【毕业设计】基于plc的加工中心刀库换刀系统的设计

中央广播电视大学毕业论文题目基于PLC的加工中心刀库换刀系统的设计专业机械设计制造及其自动化年级13秋学号学生姓名指导教师论文完成日期2015年11月南京广播电视大学毕业设计（论文，作业）课题审批表教学单位盖章江宁电大专业机械设计制造及其自动化学生类别开放本科课题名称基于PLC的加工中心刀库换刀系统的设计填报时间2015年9月1日课题内容简介通过PLC技术实现加工中心盘式刀库控制，设计其电器控制系统。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PLC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。将PLC控制系统运用到工作过程中，提高刀库系统的稳定性，可靠性和实时性。1数控加工中心及PLC的概述包括加工中心的功用及其组成；PLC的特点及其在机床中的应用。2刀库自动选刀系统包括刀库类型，换刀方式，控制原理。3选刀控制的PLC系统设计包括PLC型号的选择分析、地址分配、接线；换刀总过程、控制要求、动作要求和程序流程图。4程序梯形图及编程软件包括梯形图，编程软件的特点及运行环境。5结论本毕业设计是加工中心刀库换刀控制的设计，通过其设计熟练的掌握了PLC的工作原理和使用方法。将所学的知识运用到现实工作中，更加提高自己的专业技能。指导教师姓名黄波参加学生姓名王刚指导教师意见选题基于PLC技术对原有的生产线进行技术改造，选题得当，符合大纲要求，同意按照此课题审批表撰写论文。签名黄波市校审核意见审核部门盖章年月日基于PLC的加工中心刀库换刀系统的设计（江宁电大机械设计制造及其自动化专业王刚1332101250385）【内容摘要】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。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。【关键词】加工中心；ATC刀库；PLC自动选刀目录引言1、数控加工中心及PLC概述3（一）加工中心的发展及其组成与功用3（二）可编程控制技术的特点及应用5（三）课题的研究意义9二、机械手的自动换刀装置研究10（一）刀库自动选刀机械系统10（二）ATC的作用及其组成12（三）机械手14（四）夹抓类型14（五）刀柄15（六）加工中心机械手自动换刀过程15三、PLC控制系统设计17（一）PLC的基本结构17（二）PLC的程序结构17（三）S7200系列PLC18四、PLC实现随机换刀20（一）刀库换刀定位控制20（二）PLC硬件接线图23（三）自动换刀PLC流程图23（四）程序梯形图25（五）STEP7MICRO/WIN32编程软件27五、结论32致谢34参考文献35引言进入21世纪，我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的良机，也遭遇到加入WTO（世界贸易组织）后激烈的市场竞争压力。从技术层面上来讲，加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。装备制造业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外，世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行限制政策。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术是现代化工业生产中的一门新型的发展十分迅速的高技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造业和新兴制造业的渗透形成机电一体化产品。其及技术范围所覆盖的范围有，机械制造技术，微电子技术，信息处理，加工，传输技术，自动控制技术，伺服驱动技术，检测监控技术，传感技术，软件技术等。在提高生产率，减低成本保证加工质量及改善工人劳动强度等方面，都有突出的优点，特别是在适应机械产品迅速更新换代，小批量，多品种生产方面，各类数控装备是实现制造技术的关键。数控加工中心是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一。它的综合加工能力较强，工件一次装夹后能完成较多的加工内容，加工精度较高，就中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的510倍，特别是它能完成许多普通设备不能完成的加工，对形状较复杂，精度要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为适用。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。一、数控加工中心及PLC概述（一）加工中心的发展及其组成与功用1加工中心的发展第一台加工中心是1958年由美国卡尼特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。加工中心是目前世界上产量最高，应用最广泛的数控机床之一，他是适应省力，省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀机床，是综合了机械技术，电子技术等等的高技术产品。加工中心综合能力较强，工件经一次装夹后能完成较多的加工内容其效率是普通机床的五到十倍特别是它能完成许多普通设备不能完成的加工，对新装复杂的，精度要求高的单件产品或小批量多品种生产更适用。加工中心不仅提高了共建的加工质量，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。加工中心MACHININGCENTER简称MC，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。加工中心又叫电脑锣。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具，自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序。因而大大减少了工件装夹时间，测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。加工中心最初是从数控铣床发展而来的。与数控铣床相同的是，加工中心同样是由计算机数控系统CNC、伺服系统、机械本体、液压系统等各部分组成。但加工中心又不等同于数控铣床，加工中心与数控铣床的最大区别在于加工中心具有自动交换刀具的功能，通过在刀库安装不同用途的刀具，可在一次装夹中通过自动换刀装置改变主轴上的加工刀具，实现钻、镗、铰、攻螺纹、切槽等多种加工功能。2加工中心的结构组成及工作过程本例数控加工中心机床有输入、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11所示。图11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12所示。图12数控机床的工作过程（二）可编程控制技术的特点及应用1可编程控制技术的特点及应用可编程控制器，简称PLC（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER），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（INTERNATIONALELECTRICALCOMMITTEE）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PLC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。2PLC在数控机床中的应用（1）PLC在数控机床中的应用形式PLC在数控机床中应用，通常有两种形式一种称为内装式；一种称为独立式。内装式PLC也称集成式PLC，采用这种方式的数控系统，在设计之初就将NC和PLC结合起来考虑，NC和PLC之间的信号传递是在内部总线的基础上进行的，因而有较高的较高交换速度和较宽的信息通道。它们可以共用一个CPU也可以是单独的CPU这种结构从软硬件整体上考虑,PLC和NC之间没有多余的导线连接,增加了系统的可靠性,而且NC和PLC之间易实现许多高级功能。PLC中的信息也能通过CNC的显示器显示,这种方式对于系统的使用具有较大的优势。高档次的数控系统一般都采用这种形式的PLC。独立式PLC也称外装式PLC，它独立于NC装置，具有独立完成控制功能的PLC。在采用这种应用方式式，可根据用户自己的的特点，选用不同专业PLC厂商的产品，并且可以更为方便的对控制规模进行调整。（2）PLC与数控系统及数控机床间的信息交换相对于PLC，机床和NC就是外部。PLC与机床以及NC之间的信息交换，对于PLC的功能发挥，是非常重要的。PLC与外部的信息交换，通常有四个部分机床侧至PLC机床侧的开关量信号通过I/O单元接口输入到PLC中，除极少数信号外，绝大多数信号的含义及所配置的输入地址，均可由PLC程序编制者或者是程序使用者自行定义。数控机床生产厂家可以方便的根据机床的功能和配置，对PLC程序和地址分配进行修改。PLC至机床PLC的控制信号通过PLC的输出接口送到机床侧，所有输出信号的含义和输出地址也是由PLC程序编制者或者是使用者自行定义。NC至PLCCNC至PLCCNC送至PLC的信息可由CNC直接送入PLC的寄存器中,所有CNC送至PLC的信号含义和地址（开关量地址或寄存器地址）均由CNC厂家确定,PLC编程者只可使用不可改变和增删。如数控指令的M、S、T功能,通过CNC译码后直接送入PLC相应的寄存器中。PLC至CNCPLC送至CNC的信息也由开关量信号或寄存器完成,所有PLC送至CNC的信号地址与含义由CNC厂家确定,PLC编程者只可使用,不可改变和增删。（3）PLC与数控机床外围电路的关系如前所述，PLC在数控机床中用来控制机床的强电回路（通过一些电器元件）。为了更好了解数控机床的PLC的控制功能，就有必要对PLC和外围电路的关系进行分析。数控机床通过PLC对机床的辅助设备进行控制，PLC对对外围电路的控制来实现对辅助设备的控制的。PLC接受NC的控制信号以及外部反馈信号，经过逻辑运算、处理将结果以信号的形式输出。输出信号从PLC的输出模块输出，有些信号经过中间继电器控制接触器然后控制具体的执行机构动作，从而实现对外围辅助机构的控制。有些信号不需要通过中间环节的处理直接用于控制外部设施，比如说，有些直接用低压电源驱动的设备（如面板上的指示灯）。也就是说每一个外部设备（使用PLC控制的）都是由PLC的一路控制信号来控制的，也就是说每一个外部设备（使用PLC控制的）都在PLC中和一个PLC输出地址相对应。PLC对外围设备的控制，不仅仅是要输出信号控制设备、设施的动作，还要接受外部反馈信号，以监控这些设备设施的状态。在数控机床中用于检测机床状态的设备或元件主要有，温度传感器、震动传感器、行程开关、接近开关等等。这些检测信号有些是可以直接输入到PLC的端口，有些必须要经过一些中间环节才能够输入到PLC的输入端口。无论是输入还是输出，PLC都必须要通过外围电路才能够控制机床的辅助设施的动作。在PLC和外围电路的关系中，最重要的一点就是外部信号和PLC内部信号处理的对应。这种对应关系就是前面所说的地址分配，就是将每一个PLC中地址和外围电路每一路信号相对应。这个工作是在机床生产过程中，编制和该机床相对应的PLC程序时，由PLC程序编制工程师定义。当然做这样的定义必须遵循必要的规则，以使PLC程序符合系统的要求。（三）课题的研究意义自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联络方式，将直接影响机床的加工性能。刀库结构结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。自动换刀系统本省及相关结构的复杂程度又会对机床的成本造价产生直接影响。本文对数控机床自动换刀装置进行研究，不仅提升数控机床的工作效率，而且通过对其结构的研究，使得在可行的范围内降低整机的成为可能，对实践具有重要的指导意义。二、机械手的自动换刀装置研究加工中心要完成对工件的多工序加工，必须要在加工过程中自动更换刀具，为完成这项工作而设置的储存及更换刀具的系统统称为自动换刀系统。自动换刀系统中的刀库，换刀的可靠性，即换刀速度直接影响到加工中心的工作效率。利用刀库换刀，是目前加工中心中大量使用的换刀方式。由于有了刀库，机床只要一个固定主轴夹持刀具，有利于提高主轴刚度。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，并能较好地减少各种影响加工精度的干扰。（一）刀库自动选刀机械系统刀库自动选刀机械系统主要是将加工所需刀具，从刀库中传送到主轴夹持机构上,基本要求换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具储存量，刀库占地面积小结构紧凑，安全可靠。刀库系统是提供自动化加工过程中所需之储刀及换刀需求的一种装置；其自动换刀机构及可以储放多把刀具的刀库。由,脑程式的控制，可以完成各种不同的加工需求，如铣削、钻孔、搪孔、攻牙等。大幅缩短加工时程，降低生产成本。刀库主要是提供储刀位置，并能依程式的控制，正确选择刀具加以定位，以进行刀具交换；换刀机构则是执行刀具交换的动作。刀库必须与换刀机构同时存在，若无刀库则加工所需刀具无法事先储备；若无换刀机构，则加工所需刀具无法自刀库依序更换，而失去降低非切削时间的目的，刀库自动换刀示意图如图21所示。图21刀库自动换刀1、盘式刀库在盘式刀库结构中，刀具可以沿主轴径向、轴向、斜向安放，如图22（A）、（B）、（C）。刀具轴向安装的结构最为紧凑，但为了换刀时刀具与主轴同向，有的刀库中的刀具需要在换刀位置作翻转。在刀库容量较大时，为在存取方90便的同时保持结构紧凑，可采取弹仓式结构，但是较其他形式复杂。目前大量的刀库安装在机床立柱的顶面或侧面。在刀库容量较大时，也有安装在单独的地基上的，以隔离刀库转动造成的振动。盘式刀库的刀具轴线也圆盘轴线平行，刀具环形排列，分径向、轴向两种取刀方式，其刀座结构不同。这种盘式刀库结构简单，应用较多，适用于刀库容量较小的情况。为增加刀库空间利用率，可采用双环或多环排列刀具的形式，但圆盘直径增大，转动惯量就增加，选刀时间也较长。（A）（B）（C）图22盘式刀库结构其他的刀库形式还有很多，由于篇幅的限制这里就不再详细介绍了。结合的实际情况，在本设计中采用盘式刀库这种结构。2、换刀机械手介绍采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。加工中心换刀机械手的种类繁多，可以说每个厂家都推出自己的独特的换刀机械手，在加工中心的自动换刀系统中，是机械手具体执行刀具的自动更换，对其要求是迅速可靠、准确协调。由于加工中心机床的刀库和主轴，其相对位置距离不同，相应的换刀机械手的运动过程也不尽相同，它们由各种形式的机械手来完成。（1）双臂端面夹紧式机械手双臂断面夹紧机械手在夹紧部位上是夹紧刀柄的两个端面，如图23所示。图23双臂端面夹紧式机械手由于双臂回转式机械手的动作比较简单，而且能够同时抓取和装卸机床主轴和刀库上的刀具，换刀时间较短，故我们选用双臂回转式机械手。（二）ATC的作用及其组成1、ATC的作用加工中心与一般数控机床的显著区别是具有对零件进行多工序加工的能力，即能在一次装夹中自动完成铣、镗、扩、攻螺纹和内槽加工等，其之所以有这种加工能力就是因为它有一套自动换刀装置。自动换刀装置是指能够自动完成主轴与刀具储存位置之间刀具交换的装置。ATC的主要组成部分是刀库、机械手和驱动装置。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刀位置。供换刀机械手完成新旧刀具的交换。当刀库容量大时，常远离主轴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（或气液机构）或凸轮机构组成。2、ATC的组成（1）刀库刀库的功能刀库的作用是储备一定数量的刀具，机械手实现主轴上刀具的互换。刀具的类型有盘式刀库、链式刀库等多种形式，刀库的形式和容量要根据机床的工艺范围来确定。刀库的容量刀库的容量首先要考虑加工工艺的需要，从使用角度出发，一般为1040把刀，刀库的利用率会高，而结构比较紧凑。刀具的选择方式A、顺序选择将刀具按加工工序的顺序，一次放人刀库的每一个刀座内。每次换刀时，刀库顺序转动一个刀座位置，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，也可以顺序放入下一个刀座内。但由于刀库中刀具在不同的工序中不能重复使用，必须增加刀库的容量，降低了利用率。B、任意选择目前大多数的数控系统都采用任意选刀的方式，其分为刀套编码、刀具编码和记忆式等三种。刀具编码或到套编码需要在刀具或到套上安装用于识别的编码条，一般都是根据二进制编码的原理进行编码。刀具编码选刀方式采用了一种特殊的刀柄结构，并对每把刀具编码。每把刀具都有自己的代码，因而刀具可在不同的工序中多次重复使用，换下的刀具不用放回原刀座，刀库的容量也可相应减少。采用记忆式选刀，这种方式能将道具号和倒库中的刀套位置对应地记忆在数控系统的PLC中，无论刀具放在哪个刀套内，刀具信息都始终据存在PLC内。刀库上装有位置检测装置，可获得每个刀套的位置。这样刀具就可以任意取出并送回。刀库上还没有机械远点，使每次选刀时就近选取。刀库的控制方式A、刀库作为系统的定位轴来控制。在梯形图中根据指令的T玛进行运算比较厚输出角度和速度指令到考库伺服驱动刀库伺服电机。刀库的容量、旋转速度、加/减速时间等均可在系统参数中设定，此种方式不受外界因素影响定位准确、可靠但成本较高。B、刀库由液压马达驱动，有快/慢速之分，用接近开关计数并定位。在梯形图中比较系统存储的当前刀号（主轴上的刀）和目标刀号（预选刀）并运算，再输出旋转指令，同时判断按最短路径旋转到位。这种方式需要足够的液压动力和电磁阀刀库旋转速度可通过节流阀调整。但使用一段时间后可能胡因为油质、油压、油温及环境因素的变化而影响运动速度和准确性。一般用于不需频繁换刀的大中型机床。C、刀库由交流异步电动机驱动凸轮机构（马氏）机构，用接近开关计数，这种方式运行稳定，定位准确可靠，一般与凸轮机械手配合使用，换刀速度快，定位准确。（三）机械手1机械手的功能机械手是执行刀库和主轴之间换刀动作的装置。2机械手的机械动作机械动作一般包含拐臂旋转、手臂伸缩、手臂180度旋转、抓手的松紧。3机械手的驱动与控制方式（1）机械手用液压驱动，靠接近开关检测位置。如收的平移/爪刀/换刀/插刀等动作分别有不同的电磁阀驱动；但这种方式传动机构较多，且收液压系统稳定性检测元件灵敏度等外界因素的影响。常用于不需频繁换刀的大型卧式加工中心。（2）机械手由交流异步电动机带动凸轮机构旋转，整个换刀过程机械手仅在主轴送/拉到是启动/停止3次，整个换刀动作连贯稳定，运行可靠，换刀时间一般在2S左右。但对主轴拉松刀及爪刀位置的准确性要求较高，常用于需频繁换刀的中小型加工中心。（3）机械手由伺服电机驱动，定位精度高，换刀快速稳定，但成本较高。（四）夹抓类型根据爪刀柄在换刀机构刀臂上的夹持方式可分为固定爪、活动爪、单夹爪、双夹爪、弹簧爪、动力爪等类。固定爪是指刀臂夹持部能吻合刀柄V形槽的半圆形部分，半圆形夹持部的一端或两端有弹簧扣，即所谓单夹爪、双夹爪由两个可张开的夹指所组成即活动爪，其夹紧力由弹簧产生的即弹簧爪，通常以直径方式抓刀松刀；由液压缸等动力议案控制其张合的为动力爪。（五）刀柄自动换刀装置的工作质量表现为换到时间和故障率，刀柄的选择直接影响到机床的开动率和设备的投资大小，因此对刀柄的选择十分重要。采用标准刀柄，标准刀柄与机床主轴连接的结合面试724锥面。刀面有多种规格，常用的有ISO标准的40号、45号、50号，个别的还有35号和30号。另外还必须考虑换刀机械手尺寸的要求和主轴上拉紧刀柄的拉钉尺寸要求。目前国内机床上使用的刀柄规格很多，而且使用标准有美国的、德国的、日本的。因此，在选定机床后，选择刀柄之前必须了解该机床主轴用的规格，机械手夹持尺寸及刀柄的实际尺寸。（六）加工中心机械手自动换刀过程机械手将刀具从刀库中取出送至机床主轴上，然后将用过的旧刀送回刀库。其动作过程简述如下（结合如下换刀过程示意图24）1、刀套下转90如下图A所示刀库位于立柱左侧，刀具轴线在刀库中的安装方向与主轴垂直。换刀前，刀库将待换刀具送到换刀位置，然后刀套连同刀具翻转90，使刀具轴线与主轴轴线平行，如图B所示。2、机械手转75如图C所示，换刀机械手逆时针旋转75，两手爪分别抓住刀库上和主轴上的刀柄。3、机械手拔刀待主轴上自动夹紧机构松开刀具后，机械手下降，同时拔出主轴上和刀库上的刀具，如图D所示。4、刀具位置交换如图E所示，机械手逆时针转180，使主轴刀具与刀库刀具交换位置。5、机械手插刀机械手上升，分别将刀具插入主轴锥孔和刀库刀套中,如图F所示。6、机械手顺时针转75如图G所示,待主轴上自动夹紧机构夹紧刀具后，机械手顺时针转75，回到原始位置。7、刀套带着换回的旧刀具向上翻转90，准备下一次选刀,如图H所示。图24换刀过程示意图三、PLC控制系统设计（一）PLC的基本结构1CPU模块CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的心脏和大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。2I/O模块输入模块和输出模块简称为I/O模块，它们相当于人的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。3编程器编程器用来生成用户程序，并用它来编辑、检查、修改用户程序，监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编辑器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或用于现场调试和维护。4电源PLC使用AC220V电源或DC24V电源。内部的开关电源为各模块提供不同电压等级直流电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。（二）PLC的程序结构以西门子S7200为例，S7200CPU的控制程序由主程序、子程序和中断程序组成。1、主程序主程序是程序的主体，每一个项目都必须并且只能有一个主程序。在主程序中可以调试用子程序和中断程序。主程序通过指令控制整个应用程序的执行，每个扫描周期都要执行一次主程序。STEP7MICRO/WINDE程序编辑器窗口下部的标签用来选择不同的程序。因为各个程序都放在独立的程序块中，各程序结束时不需要加入无条件结束指令或无条件返回指令。2、子程序子程序可逆的，仅在被其他程序调用时执行。同一个子程序可以在不同的地方多次调用。使用子程序可以简化程序代码和减少扫描周期时间。设计的好的子程序容易移植到其他别的项目中。3、中断程序中断程序用来即使处理与用户程序的执行时序无关的操作，或者不能事先预测何时发生的中断事件。中断程序不是有用户用户程序调用。而是在中断事件发生时由操作系统调用。中断程序是用户编写的。因为不能预知何时会出现中断事件，所以不允许中断程序改写可能在其他程序中使用的存储器。（三）S7200系列PLC西门子公司的S7200系列PLC可以满足多种多样的自动化控制要求，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S7200可以几乎完美的满足小型规模的控制要求。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选择性。S7200CPU22X系列PLC，是S7200CPU21X系列的替代产品，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S7200CPU22X为重点介绍。1、CPU22X系列的基本单元近几年西门子公司推出的S7200CPU22X的系列产品有CPU221模块、CPU222模块、CPU224模块、CPU226模块、CPU226XM模块。CPU22X系列产品的性能如表31所示，供用户在设计时查询。CPU22X系列产品指令丰富、速度快、具有较强的通信能力。例如，CPU226的I/O总40点，其中输入为24点，输出为16点；可携带7个扩展模块；用户程序存储器容量为8KB；内置高速计算器，具有PID控制器的功能；有两个高速脉冲输出端和2个RS485通信口；具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由协议的通信能力。运行速度快、通信能力强，使用于较高的中小型控制系统。表31S7200CPU系列产品的主要性能表特征CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226外形尺寸（MM9080629080621205806214080621908062程序存储区运行模式下编辑非运行模式下编辑4096字节4096字节4096字节4096字节8192字节12288字节12288字节16384字节16384字节24576字节数据存储区2048字节2048字节8192字节10240字节10240字节掉电保护时间50小时50小时100小时100小时100小时本机数字量I/O本机模拟量I/O6入/4出无8入/6出无14入/10出无24入/10出6入/4出24入/16出无数字I/O映像区256（128入/128出）模拟I/O映像区无32（16入/16出）64（32入/32出）64（32入/32出）64（32入/32出）脉冲捕捉输入68141424扩展模块数量0个模块2个模块7个模块7个模块7个模块高速计数器单相两相总共4个4路30KHZ2路20KHZ总共4个4路30KHZ2路20KHZ总共6个6路30KHZ4路20KHZ总共6个4路30KHZ2路200KHZ3路20KHZ1路100KHZ总共6个6路30KHZ4路20KHZ脉冲输出（DC）2路20KHZ2路20KHZ2路20KHZ2路100KHZ2路20KHZ模拟电位器1个（8位分辨率）2个（8位分辨率）实时时钟配时钟卡配时钟卡内置内置内置RS485通信口11122布尔指令执行速度022S/指令浮点数运算有四、PLC实现随机换刀在随机换刀控制中，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刀具，即换刀、存刀一次完成，缩短了换刀时间。数控系统发出T代码换刀指令给PLC，经译码后在数据表中检索，找到代码指定的新刀号所在的数据表地址，并与实现刀号对照，如果不相同，则将刀库回转控制信号送至刀库控制系统，直到定位到新刀号位置，刀库才停止回转，并准备换刀。（一）刀库换刀定位控制1、换刀过程盘式刀库的三个基本动作取刀、还刀、换刀。取刀既是主轴上无刀具，将目标刀具由刀库取刀主轴上。还刀是主轴上有刀具，将主轴刀具还回刀库中对应的位置。换刀是主轴上有刀具，先将主轴上的刀具还回刀库中对应的位置上，然后目标刀具由刀库取到主轴上。取刀的基本过程1、刀库将目标刀具按就近原则转到换到位置。2、Z轴进入换刀准备位置。3、刀库进入换刀位置。4、主轴准停，主轴松刀。5、Z轴进入换刀位置。6、主轴紧刀。8、刀库回到原始位置。9、Z轴返回到换刀准备位置。还刀的基本过程1、Z轴进入换刀准备位置。2、Z轴进入换刀位置，主轴准停，3、刀库进入换刀位置。4、主轴松刀。5、Z轴返回到换刀准备为位置。6、主轴紧刀。换刀控制的基本约定1、盘式刀库采用固定刀位，即刀具号就是刀库位置号。2、就近寻找目标刀具。3、程序测试时要求刀库无换刀动作。编程的刀具应生效，以便系统检测加上刀具参数后有无超出软限位，记录进入程序测试时，主轴上的刀具号，在程序测试结束后的第一次换刀时，恢复原主轴的刀具号。2、输入/输出及内部继电器地址分配利用西门子S7200可编程控制器对自动选刀和刀库运动定位进行控制，其输入/输出及内部继电器地址见表41。表41PLC输入/输出及内部继电器地址分配序号输入输出数据内部继电器1234567I00刀具检测I01复位按钮Q00正转Q01反转Q02减速Q03停车VW010现值VW012设定值VW014差值M01换刀指令M02启动微分M03复位微分M04正转标志M05反转标志M06减速标志M07停止信号3、分析控制要求根据加工要求，自动将指定的刀具转至换刀位置；刀库盘上共有10刀具供选；为提高换刀效率，要求换刀时按最小旋转角（小于等于180）转动为提高定位精度，当指定刀具号转至离取刀具号位置时减速。若设定值为8，现值为2，则8265，置正转标志；若设定值为4，现值为2，则4225置正转标志；由于95，经小于半数处理1091，置减速标志。数控系统发出T代码指令给PLC，经PLC译码后在数据表中检索，找到T代码指定到新刀号所在的数据表地址，换刀起动，并设定新刀号内存。用设定值VW12减去当前值VW10，得到差值VW14内存，若VW14为负值，取补后内存，若差值大于当前刀号的一半5，则设正转输出标志M03，若小于5，设反转输出标志M04；设正转输出标志后使差值VW14小于一半（也就是10减去差值VW14，然后差值VW14内存）。若差值VW14小于或等于2，设减速标志M05。然后进行刀具检测I00，若是正转Q00，当前刀号加，当前值VW10内存，若当值VW10等于0，一号刀作为当前值VW10内存；若当前值VW10不等于0，用差值VW14减1，差值VW14内存；若不是正转Q00，当前号减，当前值VW10内存，若当前值VW10等于,10号刀作为当前值VW10内存，若当前值VW10不等于0，则用差值VW14减1，差值VW14内存。然后看设定值VW12是否等于现值VW10，等于，则停车标志M07有效，停车结束Q03；不等于的话，停车标志M07无效，正传标志M03有效，输出正转Q00，反转标志M04有效，输出反转Q04，减速标志M05有效，输出减速Q02，然后返回差值VW14是否小于等于2，反复循环，直至停车标志M07有效，停车Q03有效。4、动作要求（1）跟具加工的要求，刀库应该能够自动地将指定刀具转至目标换刀位置。（2）刀库盘上共有10把刀。（3）为提高换刀效率，要求换刀时按最小旋转角转动。（4）为提高换刀效率，当指定刀具号转至距取到位置相差两个刀号位置时，刀库要减速。（二）PLC硬件接线图正转K反转减速停车图42PLC硬件接线图（三）自动换刀PLC流程图设减速标志检测刀具是正转当前刀号加1当前刀号减1当前值0当前值2120当前内存1当前值内存差值减1差值内存NNNYNNYNYNYYY设定值现值设停车标志停车有效正传有效输出正传停车反转有效输出反转设正传输出标志使差值小于一半差值15M01M03SUB_IENENOIN1IN2OUT20VW14VW14VW101VW12Q01VW10111VW1412M05VW1415M04M01M06PM06TNC_WENENOINOUTVW10VW10SM00I00Q01MOV_WENENOINOUTVW1010VW1010Q00MOV_WENENOINOUTVW101DEC_WENENOINOUTVW14VW14M06SM00SM07Q03SM00Q00M07Q00M04Q01M07Q01M05Q02M07Q02Q07SM01Q01M03M04图44自动换刀控制的梯形图（五）STEP7MICRO/WIN32编程软件STEP7MICRO/WIN32是应用于S7200系列PLC的编程软件，可以在32位的WINDOWS操作系统下运行。它的功能强大，为用户开发、编辑和监控自己的运行程序提供了良好的编程环境。它是西门子S7200用户不可缺少的开发软件。1、STEP7MICRO/WIN32软件运行软件安装后，重启计算机，在桌面上会出现一个快捷方式的图标，鼠标双击该图标，即可进入STEP7MICRO/WIN32编程软件。主界面如图45。软件主要界面包括引导条、菜单条包括8个主菜单项）、指令树（快捷操作窗口）、工具条4个分区，另外还有输出窗口、状态条和程序编辑器、局部变量表等窗口。除菜单条外用户可根据需要决定其他窗口的取舍和样式的设置。图45编程软件主界面2、菜单条菜单条可以使用鼠标单击或进行相应的热键操作。（1）文件（FILE）执行“文件（FILE）”菜单命令，可以进行文件的相关操作。如新建、打开、关闭、保存文件，上传和下载程序，打印设置，打印文件等相关操作。（2）编辑（EDIT）执行“编辑（EDIT）”菜单命令，可以进行程序编辑。如完成选择、复制、剪贴、粘贴程序块和数据块，同时提供查找、替代、插入、删除等功能。（3）检视（VIEW）执行“检视（VIEW）“菜单命令。可以设置软件的开发环境的风格。如决定其他辅助窗口的打开与关闭；执行引导窗口的任何项；选择不同语言的编辑器（包括STL、LAD、FBD）三种、设置三种程序编辑器的个性风格等操作。（4）PLC执行“PLC”菜单命令，可以进行联机时PLC的相关操作；如改变PLC的工作方式、在线编译、查看PLC、清除程序和数据、时钟、存储卡操作、程序比较、PLC类型的选择和通信设置等。在此还提供在线翻译的功能。（5）调试（DEBUG）执行“调试（DEBUG）”菜单命令，用于联机调试，在离线方式下，该菜单的下拉菜单呈灰色，表示该菜单不具备执行条件，处于不可操作的状态。（6）工具TOOLS执行“工具TOOLS”菜单命令，可以调用复杂指令向导，配置调制解调器，使复杂的程序指令大大简化；安装文本显示器TD200向导；改变界面风格、也可以设置编辑器的风格等。（7）窗口（WINDWS）执行“窗口（WINDWS）”菜单命令，可以打开一个或多个窗口，并且可以在多窗口之间进行切换；可以设置窗口的排放形式，如层叠、水平、垂直等形式。（8）帮助（HELP）执行“帮助（HELP）”菜单命令，可以通过菜单上的目录和索引检阅所有的相关信息，帮助菜单还提供上网查询功能，而且在软件的操作过程中，任何步骤和任何位置都可以按F1键来显示在线帮助，大大的方便了用户的使用。3、工具条工具条提供便捷的鼠标操作，将最常用的STEP7MICRO/WIN32操作以按键形式设定到工具条上。可以对“检视“菜单中的“工具条”选项进行操作来显示或藏匿3种工具条标准，调试和指令。4、引导条引导条可以通过“检视（VIEW）”菜单中的“浏览条”选项来选择是否打开，它为编程提供按钮控制的快捷窗口切换功能，包括程序块、符号表、状态图、数据块、系统块、交叉引用和通信等组件。程序块由可执行的代码和注释组成，可执行的代码由主程序（OB1）、可选的子程序（SBR_0）和中断程序（INT_0）组成，程序代码编译好后下载到PLC中，而程序注释被忽略。符号表是为了在实际编程时增加程序的可读性，通常带有实际含义的符号作为编程元件代号，而不是直接使用元件在主机的地址，如编程时用START作为编程元件，而不用I00符号表可用来建立自定义符号与直接地址间的对应关系，并加以注释，可以使程序清晰易读。状态图可以在联机调试时检视和观察程序执行时各变量的值和状态。数据块由数据和注释组成。数据块窗口可以设置和修改变量储存区内个类型存储区的一个和多个变量值，并加以注释说明。开关量控制程序一般不需要数据块。系统块可以完成通信窗口、保留范围、密码、输出表、输出过滤器、脉冲截取位、背景时间、EM配置、LED配置和扩大内存项目的参数设置。交叉引用提供3个方面的引索信息，即交叉引索信息、字节使用情况信息和位使用情况信息，使编程所有PLC一目了然。单击引导条中的任意一个按键，则主窗口便切换成此按钮所对应的窗口。5、指令树指令树是提供在编程时用到的所有快捷操作命令和PLC指令，可以通过“检视（VIEW）”菜单中的“指令树（INSTRUCTIONTREE）”选项来选择是否打开。引导条中的所有操作都可用“指令树（INSTRUCTIONTREE）”窗口或“检视（VIEW）”菜单来完成，可以根据个人爱好来选择指令树或引导条。6、输出窗口输出窗口来显示程序编译的结果信息，如各程序块（主程序、子程序数量及主程序号，中断程序数量及中断程序号）及各个程序块的大小，编译结果有无错误，错误编码和位置等。7、状态栏状态栏也称任务栏，与一般任务栏相同。它显示软件执行状态。编辑程序时，显示当前网络号、行号、列号；运行时，显示运行状态、通信波特率、远程地址等内容。8、编辑器编辑器可选用梯形图、语言表或功能图表任意一种编辑器编写用户程序，或在联机状态下从PLC上下载用户程序进行阅读程序和修改程序。9、局部变量表每个程序块对应一个程序表，在带参数的子程序调用中，参数调试就是通过局部变量表进行的。五、结论光阴荏苒，转眼间在南京电大的学习就要结束了。作为毕业之前的最后一次练兵，也为了把所有的知识串联起来。我们进行了这次毕业设计。为我们的大学生活画上一个圆满的额句号，也为我们即将开始的工作提供了很好的练兵机会、加工中心刀库的设计，是在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新。提高精度、效率和自动化程度，降低经济成本，节约工装费用，也减轻了工人劳动强度。因此，它特别适合对国内现有的加工中心的改造。本次设计的题目是加工中心自动换刀装置的设计。关于盘式刀库的自动换刀。刚拿到题目对于刀库换刀不是很了解，通过查阅资料对于自动换刀有了初步的了解。自动刀库作为加工中心的重要部分应用广泛。设计主要针对自动换刀PLC的程序设计，程序由功能指令编写更加简单。其中用到的传送指令，运算指令等功能指令是这次实习的主要内容。要正确分析控制要求，绘制程序控制流程图，写出IO分配表，并进行PLC电气控制的元器件选型，还要画出电气原理图。最后分析调试程序。课程设计是让我对于课题不断深入了解，进行自主的学习掌握知识。自动换刀的换刀取存是整个设计过程中困扰我的问题。在自己