PLC加工中心控制设计

盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 2009) 加工中心 PLC控制设计 摘 要 ： 加工中心（ Machining Center）简称 NC，是由机械设备与数控系统组成的适用于复杂零件的高效率自动化机床。它能实现三轴或三轴以上的联动控制，以保证刀具进行复杂表面的加工。 随着科学技术的发展世界先进制造技术的兴起和不断成熟，而对作为现代制造业非常重要的加工中心提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对加工中心的各种组成部分提出了更高的性能指标。由于加工中心备有刀具库，大大增加了刀具的储存容量。有利于提高主轴的刚度，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，并能较好的隔离各种影响加工精度的干扰因素。 本设计采用 PLC对刀具库系统的自动控制，自动换刀装置在随机换刀时只识别刀具不识别刀套，因此可以把刀具编号，并且按顺序将刀具插入刀库中对应号和刀套上。由数控系统的 PLC设定刀号，使刀具号和刀库中的刀套地址对应的记在 PLC上，一经设定，机床在以后的使用中，不论刀具在哪个刀套上 PLC始终记忆着它的踪迹。简化了控制系统的硬件和界限，减小了控制器的体积，提高了控制系统的灵活性，同时， PLC有较完善的自诊断和自保护能力，可以增强系统的抗干扰能力，提高系 统的可靠性。应用表明， PLC的简洁、快捷在自动换刀装置中得到了广泛的应用。 关键词 ： 刀库；存储；功能；自动控制 盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 2009) The Design of PLC Control Machining Center Abstract: Machining Center (Machining Center) referred to as NC, by the machinery and equipment with numerical control system composed of complex parts for high-efficiency machine tool automation. It can achieve more than three-axis or three-axis control of the linkage to ensure that the surface of cutting tools for complex processing. Development of science and technology as the worlds most advanced manufacturing technologies and the emergence of maturing, and as a very important modern manufacturing processing center a higher demand, super high-speed cutting, ultra-precision processing technology, on the machining center various components of a higher performance. Machining center equipped with cutting tools as a result of the Treasury, has greatly increased the storage capacity of the tool. Conducive to improving the stiffness of the spindle, independent of the knife library, has greatly increased the number of tool storage, and expand the functions of machine tool, and can better isolate the effects of interfering factors machining accuracy. The design of the Tool Library System PLC automatic control, automatic tool changing device in a random identification tool changer not only to identify knife, it can be the tool number, and in order to insert the knife tool and the corresponding database on knife. By the numerical control system PLC No. knife set, knives and knife making library knife corresponding address recorded in the PLC, the one set by the machine in use in the future, regardless of the tool in which the PLC has knife memory traces of it. Simplifies the control system hardware and boundaries, to reduce the size of the controller to improve the flexibility of the control system at the same time, PLC have better self-diagnosis and self-protection capability, the system can enhance the anti-interference ability to improve the system reliability. Application shows that, PLCs simple, fast and automatic tool changing device is widely used. Key Words: Tool Storage； memory； function； automatic control盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 2009) 目 录 1前 言 . 1 1.1 概述 . 1 1.2 课题来源及基本技术要求 . 2 1.3 主要设计内容及设计思路 . 2 1.4 预期成果及其意义 . 2 2 PLC基本介绍 . 3 2.1 PLC介绍 . 3 2.2 PLC的组成 . 3 2.3 PLC的应用领域 . 4 2.4 PLC的生产厂家 . 4 3 PLC工作原理 . 5 3.1 PLC工作原理及优点 . 5 3.2 FX 系列 PLC的性能简介 . 6 3.3 PLC控制系统设计概述 . 9 4 加工中心 PLC控制设计 . 10 4.1 加工中心的组成部分 . 10 4.2 刀库的自动换刀装置 . 12 4.3 加工中心 PLC输入输出 接线图 . 13 4.4 加工中心 PLC控制的软件流程图 . 15 4.5 梯形图及工作原理 . 17 4.6 运行结果 . 20 结束语 . 21 参考文献 . 22 致 谢 . 24 附 录 . 24 附录 1：加工中心刀库自动转位 接线图 . 24 附录 2：加工中心刀库自动转位 控制梯形图 . 26 附录 3：梯形图指令程序 . 30 盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 2009) 1 加工中心 PLC控制设计 1 前 言 随着微处理器、计算机和数字通信的飞速发展，计算 机控制已扩展到了几乎所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量产品。为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制必须具有极高的可靠性和灵活性。可编程序控制器真是应这一要求出现的，他是一位处理器为基础的通用工业装置。 可编程控制器（ Programmable Logic Controller）简称为 PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已成为当代工业自动化的主要控制设备之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的使用，在其他领域（如民用核家庭自动化）的 应用也得到了迅速的发展。 可编程序控制器在数控领域也得到了广泛的使用，以下课题为数控刀具库的转换就是利用可编程序控制器的强大功能所设计的，在数控及其普通机床上（无极变速）都运用了可编程序控制器，数控机床由电器部分和机械部分两大部分组成，现在都是用可编程序控制器来控制使其达到更准确的目的。 可编程序控制器是机床各项功能的逻辑控制中心。它将来自 CNC 的各种运动及功能指令进行逻辑排列，使它们能够在准确的、协调有序的安全运行；同时将来自机床的信息及工作状态传输给 CNC,使 CNC能够及时正确的发出进一步的控制指令如此 实现机床的控制。 当代 PLC 多集成于数控系统中，这主要是指控制软件的集成化，而 PLC 硬件则在规模较大的系统中往往采取分布式机构。 PLC 与 CNC 的集成是采取软件接口实现的，一般系统都是将两者间各种通信信息分别指定其固定的存放地址，由系统对所有地址的信息状态进行监控，根据各接口的现时信息状态进行分析和判别，据此作出进一步的控制指令，完成对运动或功能的控制。 PLC的推广在我国得到了迅猛的发展，他已经广泛运用在各种机械设备和生产过程的电气装置中。了解 PLC 的工作原理，具备设计、调试和维护 PLC 控制系统的能力，已经 成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。 1.1 概述 本次设计内容是用可编程控制器（ PLC）对数控加工中心进行自动换刀控制，要求在加工过程中，根据工艺要求，在需要换刀的时候给出某刀具编号， PLC根据所给刀具号进行判别，驱动刀库盘旋转到取刀口停止，再由机械手进行取刀换刀。刀库采用随机换刀方式，即机械手在取刀后，刀库不再转动，换刀、存刀一次完成，直到下一次换刀， PLC根据某刀具号转动刀库盘。 加工中心 PLC控制设计 2 刀具号的检测要求只有一个， PLC的输出（ X0）采用给定的刀具号与取刀口的当前刀具号比较的方法判别刀库盘的旋转方 向。 1.2 课题来源及基本技术要求 控制要求： a.加工要求，自动将指定刀具转至换刀位置（取刀口） b.刀具盘上共有 30把刀具供选择 c.为提高换刀效率，要求换刀时按最小旋转角（ 180）转动 d.为提高定位精度，当指定刀具号转到距刀口上两个刀具位时减速到取刀口处停止 e.在取刀口处，机械手上行抓紧刀具，下行、左行放松刀具（停留 5 秒，由加工中心安装刀具），右行到机械手原位停止 所设计的控制电路图需通过实验室等设备进行实际接线调试和操作，达到控制要求，设计的控制电路要求简单、可靠性高，便于操作。 对每个 行程控制电路应有详细的控制过程说明和控制电路动作原理说明。 1.3 主要设计内容及设计思路 1.3.1 主要设计内容 利用 PLC的知识设计出加工中心自动换刀控制的输入输出接线图和主电路，并根据控制要求和输入输出接线图绘制梯形图。 1.3.2 设计思路 a.对加工中心自动换刀控制进行详细了解。 b.设计自动换刀系统初步方案。 c.根据控制要求确定输入输出元件，绘制 PLC输入输出接线图和主电路图。 d.根据控制要求和输入输出接线图绘制梯形图。 e.完善上述设计 。 f.安装调试。 1.4 预期成果及其意义 作 为加工中心，刀库的选刀是其核心部分之一，直接影响刀库、机械手和主轴间的自动换刀，对机床的加工效率和加工精度具有十分重要的意义。经过长时期的发展， PLC已具有强大的运算能力，良好的通讯功能，极高的处理速度，已获得广泛的应用。对于高精尖的大型数控机床主要部件目前大部分都用的进口元件，费用高。 PLC及其定位控制器用于刀库、机械手和主轴间的自动换刀控制，取代某些昂贵的进口元件，降低了设备费用，本设计对于小型加工中心的自动选刀控制，是一种理想的控制设备。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 2009) 3 2 PLC基本介绍 2.1 PLC介绍 PLC即可编程控制器： PLC英文全称 Programmable Logic Controller；中文全称为可编程逻辑控制器。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。 2.2 PLC的组成 PLC主要由 CPU模块， I/O模块，编程器，系统电源和存储器等部分组成。 A.CPU模块 CPU 由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。 CPU 通过地址总线、数据总线与 I/O 接口电路相连接。起 “心脏 ”作用。当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后 CPU 根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成 PLC 内部所认可的用户编译程序。输入状态和 输入信息从输入接口输进， CPU 将之存入工作数据存储器中或输入 映像 寄存器。然后由 CPU 把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出 映像 寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。 B.I/O模块 输入 /输出（ I/O）单元是 PLC与外部设备连接的纽带。输入单元接受现场设备向 PLC 提供的开关量信号，经过处理后，变成 CPU 能够识别的信号。输出单元将CPU的信号经处理后来控制外部设备。 C.编程器 编程器分为两种，一种是手持编程器，携带方便。但缺点是只能编辑指令表。另一种是通过 PLC 的 RS232 接口 与计算机 RS232 接口相连。通过专用软件先在电脑上编辑梯形图或指令表程序，再编译成机器码传输到 PLC中。 D.系统电源 PLC一般合用 220V交流电源或 24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC5V、 12V、 24V 等直流电源。不同型号的 PLC 有不同的供电方式，所以 PLC电源的输入电压既有 12V和 24V直流，又有 110V和 220V交流。 PLC内部使用的电源是整体的供给中心，它的优劣直接影响到 PLC的功能和可靠性，因此目前大部分 PLC采用开关式稳压电源。 E.存储器 加工中心 PLC控制设计 4 具有记忆功能的半导体电路。它分为系统程 序存储器和用户存储器。 系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、 ROM 组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。 用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（ RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为 35年。 2.3 PLC的应用领域 在我国， PLC已经广泛应用在所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围的不断扩大。 PLC的应用领域主要有： A.开关量逻辑控制 PLC 具有 “与 ”、 “非 ”等逻辑指令，可以实现电路的串并、联，代替继电器进行组合逻辑、定时控制与顺序逻辑控制。开关量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域遍及各个行业，甚至深入到家庭。 B.运动控制 PLC 指令使用专用的指令或运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置速度、加速度进行控制，可以实现单轴、双轴、 3 轴和多轴位置控制，使运动控制和顺序控制有机的结合起来。 PLC的运动控制功能广泛的运用于各种机械场合，例如金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯等。 C.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转换与 D/A转换，并对模拟量进行闭环 PID（比例 -积分 -微分）控制。 PID闭环控制可以用 PID指令或专用的 PID模块来实现， PID闭环控制已经广泛的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、建材等方面。 D.数据处理 现代的 PLC具有数学运算（包括整体运算、浮点数运算、函数运算、字逻辑运算、求反、循环、移位和浮点数运算等）、 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。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，也可以用通信功能传输送到别的智能装置上，或者将它们打印制表。 E.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与其它智能控制设备一起，可以组成 “集中管理、分散控制 ”的分不是控制系统。 2.4 PLC的 生产厂家 自从第一台 PLC 出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制 PLC，并得盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 2009) 5 到了迅速的发展。 目前，世界上有 200 多家 PLC 厂商， 400 多品种的 PLC 产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派 PLC产品都各具特色，如日本主要发展中小型 PLC，其小型 PLC 性能先进，结构紧凑，价格便宜，在世界市场上占用重要地位 。 著名的 PLC 生产厂家主要有美国的 A-B（ Allen-Bradly） 公司 、 GE（ General Electric） 公司 ，日本的三菱电机（ Mitsubishi Electric） 公司 、欧姆龙（ OMRON）公司 ，德国的 AEG 公司 、西门子（ Siemens） 公司 ，法国的 TE（ Telemecanique）公司 等。 我国的 PLC 研制、生产和应用也发展很快，尤其在应用方面更为突出。在 20世纪 70 年代末和 80 年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。此后，在传统设备改造和新设备设计中， PLC的应用逐年增多，并取得显著的经济效益， PLC在我国的应用越来越广泛，对提高我国工业自动化水平起到了巨大的作用。 目前，我国不少科研单位和工厂在研制和生产 PLC，如辽宁无线电二厂、无锡华光电子 公司 、上海香岛电机制造 公司 、厦门 A-B公司 等。 3. PLC工作原理 3.1 PLC工作原理及优点 PLC是采用 “顺序扫描，不断循环 ”的方式进行工作的。即在 PLC运行时， CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号 (或地址号 )作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷 新等工作。 PLC的一个扫描周期必须输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。 PLC在输入采样阶段：首先以扫描的方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。 PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。 输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至 输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。 PLC的优点有： A.灵活性 加工中心 PLC控制设计 6 不同类型的硬件设备采用相同的可编程序控制器，编写不同应用软件就可以了，并且可以用一台可编程控制器控制几台操作方式完全不同的设备。 B.便于改进与修正 可编程序控制器为改进和修订原设计提供了极其方便的手段，以前也许要花费几周的时间才能完成的工作使用可编程序控制器只要几分钟就可以了。 C.节点利用率高 在可编程序控制器中，一个输入中的开关量或程序中的一个 “线圈 ”可提供用户所需用的连锁节点，即节点在 程序中可不受限制的使用。 D.成本低 可编程序控制器提供的继电器节点、计数器、计时器、顺控器的数量比采用继电器、计数器、计时器、顺控器等实际元器件要便宜的多。 E.模拟调试 可编程序控制能对所有功能在实验室内进行模拟调试，缩短现场的调试，而古典电器线路是无法在实验室进行调试的，只能花费现场大量时间。 F.能对现场进行微观调试 在可编程序控制器系统中，操作人员能通过显示器观测到所控每一个节点的运行情况，随时监测事故发生点。 G.快速动作 传统继电器节点的响应时间一般要几百毫秒，而可编程序控制器里的节点反应很快 ，内部是微秒级的。 H.可靠性 可编程序控制器由集成电路元件构成，因此可靠性大大高于机械和电器继电器。 I.系统购置的简单化 可编程序控制器是一个完整的系统，购置了一台可编程序控制器，就相当于购买了系统所需要的所有继电器、计数器、计时器等器件。 J.图纸简化 传统控制电路要靠画蓝图，而蓝图不能随意设计的不同阶段不断更新的，采用可编程序控制器很容易做到随时打印出更新后的电路图。 K.易于系统的变化 3.2 FX 系列 PLC的性能简介 3.2.1 FX系列 PLC的特点： A.体积极小的微型 PLC FX1S、 FX1N、 FX2N系列 PLC的高度为 90mm，深度为 75 mm（ FX1S和 FX1N、系列）和 87 mm（ FX2N和 FX2NC 系列），和 FX1S-14M(14个 I/O点的基本单元 )的底部尺寸仅为 90 mm*60 mm，相当于一张卡片大小，很适合在机电一体化产品中使用。内置的 DC24V电源可作输入电路的电源和传感器的电源。 B.美观的外部结构 盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 2009) 7 三菱的 FX 系列 PLC 吸收了整体式和模块式 PLC 的优点，它的基本单元、扩展单元和扩展模块的高度和深度相同，宽度不同。他们之间用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的长方体。 C.提供多个子系列供用户选择 FX1S、 FX1N、 FX2N 外观、高度、深度差不多，但是性能和价格有很大的差别，见表 3-1。 表 3-1 FX1S、 FX1N、 FX2N和 FX2NC 型号 I/O点数 用户程序步数 应用指令 /条 通信功能 基本指令执行时间 /us FX1S 10-30 2K步 EEPROM 85 较强 0.55-0.7 FX1N 14-128 8K步 EEPROM 89 强 0.55-0.7 FX2N和FX2NC 16-256 内置 8K步 ROM,最大 16K步 128 最强 0.08 FX1S 的功能实用，价格便宜，可以用于小型开关量控制系统，最多 30 个 I/O点，有通信功能，可以用于一般的紧凑型 PLC不能使用的地方； FX1N最多可以配置 128 个 I/O 点，可以用于要求较高的中小型系统； FX2N 的功能最强，可以用于要求很高的系统。 FX2NC 的结构紧凑，基本单元有 16 点、 32 点、 64 点和 96 点 4种，可以扩展到 256点，有很强的通信功能。由于不同的系统可以选择不同的字系列，避免了资源的浪费，使用户能用最少的投资来满足系统的要求。 D.灵活多变的系统配置 FX 系列 PLC 的系统装配灵活，用户不仅能 够可以选不同的子系统外，还可以选用多种基本单元，扩展单元和单元模块，组成不同 I/O点和不同功能的控制系统，各种配置都可以得到很高的性能价格比。 FX 系列的硬件配置就像模块式 PLC 那样灵活，因为它的基本单元采用的是整体式结构，又具有比模块式 PLC 更高的性能价格比。 FX系列 PLC还有多种规格的显示模块和数据操作终端，可以用来修改定时器、计数器的设定值和数据寄存器的数据，也可以用来做监视装置，有的只能显示符号，有的可以显示画面。 E.功能强使用方便 FX 系列的体积虽小，却具有很强的功能。它内置高速计数器，有输入输 出刷新、中断、输入滤波时间调整、恒定扫描时间等功能，有高速计数器的专用比较指令。使用脉冲列输出功能，可以直接控制步进电动机和伺服电动机。脉冲宽度调整功能可以用于温度控制或照明灯的调光控制。可以设置 8位数字密码，以防别人对用户程序的吴改写或盗用，保护设计者的知识产权。 FX 系列的基本单元和扩展单元一般采用插接式的接线端子排，更换单元方便快捷。 加工中心 PLC控制设计 8 3.2.2 FX1N系列 FX2N系列 PLC FX1N 有 13 种基本单元，可组成 14-128 个 I/O 点的系统，并能使用特殊功能模块、显示模块和功能模块。用户存储容量为 8000步，有内置的实时钟。 FX1N系列的基本单元 见表 3-2。 表 3-2 FX1N系列的基本单元 AC电源， 24V直流输入 DC电源， 24V直流输入 输入点数 输出点数 继电器输出 晶体管输出 继电器输出 晶体管输出 FX1N-14MR-001 - - - 8 6 FX1N-24MR-001 FX1N-24MT FX1N-14MR-D FX1N-24MT-D 14 10 FX1N-40MR-001 FX1N-40MT FX1N-24MR-D FX1N-40MT-D 24 16 FX1N-60MR-001 FX1N-60MT FX1N-40MR-D FX1N-60MT-D 36 24 FX2N 系列的功能强大、速度高。它的基本指令执行时间达每条指令 0.08us，内置的用户存储器为 8K步，可以扩展到 16K 步，最大可以扩展到 256个 I/O点，有多种特殊功能模块或功能扩展板，可以实现多轴定位控制。机内有实时钟， PID指令用于模拟量闭环系统。有功能很强的数字指令集，例如浮点数运算、开平方和三角函数等。每个 FX2N基本单元可以扩展 8个特殊单元。 FX2N通信同能与的 FX1N相同。 FX2N系列的基本单元见表 3-3。 表 3-3 FX2N系列的基本单元 AC电源， 24V直流输入 DC电源， 24V直流输入 输入点数 输出点数 继电器输出 晶体管输出 继电器输出 晶体管输出 FX2N-16MR-001 FX2N-16MT - - 8 8 FX2N-32MR-001 FX2N-32MT FX2N-32MR-D FX2N-32MR-D 16 16 FX2N-48MR-001 FX2N-48MT FX2N-48MR-D FX2N-48MR-D 24 24 FX2N-64MR-001 FX2N-64MT FX2N-64MR-D FX2N-64MR-D 32 32 FX2N-80MR-001 FX2N-80MT FX2N-80MR-D FX2N-80MR-D 40 40 FX2N-128MR-001 FX2N-128MT - - 64 64 FX1N和 FX2N系列带电源的 I/O扩展 单元见表 3-4。 表 3-4 FX1N和 FX2N系列带电源的 I/O扩展单元 AC电源， 24V直流输入 DC电源， 24V直流 输入 输入点数 输出点数 可连接的PLC 继电器输出 晶体管输出 继电器输出 晶体管输出 FX2N-32ER FX2N-32ET - - 16 16 FX1N, FX2N FX0N-40ER FX0N-40ET FX0N-40ER-D - 24 24 FX1N FX2N-48ER FX2N-48ET - - 24 24 FX1N, FX2N - - FX0N-48ER-D FX2N-48ER-D 24 24 FX2N 盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 2009) 9 FX1N和 FX2N系列扩展 I/O模块 见表 3-5。 表 3-5 FX1N和 FX2N系列扩展 I/O模块 输入模块 继电器输出模块 晶体管输出模块 输入点数 输出点数 FX0N-8EX - 4 4 FX0N-8EX - - 8 - FX0N-16EX - - 16 - FX2N-16EX - - 16 - - FX0N-8EYR FX0N-8EYT - 8 - FX0N-16EYR FX0N-16EYT - 16 - FX2N-16EYR FX2N-16EYT - 16 3.3 PLC控制系统设计概述 PLC 电气控制系统是控制电气设备的核心部件，因此 PLC 的控制性能是关系到整个控制系统能否能正常、安全、可靠、高效的关键所在。在设计 PLC控制系统时，应遵循以下基本原则： a.最大限度地满足被控对象的控制要求。 b.力求控制系统简单、经济、实用，维修方便。 c.保证控制系统的安全、可靠性。 d.操作简单、方便，并考虑有防止误操作的安全措施。 e.满足 PLC的各项技术指标和环境要求。 PLC控制设计的基本步骤： A.对控制系统的控制设计要进行详细了解 在进行 PLC控制设计之前，首先要详细了解其工艺过程和控制要求，应采取什么控制方式，需要哪些输入信号，选用什么输入元件，哪些信号需输出到 PLC外部，通过什么元件执行驱动负载 ；弄清楚整个工艺过程各个环节的相互联系；了解机械运动部件的驱动方式；了解系统的控制方式是全自动还是半自动的，控制过程是连续运行还是单周期运行，是否有手动调整要求等。另外，还要注意哪些量需要监控、报警、显示，是否需要故障诊断，需要哪些保护措施等。 B.控制系统初步方案设计 控制系统 的设计往往是一个渐进式、不断完善的过程。在这一过程中，先 大致确定一个初步控制方案，首先解决主要控制部分，对于不太重要的监控、报警、显示、故障诊断以及保护措施等可暂不考虑。 C.根据控制要求确定输入输出元件，绘制 PLC输入输出接线图和主电路图 根据 PLC输入输出量选择合适的输入和输出控制元件。计算所需的输入输出点数，并参照其他要求选择合适的 PLC 机型。根据 PLC 机型特点和输入输出控制元件绘制 PLC 输入输出接线图，确定输入和输出控制元件和 PLC 的输入和输出端的对应关系 。输入输出元件的布置应尽量考虑接线、布线的方 便，同一类的电器元件应尽量排一起，这样利于梯形图的编程。一般主电路比较简单，可一并绘制。 加工中心 PLC控制设计 10 D.根据控制要求和输入输出接线图绘制梯形图 这一部是整个设计过程的关键，梯形图的设计需要掌握 PLC的各种指令的应用技能和编程技巧，同时还要了解 PLC的基本工作原理和硬件结构。梯形图的正确设计是确保控制系统安全可靠运行的关键。 E.完善上述设计内容 根据绘制的梯形图，如有必要还可反过来修改和完善输入输出接线图和主电路图及初步方案设计，加入监控、报警、显示、故障诊断和保护措施等，进行最后统一完善 。 F.安装调试 根据上述设 计的内容，进行电气控制元件的安装和接线，将梯形图输入到 PLC中，最好现在 PLC上进行模拟调试，或在模拟仿真软件上进行调试，确保控制梯形图没有问题后进行连机调试。 4. 加工中心 PLC控制设计 4.1 加工中心的组成部分 加工中心分两大部分：数控机床和刀具自动交换装置。刀具自动交换装置应能满足以下几个方面的要求： 换刀时间短； 刀具重复定位精度高； 识刀、选刀可靠，换刀动作简单； 刀库容量合理，占地面积小，并能与主机配合，使机床外观完整； 刀具装卸、调整、维护方便。刀具自动交换系统由刀库、刀具交换装 置、刀具传送装置、刀具编码装置、识刀器等五个部分组成。 A.刀库 刀库存储加工所需各种类型刀具的仓库。它是刀具自动交换系统中的重要组成部分，具有接受刀具传送装置送来的刀具和将刀具给予刀具传送装置的功能。它的容量、布局和具体结构对整个加工中心的总体布局和性能有很大的影响，按其结构、形状可分为以下六种： 圆盘式刀库，又分为轴向式 (刀具中心线与圆盘中心线平行 )、径向式 (刀具中心线与圆盘中心线垂直 )和多盘式 (在一根旋转轴上分设几层圆盘刀库 )。 转塔式刀库，又分倾斜式和水平式。 鼓轮式刀库。 链式刀 库。 格子式刀库。 直线式刀库。 应当根据被加工零件的工艺要求合理的确定刀库的存储量。根据对车床、铣床和钻床的所需刀具的数的统计表明，在加工过程中经常使用的刀具数目并不很多，对于钻削加工，用 14 把不同的规格的刀具就可以完成约 80%的加工，即使要求完成 90%的工件加工，用 20 把刀具也就足够了。对于铣削加工，需要的刀具更少，用 4把不同规格的铣刀就能完成约 90%加工，用 5把不同规格的铣刀可以加工 95%的工件。因此从使用角度来看，刀库的存储量一般为2040 把较为合适，多的可达 60 把刀，超过 60 把刀的很少。采用 链式刀库。本次设计的刀库容量为 32把刀，为中型加工中心刀库 。 B.刀具交换装置 (机械手 ) 盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 2009) 11 它的职能是将机床主轴上的刀具与刀库或刀具传送装置上的刀具进行交换，其动作循环为：拔刀 新旧刀具交换 装刀。换刀机械手种类繁多，可以说每个厂家都推出自己的机械手，基本上换刀装置按交换方式又分为两类。 无机械手换刀，由刀库与机床主轴的相对运动实现换刀。在这类装置中，刀库一般为格子式，装在工作台上。换刀时，先使工作台与主轴相对运动，将使用过的旧刀送回刀库，然后再使工作台与主轴相对运动一次，从刀库中取出新刀。这种换刀 方式的换刀时间长，另外刀库设置在工作台上，减少了工作台的有效使用面积。 采用机械手换刀，机械手刀具交换装置，有单臂单手式机械手、回转式单臂双机械手、双臂机械手、多手式机械手。特别是双臂机械手刀具交换装置具有换刀时间短、动作灵活可靠等优点，应用最为广泛。双臂机械手中最常用的几种结构有：钩手；抱手；伸缩手；叉手。双臂机械手进行一次换刀循环的基本动作为：抓刀 (手臂旋转或伸出，同时抓住主轴和刀库里的刀具 )；拔刀 (主轴松开，机械手同时将主轴和刀库中的刀具拔出 )；换刀 (手臂转 180，新、旧刀交换 )；插刀 (同时将新刀插 入主轴，旧刀插入刀库，然后主轴夹紧刀具 )缩回 (手臂缩回到原始位置 )。机械手的手爪，大都采用机械锁刀的方式，有些大型的加工中心，也有采用机械加液压的锁刀方式，以保证大而重的刀具在换刀中不被甩出。对于本次设计采用双机械手换刀装置。 C.运刀装置 当刀库容量较大、布置得离机床较远时，就需要安排两只机械手来完成新旧刀的交换动作，一只靠近刀库，称为后机械手，完成拔新刀、插旧刀的动作；一只靠近主轴，称为前机械手，完成拔旧刀、插新刀的动作。在前后机械手之间则设有运刀装置。它一方面将前机械手从主轴上拔出的旧刀运回刀库旁， 以便后机械手将该旧刀拔出并插回刀库；另一方面则将后机械手从刀库中拔出的新刀运到主轴旁，以便前机械手将该新刀拔出并插入主轴。运刀器的职能就是在前后机械手之间来回运送新、旧刀具。此设计无此动作。 D.刀具编码装置 将加工所需的刀具自动地从刀库中选择出来称为自动选刀，有顺序选择和编码选择两种方式。 顺序选择方式： 将在加工中心上加工某一零件所需的全部刀具按工序先后依次插入刀库中。加工时按加工顺序一一取用。采用这种选刀方式不需要识刀器，刀库结构及其驱动装置都非常简单，每次换刀时控制刀库转位一次即可。采用顺序选刀方 式时，为某一个工件准备的刀具，不能在其他工件中重复使用，这在一定程度上限制了机床的加工能力。 固定地址选择方式：这是一种对号入座的方式，又称为刀座编码方式。这种方式是对刀库的刀座进行编码，并将与刀座编码相对应的刀具一一放入指定的刀座中。然后根据刀座的编码选取刀具。该方式使刀柄的结构简化，刀具可以做得较短，但刀具不能任意安放，一定要插入配对的刀座中。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多次使用。 编码选择方式： 将加工某一项零件所需的全部刀具 (或刀座 )都预先编上代码，存放在 刀库中。加工时根据程序寻找所需要的刀具。由于每把刀具都有自己的代码，它们在刀库中的位置和存放顺序可以与加工顺序无关。每把刀具都加工中心 PLC控制设计 12 可被多次重复使用。刀具编码有多种方式，常用的有三种。刀具编码：在每一把刀具的尾部都用编码环编上自己的号码。选刀时根据穿孔带所发出的刀号指令任意选择所需的刀具。由于每把刀具都有自己确定的代码，无论将刀具放入刀库的哪个刀座中都不会影响正确选刀。采用这种编码方式可简化换刀动作和控制线路，缩短换刀时间。这种编码现已获广泛应用。刀座编码：在刀库的每一个刀座上用编码板编码。这种编码方式的优点是刀 柄不会因尾部有编码环而增加长度缺点是刀具必须对号入座，换刀时间长。 编码钥匙：预先给每把 刀具都系上一把表示该刀具代码的编码钥匙。 4.2 刀库的自动换刀装置 带刀库的自动换刀系统由刀具换刀机构组成，目前这种换刀方法在数控机床上的应用最为广泛。带刀库的自动换刀装置的数控机床主轴箱和转塔主轴头相比较，由于主轴箱内只有一个主轴，所以主轴部件有足够的刚度，因而能够满足各种精密加工的要求。另外，刀库可以存放数量很多的刀具，可以进行复杂零件的多工序加工，可明显的提高数控机床的适应性和加工效率。 由于本次设计有 30 把 刀具，比较复杂，我们以 6 把刀具为例，画出其机械手与调取刀具示意图。 调取当前刀时（图中为 1号刀）刀盘不动作。 调取刀具时分两种方法即顺时针取刀和 逆时针取刀，顺时针取刀时调取的是 5号和 6号刀，逆时针取刀时调取的是 2、 3、 4号刀。 机械手在 1 号位，调取 5 号和 6 号刀时，刀盘顺时针旋转 调取刀具示意图如图4-1所示。 图 4-1刀盘顺转调取 5-6号刀 盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 2009) 13 机械手在 1号位，调取 2、 3、 4号刀时，刀盘逆时针旋转调取刀具如图 4-2所示。 图 4-2 刀盘逆转调取 2-4刀 30把刀具的装配图的原理与 6把刀具的原理几乎相同，只是多了刀具的而已。 4.3 加工中心 PLC输入输出 接线图 本次设计采用随机换刀控制方式，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道具，即换刀、存刀一次完成，缩短了换刀时间。 图 4-3是以刀套编号的 T功能处理示意。 数控装置刀库回转指令译T指令代码刀号符合判定刀具检索刀库回 转 控制位 置 信 号反 馈图 4-3 T功能处理示意 一个完整的 PLC设计由 I/O配置表、 软件流程图、梯形图和指令表组成。本次设计详细介绍了本课题的各个环节。 加工中心 PLC控制设计 14 表 4-1是 30把刀具的 I/O及内部继电器元件分配表 表 4-1 I/O及内部继电器元件分配表 X0 刀位检测 X1 指定当前值刀号 X2 指定设定值刀号 X3 复位按钮 X4 软件换刀命令 X10 X17 用于设定 D200和 D201的值 Y0 刀库正向回转 Y1 刀库反向回转 Y2 刀库减速回转 Y3 刀库停转 M100 停转标志 M101 正转标志 M102 反转标志 M103 减速标志 M120 起动脉冲 M130 复位脉冲 M140 刀具检测脉冲 D0 差值内存 D200 当前值内存 D201 设定值内存 根据输入输出分配表画出 PLC接线图： 盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 2009) 15 C O M+ 2 4 VX0X1X2X3X4X 1 0X 1 1X 1 2X 1 3X 1 4Y1Y0C O M 1220V位十S B4S B3S B2S B1QSX 1 6X 1 7Y3Y2数个位数X 1 5K M 3K M 4K M 4K M 3K M 2K M 1刀位检测指定当前值刀号指定设定值刀号复位按钮软件换刀命令刀库停转刀库减速回转刀库反向回转刀库正向回转 图 4-3 PLC接线图 4.4 加工中心 PLC控制的软件流程图 为了更为简单的分析 30 把刀具的工作过程，我们通过软件流程图慢慢的进行分析和说明 ， 图 4-4即为刀库转位控制流程图 。 加工中心 PLC控制设计 16 启 动 换 刀换 刀 号 设 定值 内 存设 定 值 减 当 前值 差 值 内 存差 值 为 负 值 ？负 值 去 补 差 值 内 存差 值 半 数 ？置 正 转 标 志置 反 转 标 志差 值 小 于 半 数 处 理差 值 3 0 ？3 0 当 前 值 内 存 1 当 前 值 内 存差 值 减 1 差 值 内 存当 前 值 = 设 定 值 ？置 停 转 标 志停 转 标 志 有 效 ？正 转 标 志 有 效输 出 正 转反 转 标 志 有 效输 出 反 转减 速 标 志 有 效输 出 减 速停 转 结 束NYYNYNYYYNY NNYYN 图 4-4 刀库转位控制流程图 盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 2009) 17 设： a.当前值用 X1 按钮赋值，模拟 D200 中的数据（例如，预 将 1 存于 D200中，先使 X10 X17 中的 X10 置 1，再按动 X1 按钮即可） ；PLC 接受 CNC 的 T 指令，经译码后将设定值送至 D201中，用 X2模拟赋值（方法同上）；换刀时， CNC发出换刀命令，用 X4模拟，则 PLC产生刀库回转控制命令 起动脉冲 M120。 b.复位按钮 X3按下， PLC产生复位脉冲 M130,将 1#刀回转至刀库的取刀位。 特殊继电器说明： M8000PLC 运行常 ON； M8002PLC 运行第一个扫描中期为 ON。 4.5 梯形图及工作原理 通过上述的 I/O 及内部继电器元件分配表和 刀库转位控制流程 图，我们可以很容易的得到这次设计的关键 梯形图。 在这里我们顺便提及一下画梯形图是应注意的的几点： a.梯形图中的连接线（相当于导线）不能相互交叉，并且只能水平或垂直绘制。 b.梯形图中的接点一般只能水平绘制，不能垂直绘制。 c.各种继电器线圈只能与右母线连接，不能与左母线连接。 d.接点不能与右母线连接。 e.接点中的 “电流 ”只能从左向右单方向流动，不能出现反向流动的现象。 以上的几点在常规电器控制电路中是允许的，当将常规电器控制电路转化成梯形图是， 往往会遇到上述不能用梯形图表达的电路。 下面是这次设计 的最关键的梯形图： 加工中心 PLC控制设计 18 X1M O V K 2 X 1 0 D 2 0 0 当前值X2M O V K 2 X 1 0 D 2 0 1 设定值X3 复位按钮X4 软件换刀命令P L S M 1 2 0 产生启动脉冲Z R S T (P ) M0 M 1 0 3 区间复位X3P L S M 1 3 0 产生复位脉冲M 1 3 0M O V K1 D 2 0 1 设 1# 刀位为复位位置M 1 2 0M 1 5S U B D 2 0 1 D 2 0 0B O N D0 M 1 5 K 1 5A D D K 3 0 D0 D0D0 为负值？负值 D0 的补D0 （ D 2 0 1 - D 2 0 0 ）存M 1 2 0C M P D0 K 1 5 M0 D O 1 5 ?M0M1S U BR S TR S T M1M0K 3 0 D0 D0 小于半数D 0 = 1 5 时置正转标志M 1 0 1M2M 1 0 2R S T M2M 8 0 0 0C M P D0 K2 M3D 0 1 5 时置反转标志D 0 = 2 ?M4M5M 1 0 3D 0 3 0 ?M6D 2 0 0 3 0 时， 1 = D 2 0 0M 8 0 0 0D 2 0 0 = 0 ?M 1 0M 1 4 0M 8 0 0 0M 1 3D 2 0 0 = 0 时， 3 0 = D 2 0 0每检测一刀套，D 2 0 0 = D 2 0 1 ?D 2 0 0 = D 2 0 1 时置停转标志M 1 0 1 M 1 0 0Y0刀库正转M 1 0 2 M 1 0 0Y1刀库反转M 1 0 3Y2M 1 0 0 Y3刀库减速M 1 0 0M 8 0 0 2Y3M 1 0 1 M 1 0 2刀库停转92101110118125133140148156159163167172178E N DY3Y2Y1Y0R S T M 1 3M 1 0 0C M P D 2 0 0 D 2 0 1 M 1 2S U B D0 K1 D0R S T M 1 0M O V K 3 0 D 2 0 0C M P D 2 0 0 K0 M9R S T M6M O V K1 D 2 0 0A D D D 2 0 0 K1 D 2 0 0C M P D 2 0 0 K 3 0 M6D 0 - 1 = D 0 图 4-6 刀库自动转位控制梯形图（ b） 工作原理： 当 X1动作时，将当前值存于数据寄存器 D200中 ； X2动作时，将设定值存于数据寄存器 D201， X3 或 X4 动作时，产生启动脉冲，并使 M0-M13 这个区间的辅助继电器都复位，这就使 M130 闭合，从而设 1#刀位为复位位置。 M120 闭合时，加工中心 PLC控制设计 20 首先将 D201-D200 存于 D0 中，再判断 D0 是否为负值，如果是负值，就将其补码存于 D0中，与此同时，判断 D0的值是否大于 15，其目的就是为了 提高换刀效率，使 换刀的最小旋转角小于 180度，当 M0小于 2时要减速，这是为了提高定位精度。 4.6 运行结果 表 4-2 是刀库自动转位控制的一组运行结果。由于刀具较多，大量的运行结果不能一一列举。在实际控制中，只需将控制程序中的 I/O触点与相应设备连接即可。 表 4-2 将 9#刀转至取刀位的运行结果（刀库反转） 步骤 操作内容 X17 X10状态（二进制） 操作说 明 运行结 果 1 PLC“RUN” 00000001 Y3亮 2 按动 X1 00001001 1=D200 Y3亮 3 按动 X2 9=D201 Y3亮 4 按动 X4 换刀命令 Y1亮 5 5次按动 X0 Y1亮 6 第 6次按动 X0 Y1Y2亮 7 第 8次按动 X0 9=D200 Y3亮 说明：按动 X1，将当前取刀位上的刀号 1 赋值给寄存器 D200，按动 X2，将指定的新刀号 9赋值给寄存器 D201；按动 X4，发出换刀命令，刀库反转（ Y1亮）。刀库旋转时，每检测到一把刀具（ X0模拟）， D200中的值加 1，当第 6次检测到刀具时，刀库减速（ Y2 亮），直至第 8 次检测到刀具时，刀库减速（ Y2 亮），此时D200中的刀具号为 9。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 2009) 21 结束语 此次毕业设计是我们从大学毕业生走向未来岗位重要的一步。从最初的选题，开题到计算、绘图直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。 本次毕业设计的课题为刀具库换刀系统设计，刀盘由 PLC（可编程序控制器）控制来实现其功能。我们在设计中得出了一些理论上数据可能与实际数据有所出入。设计之前原有刀盘只能单向转动，效率较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。改进后对位成功的进行指示灯闪烁提示，调取不是当前工位的刀时，系统 能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，但这在现实生活中还不可用。现实中当调试成功后还应当编写使用说明书做到质量可靠、稳定有保障。不足之处应在使用中改进升级，最终达到设备安全稳定。 毕业设计收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的绘图能力，懂得了许多经验公式的获得是前人不懈努力的结果。同时，仍有很多课题需要后辈去努力去完善。 但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解等等。这次实践是对自己大学四年所学的一次 大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己 成为一个对社会有所贡献的人，为中国电气行业添上自己的微薄之力。 这次毕业设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的精心指导下，完成了设计任务。同时，在老师身上我学到了很多实用的知识，在此我表示感谢！ 加工中心 PLC控制设计 22 参考文献 1 王阿根编著电气可编程控制原理与应用 M 北京：清华大学出版社， 2007 2 郁汉琪主编 电气控制及可编程控制器的应用技术 M.南京：东南大 学出版社， 2003 3 方承远主编工厂电气控制技术 M北京：机械工业出版社， 2000 4 钟肇新 范建东编著可编程控制器原理（第 3版） M广州：华南理工大学出版社 2004 5 宫淑贞等编著可编程控制器原理及应用 M北京：人民邮电出版社， 2002 6 陈立定等编著电气控制与可编程序控制器的原理及应用 M北京：机械工业出版社， 2005 7 张凤珊 . 电气控制及可编程控制器 M.北京：中国轻工业出版社， 1999. 8 国家标准局编电气制图及图形符号国 家标准汇编北京 M：中国标准出版杜， 1989 9 王仁祥编著 常用低压电器原理及其控制技术 北京 ： 机械工业出版社， 2001 10何淓山著 可编程程序设计范例大全 上海：同济大学出版社， 1997 11史国生著 电气控制与可编程技术程序控制器 北京：化学工业出版社， 2004 盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 2009) 23 致 谢 本次设计是在王阿根老师精心指导下完成的。整个设计过程中，王老师对我们题目的引导和无微不至的关心贯彻 始终。设计中，我不仅学到了与这个题目相关的一些解决方案，更重要 的还是从导师身上学到 了一种严谨治学的态度，一些实际问题的处理方法。这将是一笔使我受益终生的财富。值此设计完成之际，我要像导师表示我衷心的感谢和诚挚的敬意。 感谢我的室友，四年以来，是他们给了我许多的支持和鼓励，带给我难忘的大学生活，在我情绪低落时不断给我加油。 感谢我大学四年的同窗，是你们让我感受了大学的美好。和你们共同走过的这大学四年，我感到无比的块乐。 感谢大学四年帮助过、关心过我的每位老师，是他们教会了我许多知识与技能，为我完成这次设计提供坚实的基础。 加工中心 PLC控制设计 24 附 录 附录 1：加工中心刀库自动转位 接线图 盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 2009) 25 盐 城 工 学 院学 号专 业 电 气 工 程 及 其 自 动 化0 5 2 0 6 1 0 2 3 8班 级姓 名B D 电 气 0 5 2许 向 东设计审核日期许 向 东0 9 . 5 . 2 6课 题名 称图 名加 工 中 心 P L C 控 制 设 计刀 库 自 动 转 位 控 制 接 线 图比 例图 号页 数C O M+ 2 4 VX0X1X2X3X4X 1 0X 1 1X 1 2X 1 3X 1 4Y1Y0C O M 1220V位十S B4S B3S B2S B1QSX 1 6X 1 7Y3Y2数个位数X 1 5K M 3K M