plc自动换刀控制设计.docx

1、plc自动换刀控制设计摘要随着社会进步和科学技术的发展，工业生产逐步变成了自动化、智能化的生产方式。为了适应生产的需要,基于PLC的自动换刀系统应运而生。本设计根据加工中心自动换刀装置的动作要求，分析其换刀系统通过气压传动来传动动力,利用三菱FX2N可编程控制器(PLC)对自动换刀系统的控制系统进行设计。在硬件电路设计中，完成PLC的最佳选型及外部辅助设备的选用，提出接线要求，使之具有控制和保护作用。在软件设计中，给出了程序语句，并设计出自动换刀梯形图。关键词：PLC控制，自动换刀，气动系统AbstractAlong with the social progress and the devel

2、opment of science and technology, automation and intelligence of industrial production gradually turned into a mode of production. In order to meet the needs of the production, based on PLC in the automatic tool change system arises at the historic moment.This design according to the requirement of

3、processing center automatic tool change device action, analyzing the tool change system by pneumatic drive to drive power, the use of Mitsubishi FX2N programmable controller (PLC) control system of automatic tool change system design. In the hardware circuit design, complete PLC best selection and t

4、he selection of auxiliary equipment, external connection request, with control and protection. In software design, program statements are given, and the design from the explorers knife ladder diagram.Key words：PLC control，Automatic tool changer，Pneumatic system 第一章 PLC控制的硬件设计第一节PLC简介PLC即可编程控制器(Progr

5、ammable Logic Controller PLC), 它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算与算术操作等面向用户操作的指令, 并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。一、PLC的分类1.根据1/0点数分类PLC的输入、输出点数表明PLC可以从外部接收多少个输入量和向外部输出 多少个输出量。实际上也就是PLC的输入、输出端子数。一般米说,点数多的PLC,功能也相应较强。1/0点数 (总数) 在256点以下的称为小型机, 一般只有逻辑运算、定时、计数、移位等功能, 适用于开关量的控制, 可用它实现条件控制、定时 计数控制、顺序控制

6、等。有些小型机, 如OMRO的P型机、三菱的Fl系列PLC、西门子的S7系列PLC等增加了一些算术运算和模拟量处理功能, 以适应更广泛的需要。110点数在256点至1024点之问的, 称力中型机, 它除了具备逻辑运算 功能, 还增加了模拟量处理、算术运算、数据传送、数据通讯等功能, 可完成既有开关量、又有模拟量的复杂控制。110点数在1024点以上的称为大型机, 其功能更加完善, 具有数据处理、 模拟调节、联网通讯、监视、记录、打印等功能, 可以进行中断控制、智能控 制、远程控制等, 可用于大规模的过程控制, 构成分布式控制系统或整个工厂的集成系统。2.根据结构、形状分类 从结构和形状上看，P

7、LC可分为整体式和模块式两种。一般的小型机多为整体式结构。这种结构的PLC，其电源、CPU。I/O部件等都集中配置在一起，有的甚至全部装在一块印刷电路板上，结构紧凑、体积小、重量轻、价格低、容易装配在工业控制设备的内部，比较适合于生产设备的单机控制。整体/LPLC的缺点是主机的I/O点数固定，使用不够灵活，维修也不方便。模块式结构的PLC各部分以单独的模块分开设置，如电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块及其它高机能模块等。这种PLC通常由机架底板联结各模块（也有的PLC为串行联接没有底板），底板上有苦干插座，使用时，各种模块直接插入机架底板即可。这种结构的PLC配黄灵活、装配方便、易于扩展

8、，可根据控制要求灵活配胃符种模 块，构成功能不同的秤种控铡系统。一般大中型PLC均采用这种结构。模块式 PLC的缺点是结构较复杂，各种插什比较多，造价也比较高。二、PLC的特点及主要功能1.PLC的一般特点编制程序简单PLC一般采用易于理解和掌握的梯形语言及而向工业控制的简单指令编制 程序，非常形象直观。对于小型PLC而言，几乎不需要任何专门的计算机知识 特别适合现场工程技术人员使用。控制系统构成简单、通用性强虽然PLC种类繁多，但由于其产品的系列化和模块化，且软件包齐全，用户 可灵活组成各种规模和要求不同的控制系统。用户在硬件设计方面，只需确定 PLC的硬件配置和1/0的外部接线，不需要诸如

9、继电器之类的固体电子器件和大 量繁杂的硬接线电路。当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，只要改变存贮器中的控制程序即可。PLC的输入、输出可直接与交流220v、直流24v等 强电相连，并有较强的带载能力。抗干扰能力强、可靠性高PLC是专为工业控制设计的。能适应工业现场的恶劣环境。在PLC的设计和制造过程中，采取了多层次抗干扰及精选兀器件等措施，使PLC的平均无故障时 间通常在2000小时以一下，这是一般的其它电气设备做不到的。绝人多数用户都将可靠性作为选取控制装罱的首要条件，因此PLC在硬件和软件方而均采取了一系列的抗干扰措施。在硬件方而，PLC采取的抗干扰措施主要是隔离和滤波技术。PLC

10、的输入和输出电路一般都用光电祸合器传递信号，使CPU与外部电路完全切断电的联系，有效地抑制外部干扰源对CPU的影响。在PLC的电源电路和I/O接口中，还设黄了多种滤波电路，以抑制高频干扰信号。在软件方而，PLC设置了故障榆测及自诊断程序、用来检测系统硬件是否正常，用户程序是否正确，便于自动地做出相应的处理，如报警、封锁输出、保护数据等。易与操作及维护PLC的控制程序可通过其专用的编程器输入到PLC的用户程序存贮器中。编 程器不仅能对PLC控制程序进行写入、读出、检测、修改等操作,还能对PLC的 工作进行监控。使得PLC的操作及维护都很方便。PLC还具有很强的自我诊断能力，能随时检查出自身的故障

11、,并显示给操作人员，使操作人员能迅速检查、判断故障原因。由于PLC的故障率很低，并且有完善的诊断和显示能力，当PLC或外部的输入装置及执行机构发生故障时，如果是PLC本身的原因，在维修时只需要更换插入式模块及其它易损失即可，既方便又减少影响生产的时间。设计、技工、调试周期短用PLC完成一项工程时，由于其硬、软件齐全 设计和施工可同时进行。由于用软件编程取代了继电器硬接线，实现控制功能 使得控制柜的设计及安装接线工作量大为减少，缩短了施工周期。同时，由于用户程序大都可以在实验室模拟调试，调好后再将PLC控制系统在生产现场进行联机调试，使得调试方便、快速、安全，因此大大缩短了设计和投运周期。2.P

12、LC的主要功能 PLC是采用微电子技术米完成顺序控制功能的自动化设备，可以在现场的输入信号作用下，按照预先输入的程序。控制现场的执行机构按照一定规律进行动作。其主要功能如下：开关量控制这是PLC最基本最广泛的应用领域，用来取代继电器控制系 统、实现逻辑控制和顺序控制。它既可用于单机控制或多机控制，又可用于自动化生产线的控制。PLC可根据操作按钮、限位开关及其他现场给出的指令信号或检测信号，控制机械运动部件进行相应的动作。限时控制PLC为用户提供了一定数量的定时器，并设置了计时指令，一 般可实现0.1-999. 9s及0.001-99. 99s的定时控制，也可按一定方式进行定时时间的扩展。PLC

13、的限时控制精度高、定时时间设定方便、灵活，同时，PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确的实时控制。计数控制PLC为用户提供的计数器分为普通计数器、可逆计数器、高速计数器等、以完成不同用途的计数控制。当计数器的当前计数值变为0（或设定 值）或在某一数值范罔时，发出控制命令。计数器的计数值可以在运行中被读出，也可以在运行中进行修改。步进控制PLC能通过移位寄存器方便地完成步进控制功能。有些PLC专门 设有步进控制指令，使得编程更为方便。此功能在进行顺序控制时非常有效。数据处理大部分PLC都具有不同程度的数据处理功能，如F2系列、C系列、S5系列等均能完成数据运算，如加、减、乘、除、乘方、开方等，

14、逻辑运算如与、或、异或、求反等，以及数据的移位、比较、传递和数值的转挟等操作。模拟量处理，日前很多PLC甚至小型机（如P型机、F系列、NB系列、57系列等）都具有模拟量处理功能，而且编程和使用都很方便。这里，模拟量一般为4-20mA的电流，或l-5v的电胝；数字量为8位或12位二进制数。用PLC进行模拟量控制的优点是：在进行模拟量控制的同时，开关量也可以控制。达个优点是别的控制器所不具备的，或实现起来不如PLC方便。可编程控制器的通信和联网功能可以使PLC一与PLC之问、PLC一与个人计算机等其他智能设备之问能够进行数字信息交换，形式一个统一的整体，实现分散控制或集中控制。现在，几乎所有的PL

15、C产品都有通信联网功能，通过双绞线、同轴电缆或光纤，信息可以传送到几十公里远的地方；通过Modem和互联网，可以使PLC，与世界上其他地方的计算机进行通信。日前，有的PLC使用专用的通信协议进行通信，或使用较多厂商支持的通信协议和通信标准，如现场总线。为了尽量减少用户在通信编程方而的负担，PLC的通信功能同趋完善，使设备之问的通信能够一动周期性地进行，不需要用户为通信编程，用户的工作只是在组成系统时作一些硬件或软件上的初始化设置。第二节PLC控制系统的硬件选择和资源配置要了解控制系统的PLC选型和资源配置。首先根据控制要求所需的外围设备并判断出最佳的PLC型号，再综合选择合适的各种外接辅助设备

16、。一、自动换刀控制系统要求对自动换刀系统，PLC控制系统的重点和关键是接受来自数控系统的换刀指令即T指令，然后检测当前所在的刀位与T指令进行比较。具体要求如下：1.当转换开关旋到自动档时，换刀系统接受来自数控系统的换刀指令进行自动换刀。设当前的刀号为m号刀，这时T指令要求换n号刀，如果m.与n不相等则PLC通过比较选择近的路线进行换刀； 2.如果m.与n相等则不换刀二、PLC型号的选择1.分析控制系统所需的I/O接点数通过对自动换刀系统控制要求的分析，PLC控制输入信号有于动开关1个、 转换开关1个、停止开关1个和接近开关5个，检测换刀完成的抓力继电器1个。系统控制输出信号有控制液压缸的三位四

17、通换向阀一个需用两个输出口，控制液压马达正反转的三位四通换向阀一个，也需要输出口两个。由此可得输入接点共9个，输出接点共4个。按照预留15%的接点数米计算，输入接点需要12个, 输出接点需要6个。字号：用户应用程序占用内存大小估算所需PLC程序容量大小。本系统为简单控制系统，按一般经验来估算，同时由上段对I/O接点的分析主要有： 开关量输入字节数 915=135开关量输出字节数 48=32总计需要167个字节数容量。加土预留30%，有1K的程序容量足够了。由以上两个PLC本身主要方而，兼顾系统中应用到的能信功能，在众多市面的PLC产品中FX系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性

18、的微型PLC。在FX系列PLC中设黄通信功能，扩大了PLC的应用领域。本系统选择了FX2N-32MR-O01型PLC（输入为16点，输出为16点）。由PLC型号主叫路电胝AC (100240)V；输入端参数为电压DC24V，电流 5/7mA；继电器输出端电压AC150V，DC30V以内。 本系统选用直流输出方式。2.PLC外接电气元件选择开关的选择本控制系统为PLC控制，各种开关的容量要求不高，普通的开关足已，主要考虑输入参数要求。对手动和停止开关，选择普通按钮开关LA系。手动开关为LA2（绿色），停止开关为LA2（红色）。本控制系统还要求有自动和手动控制之分，所以还要选择一个转换开关LA18

19、-22X3二位转换开关一个。熔断器的选择对于经济型控制系统，对PLC的保护选用快速熔断器FU。对应于所选的PLC 型号最大输入电流3A，选择型号RCl-3的熔断器。该熔断器额定电流为3A。PLC继电器输出时，每一个输出点为2A，输出点控制为5点，所以选额定电流为3A，型号为RCl-10的熔断器。整流器的选择为降低电压的波动对控制系统的不良影响，选择把交流变为低压直流供电。 因此，选择型号为ZBA-10/24型整流器，它的输入电抓为交流220V，输出电抓为直流024V，额定电流10A。对输入输出口保护选择对PLC输入端电阻分析，自带电阻为3k欧，对于DC24V的电流为标准电流对输入门保护不需做特

20、别处理。输出为直流感性负载时，需在负载两端并联续流二极管或齐纳二极管加以抑制。在直流感性负载输出时可选电流为1A左右的二极管，电阻约为50欧左右。本系统中选二极管为2AK3型。抗电气噪声干扰的措施不正确的接地和电气控制柜走线不合理，均会导致PLC受电气噪声干扰而不能正常工作。为避免此类故障的发生，要注意以下几点： 系统应正确、良好地接地； 低电水信号电缆 与高水电动力电缆麻独直走线； 将PLC上24VDC传感电源的负端接地； I/O分配时输入输出模块符麻可能相对集中地安排，防止输出信号对输 入信号的干扰，并做到便于布线； 当对输入信号检测频率要求不高时，可以将输入点的输入信号滤波时问延长。三、

21、系统控制元件列表自动换刀系统控制原件列表如下： 表1-1 系统控制元件表序号符号名称型号规格1SB1手动开关LA2绿色2SB2停止开关LA2红色3PRS接近开关LB08-2KM54SA转换开关LA18-22X3DC24V四、PLC的I/0地址的分配通过对PLC选择时对输入输出信号分析。已知输入信号有手动开关、停止开关、接近开关、压力继电器等，输出信号控制对象是换向阀。其I/O地址见下表所示。表 1-2 输入口地址分配表 1-3 输出口地址分配第二章PLC控制系统程序设计第一节系统流程图的设计通过对自动换刀系统的分析，可将整个控制过程进行任务分解、弄清楚每个状态的功能、找出每个状态的转移条件及方

22、向。而出流程图如2-1所示：图2-1 流程图第二节PLC程序设计在选择用三菱FX2N-32MR-O01型PLC情况下，我们是选择三菱公司为其生产的PLC而丌发的编程软件SWOPC-FXGP/WIN-C。结合以上的程序段和控制各种要求，对控制对象进行综合分析，得到参考程序如下。一、程序结构设计为便于程序的编制，先绘出整个控制程序的机构框图，冉分别编制自动换刀和手动换刀的程序。程序结构图如下： 图 2-2 程序结构图在该结构框图中，电源开关打开后，当操作方式选择开关置于“手动”时即( X002=0)使自动控制的程序被断开不需被执行。当操作方式选择动“自动”时即( X002=1)使手动程序被断开，从

23、而不须执行。 二、自动换刀程序设计1.设置PLC的通信参数设置PLC的通信参数即设置D8120的参数。由D8120参数表（如表2-3）充分考虑到换刀系统的传输数据的长度及换刀速度快的特点设黄D8120=33AH。数据位为7位，采用奇校验和l位停止位，波特率为300bit/s，具有起字符和结束字符。其中，起始字符和结束字符分别存放在D8124和D8125中，它们可根据用户的需要进行修改。缺省的起始字符和结束字符分别为02H和03H。这些值存贮在符个寄存器中的低字节中。起始字符和结束字符在发送时自动加到发送的信息上。在接收信息的过程中，除仆接收到起始字符，不然数据将被忽略。一旦收到起始字符 数据被

24、连续地读进直到接到结束字符或接收缓冲区全部占满为止。如果缓冲区占满仍未收到结束字符，则信息接收未完成。表 2-3 D8120参数表2.自动换刀程序说明 自动换刀就数控系统向换刀系统的PLC发出一个换刀信号，数控系统的PLC通过计算得出最近的路线进行换刀。自动换刀程序先设置通信参数，然后读入换刀号送入D20，当前刀号送Dl且不为0则与换刀号比较有如下三种情况：当前刀号大于换刀号当前刀号减去换刀号一与常数4进行比较，结果大于等于4则刀盘顺时针换刀，小于4则逆时针换刀。当前刀号小于换刀号小于换刀号则当前刀号加8调整后再减去换刀号，等到活塞左移到位后与常数4比较，如果大于等于4则刀盘顺时针换刀，小于4

25、则逆时针换刀。当前刀号等于换刀号如果等于换刀号则说明所需换的刀已经到位，活塞右行到位夹紧后爪继电器向数控系统发出信号，整个换刀过程完成。3.自动换刀梯形图三、程序的调试 控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作正常、安全可靠的关键。因此，控制系统的设计必须经过反复调试、修改。程序一般在实验事进行模拟调试，实际的输入信号可采用三菱专用编程软件根据流程图将程序编制好编译无误后冉传入PLC，符输出量的通断状态用发光二极管米显示，一般不用接PLC实际的负载（如电磁阀器等），实际的反馈信号（如接近开关的接通等）。在调试时麻充分考虑符种可能的情况。系统和符种不同的方作方式择流程图中的每一条支路，各

26、种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后及时修改程序，直到在各种可能的情况下输入量，与输出量之问的关系完全符合要求。结束语自动换刀系统是数控机床中重要的组成部分。采用电液组合驱动，主要对八工位卧式刀架进行机械结构设计和利三菱FX2N系列可编程控制器(PLC)对自动换刀系统的控制系统进行设计。机械部分主要包括分度机构及定位机构。定位机构选择端齿盘定位，精度的重复性和持久性好、重复定位精度可达0.2，可靠性高、维修性好。分度采用共轭分度凸轮分度，转动平稳、提高间歇运动的转速，能够满足换刀系统高精度的要求。控制部分分为自动和手动换刀两种工作方式，这为操作带米了方便。这都有利于提高数控机床

27、的加工精度及劳动生产率。谢 辞三年的人学生活已经接近尾声了。在这三年中我学到了许多专业知识，通过这次毕业设计提高了理论，与实践相结合的能力，提高了自学能力，这都得感谢老师的细心教导和培养。在此，向所有的任课老帅和学院领导以及给一了我帮助的老师说声谢谢。在学校所学到的知识将成我的一笔宝贵的财富，为我以后的学习和工作打下坚实的基础。 在此我深深的感谢老师你对我的帮助和指导，也感谢对本次设计提供帮助的所有人。参考文献1. 文怀兴，夏田，数控机床系统设计M.化学T业出版社，2005：23-27.2. 陈婵娟,数控车床设计M.化学工业出版社，2006：134-140.3. 苟萁，数控车床白动换刀装置研究

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