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1、郑州电力职业技术学院课程设计说明书题 目 机电一体化技术与系统课程设计 -数控加工中心刀具换刀系统的设计系 别 机电工程系 专 业 机电一体化 班 级 09机电3班 姓 名 设计时间 2010年10月 指导教师 二一一年二月一日郑州电力职业技术学院目录一、课程设计任务.二、要课程设计求.三、课程设计的参数设置.四、课程设计过程. 第一节、PLC基本介绍. 第二节、阐述PLC的工作原理. 第三节 、列出I/O配置表. 第四节、 刀盘取刀示意图. 第五节 、本系统梯形图及指令表.第六节 本系统的开发环境.第七节 本系统的改进.第八节 总结. 五、指导教师评价.课程设计任务书一、课程设计任务 设计一
2、个数控加工中心刀具库换刀系统二、课程设计要求 刀具由PLC控制来实现其功能，斗笠式刀库装6把刀，从上向下看顺时针编号。机械手位置为基准，刀号变大方向连续三把刀采用刀盘逆时针旋转换刀，刀号变小方向连续两把刀采用刀盘顺时针旋转换刀。例如，假设一号刀停留在机械手位置出时，调取一号刀时，刀盘不需动作既可换刀；调取2、3、4号刀时，刀盘逆时针旋转，调取4、5号刀时，刀盘顺时针旋转。如图1： 图1三、课程设计的参数设置 寄存器D0：机械手当前位置寄存器。 寄存器D1：程序刀号寄存器。 寄存器D3：偏差寄存器。 参数K：参数K1、K2、K3、K4、K5、K6分别为1、2、3、4、5、6。四、课程设计过程第一
3、节 PLC基本介绍在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。1、PLC的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用
4、于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。 PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序
5、控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。2、 PLC的基本组成 从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板
6、、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。(1） CPU的构成 PLC的CPU与通用微机的CPU一样，是PLC的核心部分，它按PLC中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；用扫描方式查询现场输入装置的各种信号状态或数据，并存入输入过程状态寄存器或数据寄存器中；诊断电源及PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误等；在PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路；分时
7、、分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，再由输出状态寄存器的位状态或数据寄存器的有关内容实现输出控制、制表打印、数据通信等功能。以上这些都是在CPU的控制下完成的。PLC常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器。 使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并
8、存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 (2) I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下： 开关量：按电压水平分
9、，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。(3)电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110
10、VAC），直流电源（常用的为24VAC）。(4) 底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。3、PLC系统的其它设备 （1）编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。 （2）人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由
11、计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 （3）输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。 4、PLC的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。 PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。 P LC的通信，还未实现互操作性，IEC
12、规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。 对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要的。首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。 5、PLC的特点（1）灵活、通用控制功能改变，只要改变软件及少量的线路即可实现。（2）可靠性高、抗干扰能力强 硬件方面：采用微电子技术开关动作由无触点的半导体电路及大规模集成电路完成，CPU与输入输出之间，采用光
13、电隔离措施，隔离了它们之间电的联系。 软件方面：有自身的监控程序，对强干扰信号、欠电压等外界环境定期检查，有故障时，存现状态到存储器，并对其封闭以保护信息；监视定时器WTD，检查程序循环状态，超出循环时间时报警；对程序进行校验，程序有错误进输出报警信息并停止执行。（3）使用简单采用自然语言梯形图语言编程方式，编程容易，更改方便。输入输出接口可以与各种开关、传感器、继电器、接触器、电磁阀连接，接线简单。（4）功能强、体积小纵向PLC不仅可能完成各种条件控制，还能完成模/数、数/模转换并进行数字运算，可以完成对模拟量的控制；横向可以控制一台至几台设备，还可实现远距离控制；重量轻，体积小，便于安装。
14、第二节 阐述PLC的工作原理1、 循环扫描工作方式PLC通电后，执行用户程序是它的主要工作，除此之外，还要完成一些辅助的工作，因此PLC实际上是按照分时操作进行工作的，此工作过程称为循环扫描工作方式。循环扫描工作的特点：（1） 定时集中采样。（2） 集中输出。2、 PLC执行用户程序的工作过程当PLC的工作方式开关置于STOP状态时，只完成初始化处理和通信服务任务：当PLC的工作方式开关置于RUN状态时，除了完成初始化和通信任务外，还要执行用户程序。执行用户程序的工作分为以下四个阶段：（1）、第一阶段：自诊断阶段（2）、第二阶段：输入信号处理阶段（3）、第三阶段：程序处理阶段（4）、第四阶段：
15、输出处理阶段以上是PLC扫描的工作过程，只要PLC处在RUN状态，它就反复地循环工作。3、PLC工作原理图解：如图2 PLC的循环扫描工作过程：PLC上电 初始化初始化 检查I/O单元连接、继电器区清0 定时器预置、识别扩展单元硬件及用户程序内存检查 异常 检查结果 （1） 公共处理设置异常继电器 正常异常 灯亮 扫描周期监视时间预置警告 灯闪 执行用户程序 （2）执行程序异常或警告 到结束指令吗？ NO YES 扫描周期固定值检查已设置固定值? NO （3）扫描周期计算处理 YES 可由用户双月通过DM6619Y设定，执行 等待至设定的扫描周期 到此时，需等待时间到方向下执行；一般扫描 周期
16、为不定，由监控计算算出扫描周期 输入扫描 输入继电器 （4）I/O刷新 输出继电器执行外设端口服务 （5）外设端口服务完成通信处理第三节 列出I/O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刀具号选择节点类型节点名称节点作用 输出Y000刀具到位指示Y001刀具旋转指示Y002刀具顺时针转动Y003刀具逆时针转动Y004换刀闪烁第四节 刀盘取刀示意图如图所示，以1号刀位在机
17、械手位置处为例：I)调取当前位置刀号。（如图3） 机械手在1号刀位D0=K1，系统调取当前刀号，D1=K1，两值比较D0=D1 ,此时,到位指示灯直接亮起，接着换刀成功指示灯闪烁，表示换刀完成。图32)调取非当前位置刀号。 当D0D1时：调取2(或3、4)号刀：（图4）机械手在1号刀位D0=KI，系统调取2号刀(D1=K2)，将D0加上K6再减去D1记为D3，即D3=K1+K6-K2=K5，D3和K3比较，K5K2,所以D3 K2, M10动作，刀盘逆时针旋转换刀。图4调取5(或6)号刀：（图5）机械手在1号刀位D0=KI，系统调取5号刀(D1=K5)，将D0加上K6再减去D1记为D3，即D3
18、=K1+K6-K5=K2，D3和K2比较，K2K2,所以D3K2, M11、M12动作，刀盘顺时针旋转换刀。图5综上： 当D0 K2, M10动作，刀盘逆时针旋转换刀。若D3K2, M11、M12动作，刀盘顺时针旋转换刀。 当D0D1时,机械手当前位置D0，系统调取号刀D1，将D0减去D1记为D3，D3和K2比较，D3 K2, M10动作，刀盘逆时针旋转换刀。若D3K2, M11、M12动作，刀盘顺时针旋转换刀。第五节 本系统流程图、梯形图及指令表检测机械手位置D0检测系统调取刀号D1D0和D1 比较D0=D1D0D1M1动作D0-D1=D3D3与K2比较D3K2D3K2Y0到位指示灯亮M12
19、动作D3=K2M10动作M11动作换到成功指示灯Y4闪烁刀盘逆转刀盘顺转梯形图：指令表：0LDX0111MOVK1D16LDX0127MOVK2D112LDX01313MOVK3D118LDX01419MOVK4D124LDX01525MOVK5D130LDX01631MOVK6D136LDX00137ANIM538MOVK143SETM544LDX00245ANIM546MOVK2D051SETM552LDX00353ANIM554MOVK3D059SETM560LDX00461ANIM562MOVK4D067SETM568LDX00569ANIM570MOVK5D075SETM576LDX
20、00677ANIM578MOVK6D083SETM584LDM585CMPD0D1M092MPS93ANDM094SUBD0D1D3101MRD102ANDM1103OUTY000104MRD105ANDM2106ADDD0K6D2113MPP114ANDM2115SUBD2D1D3122LDM5123ANIY000124CMPD3K2M10131MPS132ANDM10133ANIM20134OUTM18135MRD136ANDM11137ANIM20138OUTM19139MPP140ANDM12141ANIM20142OUTM20143LDM18144OUTY003145LDM19146
21、ORM20147OUTY002148LDY000149OUTT1K50152LDY002153ORY003154OUTY001155LDY000156ANDM8013157OUTY004158LDT1159RSTM5160END 第六节 本系统的开发环境 本系统的编程是采用三菱FX系列PLC编程软件（SWOPC-FXGP/WIN-C）辅助完成的。 SWOPC-FXGP/WIN-C v3.3为一个可应用于FX系列可编程控制器的编程软 件，在软件中你可以通过线路符号，列表语言及SFC符号来创建顺控制令程序，建立注释数据及设置寄存器数据。创建顺序控制指令程序及将其储存为文件，用打印机打印。该程序可以
22、在串行系统中与可编程控制器进行通讯、文件传送、操作监控以及各种测试功能。是PLC编程、调试、监控等不可多得的好帮手，可在线、离线编辑程序。第七节 本系统的改进 加工自动换刀装置有如下具体要求：（1） 刀库容量适当。（2） 换刀时间短。（3） 动作可靠、使用稳定。 （4） 刀具重复定位精度高。（5） 刀具识别准确。 数控加工中心的自动换刀系统中刀具的交换方式通常有两种： （1） 采用机械手交换刀具方式。 （2）由刀库与机床的相对运动实现刀具交换的方式。 前者的优点是结构简单，成本底，换刀可靠性较高，但是缺点是换刀时间长，刀库因结构所限容量不多。而采用机械手进行刀具交换的方式在加工中心应用最为广泛
23、。本系统中的机械手采用的是单臂机械手。盘式刀库，一次可装6把刀，装刀容量相对较 小，主要适用于小型加工中心。单臂机械手换刀时间长，速度慢，所以，我认为本系统可改为双臂机械手以及双刀盘的形式，这样可以有效的节约换刀时间而机械手的工作行程也大为缩短，提高换刀的速度。或者，刀具库容量较大时，可采用链式刀库则更为方便。第八节 总结 这次课程设计是我们在进行减速器设计之后对所学课程的又一次综合性的总结应用。也是一次理论联系实际的训练，意义重大，在我们大学生活中占有重要的地位，也是为我们即将参加工作打下坚实的基础。本次课程设计的课题为刀库换刀系统，刀盘的运动由PLC控制系统来实现其功能。在我们设计的过程遇到很多自己不懂的问题，这促动我们对不懂的知识加以研究，以想法解决问题。在设计中查阅很多PLC编程及设计方面的资料，又重新对我们学过的PLC知识的深入的研究，又对我们现开的机电一体化与系统设计深入的认识，使我感觉自己的能力不足、知识的匮乏，让我清楚的认识到专业课的重要性。通过这次课程设计巩固了以前所学知识，将所学知识有力的结合在一起。同时也看到了自己很多不足之处，使得对自己有了很好地认识。参考文献1、 PLC原理及应用技术高等教育出版社2、 机电一体化技术与系统 机械工业出版社五、指导教师评价1.指导教师评语： 指导教师签名：2.成绩评定： 签 名： 年 月 日
