位、机床各部件状态等多项工作内容。
程序调试主要是对程序本身的逻辑问题及其设计合理性进行检查和调整。
试切成功后方可对零件进行正式加工，并对加工后的零件进行结果检测。
前三步均为待机时间，为提高工作效率，希望待机时间越短越好，越有利于机床合理使用。
该项指标直接影响对机床利用率的评价即（机床实动率）。
二、数控机床PLC和NC的关系
PLC用于通用设备的自动控制，称为可编程控制器。
PLC用于数控机床的外围辅助电气的控制，称为可编程序机床控制器。
因此，在很多数控系统中将其称之为PMC（programmablemachinetoolcontroller）。
控制系统有两大部分，一是NC、二是PLC，这两者在数控机床所起的作用范围是不相同的。
可以这样来划分NC和PLC的作用范围：
（1）、实现刀具相对于工件各坐标轴几何运动规律的数字控制。
这个任务是由NC来完成；
（2）、机床辅助设备的控制是由PLC来完成。
它是在数控机床运行过程中，根据CNC内部标志以及机床的各控制开关、检测元件、运行部件的状态，按照程序设定的控制逻辑对诸如刀库运动、换刀机构、冷却液等的运行进行控制。
在数控机床中这两种控制任务，是密不可分的，它们按照上面的原则进行了分工，同时也按照一定的方式进行连接。
NC和PLC的接口方式遵循国际标准“ISSO4336-1981（E）机床数字控制－数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范”的规定，接口分为四种类型：
（1）、与驱动命令有关的连接电路；
（2）、数控装置与测量系统和测量传感器间的连接电路；
（3）、电源及保护电路；
（4）、通断信号及代码信号连接电路；
从接口分类的标准来看，第一类、第二类连接电路传送的是数控装置与伺服单元、伺服电机、位置检测以及数据检测装置之间的控制信息。
第三类是由数控机床强电电路中的电源控制控制电路构成。
通常由电源变压器、控制变压器、各种断路器、保护开关、继电器、接触器等构成。
为其他电机、电磁阀、电磁铁等执行元件供电。
这些相对于数控系统来讲，属于强电回路。
这些强电回路是不能够和控制系统的弱电回路直接相连接的，只能够通过中间继电器等电子元器件转换成直流低压下工作的开关信号，才能够成为PLC或继电器逻辑控制电路的可接受的电信号。
反之，PLC或继电器逻辑控制来的控制信号，也必须经过中间继电器或转换电路变成能连接到强电线路的信号，再由强电回路驱动执行元件工作。
第四类信号是数控装置向外部传送的输入输出控制信号
三、控制要求
数控加工中心小型刀具库工作时，首先由PLC纪录当前刀号；换刀时，根据所需刀具按下SB1～SB8中的相应按钮，PLC纪录该刀号，然后刀盘按照请求刀号最近的方向转动，转盘转到相应刀位时，定位指示灯亮，机械手开始换刀，且换刀指示灯闪烁，5s后换刀结束，换刀指示灯熄灭，换刀过程中，其它换刀请求信号均无效；换刀完毕，记录当前刀号，等待下一次换刀请求。
结构示意如图2-1.1所示。
图2-1.1
四、编程方法与规则
可编程控制器主要靠运行程序工作，要使可编程控制器充分发挥作用，除了选用正确的可编程控制器型号，合适的检测和执行装置，合理规划系统结构之外，编制出一个高质量的可编程控制器工作程序也是很重要的。
（一）编程要求
1、所编的程序要合乎所使用的PLC的有关的规定主要是对指令要准确地理解，正确地使用。
各种PLC指令多有类似之处，但还有些差异。
对于有PLC使用经验的人，当选用另一种不太熟悉的型号进行编程设计时，一定要对新型号PLC的指令重新理解一遍，否则容易出错。
2、要使所编的程序尽可能简洁简短的程序可以节省内存，简化调试，而且还可节省执行指令的时间，提高对输入的响应速度。
要使所编的程序简短，就要注意编程方法，用好指令，用巧指令，还要能优化结构。
要实现某种功能，一般而言，在达到的目的相同时，用功能强的指令比用功能单一的指令，程序步数可能会少些。
3、要使所编的程序尽可能清晰这样既便于程序的调试、修改或补充，也便于别人了解和读懂程序。
要想使程序清晰，就要注意程序的层次，讲究模块化、标准化。
特别是在编制复杂的程序时，更要注意程序的层次，可积累自己的与吸收别人的经验，整理出一些标准的具有典型功能的程序，并尽可能使程序单元化，像计算机中的常用的一些子程序一样，移来移去都能用，这样，设计起来简单，别人也易了解。
4、要使所编的程序合乎PLC的性能指标及工作要求所编程序的指令条数要少于所选用的PLC内存的容量，即程序在PLC中能放得下，所用的输入、输出点数要在所选用PLC的I/O点数范围之内，PLC的扫描时间要少于所选用PLC的程序运行监测时间。
PLC的扫描时间不仅包括运行用户程序所需的时间，而且还包括运行系统程序，（如I/O处理、自监测）所需的时间。
5、所编程序能够循环运行PLC的工作特点是循环反复、不间断地运行同一程序。
运行从初始化后的状态开始，待控制对象完成了工作循环，则又返回初始化状态。
只有这样才能使控制对象在新的工作周期中也得到相同的控制。
（二）编程方法
常用的PLC编程方法有经验法、解析法、图解法。
1、经验法即是运用自己的或别人的经验进行设计，设计前选择与设计要求相类似的成功的例子，并进行修改，增删部分功能或运用其中部分程序，直至适合自己的情况。
在工作过程中，可收集与积累这样成功的例子，从而可不断丰富自己的经验。
2、解析法可利用组合逻辑或时序逻辑的理论，并运用相应的解析方法，对其进行逻辑关系的求解，然后再根据求解的结果，画成梯形图或直接写出程序。
解析法比较严密，可以运用一定的标准，使程序优化，可避免编程的盲目性，是较有效的方法。
3、图解法图解法是靠画图进行设计。
常用的方法有梯形图法、波形图法及流程法。
梯形图法是基本方法，无论是经验法还是解析法，若将PLC程序转化成梯形图后，就要用到梯形图法。
波形图法适合于时间控制电路，将对应信号的波形画出后，再依时间逻辑关系去组合，就可很容易把电路设计出。
流程法是用框图表示PLC程序执行过程及输入条件与输出关系，在使用步进指令的情况下，用它设计是很方便的。
五、PLC控制系统设计
（一）I/O地址分配及PLC的选择
图3-1.1
根据数控加工中心小型刀具库的控制要求，需要输入端子16个，输出端子4个，其中转盘正转（S）、反转（Y）由PLC输出直接控制其驱动设备。
因此，选用S7-200CPU224PLC和EM221（CN）扩展模块。
S7-200CPU224共有输入端子14个，输出端子10个，采用晶体管直流型，EM221用8输入端子直流型。
PLC的I/O地址分配及控制接线如图3-1.1所示。
此处，为保护PLC正常运行，接24V外部直流时，需要进行过流保护、短路保护和接地处理，未接地的直流电源公共端M与保护地PE之间用RC并联电路连接，电容和电阻值分别为4700pF和1MΩ，电阻提供静电释放通路，电容提供高频噪声通路。
定位指示灯亮和换刀指示灯为LED指示灯，需要分别串接一个2.5KΩ的限流电阻R1和R2。
（二）PLC控制程序
根据控制要求，设计出数控加工中心小型刀具库的PLC控制梯形图程序如图3-2.1（第八页）所示，程序由纪录当前刀具号、请求刀具号、转盘转动方向判断并确定转盘正反转、换刀定时及换刀指示灯闪烁等部分组成。
（1）网络1~8为记录当前刀号梯形图。
当1号刀具处在机械手的位置时，霍尔元件动作，即ST1动作，梯形图中I1.1闭合，将常数1传入至数据寄存器VW0中；当2号刀具处在机械手的位置时，霍尔元件动作，即ST2动作，梯形图中I1.2闭合，将常数2传入至数据寄存器VW0中。
以此类推，记录当前的刀具号。
（2）网络9~16为记录当前请求刀号的梯形图。
当请求选择1号刀具时，按下1号刀具选择按钮SB1，将常数1传入至数据寄存器VW2中，同时使得M0.5置位，其它请求信号无效：
同理，当请求选择2号刀具时，按下2号刀具选择按钮SB2，将常数2传入至数据寄存器VW2中，同时使得M0.5置位，其它请求信号无效。
以此类推，记录当前的请求刀具号。
（3）网络17为当前位置纪录刀具号与请求刀具号的运算比较梯形图程序，网络18为刀具转盘转动方向判断，网络19、20为确定刀具转盘正反转、网络21～23为换刀定时及换刀指示灯闪烁等。
当M0.5置位后，通过比较指令使得：
第一，如果数据寄存器VW0>VW2，则M0.0闭合，执行减法运算VW0-VW2，运算结果存入VW6中，然后将VW6在网络18中进行比较。
若VW6>K4，则刀具盘离请求刀号顺转方向最近，M1.1闭合，使得M2.2闭合，继而Q0.2闭合，电动机带动刀具盘顺转：
若VW6=K4，则刀具盘离请求刀号顺转或逆转路径都相同，为设计编程方便，均按顺转处理，此时M1.2闭合，使得M2.3闭合，继而Q0.2闭合，电动机带动刀具盘顺转；若VW6最后VW0=VW2时，
图3-2.1
机械手进行换刀。
第二，如果数据寄存器VW0=VW2，则M0.1闭合，使得Q0.0闭合，到位指示灯亮，网络21、网络22中的Q0.0的常开触点闭合，机械手开始换刀，网络21中在定时器T39和T40构成的频闪电路作用下，由Q0.1驱动换刀指示灯按1s频率闪烁。
经过5s后，T37动作，网络24中M0.5复位，换刀结束。
第三，当VW0由于VW0
六、数控机床的发展方向
我国目前各种门类的数控机床都能生产，水平参差不齐，有的是世界水平，有的比国外落后10-15年。
近几年随着中国制造的崛起，数控设备的发展方向主要集中在六个方面：
智能化、网络化、高速化、高精度、符合、环保。
目前德国和瑞士的机床精度最高，综合起来，德国的水平最高，日本的产值最大，美国的机床业一般，中国大陆、韩国、台湾属于同一水平。
但就门类、种类多少而言，我们应该能进世界前4名。
目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。
当今数控机床正在朝着一下几个方向发展。
高速度、高精度化。
速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。
目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度。
同时，采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度，并采用直线电动机直接驱动机床工作台的直线伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越。
采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。
为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电动机与机床主轴一体化，主轴电机的轴承采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式。
目前，陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。
多功能化。
配有自动换刀机构（刀库容量可达１００把以上）的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工。
数控系统由于采用了多ＣＰＵ结构和分级中断控制方式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的“前台加工，后台编辑”。
为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远距离串行接口，甚至可以联网，实现数控机床之间的数据通信，也可以直接对多台数控机床进行控制。
智能化。
现代数控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。
具有自诊断、自修复功能，在整个工作状态中，系统随时对ＣＮＣ系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。
一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等。
还可以自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工作环境的要求。
为实现更高的故障诊断要求，其发展趋势是采用人工智能专家诊断系统。
数控编程自动化。
随着计算机应用技术的发展，目前ＣＡＤ／ＣＡＭ图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。
它是利用ＣＡＤ绘制的零件加工图样，再经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成ＮＣ零件加工程序，以实现ＣＡＤ与ＣＡＭ的集成。
随着ＣＩＭＳ技术的发展，当前又出现了ＣＡＤ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ集成的全自动编程方式，它与ＣＡＤ／ＣＡＭ系统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的ＣＡＰＰ数据库获得。
可靠性最大化。
数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。
数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，来提高可靠性。
通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化和通用化及系列化，使得既提高硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。
还通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。
利用报警提示，及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀损、干扰、断电等各种意外时，自动进行相应的保护。
控制系统小型化。
数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。
目前主要采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度安装，较大规模缩小系统的占有空间。
而利用新型的彩色液晶薄型显示器替代传统的阴极射线管，将使数控操作系统进一步小型化。
这样可以方便地将它安装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。
结论
该数控加工中心小型刀具库采用PLC控制，控制程序采用结构化设计思想，将控制程序分为：
纪录当前刀具号、请求刀具号、转盘转动方向判断并转位、换刀定时及换刀指示灯闪烁等部分，分别编出各部分程序，最后集成总控程序，该控制程序结构性好、可读性强、编程与运行效率高。
该数控加工中心小型刀具库PLC控制系统经使用，性能稳定、经济适用、效果良好。
PLC控制的数控加工中心刀具库自动选择的应用设计，适用于经济型数控加工中心和普通数控加工中心的改造。
采用该设计方案数控加工中心，能够缩短换刀时间，优化数控加工中心设备的加工性能，提高数控加工中心的工作效率和经济效益。
致谢
在本次论文设计过程中，对该论文从选题、构思到最后定稿的各个环节给予我细心指引与教导，使我得以最终完成毕业论文设计。
在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，老师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。
这四年中我还得到众多老师的关心支持和帮助。
在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！
最后，我还要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。
同时，本篇毕业论文的写作也得到了许多同学的热情帮助。
感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，在此，我再一次真诚地向帮助过我的老师和同学表示感谢！
参考文献
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附录一：
英文原文
Inthemachiningoftheworkpiece,thetoolmagazineoftheCNCmachiningcentertobebasedonprocessingrequirementstoolautomatictoolchanger,toolchangerCNCmachinetoolsingeneralhastwocontrolmethods,thatis,fixedaccesstothetoolchangercontrolandrandomaccesstoolchangercontrol. Fixedaccesstothetoolchangercontrol,thelocationofeachtoolinthetoolmagazineisfixed. Tool（CNCtotheTcode）instructionisbasedonthepocketnumberoftheaccessaddresstocontroltheknifekepttheknifeaction. Ie,wheretheoriginalknives,knifesetnumberafteruse,stillthereturnofthatknifesets. Inthecontroloftherandomtoolchange,butalsothelocationoftheknifeistherandomtoolselection（CNCT-code）instructionhasnothingtodowiththepocketnumberisrandomchangesininstr
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