机电一体化课程设计数控加工中心刀具换刀系统.docx

1、机电一体化课程设计数控加工中心刀具换刀系统 课程设计说明书题 目 机电一体化课程设计 -数控加工中心刀具换刀系统 系 别 机电工程系 专 业 机电一体化 班 级 机电0641/0642 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

2、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、总结三、设计期限2007年 12月 27 日至 2008年 1 月 6 日目 录第一节 PLC基本介绍 31.1 PLC介绍 31.2 PLC的组成 3第二节

3、PLC的工作原理 52.1 PLC的工作原理 52.2 PLC的优点 62.3 PLC的选型依据 7第三节 I/O配置（表） 83.1 I/O配置（表） 8第四节 刀盘取刀示意图 84.1 机械手与调取刀具示意图 9第五节 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 125.4 本系统的详细工作原理 15第六节PLC的开发环境 166.1 本系统的开发环境 16第七节 本系统的改进 17第八节 总结 17参考文献 18第一节 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

4、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

5、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，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

6、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：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P

7、LC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。第二节 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

8、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

9、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。2.2 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

10、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

11、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。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。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（

12、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

13、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FX0S10-30800步EEPROM50无FX0N24-1282K步EEPROM55较强FX2N16-256内附8K步RAM298强第三节

14、 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输 入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X016刀具号选择输 出Y000刀具到位指示Y001刀盘旋转指示Y002刀盘顺转Y003刀盘逆转Y004换刀闪烁第四节 装配图4.1机械手与调取刀具示意图调取当前刀时（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。假设机械手在1号位，调取2、3、4号刀时，刀盘

15、逆时针旋转。第五节 本系统梯形图5.1软件流程图5.2梯形图续上图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 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

16、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 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 A

17、NI 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 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 END5.4

18、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），D0K1，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），D0K1，系统调取当5号

19、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/M12,动作，刀盘顺转。第六节 本系统的开发环境6.1 本系统的开发环境第七节 系统的改进在实际应用中，如果刀库中有多把刀时，可以再加一个电机，在调取刀号和机械手位置较远时，可以两个电机同时工作，以加快调刀、换刀速度。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

20、学生活中占有重要的地位。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，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的精心指导下，完成了设计任务。同时，在老师身上我学到了很多实用的知识，在此我表示感谢！参考资料机电一体化概论赵再军主编 浙江大学出版社;PLC基础及应用廖常初主编 机械工业出版社;电器控制与PLC丁学恭主编 浙江大学出版社;PLC应用开发技术与工程实践求是科编著 人民邮电出版社;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;部分资料通过Internet查询所得。指导教师评语： 指导教师签名：成绩答辩评定： 签名： 年 月 日