基于PLC的加工中心刀库换刀系统的设计

中央广播电视大学毕业论文题目：基于 PLC 的加工中心刀库换刀系统的设计专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 13 秋 学 号 学生姓名 指导教师 论文完成日期 2015 年 11 月 南京广播电视大学毕业设计（论文，作业）课题审批表教学单位(盖章) 江宁电大 专业 机械设计制造 及其自动化 学生类别 开放本科课题名称 基于 PLC 的加工中心刀库换刀系统的设计 填报时间 2015 年 9 月 1 日课题内容简介通过 PLC 技术实现加工中心盘式刀库控制，设计其电器控制系统。分析刀库的自动换刀的过程，使刀库在加工中心上能配合换刀机械手的需要能在 PLC 的控制下灵活的实现换刀过程每次换新刀只需输入相应换刀号信号即可。将 PLC 控制系统运用到工作过程中，提高刀库系统的稳定性，可靠性和实时性。1.数控加工中心及 PLC 的概述包括加工中心的功用及其组成；PLC 的特点及其在机床中的应用。2.刀库自动选刀系统包括刀库类型，换刀方式，控制原理。3.选刀控制的 PLC 系统设计包括 PLC 型号的选择分析、地址分配、接线；换刀总过程、控制要求、动作要求和程序流程图。4.程序梯形图及编程软件包括梯形图，编程软件的特点及运行环境。5.结论本毕业设计是加工中心刀库换刀控制的设计，通过其设计熟练的掌握了 PLC 的工作原理和使用方法。将所学的知识运用到现实工作中，更加提高自己的专业技能。指导教师姓名 黄波 参加学生姓名 王刚指导教师意见选题基于 PLC 技术对原有的生产线进行技术改造，选题得当，符合大纲要求，同意按照此课题审批表撰写论文。签名：黄波市校审核意见 审核部门盖章： 年 月 日基于 PLC 的加工中心刀库换刀系统的设计（江宁电大 机械设计制造及其自动化专业 王刚 1332101250385）【内容摘要】机床的发展与应用,大大降低了零件加工的辅助时间,极大的提高了生产率。随着数控机床的普及应用,机械加工的自动化程度大大提高,数控机床发展成了当今普遍应用的一种更新、更先进的制造设备即加工中心。加工中心带有刀库和自动换刀装置,能对工件按预定程序进行多工序加工的高度自动化的多功能的数字控制机床。本设计的题目是基于 PLC 加工中心刀库换刀控制系统的设计。通过分析刀库的自动换刀的过程，使刀库在加工中心上能配合换刀机械手的需要能在数控程序的控制下灵活的实现换刀过程每次换新刀只需输入相应换刀号信号即可。在分析控制要求的基础上，设计出相应控制程序。【关键词】 加工中心；ATC 刀库；PLC 自动选刀目 录引言-1、数控加工中心及 PLC 概述-3（一）加工中心的发展及其组成与功用-3（二）可编程控制技术的特点及应用-5（三）课题的研究意义-9二、机械手的自动换刀装置研究-10（一）刀库自动选刀机械系统-10（二）ATC 的作用及其组成-12（三）机械手-14（四）夹抓类型-14（五）刀柄-15（六）加工中心机械手自动换刀过程-15三、PLC 控制系统设计-17（一）PLC 的基本结构-17（二）PLC 的程序结构-17（三）S7-200 系列 PLC-18四、PLC 实现随机换刀-20（一）刀库换刀定位控制-20（二）PLC 硬件接线图-23（三）自动换刀 PLC 流程图-23（四）程序梯形图-25（五）STEP 7-Micro/WIN-32 编程软件-27五、结论-32致谢-34参考文献-35南京广播电视大学毕业论文1引 言进入 21 世纪，我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的良机，也遭遇到加入 WTO（世界贸易组织）后激烈的市场竞争压力。从技术层面上来讲，加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。装备制造业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外，世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“ 高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行限制政策。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术是现代化工业生产中的一门新型的发展十分迅速的高技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造业和新兴制造业的渗透形成机电一体化产品。其及技术范围所覆盖的范围有，机械制造技术，微电子技术，信息处理，加工，传输技术，自动控制技术，伺服驱动技术，检测监控技术，传感技术，软件技术等。在提高生产率，减低成本 保证加工质量及改善工人劳动强度等方面，都有突出的优点，特别是在适应机械产品迅速更新换代，小批量，多品种生产方面，各类数控装备是实现制造技术的关键。数控加工中心是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一。它的综合加工能力较强，工件一次装夹后能完成较多的加工内容，加工精度较高，就中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的 510 倍，特别是它能完成许多普通设备不能完成的加工，对形状较复杂，精度要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为适用。随着数控技术的发展，带有自动换刀系统的加工中心在现代制造起着愈来愈重要的作用，他能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加工。自动换刀系统一般由刀库，机械手和驱动装置组成。刀库容量可大可小，其装刀数在 20180 把之间。刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具准确地送到换到位置，供换刀机械手完成新旧刀具的交换。当刀库容量大时，常远离主抽配置且整体移动不易，这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。完成此功能的机构包括送刀臂、摆刀站南京广播电视大学毕业论文2和换刀臂、总称为机械手。具体来说，它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压（或气压机构）或凸轮机构组成。机械手完成刀库里的刀（新刀）与主轴上的刀（旧刀）的交换工作。由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高生产效率，改善劳动条件。所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。南京广播电视大学毕业论文3一、数控加工中心及 PLC 概述（一）加工中心的发展及其组成与功用1加工中心的发展第一台加工中心是 1958 年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。加工中心是目前世界上产量最高，应用最广泛的数控机床之一，他是适应省力，省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀机床，是综合了机械技术，电子技术等等的高技术产品。加工中心综合能力较强，工件经一次装夹后能完成较多的加工内容其效率是普通机床的五到十倍特别是它能完成许多普通设备不能完成的加工，对新装复杂的，精度要求高的单件产品或小批量多品种生产更适用。加工中心不仅提高了共建的加工质量，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。加工中心(Machining Center)简称 MC，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。加工中心又叫电脑锣。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具，自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序。因而大大减少了工件装夹时间，测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。加工中心最初是从数控铣床发展而来的。与数控铣床相同的是，加工中心同样是由计算机数控系统(CNC) 、伺服系统、机械本体、液压系统等各部分组成。但加工中心又不等同于数控铣床，加工中心与数控铣床的最大区别在于加工中心具有自动交换刀具的功能，通过在刀库安装不同用途的刀具，可在一次装夹中通过自动换刀装置改变主轴上的加工刀具，实现钻、镗、铰、攻螺纹、切槽等多种加工功能。2加工中心的结构组成及工作过程南京广播电视大学毕业论文4本例数控加工中心机床有输入、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 1-1 所示。图 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 1-2 所示。南京广播电视大学毕业论文5图 1-2 数控机床的工作过程（二）可编程控制技术的特点及应用1. 可编程控制技术的特点及应用可编程控制器，简称 PLC（Programmable logic controller） ，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理而设计。PLC 之所以高速发展除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。它较好的解决了工业控制领域中的可靠、安全、灵活、方便经济等问题。其特点如下：(1) 编程方法简单易学梯形图是使用最多的 PLC 的编程语言，其电路符号和表达式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电器技术人员只要花几天时间就能可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户语言。(2) 性能强，性能价格比高一台小型 PLC 内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器控制系统相比，具有很高的性能价格比，PLC 可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。(3) 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强PLC 产品已经标准化、系列化、模块化、配备有品种齐全的各种硬件装置供用户使用用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同的功能、不同规模的系南京广播电视大学毕业论文6统。PLC 的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC 有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。(4）可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器，时间继电器。由于触电接触不良，容易出现故障。PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，PLC 外部仅剩下与输入和输出的有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的 1/101/100，因触电接触不良造成的故障大为减少。PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC 已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。(5) 系统的设计、安装、调试工作量小PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等期间，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC 的梯形图程序一般用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器控制系统电路图的时间要少很多。PLC 的用户程序可以在实验实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过 PLC 上的发光二极管可观察出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少很多。(6) 维修工作量小，维修方便PLC 的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC 或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据 PLC 上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模式的方法可以迅速的排除故障。(7) 体积小，能耗低南京广播电视大学毕业论文7复杂的控制系统使用 PLC 后，可以减少大量的中间继电器盒时间继电器，小型 PLC 的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的 1/21/10。PLC 的配线比继电器控制系统的的配线少很多，股可以节省大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。2.PLC 在数控机床中的应用（1）PLC 在数控机床中的应用形式PLC 在数控机床中应用，通常有两种形式：一种称为内装式；一种称为独立式。内装式 PLC 也称集成式 PLC，采用这种方式的数控系统，在设计之初就将 NC 和 PLC 结合起来考虑， NC 和 PLC 之间的信号传递是在内部总线的基础上进行的，因而有较高的较高交换速度和较宽的信息通道。它们可以共用一个 CPU 也可以是单独的 CPU 这种结构从软硬件整体上考虑, PLC 和 NC 之间没有多余的导线连接, 增加了系统的可靠性, 而且 NC 和 PLC 之间易实现许多高级功能。PLC 中的信息也能通过 CNC 的显示器显示, 这种方式对于系统的使用具有较大的优势。高档次的数控系统一般都采用这种形式的 PLC。独立式 PLC 也称外装式 PLC，它独立于 NC 装置，具有独立完成控制功能的 PLC。在采用这种应用方式式，可根据用户自己的的特点，选用不同专业PLC 厂商的产品，并且可以更为方便的对控制规模进行调整。（2）PLC 与数控系统及数控机床间的信息交换相对于 PLC，机床和 NC 就是外部。PLC 与机床以及 NC 之间的信息交换，对于 PLC 的功能发挥，是非常重要的。PLC 与外部的信息交换，通常有四个部分：机床侧至 PLC：机床侧的开关量信号通过 I/O 单元接口输入到 PLC 中，除极少数信号外，绝大多数信号的含义及所配置的输入地址，均可由 PLC 程序编制者或者是程序使用者自行定义。数控机床生产厂家可以方便的根据机床的功能和配置，对 PLC 程序和地址分配进行修改。PLC 至机床： PLC 的控制信号通过 PLC 的输出接口送到机床侧，所有输出信号的含义和输出地址也是由 PLC 程序编制者或者是使用者自行定义。南京广播电视大学毕业论文8NC 至 PLC：CNC 至 PLC:CNC 送至 PLC 的信息可由 CNC 直接送入PLC 的寄存器中 ,所有 CNC 送至 PLC 的信号含义和地址（开关量地址或寄存器地址） 均由 CNC 厂家确定 ,PLC 编程者只可使用不可改变和增删。如数控指令的 M、S 、T 功能,通过 CNC 译码后直接送入 PLC 相应的寄存器中。 PLC 至 CNC : PLC 送至 CNC 的信息也由开关量信号或寄存器完成,所有 PLC 送至 CNC 的信号地址与含义由 CNC 厂家确定,PLC 编程者只可使用,不可改变和增删。（3）PLC 与数控机床外围电路的关系如前所述，PLC 在数控机床中用来控制机床的强电回路（通过一些电器元件） 。为了更好了解数控机床的 PLC 的控制功能，就有必要对 PLC 和外围电路的关系进行分析。数控机床通过 PLC 对机床的辅助设备进行控制，PLC 对对外围电路的控制来实现对辅助设备的控制的。PLC 接受 NC 的控制信号以及外部反馈信号，经过逻辑运算、处理将结果以信号的形式输出。输出信号从 PLC 的输出模块输出，有些信号经过中间继电器控制接触器然后控制具体的执行机构动作，从而实现对外围辅助机构的控制。有些信号不需要通过中间环节的处理直接用于控制外部设施，比如说，有些直接用低压电源驱动的设备（如：面板上的指示灯） 。也就是说每一个外部设备（使用 PLC 控制的）都是由 PLC 的一路控制信号来控制的，也就是说每一个外部设备（使用 PLC 控制的）都在 PLC 中和一个 PLC 输出地址相对应。PLC 对外围设备的控制，不仅仅是要输出信号控制设备、设施的动作，还要接受外部反馈信号，以监控这些设备设施的状态。在数控机床中用于检测机床状态的设备或元件主要有，温度传感器、震动传感器、行程开关、接近开关等等。这些检测信号有些是可以直接输入到 PLC 的端口，有些必须要经过一些中间环节才能够输入到 PLC 的输入端口。无论是输入还是输出，PLC 都必须要通过外围电路才能够控制机床的辅助设施的动作。在 PLC 和外围电路的关系中，最重要的一点就是外部信号和 PLC内部信号处理的对应。这种对应关系就是前面所说的地址分配，就是将每一个PLC 中地址和外围电路每一路信号相对应。这个工作是在机床生产过程中，编南京广播电视大学毕业论文9制和该机床相对应的 PLC 程序时，由 PLC 程序编制工程师定义。当然做这样的定义必须遵循必要的规则，以使 PLC 程序符合系统的要求。（三）课题的研究意义自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联络方式，将直接影响机床的加工性能。刀库结构结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。自动换刀系统本省及相关结构的复杂程度又会对机床的成本造价产生直接影响。本文对数控机床自动换刀装置进行研究，不仅提升数控机床的工作效率，而且通过对其结构的研究，使得在可行的范围内降低整机的成为可能，对实践具有重要的指导意义。南京广播电视大学毕业论文10二、机械手的自动换刀装置研究加工中心要完成对工件的多工序加工，必须要在加工过程中自动更换刀具，为完成这项工作而设置的储存及更换刀具的系统统称为自动换刀系统。自动换刀系统中的刀库，换刀的可靠性，即换刀速度直接影响到加工中心的工作效率。利用刀库换刀，是目前加工中心中大量使用的换刀方式。由于有了刀库，机床只要一个固定主轴夹持刀具，有利于提高主轴刚度。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，并能较好地减少各种影响加工精度的干扰。（一）刀库自动选刀机械系统刀库自动选刀机械系统主要是将加工所需刀具，从刀库中传送到主轴夹持机构上,基本要求： 换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具储存量， 刀库占地面积小( 结构紧凑)， 安全可靠。刀库系统是提供自动化加工过程中所需之储刀及换刀需求的一种装置；其自动换刀机构及可以储放多把刀具的刀库。由,脑程式的控制，可以完成各种不同的加工需求，如铣削、钻孔、搪孔、攻牙等。大幅缩短加工时程，降低生产成本。刀库主要是提供储刀位置，并能依程式的控制，正确选择刀具加以定位，以进行刀具交换；换刀机构则是执行刀具交换的动作。刀库必须与换刀机构同时存在，若无刀库则加工所需刀具无法事先储备；若无换刀机构，则加工所需刀具无法自刀库依序更换，而失去降低非切削时间的目的，刀库自动换刀示意图如图 2-1 所示。南京广播电视大学毕业论文11图 2-1 刀库自动换刀1、盘式刀库在盘式刀库结构中，刀具可以沿主轴径向、轴向、斜向安放，如图 2-2（a） 、（b） 、 （c） 。刀具轴向安装的结构最为紧凑，但为了换刀时刀具与主轴同向，有的刀库中的刀具需要在换刀位置作 翻转。在刀库容量较大时，为在存取方90便的同时保持结构紧凑，可采取弹仓式结构，但是较其他形式复杂。目前大量的刀库安装在机床立柱的顶面或侧面。在刀库容量较大时，也有安装在单独的地基上的，以隔离刀库转动造成的振动。盘式刀库的刀具轴线也圆盘轴线平行，刀具环形排列，分径向、轴向两种取刀方式，其刀座结构不同。这种盘式刀库结构简单，应用较多，适用于刀库容量较小的情况。为增加刀库空间利用率，可采用双环或多环排列刀具的形式，但圆盘直径增大，转动惯量就增加，选刀时间也较长。（a） （b） （c）图 2-2 盘式刀库结构其他的刀库形式还有很多，由于篇幅的限制这里就不再详细介绍了。结合的实际情况，在本设计中采用盘式刀库这种结构。2、换刀机械手介绍南京广播电视大学毕业论文12采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。加工中心换刀机械手的种类繁多，可以说每个厂家都推出自己的独特的换刀机械手，在加工中心的自动换刀系统中，是机械手具体执行刀具的自动更换，对其要求是迅速可靠、准确协调。由于加工中心机床的刀库和主轴，其相对位置距离不同，相应的换刀机械手的运动过程也不尽相同，它们由各种形式的机械手来完成。（1）双臂端面夹紧式机械手双臂断面夹紧机械手在夹紧部位上是夹紧刀柄的两个端面，如图 2-3 所示。图 2-3 双臂端面夹紧式机械手由于双臂回转式机械手的动作比较简单，而且能够同时抓取和装卸机床主轴和刀库上的刀具，换刀时间较短，故我们选用双臂回转式机械手。（二）ATC 的作用及其组成1、 ATC 的作用加工中心与一般数控机床的显著区别是具有对零件进行多工序加工的能力，即能在一次装夹中自动完成铣、镗、扩、攻螺纹和内槽加工等，其之所以有这种加工能力就是因为它有一套自动换刀装置。自动换刀装置是指能够自动完成主轴与刀具储存位置之间刀具交换的装置。ATC 的主要组成部分是刀库、机械手和驱动装置。刀库的功能是存储刀具并把南京广播电视大学毕业论文13下一把即将要用的刀具准确地送到换刀位置。供换刀机械手完成新旧刀具的交换。当刀库容量大时，常远离主轴配置且整体移动不易，这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。 完成此功能的机构包括送刀臂、摆刀站、和换刀臂，总称为机械手。具体来说，它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压（或气液机构）或凸轮机构组成。2、 ATC 的组成（1）刀库 刀库的功能刀库的作用是储备一定数量的刀具，机械手实现主轴上刀具的互换。刀具的类型有盘式刀库、链式刀库等多种形式，刀库的形式和容量要根据机床的工艺范围来确定。刀库的容量刀库的容量首先要考虑加工工艺的需要，从使用角度出发，一般为 1040把刀，刀库的利用率会高，而结构比较紧凑。 刀具的选择方式A、顺序选择 将刀具按加工工序的顺序，一次放人刀库的每一个刀座内。每次换刀时，刀库顺序转动一个刀座位置，并取出所需要的刀具，已经使用过的刀具可以放回原来的刀座内，也可以顺序放入下一个刀座内。但由于刀库中刀具在不同的工序中不能重复使用，必须增加刀库的容量，降低了利用率。B、任意选择 目前大多数的数控系统都采用任意选刀的方式，其分为刀套编码、刀具编码和记忆式等三种。刀具编码或到套编码需要在刀具或到套上安装用于识别的编码条，一般都是根据二进制编码的原理进行编码。刀具编码选刀方式采用了一种特殊的刀柄结构，并对每把刀具编码。每把刀具都有自己的代码，因而刀具可在不同的工序中多次重复使用，换下的刀具不用放回原刀座，刀库的容量也可相应减少。采用记忆式选刀，这种方式能将道具号和倒库中的刀套位置对应地记忆在数控系统的 PLC 中，无论刀具放在哪个刀套内，刀具信息都始终据存在 PLC 内。刀库上装有位置检测装置，可获得每个刀套的位南京广播电视大学毕业论文14置。这样刀具就可以任意取出并送回。刀库上还没有机械远点，使每次选刀时就近选取。刀库的控制方式A、刀库作为系统的定位轴来控制。在梯形图中根据指令的 T 玛进行运算比较厚输出角度和速度指令到考库伺服驱动刀库伺服电机。刀库的容量、旋转速度、加/减速时间等均可在系统参数中设定，此种方式不受外界因素影响定位准确、可靠但成本较高。B、刀库由液压马达驱动，有快/慢速之分，用接近开关计数并定位。在梯形图中比较系统存储的当前刀号（主轴上的刀）和目标刀号（预选刀）并运算，再输出旋转指令，同时判断按最短路径旋转到位。这种方式需要足够的液压动力和电磁阀刀库旋转速度可通过节流阀调整。但使用一段时间后可能胡因为油质、油压、油温及环境因素的变化而影响运动速度和准确性。一般用于不需频繁换刀的大中型机床。C、刀库由交流异步电动机驱动凸轮机构（马氏）机构，用接近开关计数，这种方式运行稳定，定位准确可靠，一般与凸轮机械手配合使用，换刀速度快，定位准确。（三）机械手1. 机械手的功能机械手是执行刀库和主轴之间换刀动作的装置。2. 机械手的机械动作机械动作一般包含：拐臂旋转、手臂伸缩、手臂 180 度旋转、抓手的松紧。3. 机械手的驱动与控制方式:（1）机械手用液压驱动，靠接近开关检测位置。如收的平移/爪刀/ 换刀/插刀等动作分别有不同的电磁阀驱动；但这种方式传动机构较多，且收液压系统稳定性检测元件灵敏度等外界因素的影响。常用于不需频繁换刀的大型卧式加工中心。（2）机械手由交流异步电动机带动凸轮机构旋转，整个换刀过程机械手仅在主轴送/拉到是启动/停止 3 次，整个换刀动作连贯稳定，运行可靠，换刀时间南京广播电视大学毕业论文15一般在 2s 左右。但对主轴拉松刀及爪刀位置的准确性要求较高，常用于需频繁换刀的中小型加工中心。（3）机械手由伺服电机驱动，定位精度高，换刀快速稳定，但成本较高。（四）夹抓类型根据爪刀柄在换刀机构刀臂上的夹持方式可分为固定爪、活动爪、单夹爪、双夹爪、弹簧爪、动力爪等类。固定爪是指刀臂夹持部能吻合刀柄 V 形槽的半圆形部分，半圆形夹持部的一端或两端有弹簧扣，即所谓单夹爪、双夹爪：由两个可张开的夹指所组成即活动爪，其夹紧力由弹簧产生的即弹簧爪，通常以直径方式抓刀松刀；由液压缸等动力议案控制其张合的为动力爪。（五） 刀柄自动换刀装置的工作质量表现为换到时间和故障率，刀柄的选择直接影响到机床的开动率和设备的投资大小，因此对刀柄的选择十分重要。采用标准刀柄，标准刀柄与机床主轴连接的结合面试 7:24 锥面。刀面有多种规格，常用的有 ISO 标准的 40 号、45 号、50 号，个别的还有 35 号和 30 号。另外还必须考虑换刀机械手尺寸的要求和主轴上拉紧刀柄的拉钉尺寸要求。目前国内机床上使用的刀柄规格很多，而且使用标准有美国的、德国的、日本的。因此，在选定机床后，选择刀柄之前必须了解该机床主轴用的规格，机械手夹持尺寸及刀柄的实际尺寸。（六）加工中心机械手自动换刀过程机械手将刀具从刀库中取出送至机床主轴上，然后将用过的旧刀送回刀库。其动作过程简述如下（结合如下换刀过程示意图 2-4）：1、刀套下转 90如下图 a 所示刀库位于立柱左侧，刀具轴线在刀库中的安装方向与主轴垂直。换刀前，刀库将待换刀具送到换刀位置，然后刀套连同刀具翻转 90，使刀具轴线与主轴轴线平行，如图 b 所示。2、机械手转 75如图 c 所示，换刀机械手逆时针旋转 75，两手爪分别抓住刀库上和主轴上的刀柄。3、机械手拔刀南京广播电视大学毕业论文16待主轴上自动夹紧机构松开刀具后，机械手下降，同时拔出主轴上和刀库上的刀具，如图 d 所示。4、刀具位置交换如图 e 所示，机械手逆时针转 180，使主轴刀具与刀库刀具交换位置。5、机械手插刀机械手上升，分别将刀具插入主轴锥孔和刀库刀套中,如图 f 所示。6、机械手顺时针转 75如图 g 所示,待主轴上自动夹紧机构夹紧刀具后，机械手顺时针转 75，回到原始位置。7、刀套带着换回的旧刀具向上翻转 90，准备下一次选刀,如图 h 所示。图 2-4 换刀过程示意图南京广播电视大学毕业论文17三、PLC 控制系统设计（一）PLC 的基本结构1. CPU 模块CPU 模块主要由微处理器（CPU 芯片）和存储器组成。在 PLC 控制系统中，CPU 模块相当于人的心脏和大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。2. I/O 模块输入模块和输出模块简称为 I/O 模块，它们相当于人的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和 CPU 模块的桥梁。3. 编程器编程器用来生成用户程序，并用它来编辑、检查、修改用户程序，监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编辑器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型 PLC 编程，或用于现场调试和维护。4. 电源PLC 使用 AC 220V 电源或 DC 24V 电源。内部的开关电源为各模块提供不同电压等级直流电源。小型 PLC 可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC 24V 电源，驱动 PLC 负载的直流电源一般由用户提供。（二）PLC 的程序结构以西门子 S7-200 为例，S7-200 CPU 的控制程序由主程序、子程序和中断程序组成。1、主程序南京广播电视大学毕业论文18主程序是程序的主体，每一个项目都必须并且只能有一个主程序。在主程序中可以调试用子程序和中断程序。主程序通过指令控制整个应用程序的执行，每个扫描周期都要执行一次主程序。STEP7-Micro/WINde 程序编辑器窗口下部的标签用来选择不同的程序。因为各个程序都放在独立的程序块中，各程序结束时不需要加入无条件结束指令或无条件返回指令。2、子程序子程序可逆的，仅在被其他程序调用时执行。同一个子程序可以在不同的地方多次调用。使用子程序可以简化程序代码和减少扫描周期时间。设计的好的子程序容易移植到其他别的项目中。3、中断程序中断程序用来即使处理与用户程序的执行时序无关的操作，或者不能事先预测何时发生的中断事件。中断程序不是有用户用户程序调用。而是在中断事件发生时由操作系统调用。中断程序是用户编写的。因为不能预知何时会出现中断事件，所以不允许中断程序改写可能在其他程序中使用的存储器。（三） S7-200 系列 PLC西门子公司的 S7-200 系列 PLC 可以满足多种多样的自动化控制要求，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格及强大的指令系统，使得 S7-200 可以几乎完美的满足小型规模的控制要求。此外，丰富的 CPU 类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性和选择性。S7-200 CPU22X 系列 PLC，是 S7-200 CPU21X 系列的替代产品，由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择，因此很容易组成 PLC 网络。在这里以S7-200 CPU22X 为重点介绍。1、CPU22X 系列的基本单元近几年西门子公司推出的 S7-200 CPU22X 的系列产品有：CPU221 模块、CPU222 模块、CPU224 模块、CPU226 模块、CPU226XM 模块。CPU22X 系列产品的性能如表 3.1 所示，供用户在设计时查询。CPU22X 系列产品指令丰富、速度快、具有较强的通信能力。例如，CPU226 的 I/O 总 40 点，其中输入为 24点，输出为 16 点；可携带 7 个扩展模块；用户程序存储器容量为 8KB；内置南京广播电视大学毕业论文19高速计算器，具有 PID 控制器的功能；有两个高速脉冲输出端和 2 个 RS-485通信口；具有 PPI 通信协议、MPI 通信协议和自由协议的通信能力。运行速度快、通信能力强，使用于较高的中小型控制系统。表 3.1 S7-200 CPU 系列产品的主要性能表特征 CPU221 CPU222 CPU224 CPU224XP CPU226外形尺寸（mm) 908062 908062 120.58062 1408062 1908062程序存储区：运行模式下编辑非运行模式下编辑4096 字节4096 字节4096 字节4096 字节8192 字节12288 字节12288 字节16384 字节16384 字节24576 字节数据存储区 2048 字节 2048 字节 8192 字节 10240 字节 10240 字节掉电保护时间 50 小时 50 小时 100 小时 100 小时 100 小时本机数字量 I/O本机模拟量 I/O6 入/4 出无8 入/6 出无14 入/10 出无24 入/10 出6 入/4 出24 入/16 出无数字 I/O 映像区 256（128 入/128 出）模拟 I/O 映像区 无 32（16 入/16 出） 64（32 入/32 出） 64（32 入/32 出） 64（32 入/32 出）脉冲捕捉输入 6 8 14 14 24扩展模块数量 0 个模块 2 个模块 7 个模块 7 个模块 7 个模块高速计数器单相两相总共 4 个4 路 30kHz2 路 20kHz总共 4 个4 路 30kHz2 路 20kHz总共 6 个6 路 30kHz4 路 20kHz总共 6 个4 路 30kHz2 路 200kHz3 路 20kHz1 路 100kHz总共 6 个6 路 30kHz4 路 20kHz脉冲输出（DC） 2 路 20kHz 2 路 20kHz 2 路 20kHz 2 路 100kHz 2 路 20kHz模拟电位器 1 个（8 位分辨率） 2 个（8 位分辨率）实时时钟 配时钟卡 配时钟卡 内置 内置 内置RS-485 通信口 1 1 1 2 2布尔指令执行速度 0.22s/指令浮点数运算 有南京广播电视大学毕业论文20四、PLC 实现随机换刀在随机换刀控制中，换刀的位置是随机的，刀具选择指令与刀套编号无关，是随机变动的，指令仅以刀具自身的直接编号为目标。这种换刀方式在新刀取出后，刀具不需转动，可立即随机存入原先使用的刀具，即换刀、存刀一次完成，缩短了换刀时间。数控系统发出 T 代码换刀指令给 PLC，经译码后在数据表中检索，找到代码指定的新刀号所在的数据表地址，并与实现刀号对照，如果不相同，则将刀库回转控制信号送至刀库控制系统，直到定位到新刀号位置，刀库才停止回转，并准备换刀。（一）刀库换刀定位控制1、换刀过程盘式刀库的三个基本动作：取刀、还刀、换刀。取刀既是主轴上无刀具，将目标刀具由刀库取刀主轴上。还刀是主轴上有刀具，将主轴刀具还回刀库中对应的位置。换刀是主轴上有刀具，先将主轴上的刀具还回刀库中对应的位置上，然后目标刀具由刀库取到主轴上。取刀的基本过程：1、刀库将目标刀具按就近原则转到换到位置。2、Z 轴进入换刀准备位置。 3、刀库进入换刀位置。4、主轴准停，主轴松刀。5、Z 轴进入换刀位置。 6、主轴紧刀。8、刀库回到原始位置。9、Z 轴返回到换刀准备位置。还刀的基本过程： 1、Z 轴进入换刀准备位置。2、z 轴进入换刀位置，主轴准停， 3、刀库进入换刀位置。4、主轴松刀。5、z 轴返回到换刀准备为位置。6、主轴紧刀。换刀控制的基本约定：1、盘式刀库采用固定刀位，即刀具号就是刀库位置号。2、就近寻找目标刀具。3、程序测试时要求：刀库无换刀动作。编程的刀具应生效，以便系统检测加上南京广播电视大学毕业论文21刀具参数后有无超出软限位，记录进入程序测试时，主轴上的刀具号，在程序测试结束后的第一次换刀时，恢复原主轴的刀具号。2、输入/输出及内部继电器地址分配利用西门子 S7-200 可编程控制器对自动选刀和刀库运动定位进行控制，其输入/ 输出及内部继电器地址见表 4.1。表 4.1 PLC 输入/输出及内部继电器地址分配序号 输入 输出 数据 内部继电器1234567I0.0刀具检测I0.1复位按钮Q0.0正转Q0.1反转Q0.2减速Q0.3停车VW010现值VW012设定值VW014差值M0.1换刀指令M0.2启动微分M0.3复位微分M0.4正转标志M0.5反转标志M0.6减速标志M0.7停止信号3、分析控制要求根据加工要求，自动将指定的刀具转至换刀位置；刀库盘上共有 10 刀具供选；为提高换刀效率，要求换刀时按最小旋转角（小于等于 180）转动：为提高定位精度，当指定刀具号转至离取刀具号位置时减速。若设定值为 8，现值为 2，则 8-2=65，置正转标志；若设定值为 4，现值为 2，则 4-2=25 置正转标志；由于95，经小于半数处理：10-9=1，置减速标志。数控系统发出 T 代码指令给 PLC，经 PLC 译码后在数据表中检索，找到T 代码指定到新刀号所在的数据表地址，换刀起动，并设定新刀号内存。用设定值 VW12 减去当前值 VW10，得到差值 VW14 内存，若 VW14 为负值，取补后内存，若差值大于当前刀号的一半 5，则设正转输出标志 M0.3，若小于 5，设反转输出标志 M0.4；设正转输出标志后使差值 VW14 小于一半（也就是 10减去差值 VW14，然后差值 VW14 内存） 。若差值 VW14 小于或等于 2，设减速南京广播电视大学毕业论文22标志 M0.5。然后进行刀具检测 I0.0，若是正转 Q0.0，当前刀号加，当前值VW10 内存，若当值 VW10 等于 0#，一号刀作为当前值 VW10 内存；若当前值VW10 不等于 0#，用差值 VW14 减 1，差值 VW14 内存；若不是正转 Q0.0，当前号减，当前值 VW10 内存，若当前值 VW10 等于#,10 号刀作为当前值 VW10内存，若当前值 VW10 不等于 0#，则用差值 VW14 减 1，差值 VW14 内存。然后看设定值 VW12 是否等于现值 VW10，等于，则停车标志 M0.7 有效，停车结束 Q0.3；不等于的话，停车标志 M0.7 无效，正传标志 M0.3 有效，输出正转Q0.0，反转标志 M0.4 有效，输出反转 Q0.4，减速标志 M0.5 有效，输出减速Q0.2，然后返回差值 VW14 是否小于等于 2，反复循环，直至停车标志 M0.7 有效，停车 Q0.3 有效。4、动作要求（1）跟具加工的要求，刀库应该能够自动地将指定刀具转至目标换刀位置。（2）刀库盘上共有 10 把刀。（3）为提高换刀效率，要求换刀时按最小旋转角转动。（4）为提高换刀效率，当指定刀具号转至距取到位置相差两个刀号位置时，刀库要减速。南京广播电视大学毕业论文23（二）PLC 硬件接线图正转K反转 减速 停车南京广播电视大学毕业论文24图 4-2 PLC 硬件接线图（三）自动换刀 PLC 流程图南京广播电视大学毕业论文25设减速标志检测刀具是正转?当前刀号加 1当前刀号减 1当前值=0#? 当前值=21#?20#当前内存 1#当前值内存差值减 1差值内存NNNYNNYNYNYYY设定值=现值设停车标志停车有效?正传有效 输出正传 停车反转有效 输出反转设正传输出标志使差值小于一半差值=2启动换刀换刀号设定值减当前值差值为负负值取补差值内存差值大于 10设反转输出标志Y