数控加工中心刀具库PLC自动控制设计

摘要PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。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，计数与算术操作等面向用户的指令，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.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。数控刀具的选择是数控加工工艺中的重要内容，它不仅影响数控机床的加工效率，而且直接影响加工质量。因此，数控加工中的刀具选择是在人机交互状态下完成的。用改造传统继电器控制系统是很好发法，它可以充分发挥高可靠性、高抗干扰的特点，寿命长、维修量少，查找外部线路简单。用进行逻辑控制和变速位置的数据处理，较好的实现了原工艺要求，简化了线路。数控加工中心刀具控制设计主要是为了实现刀具的自动换取，保证加工过程中的快速与稳定。数控加工中心的换刀一般采用两种控制方式，即固定存放换刀控制和随机存取换刀控制。在固定存取换刀控制中，刀库中各刀具的位置是固定的，刀具选择指令（CNC来的T代码）是以刀套编号为存取地址来控制存取动作，即原来从哪一刀套编号中取出来的刀具，在使用完毕后仍归还到那一刀套中。而随机换刀控制中，还刀位置是随机的，刀具选择指令（CNC来的T代码）与刀套编号无关，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具取出后，刀库不需转动，立即随机存入原先的刀具，即换刀、存刀一次完成，缩短了换刀时间。因此我们在设计时采用了第二种设计方案，使用PLC为基本控制部件，编制出对应的PLC程序来控制刀具库与机械手的运作。当机械手读入当前位置刀具号后，我们只需人为按下所需选择的道具对应刀具号按钮，即可通过PLC控制电动机运转实现选刀。按照设计要求，我们实现了换刀时安最小角转动且当刀具号相距2时实现减速运转。这样的设计起到了对刀具库的保护、节能、省时等。关键词：PLC 工作原理 程序设计 数控系统应用目录第1章 绪论1 摘要2第2章 PLC概述32.1 PLC控制器 32.1.1 PLC的特点32.1.2 PLC应用领域 42.1.3 PLC的发展状况52.2 PLC的基本结构52.2.1 PLC的硬件系统62.2.2 PLC的软件系统72.3 PLC的工作过程及原理72.3.1工作过程72.3.2 PLC的工作原理82.4 PLC的编程语言的基本指令系统和编程方法82.4.1 语言的形式8 2.4.2 编程指令92.4.3 基本指令系统特点92.5 FX2N系列92.5.1 FX2N系列的PLC模型92.5.2 FX2N系列主要技术性能102.6 PLC控制系统的设计基本原则11第3章 数控加工中心刀具库选择程序123.1 数控车床刀具123.2 传感器在数控车床上的应用143.2.1传感器简介143.2.2数控机床对传感器的应用143.2.3霍尔传感器143.3程序要求143.4 流程图15 3.5 程序设计16 3.6 PLC外部接线图 17 3.7 程序说明18 3.8 本系统工作原理23第4章 系统调试244.1 硬件调试244.2 软件调试24总 结25致 谢26参 考 文 献27第1章 绪论PLC即可编程控制器（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。”1969年，美国数字设备公司（DEC）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于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable ,是世界上公认的第一台PLC.限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。第2章 PLC概述2.1PLC控制器 2.1.1 PLC的特点可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器具有诸多优点：(1)可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。(2)配套齐全，功能完善，适用性强。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。(3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。(4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。(5）体积小，重量轻，能耗低。以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.1.2 PLC应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。(1）开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(2）模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。(3）运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。(4）过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。(5）数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。(6）通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.1.3 PLC的发展状况PLC诞生不久就显示了其在工业控制领域的重要作用。如日本、德国和法国等国家相继研制成各自的PLC，PLC技术随着计算机和微电子技术的发展而发展，由1位机发展成8位机，随着微处理器CPU和微型计算机技术在PLC中的应用，形成了现代意义的PLC。 21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。现在PLC产品已经使用了16位、32位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多信道处理，通信技术使PLC的应用得到进一步的发展。目前，PLC技术已经比较成熟。2.2 PLC的基本结构2.2.1 PLC的硬件系统用可编程控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现。入出变换 、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点。而入出变换实际上就是信息处理，信息处理当今最常用的是微处理机技术，PLC也是用它，并使其专用化，应用与工业现场。至于物理实现，正是它与普通微机相区别之点，普通微机多只考虑信息本身，别的不多考虑，而PLC要考虑实际的控制需要。物理实现要求PLC的输入，应当排除干扰信号适应于工业现场。输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用。这就要求I/O电路专门设计。根据PLC实施控制的基本点的分析，PLC采用了典型的计算结构。主要是由CPU、RAM、ROM和专门设计的输入输出接口电路组成。(1)中央处理器 中央处理器（CPU）一般由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出（I/O）接口电路相连接。CPU按扫描方式工作，从0000首址存放的第一条用户程序开始，到用户程序的最后一个地址，不停的周期性扫描，每扫描一次，用户程序就执行一次。CPU的主要功能为：从存储器中读取指令。CPU从地址总线上给出存储地址，从控制总线上给出读指令，从数据总线上得到读出的命令，并存入CPU内的指令寄存器中。执行指令。对存放在指令寄存器中的指令操作码进行译码，执行指令规定的操作，如读取输入信号，取操作数，进行逻辑运算和算术运算，将结果输出给有关部分。准备取下一个指令。CPU执行完一条指令后，能根据条件产生下一条指令的地址，以便取出和执行下一条指令，在CPU的控制下，程序的指令既可以顺序执行，也可以分支或跳转。处理中断。CPU除顺序执行程序外，还能接收输入输出接口发来的中断请求，并进行中断处理，中断处理完后，再返回原址，继续顺序执行。(2)存储器用于存放系统程序，一般系统程序是由PLC厂家编写的，不能由用户直接存取。系统程序存储器用来存放有关系统管理解释指令、标准程序系统调用等程序。一般用PROM或EPROM构成。由用户编写的程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中，用户程序存储器的容量不大，一般只有几K 的容量，常用ROM构成。(3)输入/输出部分这是PLC与被控设备相连接的接口电路。用户设备输入PLC的各种控制信号，如限位开关、操作按扭、选择开关、行程开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量（要通过模数变换进机内）等，通过输入输出电路将这些信号转换成中央处理器能够接收和处理的信号。输出接口电路将中央处理器送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、电机等被控设备的执行元件。输入接口电路现场输入接口电路一般由光电耦合电路和微电脑输入接口电路成。光电耦合电路：采用光电耦合电路与现场输入信号相连是为防止现场的强电干扰进入PLC。光电耦合电路的关键器件是光电耦合器，一般由发光二极管和光电三极管组成。光电耦合器的抗干扰性能：由于输入和输出段是靠光信号耦合的，在电器上是完全隔离的，因此输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰和其他串扰。微电脑的输入接口电路：它一般由数据输入寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路构成，这些电路集成在一个芯片上。现场的输入信号通过光电耦合送到输入数据寄存器，然后通过数据总线送给CPU。输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成。微电脑输出接口电路：一般由输出数据寄存器、选通电路和中断电路集成而成。CPU通过数据总线将要输出的信号放到输出数据寄存器中。功率放大电路：是为了适应工业控制的要求，将微电脑输出的信号加以放大。PLC一般采用继电器输出。(4)电源部件将交流电源转换成供PLC所需的直流电源。目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。2.2.2 PLC的软件系统(1)系统程序它由PLC的制造企业编制，固化在PROM或EPROM中，按装在PLC上，随产品提供给用户。系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。系统管理程序其主要功能为： 时间分配的运行管理，即实现PLC输入、输出运算，自检及提供通信时序； 存储空间的额分配管理，即生成用户环境，规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数存储地址转化为实际的数据格式及物理存储地址； 系统的自检程序，即对系统进行出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。在系统管理程序的控制下，整个PLC能正确、有效地工作。用户指令解释程序：它可将用户用各种编程语言（梯形图、语句表等）编制的应用程序翻译成CPU能执行的机器指令。供系统调用的标准程序模块：它由许多独立的程序组成，各自完成包括输入、输出、特殊运算等不同的功能。PLC的各种具体工作都由这部分来完成。(2) 用户程序它是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。开关量逻辑控制程序：它是PLC用户程序中最重要的一部分，一般采用梯形图、助记符或功能块图等编程语言编制，不同的PLC制造企业提供的编程语言有不同的形式，至今没有一种能全部兼容的编程语言。模拟量运算程序及闭环控制程序：通常，它是在大中型PLC上实施的程序，由用户根据需要按PLC提供的软件和硬件功能进行编制。编程语言一般采用高级语言或汇编语言。一些制造企业为了方便用户编程，也提供相应编程软件供用户编制模拟量和PID控制等的程序。操作站系统程：它是大型PLC系统经过通信联网后，由用户进行信息交换和管理而编制的程序。它包括各类画面的操作显示程序，一般采用高级语言实现，一些制造企业也提供了人机界面的有关软件，用户可以根据制造企业提供的外交使用说明进行操作站的系统画面组态和编制相应的应用程序。2.3 PLC的工作过程及原理2.3.1 工作过程PLC大多采用成批输入/输出的周期扫描方式工作，按用户程序的先后次序逐条运行，一个完整的周期可分为三个阶段：（1）输入刷新阶段：程序开始时，监控程序使机器以扫描方式逐个输入所有输入端口上的信号，并依次存入对应的输入映象寄存器。（2）程序处理阶段： 所有的输入端口采样结束后，即开始进行逻辑运算处理，根据用户输入的控制程序，从第一条开始，逐条加以执行，并将相应的逻辑运行结果，存入对应的中间元件和输出元件映象寄存器，当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输出刷新处理。入对应的中间元件和输出元件映象寄存器，当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输出刷新处理。（3）输出刷新阶段：将输出元件映象寄存器的内容，从第一个输出端口开始，到最后一个结束，依次读入对应的输出锁存器，从而驱动输出器件形成可编程的实际输出。一般地，PLC的一个扫描周期约10ms，另外，可编程序控制器的输入/输出还有响应滞后（输入滤波约10ms），继电器机械滞后约10ms，所以，一个信号从输入到实际输出，大约有20-30ms的滞后。2.3.2 PLC的工作原理PLC虽然以微处理器为核心，并具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令和中断的工作方式，而PLC则是采用顺序扫描、不断循环的方式进行工作的，包括输入采样、系统处理、用户程序执行和输出刷新四个阶段。完成上述四个阶段称为一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行这四个阶段。（1）输入采样阶段：顺序访问PLC的所有输入单元的信号状态，将其放入输入缓冲区内。（2）系统处理阶段：对系统工作状态进行检查，对连接的I/O单元及外部设备进行定期服务。（3）用户程序执行阶段：执行预先设定的用户程序，将处理结果分别放入动态数据区和输出缓冲区。（4）输出刷新阶段：将输出缓冲区的所有信号送到输出单元，刷新输出单元锁存器的原有状态。2.4 PLC的编程语言的基本指令系统和编程方法2.4.1 语言的形式 最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。采用梯形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件；采用助记符形式便于实验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。 虽然一些高档的PLC还具有与计算机兼容的C语言、BASIC语言、专用的高级语言（如西门子公司的GRAPH5、三菱公司的MELSAP），还有用布尔逻辑语言、通用计算机兼容的汇编语言等。不管怎么样，各厂家的编程语言都只能适用于本厂的产品。2.4.2 编程指令指令是PLC被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。从本质上讲，指令只是一些二进制代码，这点PLC与普通的计算机是完全相同的。同时PLC也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的PLC指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。常用的助记符语句用英文文字（可用多国文字）的缩写及数字代表各相应指令。常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。 （1）指令系统：一个PLC所具有的指令的全体称为该PLC的指令系统。它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着PLC的功能和性能。一般讲，功能强、性能好的PLC，其指令系统必然丰富，所能干的事也就多。在编程之前必须弄清PLC的指令系统。 （2）程序：PLC指令的有序集合，PLC运行它，可进行相应的工作，当然，这里的程序是指PLC的用户程序。用户程序一般由用户设计，PLC的厂家或代销商不提供。用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达。 （3）梯形图：梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两种：一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含LD指令），以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。2.4.3 基本指令系统特点PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。目前，还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言。如三菱公司的产品有它自己的编程语言，OMRON公司的产品也有它自己的语言。但不管什么型号的PLC，其编程语言都具有以下特点：（1）图形式指令结构：程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。系统的软件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形，用户根据自己的需要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采用类似于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。如西门子公司还采用控制系统流程图来表示，它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。较复杂的算术运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给予表示，虽然象征性不如逻辑运算部分，也受用户欢迎； （2）明确的变量常数：图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填人，如：K400，T120等。PLC中的变量和常数以及其取值范围有明确规定，由产品型号决定，可查阅产品目录手册； （3）简化的程序结构：PLC的程序结构通常很简单，典型的为块式结构，不同块完成不同的功能，使程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念； （4）简化应用软件生成过程：使用汇编语言和高级语言编写程序，要完成编辑、编译和连接三个过程，而使用编程语言，只需要编辑一个过程，其余由系统软件自动完成，整个编辑过程都在人机对话下进行的，不要求用户有高深的软件设计能力； （5）强化调试手段：无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而PLC的程序调试提供了完备的条件，使用编程器，利用PLC和编程器上的按键、显示和内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下，诊断和调试操作都很简单。 总之，PLC的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的知识、不需要长时间的专门训练。2.5 FX2N系列2.5.1 FX2N系列的PLC模型式中,1部分用两位数表示输入/输出的总点数,有16、24、32、48、64和80六种；2部分用字符表示输出类型：R表示继电器触点输出，T表示晶体管输出，S表示双向晶闸管输出。备有可自由选择，丰富的品种 可选用16/32/48/64/80/128/点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。 可根据电源及输出形式，自由选择。高速运算 1个指令运行时间，只需0.08us 基本指令/1指令0.08us 应用指令/1指令1.52us数100us在指令以外，实现高速化 高速计数器 1相60KHZ：2点10KHZ：4点或 2相30KHZ：1点5KHZ：1点 脉冲读取 可读取最大50us的短脉冲输入适用于多种特殊用途 还可应用在模拟控制、定位控制等特殊用途。FX2N系列中，1台基本单元最多可连接8台扩展模块或特殊功能模块 模拟输入输出FX2N4AD模拟输入（4CH）FX2N4DA模拟输出（4CH）FX2N4ADPTPT100温度感应器用（4CH）FX2NAADTC电热偶温度感应器用（4CH）FXON3A模拟输入出模块（2CH入，1CH出）高速脉冲输入FX2N1HC高速计数器（2相50KHZ）定位FX2N1PG脉冲输出（1轴100KPPS）RS232C机器通讯FX2N232IFRS232通讯用（1CH）可共同的外部设备可以共用FX系列的外部设备便携式简易编程器FX10PE、FX20PE需使用FX20PCAB0作连接线个人电脑软件Windows 3.1/95）用（FXPCS/WIN）(需使用SC09作连接线)2.5.2 FX2N系列主要技术性能应用指令中有多个可使用的简单指令（1）高速处理指令 输入过滤器常数可变，中断输入处理，直接输入等。（2）便利指令 数字开关的数据读取，16位数据的读取矩阵输入的读取，7段显示器输出等。（3）数据处理 数据检索，数据排列，三角子函数运算，平方根，浮点小数运算等。 （4）特殊用途 脉冲输出（20KHZ/DC5V,10KHZ/DC12V24V）脉宽调制，PID控制指令等。（5）外部设备相互通信 串行数据传送，ACCII code印刷，HEXASCII变换，校验码等。（6）时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法，读出、写入等指令种类指令数目基本指令27种步进梯形指令2种应用指令128种:298个表2-2 指令种类表2.6 PLC控制系统的设计基本原则（1）最大限度的满足被控对象的控制要求。（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。（3）保证控制系统安全可靠。（4）考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量第3章 数控加工中心刀具库PLC自动控制3.1数控车床刀具数控车床刀具种类繁多，功能互不相同。根据不同的加工条件正确选择刀具是编制程序的重要环节，因此必须对车到种类及忒点由一个基本了解。目前数控机床用刀具的主流是可转位刀片的机加刀具。（1）数控车床可转位刀具特点数控车床所采用的可转位车刀，与通用车床相比一般无本质的区别，其基本结构、功能特点是相同的。但数控车床的加工工序是自动完成的，因此对可转位车刀的要求又有别于通用车床所使用的刀具，具体要求和特点如表3-1所示。表3-1可转位刀具特点要求特点目的精度高采用M或更高精度等级刀片；对采用精密级刀杆；用带微调装置的刀杆在机外预调好。保证刀片重复定位精度，方便坐标设定，保证刀尖位置精度。可靠性高采用可靠性高的断层槽形或有断屑台和断屑器的车刀；采用结构可靠的车刀；采用复合式加紧结构和夹紧可靠的其他结构。断屑稳定，不能有紊乱和带状切屑；适应刀架快速移动和换位以及整个自动切削过程中加进不得有松动要求。换刀迅速采用车削工具系统；采用快换小刀夹。迅速更换不同形式的切削部件完成多种切削加工，提高生产效率。刀片材料刀片较多采用涂层刀片。满足生产节拍要求，提高加工效率刀杆截形刀杆加多采用正方形刀杆，但因刀架系统结构差异大，有的需采用专用刀杆刀杆与刀架系统匹配（2）可转位刀具的种类可转位车刀按其用途可分为外圆车刀、仿形车刀、端面车刀、内圆车刀、切槽车刀、切断车刀和螺纹车刀等。表3-2可转位刀具的种类类型主偏角（度）试用机床外圆车刀90、60、 50、75、45普通车床和数控车床仿形车刀93、107.5仿形车床和数控车床端面车刀90、45、75普通车床和数控车床内圆车刀45、60、75、0、91、93、95、107.5普通车床和数控车床切槽车刀普通车床和数控车床切断车刀普通车床和数控车床螺纹车刀普通车床和数控车床（3）可转位车刀结构形式杠杆式、楔块式、楔块夹紧式 链式刀库 斗笠式刀库3.2传感器在数控机床上的应用传感器是数控机床的关键部件之一，正是各种各样新传感器的产生，才使数控机床加工有可能3.2.1 传感器简介 传感器是一种能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或 装置，其输入信号（被测量）往往是非电量，输出信号常常为易于处理的电量，如电压等。 传感器种类很多，分类标准不一样，叫法也不一样，常见的有电阻传感器、电感式传感器、电容式传感器、温度传感器、压电式传感器、霍尔传感器、热电偶传感器、光电传感器、数字式位置传感器等。在数控机床氏应用的传感器主要有光电编码器、直线光栅、接近开关、温度传感器、霍尔传感器、电流传感器、电压传感器、压力传感器、液位传感器、旋转变压器、感应同步器、速度传感器等主要用来检测位置、直线位移和角位移、速度、压力、温度等。3.2.2 数控机床对传感器的要求（1）牢靠性高和抗干扰性强；（2）满足精度和速度的要求；（3）使用维护方便，适合机床运行环境；（4）成本低。3.23霍尔传感器霍尔传感器是利用霍尔现象制成的传感器。将锗等半导体置于磁场中，在一个方向通以电流时，则在垂直的方向上会出现电位差，这就是霍尔现象。将小磁体固定在运动部件上，当部件靠近霍尔元件时，便产生霍尔现象，从而判断物体是否到位。3.3程序控制要求此设计应用的FX2N32型PLC作为主机。此数控加工中心刀具库由六种刀具组成， 按钮SB1SB6分别为6种刀具选择按钮；ST0ST7分别为刀具的行程开关，由霍尔元件组成。(1)初始状态时，PLC记录当前刀号(2)当按下SB1SB6中任何一个时，PLC记录该刀号，然后刀盘按照离请求刀号最近的方向移动，转盘转动到达刀具位置时，到位指示灯发亮，机械手开始换刀，切换刀指示灯闪烁。5秒后换刀结束。(3)换刀过程中，其他换刀信号均无效。换刀完毕，记录当前刀号，等待下一次换刀。3.4流程图检测机械手位置D0检测系统调取刀号D1D0和D1比较D0 D1D0-D1=D3D3和K3比较D3=K3M11动作刀盘顺转D0=D1M11动作D3K3Y0到位指示灯亮M10动作刀盘逆转换刀成功指示灯Y4闪D0D1D0+K6-D1=D3D3K3M12动作3.5程序设计数控加工中心刀具库选择PLC控制输入输出点分配表。表3-3 PLC控制输入输出点分配表输入信号输入继电器代号作用X1SB11号刀具选择按钮X2SB22号刀具选择按钮X3SB33号刀具选择按钮X4SB44号刀具选择按钮X5SB55号刀具选择按钮X6SB66号刀具选择按钮X11ST1机械手位置检测X12ST2机械手位置检测X13ST3机械手位置检测X14ST4机械手位置检测X15ST5机械手位置检测X16ST6机械手位置检测输出信号输出继电器代号作用Y0HL1刀具到位指示灯Y1HL2刀盘旋转指示灯Y2KM1刀盘顺转Y3KM刀盘逆转Y4HL3换刀闪烁3.6 PLC外部接线图图3-1数控加工中心刀具库选择PLC控制接线图3.7程序说明3.8本系统详细工作原理 分三种情况考虑：假设机械手一直在1号刀位（1）调取当前刀具号，机械手在1号刀位（X11闭合），将K1传入数据寄存器D0中（D0=K1）。系统调取当前刀位的刀（X1闭合），将K1传入数据寄存器D1中（D1=K1）。把D0和D1两个值相比较，D0=D1，此时，M1动作，刀位指示灯Y0直接亮起，接着换刀成功指示灯Y4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），将K1传入数据寄存器D0中（D0=K1）。系统调取2号刀位的刀（X2闭合），将K2传入数据寄存器D1中（D1=K2）。把D0和D1两个值相比较，D0K3，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），将K1传入数据寄存器D0中（D0=K1）。系统调取5号刀位的刀（X5闭合），将K5传入数据寄存器D1中（D1=K5）。把D0和D1两个值相比较，D0D1，此时，D0要先加K6在减D1（较小数减较大数计算较复杂，所以所以采用先加上最大数再减），并将所得结果存入到数据寄存器D3中。D3再和K3进行比较，当D3K3，M11/M12动作，刀盘顺转。 第4章 系统调试4.1 硬件调试首先在PLC处于编程状态下，检测各种按钮、开关、传感器，以确认这些信号能够正确地连接到了输入端口,确认运动机构均可以正常运动，不会产生碰撞、卡死、打滑等现象。4.2 软件调试在运动控制系统中，因为涉及到运动控制的内容，所以在编程时，建议将可运动部件的运动速度不要设定得太高。在调试软件时，要充分利用特殊内部继电器和特殊数据寄存器，以及各种指令。例如R9010，R9011，CNDE指令，END指令等。调试程序是可以充分利用这些指令及继电器，使程序执行一段后停止，观察上一段程序的执行结果，这样做近似于计算机中的断点调试方法。在系统中有很多种功能，要本着先单一，后多种，先简单，后复杂的顺序来调试系统中的程序。功能可以先是实现一种，然后往上添加。比较复杂的功能控制，如运动中变换速度，可以先使系统以一定速度运动起来，运行过程正确无误后，再考虑加、减速的问题。总结通过这一段时间的论文设计，我对自己所学内容的一次深入的综合性复习，也是一次理论联系实际的训练，因此在在我的学习生活中占有重要的地位。本次课程设计课题为数控加工中心刀具库PLC自动控制，刀盘由PLC（可编程序控制器）控制来实现其功能的。我在设计中得出的一些理论上数据可能与实际数据有所出入。设计之前，原有刀盘智能单向转动，效率低，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，调取不是当前刀位的刀时，系统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。但在现实生活中还有不足之处，还需改进以至于其能稳定安全的运行。 由于本人能力、经验等各方面不足的限制，所在设计中难免有不足之处，请查阅者给予批评指正。 致 谢我能顺利完成这次毕业设计我要感谢我的指导老师景魏，他在我做毕业设计的过程中给了我很多帮助，原本他的事情就多，但他还是在百忙中抽出空余时间来指导我。正是由于他的悉心指导和耐心的教导才使我这么顺利地完成这次毕业设计，因此我要对他说一声“感谢”。 感谢我的班主任周江涛老师，在我的学习生活里，从生活上、学习上、工作上无微不至地关心我、指导我，让我深切地感受到了这个大家庭的温暖。对于班级的同学我也要向他们说一声谢谢，是他们在我遇到困难时给我无偿的提供帮助，我能这么顺利地完成毕业设计多亏了他们的帮助。通过这次毕业设计我的各方面的能力都得到了提高，这对我以后找工作非常有帮助。 参 考 文 献1陈立定，苏开才 电气控制与可编程控制器M.广州：华南理工大学出版社, 20012李乃夫 可编程控制器原理、应用、实验M（第二版）.北京：中国轻工业出版社, 20003廖常初 PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社,20034吕景泉 可编程控制器技术教程M.北京：高等教育出版社, 20015台方 可编程序控制器应用教程M.北京：中国水利水电出版社, 20016张万忠 可编控制器应用技术M.北京：化学工业出版社, 20027王兆义 小型可编程控制器实用技术M.北京：机械工业出版社,20008王永华 现代电气及可编程控制技术M.北京：北京航空航天大学出版社, 20029常斗南 可编程序控制器原理 应用 实验（第2版）M.北京：高等教育出版社,200210李俊秀，赵黎明 可编程控制器应用技术实训指导M.北京：化学工业出版社, 2002第 25 页 共 29 页