数控加工中心刀库控制PLC设计

精品文档交流 毕业论文毕业论文 数控加工中心刀库控制数控加工中心刀库控制 PLCPLC 设计设计 姓姓 名名 学学 院院 专专 业业 班班 级级 指导教师指导教师 年月日 精品文档交流 数控加工中心刀库控制 PLC 设计 摘要 介绍了某型数控加工中心刀具库的 PLC 控制设计 在分析控制要求的 基础上 选用 S7 200 CPU224 控制器和 EM221 CN 扩展模块 并设计 出相应控制程序 控制程序包含 纪录当前刀具号 请求刀具号 转盘转动 方向判断并确定转盘正反转 换刀定时及换刀指示灯闪烁等部分 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 关键词 数控加工中心 刀具库 S7 200 可编程控制器 精品文档交流 PLC Control System Design of Pneumatic Experiment Manipulator Abstract The numerical control manufactureing center about tool storeroom of PLC Control is presented the simatic S7 200 CPU224 PLC and EM221 CN are elected the control program is projected based on analysis control request The control program is made up of the current tool number recorded the tool number requested the turntable turning estimated and direction confirmed the conversion time and the dicator light glittered about tool so the program is fine in instructue good in reading and run faster in efficiency It is very satisfied in application Keywords the numerical control manufactureing center tool storeroom S7 200 PLC PLC 精品文档交流 目 录 引引 言言 1 一 一 数控机床组成结构及工作过程数控机床组成结构及工作过程 1 二 二 数控机床数控机床 PLCPLC 和和 NCNC 的关系的关系 2 三 三 控制要求控制要求 3 四 四 编程方法与规则编程方法与规则 4 一 一 编程要求编程要求 4 二 二 编程方法编程方法 5 五 五 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计 6 一 一 I OI O 地址分配及地址分配及 PLCPLC 的选择的选择 6 二 二 PLCPLC 控制程序控制程序 7 六 六 数控机床的发展方向数控机床的发展方向 9 结结 论论 11 致致 谢谢 12 参考文献参考文献 13 附录一 英文原文附录一 英文原文 14 附录二 英文译文附录二 英文译文 16 精品文档交流 引 言 某型数控加工中心小型刀具库由八种刀具 换刀转盘和取放刀机械手组成 该 刀具库 SB1 SB8 按钮控制选择八种刀具 由霍尔元件构成的行程开关 ST1 ST8 进行刀具到位限位 机械手进行换取刀 一 数控机床组成结构及工作过程 本例数控机床有输入 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 如下图所示 图 1 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 精品文档交流 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 图所示 图 1 1 2 数控机床的工作过程 数控加工的准备过程比较复杂 内容多 含对零件的结构认识 工艺分析 工 艺方案的制定 加工程序的编制 选用工装及使用方法等 机床的调整主要包括刀 具命名 调入刀库 工件安装 对刀 测量刀位 机床各部件状态等多项工作内容 程序调试主要是对程序本身的逻辑问题及其设计合理性进行检查和调整 试切成功 后方可对零件进行正式加工 并对加工后的零件进行结果检测 前三步均为待机时 间 为提高工作效率 希望待机时间越短越好 越有利于机床合理使用 该项指标 直接影响对机床利用率的评价即 机床实动率 二 数控机床 PLC 和 NC 的关系 PLC 用于通用设备的自动控制 称为可编程控制器 PLC 用于数控机床的外围辅 助电气的控制 称为可编程序机床控制器 因此 在很多数控系统中将其称之为 精品文档交流 PMC programmable machine tool controller 控制系统有两大部分 一是 NC 二是 PLC 这两者在数控机床所起的作用范围是不相同的 可以这样来划分 NC 和 PLC 的作用范围 1 实现刀具相对于工件各坐标轴几何运动规律的数字控制 这个任务是由 NC 来完成 2 机床辅助设备的控制是由 PLC 来完成 它是在数控机床运行过程中 根 据 CNC 内部标志以及机床的各控制开关 检测元件 运行部件的状态 按照程序设 定的控制逻辑对诸如刀库运动 换刀机构 冷却液等的运行进行控制 在数控机床中这两种控制任务 是密不可分的 它们按照上面的原则进行了分 工 同时也按照一定的方式进行连接 NC 和 PLC 的接口方式遵循国际标准 ISSO 4336 1981 E 机床数字控制 数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范 的规 定 接口分为四种类型 1 与驱动命令有关的连接电路 2 数控装置与测量系统和测量传感器间的连接电路 3 电源及保护电路 4 通断信号及代码信号连接电路 从接口分类的标准来看 第一类 第二类连接电路传送的是数控装置与伺服单 元 伺服电机 位置检测以及数据检测装置之间的控制信息 第三类是由数控机床 强电电路中的电源控制控制电路构成 通常由电源变压器 控制变压器 各种断路 器 保护开关 继电器 接触器等构成 为其他电机 电磁阀 电磁铁等执行元件 供电 这些相对于数控系统来讲 属于强电回路 这些强电回路是不能够和控制系 统的弱电回路直接相连接的 只能够通过中间继电器等电子元器件转换成直流低压 下工作的开关信号 才能够成为 PLC 或继电器逻辑控制电路的可接受的电信号 反 之 PLC 或继电器逻辑控制来的控制信号 也必须经过中间继电器或转换电路变成 能连接到强电线路的信号 再由强电回路驱动执行元件工作 第四类信号是数控装 置向外部传送的输入输出控制信号 三 控制要求 数控加工中心小型刀具库工作时 首先由 PLC 纪录当前刀号 换刀时 根 精品文档交流 据所需刀具按下 SB1 SB8 中的相应按钮 PLC 纪录该刀号 然后刀盘按照请求 刀号最近的方向转动 转盘转到相应刀位时 定位指示灯亮 机械手开始换刀 且换刀指示灯闪烁 5s 后换刀结束 换刀指示灯熄灭 换刀过程中 其它换刀 请求信号均无效 换刀完毕 记录当前刀号 等待下一次换刀请求 结构示意如 图 2 1 1 所示 四 编程方法与规则 可编程控制器主要靠运行程序工作 要使可编程控制器充分发挥作用 除了选 用正确的可编程控制器型号 合适的检测和执行装置 合理规划系统结构之外 编 制出一个高质量的可编程控制器工作程序也是很重要的 一 编程要求 图图 2 1 1 精品文档交流 1 所编的程序要合乎所使用的 PLC 的有关的规定主要是对指令要准确地理解 正确地使用 各种 PLC 指令多有类似之处 但还有些差异 对于有 PLC 使用经验的 人 当选用另一种不太熟悉的型号进行编程设计时 一定要对新型号 PLC 的指令重 新理解一遍 否则容易出错 2 要使所编的程序尽可能简洁简短的程序可以节省内存 简化调试 而且还可 节省执行指令的时间 提高对输入的响应速度 要使所编的程序简短 就要注意编 程方法 用好指令 用巧指令 还要能优化结构 要实现某种功能 一般而言 在 达到的目的相同时 用功能强的指令比用功能单一的指令 程序步数可能会少些 3 要使所编的程序尽可能清晰这样既便于程序的调试 修改或补充 也便于别人了 解和读懂程序 要想使程序清晰 就要注意程序的层次 讲究模块化 标准化 特 别是在编制复杂的程序时 更要注意程序的层次 可积累自己的与吸收别人的经验 整理出一些标准的具有典型功能的程序 并尽可能使程序单元化 像计算机中的常 用的一些子程序一样 移来移去都能用 这样 设计起来简单 别人也易了解 4 要使所编的程序合乎 PLC 的性能指标及工作要求所编程序的指令条数要少于 所选用的 PLC 内存的容量 即程序在 PLC 中能放得下 所用的输入 输出点数要在 所选用 PLC 的 I O 点数范围之内 PLC 的扫描时间要少于所选用 PLC 的程序运行监 测时间 PLC 的扫描时间不仅包括运行用户程序所需的时间 而且还包括运行系统 程序 如 I O 处理 自监测 所需的时间 5 所编程序能够循环运行 PLC 的工作特点是循环反复 不间断地运行同一程 序 运行从初始化后的状态开始 待控制对象完成了工作循环 则又返回初始化状 态 只有这样才能使控制对象在新的工作周期中也得到相同的控制 二 编程方法 常用的 PLC 编程方法有经验法 解析法 图解法 1 经验法即是运用自己的或别人的经验进行设计 设计前选择与设计要求相类 似的成功的例子 并进行修改 增删部分功能或运用其中部分程序 直至适合自己 的情况 在工作过程中 可收集与积累这样成功的例子 从而可不断丰富自己的经 验 2 解析法可利用组合逻辑或时序逻辑的理论 并运用相应的解析方法 对其进 行逻辑关系的求解 然后再根据求解的结果 画成梯形图或直接写出程序 解析法 比较严密 可以运用一定的标准 使程序优化 可避免编程的盲目性 是较有效的 方法 精品文档交流 3 图解法图解法是靠画图进行设计 常用的方法有梯形图法 波形图法及流程 法 梯形图法是基本方法 无论是经验法还是解析法 若将 PLC 程序转化成梯形图 后 就要用到梯形图法 波形图法适合于时间控制电路 将对应信号的波形画出后 再依时间逻辑关系去组合 就可很容易把电路设计出 流程法是用框图表示 PLC 程 序执行过程及输入条件与输出关系 在使用步进指令的情况下 用它设计是很方便 的 五 PLC 控制系统设计 一 I O 地址分配及 PLC 的选择 根据数 控加工中心 小型刀具库 的控制要求 需要输入 端子 16 个 输出端子 4 个 其中 转盘正转 S 反转 Y 由 PLC 输出直接控 制其驱动设 备 因此 选用 S7 200 CPU224 PLC 和 EM221 CN 图图 3 1 1 精品文档交流 扩展模块 S7 200 CPU224 共有输入端子 14 个 输出端子 10 个 采用晶体管 直流型 EM221 用 8 输入端子直流型 PLC 的 I O 地址分配及控制接线如图 3 1 1 所示 此处 为保护 PLC 正常运行 接 24 V 外部直流时 需要进行过流保护 短 路保护和接地处理 未接地的直流电源公共端 M 与保护地 PE 之间用 RC 并联电路 连接 电容和电阻值分别为 4700pF 和 1M 电阻提供静电释放通路 电容提供 高频噪声通路 定位指示灯亮和换刀指示灯为 LED 指示灯 需要分别串接一个 2 5K 的限流电阻 R1 和 R2 二 PLC 控制程序 根据控制要求 设计出数控加工中心小型刀具库的 PLC 控制梯形图程序如图 3 2 1 第八页 所示 程序由纪录当前刀具号 请求刀具号 转盘转动方向判断 并确定转盘正反转 换刀定时及换刀指示灯闪烁等部分组成 1 网络 1 8 为记录当前刀号梯形图 当 1 号刀具处在机械手的位置时 霍尔元件动作 即 ST1 动作 梯形图中 I1 1 闭合 将常数 1 传入至数据寄存 器 VW0 中 当 2 号刀具处在机械手的位置时 霍尔元件动作 即 ST2 动作 梯 形图中 I1 2 闭合 将常数 2 传入至数据寄存器 VW0 中 以此类推 记录当前的 刀具号 2 网络 9 16 为记录当前请求刀号的梯形图 当请求选择 1 号刀具时 按 下 1 号刀具选择按钮 SB1 将常数 1 传入至数据寄存器 VW2 中 同时使得 M0 5 置位 其它请求信号无效 同理 当请求选择 2 号刀具时 按下 2 号刀具选择 按钮 SB2 将常数 2 传入至数据寄存器 VW2 中 同时使得 M0 5 置位 其它请求 信号无效 以此类推 记录当前的请求刀具号 3 网络 17 为当前位置纪录刀具号与请求刀具号的运算比较梯形图程序 网络 18 为刀具转盘转动方向判断 网络 19 20 为确定刀具转盘正反转 网络 21 23 为换刀定时及换刀指示灯闪烁等 当 M0 5 置位后 通过比较指令使得 第一 如果数据寄存器 VW0 VW2 则 M0 0 闭合 执行减法运算 VW0 VW2 运算结果存入 VW6 中 然后将 VW6 在网络 18 中进行比较 若 VW6 K4 则刀具盘 离请求刀号顺转方向最近 M1 1 闭合 使得 M2 2 闭合 继而 Q0 2 闭合 电 动机带动刀具盘顺转 若 VW6 K4 则刀具盘离请求刀号顺转或逆转路径都相同 为设计编程方便 均按顺转处理 此时 M1 2 闭合 使得 M2 3 闭合 继而 Q0 2 闭合 电动机带动刀具盘顺转 若 VW6 K4 则刀具盘离请求刀号逆转方向最近 精品文档交流 M1 3 闭合 使得 M2 4 闭合 继而 Q0 3 闭合 电动机带动刀具盘逆转 最后 VW0 VW2 时 图图 3 2 1 精品文档交流 机械手进行换刀 第二 如果数据寄存器 VW0 VW2 则 M0 1 闭合 使得 Q0 0 闭合 到位指 示灯亮 网络 21 网络 22 中的 Q0 0 的常开触点闭合 机械手开始换刀 网络 21 中在定时器 T39 和 T40 构成的频闪电路作用下 由 Q0 1 驱动换刀指示灯按 1 s 频率闪烁 经过 5 s 后 T37 动作 网络 24 中 M0 5 复位 换刀结束 第三 当 VW0 VW2 时 M0 2 闭合 网络 17 中的 M0 2 的常开触点闭合 由于 VW0 VW2 直接相减是一个负数 结果出错 因而将 VW0 加上刀具总数后减 去 VW2 将得出的数据在网络 18 中进行比较 按 的原理判定刀具转盘正转或逆 转 直到 VW0 VW2 时 机械手进行换刀 六 数控机床的发展方向 我国目前各种门类的数控机床都能生产 水平参差不齐 有的是世界水平 有 的比国外落后 10 15 年 近几年随着中国制造的崛起 数控设备的发展方向主要集 中在六个方面 智能化 网络化 高速化 高精度 符合 环保 目前德国和瑞士 的机床精度最高 综合起来 德国的水平最高 日本的产值最大 美国的机床业一 般 中国大陆 韩国 台湾属于同一水平 但就门类 种类多少而言 我们应该能 进世界前 4 名 目前 世界先进制造技术不断兴起 超高速切削 超精密加工等技术的应用 柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟 对数控加工技术提出了更 高的要求 当今数控机床正在朝着一下几个方向发展 高速度 高精度化 速度和精度是数控机床的两个重要指标 它直接关系到加 工效率和产品质量 目前 数控系统采用位数 频率更高的处理器 以提高系统的 基本运算速度 同时 采用超大规模的集成电路和多微处理器结构 以提高系统的 数据处理能力 即提高插补运算的速度和精度 并采用直线电动机直接驱动机床工 作台的直线伺服进给方式 其高速度和动态响应特性相当优越 采用前馈控制技术 使追踪滞后误差大大减小 从而改善拐角切削的加工精度 为适应超高速加工的要求 数控机床采用主轴电动机与机床主轴合二为一 的结构形式 实现了变频电动机与机床主轴一体化 主轴电机的轴承采用磁浮轴承 精品文档交流 液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式 目前 陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始 得到应用 多功能化 配有自动换刀机构 刀库容量可达 把以上 的各类加工中心 能在同一台机床上同时实现铣削 镗削 钻削 车削 铰孔 扩孔 攻螺纹等多种 工序加工 现代数控机床还采用了多主轴 多面体切削 即同时对一个零件的不同 部位进行不同方式的切削加工 数控系统由于采用了多 结构和分级中断控制 方式 即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制 实现所谓的 前台加工 后台编辑 为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求 数控系统具有远距离 串行接口 甚至可以联网 实现数控机床之间的数据通信 也可以直接对多台数控 机床进行控制 智能化 现代数控机床将引进自适应控制技术 根据切削条件的变化 自动调 节工作参数 使加工过程中能保持最佳工作状态 从而得到较高的加工精度和较小 的表面粗糙度 同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率 具有自诊断 自 修复功能 在整个工作状态中 系统随时对 系统本身以及与其相连的各种设 备进行自诊断 检查 一旦出现故障时 立即采用停机等措施 并进行故障报警 提示发生故障的部位 原因等 还可以自动使故障模块脱机 而接通备用模块 以 确保无人化工作环境的要求 为实现更高的故障诊断要求 其发展趋势是采用人工 智能专家诊断系统 数控编程自动化 随着计算机应用技术的发展 目前 图形交互 式自动编程已得到较多的应用 是数控技术发展的新趋势 它是利用 绘制的 零件加工图样 再经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理 从而自动生成 零件加工程序 以实现 与 的集成 随着 技术的发展 当 前又出现了 集成的全自动编程方式 它与 系统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与 直接从系统内的 数据库获得 可靠性最大化 数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标 数控系统将 采用更高集成度的电路芯片 利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路 以 减少元器件的数量 来提高可靠性 通过硬件功能软件化 以适应各种控制功能的 要求 同时采用硬件结构机床本体的模块化 标准化和通用化及系列化 使得既提 高硬件生产批量 又便于组织生产和质量把关 还通过自动运行启动诊断 在线诊 断 离线诊断等多种诊断程序 实现对系统内硬件 软件和各种外部设备进行故障 诊断和报警 利用报警提示 及时排除故障 利用容错技术 对重要部件采用 冗 余 设计 以实现故障自恢复 利用各种测试 监控技术 当生产超程 刀损 干 扰 断电等各种意外时 自动进行相应的保护 控制系统小型化 数控系统小型化便于将机 电装置结合为一体 目前主要采 精品文档交流 用超大规模集成元件 多层印刷电路板 采用三维安装方法 使电子元器件得以高 密度安装 较大规模缩小系统的占有空间 而利用新型的彩色液晶薄型显示器替代 传统的阴极射线管 将使数控操作系统进一步小型化 这样可以方便地将它安装在 机床设备上 更便于对数控机床的操作使用 结 论 该数控加工中心小型刀具库采用 PLC 控制 控制程序采用结构化设计思想 将控制程序分为 纪录当前刀具号 请求刀具号 转盘转动方向判断并转位 换刀 定时及换刀指示灯闪烁等部分 分别编出各部分程序 最后集成总控程序 该控 制程序结构性好 可读性强 编程与运行效率高 该数控加工中心小型刀具库 PLC 控制系统经使用 性能稳定 经济适用 效果良好 PLC 控制的数控加工中心刀具库自动选择的应用设计 适用于经济型数控加工 中心和普通数控加工中心的改造 采用该设计方案数控加工中心 能够缩短换刀时 间 优化数控加工中心设备的加工性能 提高数控加工中心的工作效率和经济效益 精品文档交流 致 谢 在本次论文设计过程中 对该论文从选题 构思到最后定稿的各个环节给予我 细心指引与教导 使我得以最终完成毕业论文设计 在学习中 老师严谨的治学态度 丰富渊博的知识 敏锐的学术思维 精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范 是我终生学习的楷模 老师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神 将永远激 励着我 这四年中我还得到众多老师的关心支持和帮助 在此 谨向老师们致以衷 心的感谢和崇高的敬意 最后 我还要向百忙之中抽时间对本文进行审阅 评议和参与本人论文答辩的 各位老师表示感谢 同时 本篇毕业论文的写作也得到了许多同学的热情帮助 感谢在整个毕业设 计期间和我密切合作的同学 和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们 在此 我 再一次真诚地向帮助过我的老师和同学表示感谢 精品文档交流 参考文献 1 杨后川 张学民 陈勇 SIMATIC S7 200 可编程控制器原理与应用 M 北京 北京航空航 天大学出版社 2008 2 罗宇航 流行 PLC 实用程序及设计 M 北京 西安电子科技大学大学出版社 2006 3 杨后川 等 机床数控技术及应用 M 北京 北京大学出版社 2005 4 西门子 S7 200 可编程控制器选型手册 Z 2006 6 5 杨后川 夏成宝 杜晓伟 U 形折板机的 PLC 控制设计 J 机电产品 精品文档交流 附录一 英文原文 In the machining of the workpiece the tool magazine of the CNC machining center to be based on processing requirements tool automatic tool changer tool changer CNC machine tools in general has two control methods that is fixed access to the tool changer control and random access tool changer control Fixed access to the tool changer control the location of each tool in the tool magazine is fixed Tool CNC to the T code instruction is based on the pocket number of the access address to control the knife kept the knife action Ie where the original knives knife set number after use still the return of that knife sets In the control of the random tool change but also the location of the knife is the random tool selection CNC T code instruction has nothing to do with the pocket number is random changes in instruction only tool direct number This tool change the way in the new knife after removing the tool magazine without rotation immediately randomly deposit originally used tool tool changer kept the knife at once reducing tool change time T function based on the pocket coding processing diagram T code of numerical control system sends instructions to the FLC PLC after decoding to retrieve the data in the table find the address of the T code is specified in a new sword where the data table and compared with the current knife if inconsistent then the tool magazine rotation control The signal sent to the control system of the tool magazine until the positioning number location to a new knife tool magazine to stop the rotation and is ready to tool change The CNC machining center small tool library adopts PLC control the control program using a structured design ideas the control program is divided into record of the current tool request tool dial rotation direction judgment and transfer tool change time to time and tool change indicator flashing and other parts respectively to compile the various part of the program and finally integration of the master control program the control program of structural good readable programming and operating efficiency PLC control system by small tool library for 精品文档交流 the