加工中心刀具库选择PLC控制系统设计.docx

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加工中心刀具库选择PLC控制系统设计

序号（学号）:

201030110233

湖北理工修院

课程设计说明书

课程名称可编程控制器课程设计

教学院机电工程学院

专业机械制造与自动化

班级10机电二班

姓名许子超

指导教师鄢圣华修云

2012年12月120

2012〜2013学年第1学期

课程设计任务书

设计名称：

PLC控制系统设计

班级：

10机电专2

地点：

K1-303

一、课程设计目的

本设计的目的是通过课程设计的实践，使学生巩固和深化对PLC理论知识的理解；培养学生运用所学PLC知识和技能，配合相关技术资料的查询，独立分析和解决生产实际中有关工业控制实际问题的能力；进一步提高学生对PLC控制系统分析、设计的能力。

二、课程设计内容（含技术指标）

（三）课题三加工中心刀具库选择PLC控制系统设计

A、控制要求：

1.系统工作受开关控制：

启动开关0N则系统工作；启动开关OFF则系统停止工作。

2.系统应具备下列几项控制功能：

1）按下刀具选择按钮，控制开始，PLC记录当前刀号A,等待请求。

2）按请求信号，PLC记录请求刀号B。

3）刀具盘按照离请求刀具号最近的方向转动，到位符合后，显示符合指示。

4）机械手刀开始换刀，显示换刀指示闪烁。

5S后结束。

5）记录并显示当前刀具号等待请求。

6）换刀过程中，其它请求信号均视为无效。

3.系统提供的输入控制信号：

SIN1

一号刀位

SIN2

二号刀位

SIN3

三号刀位

SIN4

四号刀位

SIN5

五号刀位

SIN6

六号刀位

P01

一号刀具选择按钮

P02

二号刀具选择按钮

4.控制系统控制程序设计调试2天

5.设计资料软硬件联机调试2天

6.设计资料汇总、撰写设计报告2天

7.答辩1天

四、基本要求

通过本课程设计的实验教学有计划的培养和训练，应达到以下诸方面的要求。

1.了解可编程控制器的原理、硬件结构；

2.掌握基本的PLC编程语言；

3.掌握系统硬件配置的方法与步骤；

4.掌握PLC软件编程与调试的操作方法与步骤。

机械电子系

2012年12月

摘要

加工中心（MachiningCenter）简称MC,是由机械设备与数控系统组成的适用于复杂零件的高效率自动化机床。

它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。

随着科学技术的发展世界先进制造技术的兴起和不断成熟，而对作为现代制造业非常重要的加工中心提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对加工中心的各种组成部分提出了更高的性能指标。

由于加工中心备有刀具库，大大增加了刀具的储存容量。

有利于提高主轴的刚度，独立的刀库，大大增加了刀具的储存数量，有利于扩大机床的功能，并能较好的隔离各种影响加工精度的干扰因素。

关键词：

刀库；存储；功能；自动控制

冃！

可编程控制器（Piograniinablelogiccontroller）,简称PLC,它是20世纪70年代以來，在继承集成电路、计算机技术基础上发展起來的一种新型工业控制设备。

由于具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外己广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为现实工业生产子偶的呢规划的支柱产品。

近年來，国内在PLC技术与产品开发应用方面发展很快，除有许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国内的机床设备己越來越多釆用PLC控制系统。

采用控制系统取代传统的继电一接触器控制系统，体积小，价格上能与继电一接触器控制系统竞争，易于在现场变更程序，便于使用、维护、维修，能直接推动电磁阀接触器与之相当的执行机构，能向中央执行机构、中央数据处理系统直接传播数据等。

本设计采用PLC对刀具库系统的自动控制，自动换刀装置在随机换刀时只识别刀具不识别刀套，因此可以把刀具编号，并且按顺序将刀具插入刀库中对应号和刀套上。

由数控系统的PLC设定刀号，使刀具号和刀库中的刀套地址对应的记在PLC±,一经设定，机床在以后的使用中，不论刀具在哪个刀套上PLC始终记忆着它的踪迹。

简化了控制系统的硬件和界限，减小了控制器的体积，提高了控制系统的灵活性，同时，PLC有较完善的自诊断和自保护能力，可以增强系统的抗干扰能力，提高系统的可靠性。

应用表明，PLC的简洁、快捷在自动换刀装置中得到了广泛的应用。

课程设计任务书

摘要

前言

第一章PLC基本介绍1

1.1PLC介绍7

1.2PLC的组成7

第二章PLC的工作原理9

2.1PLC的工作原理9

2.2PLC的优点9

2.3PLC的选型依据10

2.4FX系列型号命名方法与输入输出技术指标11

2.5FX系列PLC的特点12

第三章总体设计思路及方案的确定14

第四章加工中心刀具库选择PLC控制系统设计16

4.1机械手与调取刀具的工作原理分析16

4.2本系统的详细工作原理16

4.3I/O配置17

4.4软件流程图19

4.5梯形图20

4.6指令表21

4.7接线图22

4.8系统调试结果及分析23

设计总结24

参考文献25

第_章PLC基本介绍

1.1PLC介绍

PLC即可编程控制器:

PLC英文全称ProgrammableLogicController;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（InternationalElectiicalConmuttee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如卜定义：

“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及其有关的外闱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。

”

1.2PLC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IO接II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II输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映彖寄存器。

然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。

把结果存入输出映彖寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接11、控制外部驱动器。

2、"O模块

输入/输出（"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II示意图：

输出接II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II与计算机RS232接II相连。

通过专用软件先在电脑上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，因此目前人部分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，包扌舌管理程序，监控程序以及对用户程序做编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3〜5年。

第二章PLC的工作原理

2.1PLC的工作原理

PLC是采用“顺序扫描，不断循坏”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）作周期性循坏扫描，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I】，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、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。

2.2PLC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,而占典电器线路是无法在实验室进行调试的，只能花费现场人量时间。

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，随时监测爭故发生点。

7、快速动作：

传统继电器节点的响应时间一般要几百亳秒，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，因此可靠性人人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。

]0、图纸简化：

传统控制电路要靠画蓝图，而蓝图不能随哦没计的不同阶段不断更新的，采用可编程序控制器很容易做时打印出更新后的酬图。

11、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，分析被控对彖的复杂程度，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IO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OMRON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

表1

型号

I/O点数

用户程序步数

功能指令

通信功能

FXOS

10-30

800步EEPROM

无

FXON

24-128

2K步EEPROM

较强

FX2N

16-256

内附8K步RAM

298

强

2.4FX系列型号命名方法与输入输出技术指标

FX系列PLC型号名称的含义如卞：

FXqq—□□□□□

1②③④⑤

1子系列名称，例如IS、IN、2N等

2输入、输出的总点数

3单元类型：

M为基本单元，E为输入、输出混合扩展单元与扩展模块，EX为输入专用扩展模块，EY为输出专用模块。

4输出形式：

R为继电器输出，T为晶体管输出，S为双向晶闸管输出。

5电源和输入、输出类型等特性。

D为DC直流电源;A为AC交流电源。

FX系列PLC的输入技术指标见下表：

表_2

输入电压

DC24V（l±10%）

元件号

X0〜X7

其余输入点

输入信号电压

DC24V（1土10%）

输入信号电流

DC24VJ111A

DC24V5111A

OFF-ON的输入电流/mA

>4.5

>3.5

ON-OFF的输入电流/mA

<1.5

输入响应时间/ms

可调节输入响应时间/ms

X0〜X17为0〜60（EXjn）,其余系列为0〜15

输入信号形式

无电压触点，或NPN集电极开路输出晶体管

输入状态显示

输入ON时LED灯亮

FX系列PLC的输出技术指标见下表。

表一3

项目

继电器输出

晶闸管输出（仅FXzn）

晶体管输出

外部电源

最大为AC240V或

DC30V

AC85〜242V

DC5〜30V

最大

负载

电阻负载

5A/1点，8A/COM

0.3A/1点，0.8A/COM

0.5A/1点，0.8A8M

感性负载

AC80VAJ20/240V

AC36VA/240V

DC12W/24V

白炽灯负

载

100W

30W

DC0.9W/24V（FXiS）,其他系列DC1.5W/24V

最小负载

DC电压<5V时2niA

AC2.3VA/240V

—

响应

时间

OFF-ON

lOnis

Inis

<0.2ms;<5us（仅Y0、

Y1）

ON-OFF

lOnis

<0.2ms;<5us（仅Y0、

Y1）

开路漏电流

—

AC2.4111A/240V

DC0.1H1A30V

电路隔离

继电器隔离

光电晶闸管隔离

光耦合器隔离

2.5FX系列PLC的特点

1、体枳极小的微型PLC

FX系列PLC的底部尺寸仅相当于一张卡片人小，很适合在机电一体化产品中使用。

内置的DC24V电源可作输入电路的电源和传感器的电源。

2、美观的外部结构

三菱公司的FX系列PLC的基本单元、扩展单元和扩展模块的高度和深度相同，宽度不同。

它们之间用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的长方体。

3、提供多个子系列供用户选用

FXis.FXin.FX：

n的外观、高度、深度差不多，但是性能和价格有很大的差别。

不同的系统可以选用不同的子系列，避免了功能的浪费，使用户能用最小的投资来满足系统的要求。

4、灵活多变的系统配置

FX系列PLC的系统配置灵活，用户除了可以选用不同的子系列外，还可以选用多种基本单元、扩展单元和扩展模块，组成不同的"O点和不同功能的控制系统，各种配置都可以得到很高的性价比。

5、功能强，使用方便

FX系列的体积虽小，却具有很强的功能，它内置高速计数器，有输入输出刷新、中断、输入滤波时间调整、恒定扫描时间等功能，有高速计数器的专用比较指令。

FX系列的基本单元和扩展单元一般采用插接式的接线端子排，更换单元方便快捷。

第三章总体设计思路及方案的确定

在利用PLC构成应用系统时，首先要明确对控制对彖的要求，然后根据实际需要确定控制系统类型、系统的运行方式和被控对彖的控制要求，确定必须完成的动作及完成的顺序,归纳出工作循坏和状态流程图。

1、被控对象的控制要求

该设计在圆盘旋转控制区完成，圆盘模拟数控加工中心刀具库，刀具库上有6个位置,表示能存放6把刀具，编号为1-6。

圆盘能正、反向旋转，当数码盘拨出所需刀具数字编号时，按下启动按扭，即可将码盘数据输入，同时圆盘按就近方向旋转，转到所需的刀具当前存放位置正卞方出II处停下。

要求动作执行是以就近旋转取出刀具为目的。

2、PLC控制系统类型

PLC控制系统选择的基本原则如F：

（1）最大限度的满足被控对彖的控制要求。

（2）保证人身与设备安全的设计永远都是第一位，在保证控制系统安全、可靠的前提下,力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便，满足控制要求，同时要注意硕件的安全保护。

（3）考虑到生产的发展，工艺的改进及系统的扩充，在选择可编程控制器的CPU模板及I/O模板时，应适当留有余量。

（4）设计调试点以便于调试，采用模块化设计，尽量减少程序量，并全面的注释，便于维修。

根据工艺生产要求，分析被控对彖的复杂程度，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、大型机器）。

并结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的PLC机型。

由PLC构成的控制系统有四种：

由PLC构成的单机控制系统、由PLC构成的集中控制系统、由PLC构成的分布式控制系统、用PLC构成远程I/O控制系统。

3、系统的运行方式

PLC控制系统有三种运行方式，即手动、半自动和自动。

4、分配PLC的I/O点（端子），设计PLC的实际接线图。

5、根据系统设计的要求，用相应的编程语言和程序设计法进行PLC应用程序设计。

①确定要完成的动作及完成的顺序

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（XI闭合），DO=K1,系统调取当前刀位的（X10闭合），D1=K1,两个值相比较，DO=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24号刀，机械手在1号刀位（XI闭合），DO=K1,系统调取当2号位的刀（XII闭合），D1=K2,两个值相比较，D0VD1,此时，DO要先加K6再减D1,（较小数减较大数计算较复杂，所以采用先加上最人数再减）D10再和K3比较，D10>K3,M10.M11动作,刀盘逆转。

（3）调取5、6号刀，机械手在1号刀位（XI闭合），DO=K1,系统调取当5号位的刀（X14闭合），D1=K5,两个值相比较，DO

减较人数计算较复杂，所以采用先加上最人数再减）D10再和K3比较，D10VK3,M12

动作，刀盘顺转。

2根据要完成的动作及顺序设计工作循坏及状态流程图。

3设计顺序功能图和梯形图。

6、利用软件进行调试运行。

第四章加工中心刀具库选择PLC控制系统设计

4.1机械手与调取刀具的工作原理分析

调取当前刀时（图中为1号刀）刀盘不动作。

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。

ngi!

1IIT

T——

假设机械手在1号位，调取2、3、4号刀时，刀盘逆时针旋转。

4.2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。

2、调取24号刀，机械手在1号刀位（XI闭合），DO=K1,系统调取当2号位的刀（XII闭合），D1=K2,两个值相比较，D0VD1,此时，DO要先加K6再减D1,（较小数减较人数计算较复杂，所以采用先加上最人数再减）D10再和K3比较，D10>K3,M10/M11动作,刀盘逆转。

3、调取5、6号刀，机械手在1号刀位（XI闭合），DO=K1,系统调取当5号位的刀（X14闭合），D1=K5,两个值相比较，DO

减较大数计算较复杂，所以采用先加上最人数再减）D10再和K3比较，D10VK3,M12动作，刀盘顺转。

4.3I/O配置

1、IOII配置表

根据被控对象的I/O信号及所选定的PLC型号，分配PLC的硬件资源，为梯形图的各种继电器或接点进行编号，列出I/O点分配表。

一般來说，输入点与输入设备一一对应，输出点与输出设备也一一对应，按系统配置的通道和继电器号，对每一个输入设备和输出设备进行编号，并以表格的形式全部列出來。

下表为本课程设计的I/O口分配表：

节点类型

节点名称

对应按钮

节点作用

输

入

X001

SIN1

机械手位置检测

X002

SIN2

机械手位置检测

X003

SIN3

机械手位置检测

X004

SIN4

机械手位置检测

X005

SIN5

机械手位置检测

X006

SIN6

机械手位置检测

X010

PO1

刀具号选择

X011

PO2

刀具号选择

X012

PO3

刀具号选择

X013

PO4

刀具号选择

X014

PO5

刀具号选择

X015

PO6

刀具号选择

Y000

刀具到位指示

输

Y001

换刀闪烁

出

Y002

启动

Y003

刀盘顺/逆转

2、LQ地址分配清单:

SIN1

SIN2

SIN3

SIN4

SIN5

SIN6

PO1

X10

PO2

XII

PO3

X12

PO4

X13

PO5

X14

PO6

X15

输出地址：

符合

换刀

启动

顺/逆

输入地址:

4.4软件流程图

4.5梯形图

—1|[MOVKIDOJ-

—1|[MOVK2DO]-

—1|[MOVK3DO]-

—1|[MOVK4DO]-

—1|[MOVK5DOJ-

—1|[MOVK6DOJ-

X10M5

—11—1/|—1[MOVKIDI]—

[SETM5]—

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