[工学]PLC毕业设计张天仪.doc

编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目：基于S7-200 PLC的数控机床盘式刀库控制系统设计 机电 系 机械工程及其自动化 专业学 号： 0823186 学生姓名： 张天仪 指导教师： 宋广雷（职称：教 授） （职称： ）2012年5月22日 III无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 基于S7-200 PLC的数控机床盘式刀库控制系统设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用、表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械85 学 号： 0823186 作者姓名： 张天仪 2012 年 5 月 20 日无锡太湖学院 机 电 系 机械工程及其自动化 专业毕 业 设 计论 文 任 务 书一、题目及专题：、 题目 基于S7-200 PLC的数控机床盘式刀库控制系统设计 、专题 电气控制与PLC应用 数控编程的应用 二、课题来源及选题依据 课题来源；1.西门子公司.SIMATIC S7-200可编程控制器 2.数控技术在刀具上的应用 选题依据： 西门子公司的SIMATIC S7-200可编程控制器正在向小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的方向发展，与计算机技术相结合，使用更加方便，相信在数控刀具上大有作为。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：1.内容全面，有图有文字，表达清晰，说到重点。特别关注如何编写PLC程序。 2字数在10000字以上。 四、接受任务学生： 机械85 班 姓名 张天仪 五、开始及完成日期：自 2011年 10 月25 日 至 2012年 5 月 22 日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师 签名 签名 签名教研室主任 学科组组长研究所所长 签名 系主任 签名2011年10月25日摘 要可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心、集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置。它具有功能齐全、使用方便、维护容易、通用性强、可靠性好、性能价格比高等特点，已在工业控制的各个领域得到了极为广泛的应用，成为实现工业自动化的一种强有力工具。本课题研究的内容就是利用PLC技术实现数控机床盘式刀库控制，设计其电气控制系统，将最新的控制技术应用到工作过程中，提高盘式刀库系统的稳定性、可靠性和实时性。本文综述了PLC控制系统的一般结构；简述了PLC控制系统设计的原则、内容和步骤。针对该刀库系统的特点和刀库性能要求，采用了德国西门子公司S7-200系列中S7-22X作为系统控制器，重点阐述了该系统的硬件、软件的设计方法，并简要分析了用计时器实现掉电自保的方法和用实时时钟功能实现刀库自动控制的方法。经过运行实践表明，以PLC控制的系统可靠性和实时性良好，完全满足系统设计要求，取得了良好的经济效益。关键词：可编程控制器 数控机床 刀库 AbstractProgrammable Logic Controller (PLC) is a kind of universal industrial control apparatus which is developed rapidly and used widely in recent years, taking microprocessor as its core, integrating microcomputer technology, automation technology and communication technology. It is applied very diffusely in varied field of industrial control with the characteristics such as all-round functions, flexible application, well reliability, high ratio of capability and price and easy maintenance and so on, having become a robust tool to realize industrial automation.The content that this paper studied is to make use of PLC technology to realize the CNC machine tool of the Disc cutter mud system, design the electric control system, apply the latest control technology to the lathe transform, and improve the stability of the scrape mud system, reliability and real time nature. The paper summarizes the general structure of PLC control system; puts forward the principle, content and step of PLC control system designing. Siphon blow against the system of soil characteristics and performance requirements Germany adopted a Siemens S7-200 series systems as a S7-22X controller focuses on the systems hardware and software design methods, focuses on the systems hardware and software design methods, Summary and Analysis of the timer used to achieve power-fail and try to keep the real-time clock function for knife library automatic controling.After running, practice shows that the PLC control system reliability and good real-time, fully satisfy the design requirements, achieved good economic results. Keywords: Programmable Logic Controller CNC machine tool Knife library目录目 录摘要IIIAbstract IV1. 绪论11.1加工中心的功用及组成 12.盘式刀库系统1 2.1加工中心换刀系统 1 2.1.1刀库类型2 2.1.2换刀方式6 2.1.2.1顺序选择方式6 2.1.2.2刀具编码方式6 2.1.2.3刀座编码方式8 2.1.3刀具交换装置的形式 83.圆盘刀库的研究12 3.1刀库换刀常用控制方式12 3.2圆盘式刀库控制原理12 3.2.1分析盘式刀库的动作时序12 3.3预选刀具的自动控制134.PLC在刀库上的应用15 4.1 PLC基本组成15 4.1.1中央处理器15 4.1.2输入输出接口16 4.1.2.1输入接口16 4.1.2.2输出接口16 4.1.3电源16 4.2 S7-200系列PLC17 4.2.1 CPU22X系列基本单元174.3 STEP 7-Micro/WIN-32编程软件 18 4.3.1 STEP 7-Micro/WIN-32软件运行 18 4.3.1.1菜单条19 4.3.1.2工具条20 4.3.1.3引导条20 4.3.1.4指令树21 4.3.1.5输出窗口21 4.3.1.6状态栏21 4.3.1.7 编辑器 21 4.3.1.8 局部变量表 21 4.4数控机床刀库运动控制设计 21 4.4.1完成主要任务 21 4.4.1.1刀库的驱动22 4.4.1.2刀位的控制实现22 4.4.1.3刀库的控制原理234.5 控制系统结构 234.6 控制原理 254.7 本章小结 255.盘式刀库PLC程序的设计26 5.1 盘式刀库的特点 26 5.1.1刀库编号26 5.1.2刀位管理与换刀265.1.3刀库位置确认265.1.4换刀方式265.1.5换刀信号26 5.2 换刀动作的分析 26 5.3 刀库的动作监控及互锁 27 5.4 换刀过程用到的PLC指令27 5.5 本章小结 306.结论与展望31 6.1 结论 31 6.2 不足之处和未来展望 31参考文献 32附录 33I盘式刀库的控制系统设计1绪论1.1加工中心的功用及组成加工中心（如图1.1）是一种高效数控加工机床，一台加工中心可完成由几台普通数控机床才能完成的工作。其特点是被加工零件只经过一次安装，就可以连续地对工件各个表面自动进行车削、铣削、钻削、扩孔、铰孔、镗孔、攻丝、等多工步的加工，工序高度集中。这种机床一般具有刀库和自动换刀装置、回转工作台或分度工作台，也有采用双工作台形式，在加工过程中能自动地进行刀具更换工作，以满足不同工序加工的需要。加工中心按机床结构的不同可以分为车削中心和铣削中心，其中铣削中心又分为立式加工中心和卧式加工中心，图1.1是VMC1100立加工中心外型图。 图1.1 VMC1100立式加工中心1- 立柱部件；2-主轴箱部件；3-工作台床鞍部件；4-刀库部件；5-操作面板；6-床身部件；7-冷却系统； 2.盘式刀库系统2.1加工中心换刀系统加工中心有一个专作储存刀具用的刀库如图1.1中的4，当需要用某一刀具进行切削加工时，将该刀具自动地从刀库移动到刀具主轴上；切削完毕后，又将用过的刀具自动的从刀具主轴上移回刀库中。由于换刀过程中刀具需在各部件之间进行转换，所以各部件的动作必须准确协调。刀库中刀具的数目根据机床的结构布局不同而不同。刀库布置在远离加工区的地方，从而消除了它与其它部件相干涉的可能性。刀库不能承受切削加工的作用力，否则容易引起刀库变形，从而影响换刀的准确性。机床的主轴或刀架尺寸不受限制，这样可以提高主轴或刀架部件的刚度，从而有利于提高机床的加工精度。采用这种自动换刀方式的刀具主轴需要有刀具的自动夹紧、放松机构及其驱动传力机构。另外，还要求有清洁刀柄、刀孔及刀座的装置,因而结构较复杂，换刀时间一般较长。其换刀动作包括：一个工序加工完毕以后，按照数控系统的指令，刀具快速退离工件，从加工位置退到换刀位置（同时主轴准停）；进行前后工序刀具的交换；然后松开主轴（消除准停）、变速、主轴起动旋转并快速趋近加工位置，用更换的新刀具开始下一工序的加工。2.1.1刀库类型刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具体结构随机床结构的不同而不同。加工中心刀库主要有表2-1中所示的形式及它们的特点、适用范围。表2-1 常用刀库类型类型简图特点适用范围鼓轮式刀库图a为径向取刀式图b为轴向取刀式图c为刀具在取刀位置可转动90，置于立式加工中心的主轴侧面，可与主轴直接进行刀具交换，使换刀结构简单，换刀时间短。因结构简单紧凑，应用较多；但因刀具单环排列，空间利用率低，大容量的刀库外径比较低大，转动惯量大，选刀时间长，因此这种刀库形式较适用于刀库容量小的场合占地面积大，刀库位置受限制，但将它置于卧式主轴的机床顶部，不妨碍操作，并且可用一单臂双手机械手对主轴直接进行换刀，换刀时间短，结构简单。便于根据机床总布局要求安排刀库的位置，刀库容量不宜过大。 类型简图特点适用范围鼓轮式刀库刀库空间利用率高，占地面积小，结构紧凑；但装取刀运动机构、刀库结构都较复杂适用于大刀库容量的场合，一般为60把以上的刀库鼓轮弹夹式适用于刀库置于机床立柱顶部，刀具容量较大的场合多层鼓轮式图a刀具轴线与刀库旋转轴线平行，径向装、取刀具。轻型刀具装在上盘，重型刀具装在下盘图b为刀具轴线垂直于刀具旋转轴线适用于刀具容量要求较大的换刀装置链式刀库结构紧凑，刀库容量可以较大，链环可根据机床的总体布局要求配置成适当形式以利于换刀机构的工作。通常为轴向取刀。位置精度不高。在刀库容量很大时，可采用多环链式刀库（图b）。它外形更紧凑，占用空间更小，选刀时间短适用于刀库容量较大的场合。在增加刀库容量时，可增加链条长度，而不增加链轮直径，因而链轮的圆周速度不增加，刀库的运动惯量不象鼓轮式刀库增加那样多。类型简图特点适用范围格子箱式刀库结构紧凑，刀库空间利用率高。换刀时间较长。小直径刀具为轴向取刀，大直径刀具为径向取刀布局不灵活，通常刀库安置在工作台上，应用较少直线式刀库 刀库容量小，一般在十几把刀左右多用于自动换刀的数控车床，数控钻床也有采用2.1.2 选刀方式 按数控装置的刀具选择指令，从刀库中挑选各工序所需要刀具的操作，称为自动换刀。目前，刀具的选刀方式主要有以下三种。 2.1.2.1 顺序选择方式刀具的顺序选择方式是将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的每一个刀座内。每次换刀时，刀库按顺序转动一个刀座的位置，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，也可以按顺序放入下一个刀座内。采用这种方式的刀库，不需要刀具识别装置而且驱动控制比较简单，可以直接由刀库的分度机构来实现。因此刀具的顺序选择方式具有结构简单，工作可靠等优点。但由于刀库中的刀具在不同的工序中不能重复使用，因而必须相应地增加刀具的数量和刀库的容量，这样就降低了刀具和刀库的利用率。此外，人工的装刀操作必须十分谨慎，一旦刀具在刀库中的顺序发生差错，将会造成严重事故。2.1.2.2 刀具编码方式刀具的编码选择方式采用了一种特殊的刀具结构，并对每把刀具进行编码。换刀时通过编码识别装置、根据程序的换刀指令代码，在刀库中寻找出所需要的刀具。由于每把刀具都有自己的代码，因而刀具可以放入刀库中任何一个刀座中，这样不仅刀库中的刀具可以在不同的工序中多次重复使用，而且换下来的刀具也不必放回原来的刀座，这对装刀和选刀十分有利，刀库的容量也可以相应地减少，而且还可以避免由于刀具在刀库中放置顺序的差错所造成的事故。图1.2为编码刀柄的示意图。在刀杆尾部的拉紧螺杆3上套着一组等间隔的编码环1，并由锁紧螺母2将它们固定。编码环的外径有大小两种不同的规格，每个编码环的高低分别表示2进制的1和0。通过对两种圆环的不同排列，可以得到一系列的代码。例如图1.3所示的7个编码环，就能区别127种刀具。通常全部为0的代码是不允许使用的，以避免与刀座中没有刀具的状况相混淆，便于操作者的记忆和识别，也可以使用二 八进制编码来表示。图2.2 编码刀柄示意图1-编码环；2-锁紧螺母；3-拉紧螺杆；在刀库上设有编码识别装置。当刀库中带有编码环的刀具依次通过编码识别装置，编码环的高低就能使相应的触针读出每一把刀具的代码。如果读出的代码与程序中选择刀具的代码一致时，就发出信号使刀库停止回转。这样加工所需要的刀具就准确地停留在取刀位置上，然后由机械手从刀库中将刀具取出。编码识别装置分为接触式和非接触式两种。接触式编码识别装置如图2.3所示。它通过触针4来识别编码环的大小，再通过识别器5来得到识别。它结构简单、可靠性较差，寿命较短，而且不能快速选刀。非接触式编码识别装置又分为磁性和光电识别两种方式。磁性识别方式(如图1.4所示，它是利用磁性材料和非磁性材料磁感应的强弱不同通过感应线圈读取代码。编码环分别由软钢和黄铜(或塑料)制成，非导磁性材料编码环代表编码1，导磁性材料编码环代表编码0。将它们按规定的编码排列，安装在刀柄的前端。当编码环通过线圈时，只有对应于软钢圆环的那些绕组才能感应出高电位，而其余绕组则输出低电位。然后，再通过识别电路选出所需要的刀具。磁性识别装置没有机械接触和磨损，因此可以快速选刀，而且具有结构简单，工作可靠，寿命长和无噪声等优点。图2.4非接触式识别装置对数码环识别1-刀柄；2-非导磁性材料编码环；3-导磁性材料编码环；4-非接触式识别器；图2.3 接触式编码识别装置1、2、3-编码环；4-触针；5-接触式识别器；光电识别方法是近年来出现的一种新尝试。其原理如图1.5所示。链式刀库带着刀座1和刀具2依次经过刀具识别位置I，在这个位置上安装投光器3，通过光学系统将刀具的外形及编码环投影到由光敏元件组成的屏板5上形成了刀具图样。装刀时，屏板5将每一把刀具的图样转换成对应的脉冲信息，经过处理将代表每一把刀具的信息图形”记入贮存器。选刀时，当某一把刀具在识别位置出现的信息图形与存贮器内指定的刀具信息图形相一致时，便发出信号，使刀具停在换刀位置上，由机械手4将刀具取出。这种识别系统不但能识别编码还能识别图样，因此给刀具的管理带来了方便。但由于该系统的价格昂贵，所以限制了它的使用。图2.5光电识别原理1-刀座；2-刀具；3-投光器；4-机械手；5-屏板；2.1.2.3 刀座编码方式刀座编码方式是对刀库的刀座进行编码并将与刀座编码相对应的工具一一放入指定的刀座中，然后根据刀座的编码选取刀具。由于这种编码方式取消了刀柄中的编码环，使刀柄的结构大为简化。因此，刀具识别装置的结构就不受刀柄尺寸的限制，而且可以放在较为合理的位置。采用这种编码方式时，当操作者把刀具放入与编码不符的刀座内时，仍然会造成事故。而且在刀具自动交换过程中，必须将用过的刀具放回原来的刀座内，从而增加了刀座的复杂性。与顺序选择方式相比较，刀座编码方式最突出的优点是刀具可以在加工过程中重复多次使用。刀座编码方式可分为永久性编码和临时性编码两种。一般情况下，永久性编码是将一种与刀座号相对应的刀座编码板安装在每个刀座侧面，它的编码是固定不变的。另一种临时性编码，也称为钥匙编码，它与前者有较大区别。它采用了一种专用的代码钥匙，如图2.6，编码时先按加工程序的规定给每一把刀具系上表示该刀具号码的代码钥匙。在刀具任意放入刀座的同时，将相对应的代码钥匙插入该刀座旁的钥匙孔内。通过钥匙把刀具的代码转记到该刀座上，从而给刀座编上了代码。图2.6刀座临时性编码原理1-无齿部分；2、5-接触片；3-有齿部分；4-定位孔； 将钥匙插入钥匙孔座，然后顺时针方向旋转90，处于钥匙有齿部分3的接触片2被撑起，表示代码1，处于无齿部分1的接触片5保持原状，表示代码0。刀库上装有数码读取装置，它由两个排成180的碳刷组成。当刀库转动选刀时，钥匙座孔的两排接触片依次地通过碳刷，依次读出刀座的代码，直至寻找出所需要的刀具。这种编码方式称为临时性编码是因为在更换被加工零件时，取出刀座中的刀具之后，刀座原来的编码随着编码钥匙的取出而消失。因此这种方式具有更大的灵活性，各个工厂可以对大量刀具中的每一种用统一的固定编码，这对于程序编制和刀具管理都十分有利，而且在刀具放入刀座时，不容易发生人为差错，但钥匙编码方式仍然必须把用过的刀具放回原来的刀座中，这是它的主要缺点。2.1.3 刀具交换装置的形式 数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式通常分为由刀库和机床主轴的相对运动实现刀具交换和采用机械手交换刀具两类。刀具的交换方式和它们的具体结构对机床的生产率和工作可靠性有着直接的影响。利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的装置此装置在换刀时必须首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不可能同时进行，因此换刀时间较长。图2.7所示的数控立式加工中心就是采用这类刀具交换方式的实例。它的刀库1安装在机床主轴箱2的左侧，当某一把刀具加工完毕从工件上退出后，即开始换刀。图2.7 刀库与机床主轴的相对运动换刀1-刀库；2-主轴箱其刀具交换顺序如下:按照指令，主轴箱移动到与刀库高度相应的位置，同时刀库回转，使刀库的某个空刀座恰好对准主轴上刀柄的V形槽。刀库右移，刀座中的弹簧机构卡入刀柄的V形槽中。主轴箱内的夹紧装置放松，使主轴上用过的刀具回刀库的空刀座中。主轴箱上升，刀库同时旋转，将下一工步需要的刀具对准主轴。主轴箱下降，将下一工步需要的刀具插入机床的主轴，同时主轴箱内的夹紧装置夹紧。刀库快速向左返回，将刀库从主轴下面移开，进行下一工序的加工。 这种自动换力装置只有一个刀库，不需要其它装置，结构极为简单，然而换刀过程却较为复杂。每交换一次刀具，刀库和主轴箱就必须作两次往复运动，因而增加了换刀时间。 刀库机械手的刀具交换装置采用机械手进行刀具交换的方式应用得最为广泛，这是因为机械手换刀具有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。在各种类型的机械手中，双臂机械手换刀集中体现了以上的优点。在刀库远离机床主轴的换刀装置中，除了机械手外，还必须带有中间搬运装置。双臂机械手换刀的几种常见结构如图2.8所示，它们分别是钩手2-8a，抱手2-8b，伸缩手2-8c和擦手2-8d，这几种机械手能够完成抓刀、拔刀、回转、插刀以及返回等全部动作。为了防止刀具掉落，各种机械手的活动爪都必须带有自锁机构。由于双臂回转机械手 (图2.8a、b、c)的动作比较简单，而且能同时抓取和装卸机床主轴和刀库中的刀具，因此换刀时间可以进一步缩短。图2.8双臂机械手换刀 图2.9是双刀库机械手换刀装置，其特点是用两个刀库和两个单臂机械手进行工作，因而机械手的工作行程大为缩短，有效地节省了换刀时间，还由于刀库分设两处而使布局较为合理。图2.9 双刀库机械手换刀1-刀库I；2-主轴；3-刀库II；根据各类机床的需要，加工中心所使用刀具的刀柄主要有圆柱形和圆锥形两种。为了使机械手可靠地抓取刀具，刀具必须有合理的夹持部分，而且应当尽可能使刀柄标准化，图2.0是常用的两种刀柄结构。V型槽夹持结构中机械手爪的形状和V型槽能很好地吻合，使刀具能准确地保持轴向和纵向位置，从而提高了装刀的重复精度。法兰盘夹持结构(图2.0b)适用于钳式机械手装夹。这是由于法兰盘的两边可以同时伸进钳口。因此，在使用中间辅助机械手时，能够方便地将刀具从一个机械手传递到另一个机械手(如图2.1所示)。这种自动换刀装置的刀库可储存较多的刀具。自动换刀时，机械手把机床主轴上已用过的刀具送回刀库，同时从刀库上取下下一工步所需刀具送往主轴，因而换刀时间短，适于加工各种较复杂的工件，其加工效率高。图2.1中间辅助机械手图2.0刀柄夹持结构333 圆盘刀库的研究这几年来, 由于机械制造产业的不断发展, 数控加工控制技术得到了迅速的普及和应用, 而其中带有自动换刀装置, 能在一次装夹中就完成铣、镗、钻、扩等多种工序的加工中心更是占据了数控机床中的主导地位。自动换刀装置是保证加工中心多道工序加工的基本条件, 其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间, 提高生产效率, 降低生产成本, 从而提升机床甚至整个生产线的生产力。因此, 加工中心自动换刀系统性能的好坏能直接影响到数控机床加工效率的高低。圆盘式刀库使用机械刀臂换刀，特点是速度快。因为其动作是：机械手臂同时拔出刀库中及主轴上的刀具旋转180同时插入刀具。优点是换刀速度快，装刀量大（可达40把，普通常见24、16把）。缺点是容易出现故障，这是矛盾的地方，越好用的东西越复杂，但越复杂的东西越容易出故障（故障点多了）。下图是几种圆盘式刀库的形状3.1 刀库换刀常用控制方式换刀方式主要有固定换刀和随机换刀。前一种方式刀库的刀套号和刀具号始终一致; 而后一种方式,刀套号和刀具号在换刀过程中不一致。固定换刀方式(机械手, 无刀具预选功能)。无论换刀次数是多少, 刀套号与刀具号始终一一对应, 如N号刀套中始终是N号刀。这种换刀方式换刀时间较长, 适用于刀具容量较少的小型加工中心。由于无刀具预选, 必须先归还旧刀再换新刀, 刀库无机械手, 用Z 轴运动进给, 换刀时间较长。随机换刀(有机械手, 可实现刀具预选)。刀具号与刀套号不一一对应, 系统有相应的刀具表随时记忆刀具使用情况, 刀具表中刀套号是固定的, 而刀具号则随刀具的交换随时更新。例如在刀具表初始化后, N号刀套中是N号刀, 但只要产生刀具交换,则刀具表随之进行数据交换(需在梯形图中处理并设定相应的数据表)。此方法换刀时间短, 适用于盘式、链式与箱式换刀系统。3.2 圆盘式刀库控制原理圆盘式刀库是ATC 随机换刀的典型形式之一,通过凸轮机构来完成整个换刀过程。换刀的动作过程快速且准确可靠, 是一种常采用的刀库形式。在换刀控制时, 通常可以将刀具交换分为两个步骤, 先调用T xx指令, 主要搜索刀库中的刀具, 再使用M06指令完成刀具的交换, 使主轴上更换新的刀具。因此, 刀具交换实际上就是指搜索刀具和交换目标刀具两个动作节拍。随机换刀只对刀具进行编码而不对刀套进行编码, 刀具在刀库中的位置是随机的。理想的随机换刀控制通常包括圆盘式刀库PMC 用户程序和NC宏程序(大直径选刀、换刀程序)两部分。PMC 用户程序和NC宏程序共同根据T 码完成搜索刀库中的刀具、进行刀具交换的整个过程。FANUC 0iMC数控系统的NC宏程序可以通过读取、运用系统变量将宏程序中大小直径刀具交换的条件状态位作为换刀宏程序判断跳步执行的条件, 通过用户宏程序和PMC之间的信号应答, 非常容易地实现大小直径刀具的随机换刀与固定换刀方式选择。3.2.1 分析盘式刀库的动作时序在未换刀前，刀库数刀及定位限位开关应闭合；回刀信号的磁簧开关应闭合；换刀臂的原位开关应闭合；换刀电机停止检测开关应闭合。当机床发出刀库换刀指令1 时，刀库分度电机开始旋转(为正转或反转就近选刀)刀库计数开关开始计数。当刀库计数开关发出计数正确及刀库定位信号2 后，使分度机构电机停止旋转。经过一段时间机床发出倒刀电磁阀得电信号3 ，倒刀气缸缩回，使回刀磁簧开关断开，倒刀磁簧开关闭合，发出倒刀定位信号4 。再经过一段时间(大约0.10.25s，目的在使倒刀气压缸内气压充足，换刀臂抓刀时才不会造成刀套的轻微晃动)，机床发出换刀电机旋转信号5，换刀臂旋转，使机械臂原点和电机停止开关断开。机械臂旋转到一定位置，接通电机停止信号6 ，电机停止旋转；机械臂开始扣刀，扣刀确认信号7 闭合，同时主轴夹爪松开。主轴夹爪松开后，机床发出换刀电机旋转信号8 ，换刀臂旋转扣刀和换刀电机停止开关断开。机械臂在换刀电机带动下旋转180后，接通电机停止信号9 ，电机停止旋转；机械臂开始扣刀，扣刀确认信号10 闭合。主轴进行拉刀和夹紧后，机床发出换刀电机旋转信号11 ，换刀臂旋转扣刀和换刀电机停止开关断开。机械臂在换刀电机带动下旋转0后，接通电机停止信号12 ；电机停止旋转，同时接通原点确认信号13 ，倒刀电磁阀失电。机床发出回刀电磁阀得电信号14 ，倒刀气缸伸出，使倒刀磁簧开关断开，回刀磁簧开关闭合，发出回刀定位信号15 ，经过一定时间后，回刀电磁阀失电。换刀动作完成。3.3 预选刀具的自动控制刀库刀具交换的PMC控制程序设计主要考虑搜索目标刀具在刀库上的刀套位置、刀库旋转方向(目标刀套最短路径) 的判别, 从而完成目标刀具的搜索, 为刀具交换作准备。所有刀具直径都不超过100 mm 为通常的标准状态, 采用随机换刀。个别刀具(如盘刀、大刀体镗刀) 直径超过100 mm, 这把刀就不能参与其他小直径刀具的随机换刀工作过程(可能产生刀位干涉),对这类刀具的自动交换必然要作出特殊处理。其方法是: 将刀库存储刀具的区域分为两部分, 一部分为多数的正常刀具区, 仍然采用随机方式换刀; 另一部分为极少数的大直径刀具区域, 采用固定刀位方式换刀(刀具取出、存入都是同一刀位, 不允许放入刀库的其他刀位)。系统可通过宏程序T 指令判断使用随机换刀方式还是使用随机换刀+ 固定位置换刀的混合方式。具体刀库选刀宏程序流程图如图3.1所示。图3.1 刀库选刀宏程序流程图FANUC 0i-MC使用SB7 类型PMC, 应用数据检索指令( DSCH ) 完成对目标刀具所在刀套号的搜索; 用回转控制指令( ROT ) 解决刀库旋转最短路径的判别; 用比较指令( COMPB) 解决大小直径刀具的判别, 这样就可以比较容易简化一些复杂的判别和逻辑控制的程序。盘式刀库的控制系统设计4PLC在刀库上的应用可编程控制器PLC(Programmable Logic Controller)是一种通用控制装置，是采用微电脑技术制造的自动控制设备。它将传统的继电器控制技术、计算机控制技术和通信技术融为一体，以顺序控制为主，回路调节为辅，能实现逻辑判断、定时、记忆和算术运算等功能。PLC及其网络技术广泛地应用到工业自动化控制之中，集三电于一体，具有较好的控制精度和高可靠性，成为现代工业工业自动化的支柱。机床功能部件刀库随着国内机床行业的发展而发展。国外的大型刀库虽然功能强大但是价格昂贵，因此我公司投入了大型刀库的研制。由于研制的大型刀库比普通刀库的结构复杂，为了节约设计成本，采用PLC和触摸屏来对系统进行控制。4.1 PLC基本组成PLC基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口（缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块组成，见图4.1。PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。图4.1 PLC的基本组成4.1.1 中央处理器中央处理器（CPU）由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。CPU通过数据总线总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连接。小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机，如8031、M68000等，这类芯片价格很低；中型PLC的CPU采用16位或32位微处理器或单片机，如8086、96系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高；而大型PLC则需采用高速位片式微处理器。CPU按照PLC内系统程序赋予的功能指挥PLC控制系统完成各项工作任务。4.1.2 输入输出接口输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。4.1.2.1 输入接口输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。如图4.2所示的直流输入接口电路为例，R1是限流与分压电阻，R2与C构成滤波电路，滤波后的输入信号经光耦合器T与内部电路耦合。当输入端的按钮SB接通时，光耦合器T导通，直流输入信号被转换成PLC能处理的5V标准信号电平（简称TTL），同时LED输入指示灯亮，表示信号接通。微电脑输入接口电路一般由寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路组成，这些电路集成在一个芯片上。交流输入与交直流输入接口电路与直流输入接口电路类似。 图4.2 直流输入接口电路4.1.2.2 输出接口输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）、指示灯、数字显示装置和报警装置等。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，与输入接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上，CPU通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为了适应工业控制要求，将微电脑的输出信号放大。4.1.3 电源PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。4.2 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的需要。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可以近乎完美地满足小规模的控制要求。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可选择性。 图4-3 主机与计算机连接上图4-3是典型的单主机连接示意图。S7-200 CPU22X系列PLC，是S7-200 CPU21X系统的替代产品，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CPU22X为重点进行介绍。4.2.1 CPU22X系列基本单元近几年西门子公司推出的S7-200 CPU22X系列产品有：CPU221模块、CPU222模块、CPU224模块、CPU226模块、CPU226XM模块。S7-200 CPU22X系列产品的主要性能如表4.1所示，供用户在进行系统设计时查询。CPU22X系列产品指令丰富、速度快、具有较强的通信能力。例如，CPU226模块的I/O总数为40点，其中输入点