PLC智能换刀加工中心毕业论文

东华理工大学长江学院（论文）东华理工大学长江学院（论文） 1摘 要关键词： 加工中心 ATC刀库PLC自动选刀液压传动机床的发展与应用,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。自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具存储量足够、刀具的安置空间小以及安全可靠等基本要求。加工中心的关键在于CNC 对刀库的自动选刀和刀库、机械手与主轴间的自动换刀,加工中心出现故障80%都在上述方面本课题就是针对现有的自动换刀装置进一步减少换刀时间,利用PLC 对刀库的选刀控制和刀库、机械手与主轴间的自动换刀控制以及刀库精确定位。利用PLC 控制液压传动机构,使液压传动更加稳定和精确。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。控制程序包含： 建立当前刀具库映像、记录请求刀具号、转盘转动方向判断并确定转盘正反转、发出脉冲控制刀盘转动、到位灯及换刀指示灯显示等部分， 程序结构性好、可读性强、运行效率高，能很好地满足实用要求。东华理工大学长江学院（论文）东华理工大学长江学院（论文） 2AbstractWith the development of NC, the automatic tool changer system is More and more important in the modern advanced manufacture, because the ATC can shorten the cycle time of product manufacturing, improve the precision of product machining. The latest requirements of machine tool user comprise of diversification of control object,complexity of process, flexible of application and high reliability.The function of tool magazine is that stores the tool and moves the tool which will be used in the next manufacturing process to the right changeover position and robot will finish the change over tool When the tool magazines capacity is so big and the distance of tool position is more far away the principal axis, there need the tool exchanging unitto implement the changeover work between the principal axis and tool magazine. The framework of this function include the robot, tools rotation station and changeover robot.PLC control the use of hydraulic transmission, made hydraulic transmission to more stable and accurate.this design topic is based on the PLC machining center tool change control system design. Through the analysis of the knife of the automatic tool changing process, so that the cutter in machining center can be matched with the tool changing manipulator needs - in NC program under the control of flexible implementation tool changing process every time new knife only needs to input the corresponding tool change signal can be. The analysis and control on the basis of the requirements, designs the corresponding control procedure. The control program includes: establish the library image, recording request tool number, the rotation of the turntable direction judgment and to determine the turntable is reversed, to send pulses to control the cutter disc to rotate in place, lights and tool change indicator display parts, good program structure, readability is strong, operation efficiency is high,which can meet the practical requirements.Key words: MC , ATC，tool magazine，PLC，tool exchange at randomHydraulic transmission东华理工大学长江学院（论文）东华理工大学长江学院（论文） 3绪 论1.1 国内外数控机床的发展情况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。1.1.1 国内外数控机床的现状当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化，高精、高效、自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上互相展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随着电子、计算机技术的进步，数控机床在 20 世纪 80 年代以后加速发展，各方用户提出更多要求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中国加入 WTO 后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务。自从 1052 年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面都有飞速发展。1956 年，日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国 IBM 公司同期东华理工大学长江学院（论文）东华理工大学长江学院（论文） 4研制成功了“APT” （刀具程序控制装置）的加工中心。1958 年美国 K&T 公司研制出带ATC（自动刀具交换装置）的加工中心。1967 年出现了 FMS，1978 年以后，加工中心迅速发展，带有 ATC 装置。可实现多工序加工的机床步入了机床发展的黄金时代。中国 1958 年研制出第一台数控机床以来，发展过程大致可分为两大阶段。在19581979 年间为第一阶段，从 1979 年至今未第二阶段。第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情况下，无法用于生产而停顿。主要存在的问题时盲目性大，缺乏实事求是的科学精神。在第二阶段从日本、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从美、日、德等引进数控机床先进技术和合作，合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。在 20 余年间，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训额一批设计、制造使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进零部件，数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场需求，但对关键技术的实验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件，自动化刀具，数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床水平差距很大。存在的主要问题包括：缺乏各方面专家人才和熟练技术工；缺少深入的科研工作；零部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军奋战，虽然厂多人众但形成不了合力。1.1.2 数控机床发展趋势1. 搞速化、高精度化、高可靠性质量、效率是先进制造技术的主体。高速、高精度加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争力。高速化：提高进给速度，采用直线滚珠式导轨等；提高主轴转速，采用直线电机技术，直接将电机与主轴连接成一体后，装入轴部件，可以在 1.8 秒从 0 到 15000r/min。高精度化：精密化是为了适应高新技术发展的需要，随着高新技术的发展对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高，数控加工机床的加工精度提高了一倍，达到 15 微米。高可靠性：一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上。东华理工大学长江学院（论文）东华理工大学长江学院（论文） 52. 复合化数控机床的功能复合化的发展以其复合加工实现了一次装夹后完成各种复杂零件的全部加工，从而减少了不创造价值的辅助时间，提高了机床的效率和加工精度，降低了生产制造成本，提高了生产的柔性。复合功能的机床是今年来发展快的机种，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、攻丝、铰孔和扩孔等多种操作工序。3. 智能化智能化的内容包括在数控系统中各个方面：为追求加工效率和加工质量的智能化，如自适应控制、工艺参数自动生成等；为提高驱动性能的智能化，如前馈控制、电机参数的自适用控制、自动识别负载、自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的扥智能化；智能化的自动编程、智能化的人机界面等，及智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。4. 柔性化、集成化为适应制造自动化的发展，向 FMC、FMS、CIMS 提供基础设备，要求数控系统不仅能完成通常的加工功能，而且还能够具备自动测量，自动上下料，自动换刀，自动误差补偿，自动诊断，进线和联网功能，一句用户的不同要求，可方便地灵活配置及集成。1.2 可编程控制技术的现状及发展状况1.2.1 可编程控制器的特点可编程控制器，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. 编程方法简单易学东华理工大学长江学院（论文）东华理工大学长江学院（论文） 6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，维修方便东华理工大学长江学院（论文）东华理工大学长江学院（论文） 7PLC 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。1.2.2 可编程控制器的应用领域PLC 已经已经广泛地应用在很多的工业部门，随着其性能的价格比的不断提高，PLC 的应用范围不断扩大，主要有一下几个方面：1. 数字量逻辑控制PLC 用“与” 、 “或” 、 “非”等逻辑控制指令来实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制欲顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已遍及各行各业，甚至深入到家庭。2. 运动控制PLC 使用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加工控制，可以实现单轴、双轴、三轴和多轴位置控制，是运动控制欲顺序控制有机地结合在一起。PLC 的运动控制功能广泛地用与各种机械，例如金属切削机床、金属成形机械、装配机器、机器人、电梯等场合。3. 闭环过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC 通过模拟量I/O 模块，实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的 A/D 转换，并对模拟量实行闭环 PID（比例-积分-微分）控制。小型 PLC 用 PID 指令实现 PID 闭环控制。PID闭环控制功能已经广泛地应用于塑料挤压成形机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。4. 数据处理东华理工大学长江学院（论文）东华理工大学长江学院（论文） 8现代的 PLC 具有数学运算（包括整数运算、浮点数运算、函数运算、字逻辑运算，以及求反、求补、循环和移位等） 、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与储存在存储器中的参考值进行比较，也可以用通信功能传送到别的智能装置，或者将他们打印制表。5. 通信联网PLC 的通信包括 PLC 与远程 I/O 之间的通信、多台 PLC 之间的通信、PLC 与其他智能控制设备（例如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。PLC 与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。1.2.3 可编程逻辑控制器的发展趋势从当前产品技术性能来看，PLC 发展趋势仍然主要体现在体积的缩小与性能的提高两大方面。1 体积小型化。电子产品体积的小型化是微电子技术发展的必然结果。现代 PLC 无论从内部元件组成还是硬件、软件结构都已经于早期的 PLC 有了很大的不同，PLC 体积被大幅度缩小。2 性能的提高。PLC 的性能主要包括 CPU 性能与 I/O 性能两大方面。智能 I/O 模块式以微处理器为基础的功能部件。他们的 CPU 与 PLC 主 PLC 并行工作，占用主机 CPU 的时间很少，有利于提高 PLC 的扫描速度。智能模块要有模拟量 I/O，PID 回路控制，智能 I/O 的应用，使过程控制功能增强。某些 PLC 的过程控制还具有自适应，参数自整定功能，使调试时间减少，控制精度提高。另外，PLC 不断与计算机相结合。个人计算主要用作 PLC 的编程器、操作站或人/机接口终端，其发展是使 PLC 具备计算机的功能。大型 PLC 采用功能很强的微处理器和大容量存储器，将逻辑控制，模拟量控制，数字运算和通讯功能紧密结合在一起。这样，PLC 与个人计算机，工业控制计算机，集散控制系统在功能和应用方面互相渗透，使控制系统的性能价格比不断提高。改善和发展新的编程语言、高性能的外部设备和图形监控技术构成的人/及对话技术，除梯形图、流程图、专用语言指令外，还增加了 BASIC、C 语言的编程功能和容错功能。如：双机热备、自动切换 I/O、双机表决（当出入状态与 PLC