基于PLC自动换刀机械手控制系统

III1引言1.1研究背景与意义在现代制造业快速发展的背景下，对加工效率和精度的要求日益严苛。传统的人工换刀方式已难以满足制造业对高效、高精度加工的迫切需求，自动换刀系统应运而生，成为推动制造业转型升级的关键技术之一。自动换刀系统能够显著缩短换刀时间，有效提高加工中心的切削效率，进而提升整体生产效率。同时，该系统还能避免人工换刀过程中可能出现的误差，对提高加工精度和产品质量有着重要意义。自动换刀机械手作为数控加工中心的关键组成部分，能够实现刀具的自动更换，极大地缩短了换刀时间，提高了加工效率。其通过精准的机械结构和自动化控制，能够快速、准确地完成刀具的抓取、交换和存储等操作，有效减少了加工过程中的辅助时间，使数控加工中心能够在更短的时间内完成更多的加工任务。在汽车发动机缸体的加工过程中，需要频繁更换多种刀具来完成不同工序的加工。采用自动换刀机械手后，换刀时间从原来的人工换刀的数分钟缩短至数秒，大大提高了生产效率，降低了生产成本。自动换刀机械手作为自动换刀系统的核心执行部件，其性能的优劣直接关乎整个加工过程的效率与质量。采用可编程逻辑控制器（PLC）对自动换刀机械手进行控制，可充分发挥PLC可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、灵活通用等优势，实现对机械手动作的精确控制，确保换刀过程的快速、准确与稳定。通过基于PLC的自动换刀机械手控制系统的研究与设计，能有效提升加工设备的自动化水平，降低生产成本，增强企业在市场中的竞争力，对于推动制造业向智能化、自动化方向发展具有深远的现实意义。1.2国内外研究现状国外在自动换刀系统方面的研究起步较早，技术相对成熟，已达到较高的自动化与智能化水平。以德国、日本等制造业强国为例，其数控加工中心普遍配备先进的自动换刀系统。德国的一些高端加工设备，换刀速度极快，换刀时间可控制在极短范围内，且换刀过程的稳定性和可靠性极高，能够满足高精度、高效率的加工需求，在航空航天、汽车制造等对加工精度和效率要求苛刻的领域广泛应用。日本在自动换刀系统的研发中，注重精细化设计和智能化控制，通过采用先进的传感器技术和智能算法，实现了刀具的精准识别、快速定位与高效更换，大幅提升了加工中心的整体性能。国内在自动换刀系统领域的研究起步虽晚，但近年来发展迅猛。众多企业和研究机构积极投入研发，成功研制出拥有自主知识产权的自动换刀系统，并在实际应用中成效显著。一些国内企业生产的自动换刀系统，在换刀速度、定位精度等关键指标上已接近国际先进水平，在一般机械制造、模具加工等行业得到广泛应用，有效推动了国内制造业的发展。与此同时，国内高校和科研院所也在不断加大对自动换刀系统的研究力度，在换刀机构创新、控制算法优化等方面取得了一系列研究成果，为自动换刀系统的技术升级提供了有力的理论支持。随着智能制造技术的飞速发展，自动换刀系统未来将朝着更高程度的自动化、智能化和网络化方向迈进。一方面，通过引入人工智能、机器学习等先进技术，自动换刀系统将能够根据加工任务和刀具状态，自动优化换刀策略，实现刀具的智能管理和精准更换。另一方面，借助物联网技术，自动换刀系统可与加工中心的其他部件以及整个生产系统进行互联互通，实现远程监控、故障诊断和远程操作等功能，提高生产系统的整体协同性和智能化水平。此外，随着新材料、新工艺的不断涌现，自动换刀系统也需不断创新，以适应新的加工需求，如针对新型材料的高速切削、复杂曲面的精密加工等，开发出更高效、更可靠的自动换刀解决方案。1.3数控加工中心与自动换刀系统数控加工中心作为一种集多种先进技术于一体的高精度、高效率自动化机床，在现代制造业中占据着举足轻重的地位。它融合了机械制造、数控技术、计算机控制、传感器检测等多领域的前沿技术，能够对各类复杂形状的零件进行高精度加工。数控加工中心具备强大的综合加工能力，工件只需一次装夹，便能在一台设备上连续完成铣削、镗削、钻削、攻螺纹等多种不同类型的加工工序。这种高度的工序集中化，不仅极大地提高了加工效率，减少了因多次装夹带来的定位误差，还显著提升了加工精度，确保了产品质量的稳定性和一致性。数控加工中心在众多领域都有着广泛应用。在航空航天领域，用于加工飞机发动机叶片、飞机结构件等高精度、复杂形状的零部件。这些零部件对精度和质量要求极高，数控加工中心凭借其高精度的加工能力和稳定的性能，能够满足航空航天领域对零件加工的严苛要求。在汽车制造行业，数控加工中心被用于生产发动机缸体、缸盖、曲轴、连杆等关键汽车零部件，其高效率、高精度的加工特点，能够满足汽车制造业大规模、高精度的生产需求。在模具制造领域，数控加工中心可加工各种复杂的模具，如塑料模具、压铸模具、冲压模具等，其高稳定性和高精度的特点，能够保证模具的加工质量，提高模具的使用寿命。自动换刀系统作为数控加工中心的关键组成部分，是实现零件工序之间连续加工的核心装置。它主要由刀库、机械手和驱动装置等部分构成。刀库是存放刀具的重要部件，如同一个刀具仓库，储备着加工过程中所需的各种刀具。其形式丰富多样，常见的有盘式刀库和链式刀库。盘式刀库结构紧凑，占地面积小，一般中小型加工中心使用盘式刀库的较多，但其容量相对较小，通常为30把左右，如果刀库容量太大，会造成刀库的转动惯量过大。链式刀库则具有较大的容量，可以装载100把刀具甚至更多，适用于加工内容较多、使用刀具数量相应增加的箱体类零件加工。机械手是实现刀具交换的执行部件，负责从刀库中抓取刀具，并将其准确地安装到主轴上，同时将主轴上已使用过的刀具放回刀库。其形式有单臂、双臂等多种，不同形式的机械手在换刀速度、灵活性和可靠性等方面存在差异。驱动装置则为刀库和机械手的运动提供动力，使其能够按照预定的程序和要求完成刀具的选择与交换动作，一般由电机、液压、气液机构或凸轮机构等组成。自动换刀系统的工作原理基于数控系统发出的换刀指令。当加工过程中需要更换刀具时，数控系统会根据预先编写的程序，向自动换刀系统发送换刀指令。刀库在驱动装置的作用下开始旋转，按照选刀方式选择下一道工序所需的刀具，并将其输送到换刀位置。机械手在驱动装置的控制下，准确地抓取刀库中的刀具和主轴上的刀具，通过一系列精确的动作，如伸缩、旋转、平移等，完成新旧刀具的交换。交换完成后，机械手将新刀具安装到主轴上，确保刀具安装牢固，同时将旧刀具放回刀库中的指定位置。在整个换刀过程中，刀库、机械手和主轴之间需要紧密配合，按照严格的动作时序和逻辑关系协调运动，以确保换刀过程的快速、准确和稳定。自动换刀系统在数控加工中心中具有不可替代的重要性。它能够显著缩短非切削时间，提高加工效率。在传统的加工方式中，人工换刀需要耗费大量的时间，而自动换刀系统能够在短时间内完成刀具的更换，使机床能够更快地进入下一道加工工序，从而大大提高了生产效率。自动换刀系统还能提高加工精度。由于减少了人工换刀过程中可能出现的误差，如刀具安装不准确、对刀误差等，自动换刀系统能够确保每次换刀后刀具的位置精度和切削参数的准确性，从而提高了加工精度和产品质量。自动换刀系统还能实现加工过程的自动化和连续化，减少了人工干预，降低了劳动强度，提高了生产的安全性和可靠性。1.4自动换刀机械手控制系统的控制要求本换刀机械手的换刀原理是：系统是一个类似于斗笠的刀库，先假设刀库旋转在某一刀位号，再选择刀要换的刀号后，系统自动根据最短路径来决定是正转刀库还是反转刀库，使刀转到换刀位，进行换刀，系统换刀过程用一个闪烁来表示。西门子S7-200PLC控制的加工中心换刀系统工作要求：1）刀库容量：6把；刀具编号：1-6，机械手位置检测为1-6号；2）实现功能：实现刀具库任意刀具号存取控制，系统自动根据刀号所处位置，就近进行正转或反转取刀。按下某一按钮，刀库上对应编号的位置就会选转至下方取刀位置后停下，再进行自动换刀。如下图示：图1.1斗笠的刀库结构示意图1.5斗笠刀库换刀系统结构及基本参数1.5.1斗笠刀库换刀系统结构斗笠刀库系统由刀库本体，刀盘，换刀机械手等部分组成。1）刀库本体：作为刀库的基础支撑结构，通常由具有较高强度和稳定性的金属材料制成，例如优质钢材。它不仅为刀盘、刀套等部件提供安装基础，还需保证在换刀过程中能承受刀库移动、旋转所产生的各种作用力，确保刀库整体运行平稳，不发生晃动或位移。2）刀盘：呈圆盘状，上面均匀分布着多个刀位，用于承载刀具。刀盘通过轴承安装在刀库本体的旋转轴上，在传动系统的驱动下实现精确旋转，带动刀套及刀具转动，将目标刀具准确移动到换刀位置。刀盘的尺寸、形状以及刀位数量，会依据刀库的设计容量和所适配机床的规格进行定制化设计。3）换刀机械手传动系统：包含电机、减速器、传动轴等部件。电机为刀盘的旋转和刀库的移动提供动力，通过减速器调整转速并增大扭矩，再经传动轴将动力传递至刀盘，实现刀盘的平稳、精确旋转。在一些高精度要求的斗笠式刀库中，可能会采用伺服电机，以实现更精准的位置控制和转速调节。4）定位装置：为保证刀盘在旋转过程中，每个刀位都能准确停在换刀位置，刀库配备了定位装置。常见的定位方式有机械定位和电气定位两种。机械定位通过定位销、定位块等机械结构实现，精度较高；电气定位则借助编码器、接近开关等传感器，将刀盘的位置信号反馈给控制系统，由控制系统进行精确控制，具有调整方便、灵活性强的优点。5）控制系统：一般采用可编程逻辑控制器（PLC）或计算机数控系统（CNC），对刀库的各项功能进行精确控制。控制系统接收机床数控系统发出的换刀指令，经过内部程序运算和逻辑判断，控制电机的正反转、转速，以及刀库的移动和定位等动作。同时，控制系统还具备刀具识别功能，能够快速准确地识别刀库中的刀具种类和位置，确保在换刀时选择正确的刀具。此外，控制系统还具有故障诊断和保护功能，当刀库出现异常情况时，能够及时发出报警信号并采取相应的保护措施，确保刀库和机床的安全运行。1.5.2斗笠式刀库的基本参数1）载刀量：通常为6-24把刀具。这一容量范围能够满足中小型加工中心在多样化加工任务中的刀具需求，涵盖了常见的铣削、钻孔、镗孔、攻丝等加工工艺所需的不同类型刀具。例如，在一般的机械零件加工中，可能需要5-10种不同规格的铣刀、3-5种钻头以及2-3种丝锥等，8-24把刀具的载刀量基本能够满足这类加工需求。2）换刀时间：一般在4-20秒之间。换刀时间包括刀库移动到换刀位置、主轴松刀、刀库旋转选刀、主轴抓刀以及刀库退回原位等一系列动作所需的总时间。换刀时间是衡量刀库性能的重要指标之一，较短的换刀时间能够减少机床的停机时间，提高加工效率。3）相邻刀位的刀具最大直径：一般为80-120mm。这一参数限制了相邻刀位上刀具的最大尺寸，在选择刀具和设计刀库布局时需要考虑该因素，以避免相邻刀具在刀库旋转过程中发生干涉。例如，当使用较大直径的铣刀时，需要确保其相邻刀位上的刀具直径不会超过该限制，否则可能会导致刀具碰撞损坏。4）刀具最大重量：一般为6-10kg。刀具的重量会影响刀库的传动系统和定位精度，过重的刀具可能导致刀库运行不稳定，甚至损坏传动部件。因此，在选择刀具时，需要根据刀库的承载能力来确定刀具的最大重量，确保刀库能够安全、可靠地运行。

第2章自动换刀机械手控制系统总体设计2.1控制方案选型根据自动换刀机械手控制系统的功能需求，其可采用的控制模式具有多样性，常见的包括继电器-接触器逻辑控制、单片机控制系统以及PLC控制系统等。在工程实践中，技术人员对继电器系统的控制模式较为熟悉，但此类控制系统存在接线繁琐、逻辑构建困难的缺陷，因而并不适用于大中型控制系统。为筛选出最适合该系统的控制方案，有必要对这些控制模式的优劣进行对比分析。1）继电器控制方式继电器控制系统一般由按钮、检测装置、继电器、接触器及指示灯组成，其控制逻辑基于电路和动态开关或断点搭建。该控制方式具有一定优势：发展历程久，掌握该技术的人员基数大，后期维护维修操作简便，控制元件采购成本低且易于获取。然而，其弊端也十分明显，并不适用于大中型系统控制。由于该系统完全依赖接线和触点构建，控制逻辑组件繁多，属于复杂庞大的系统架构，这不仅增加了后期维护与故障排查的难度，还对系统改造造成阻碍。此外，继电器控制系统由触点控制部件构成，触点长期使用易吸附灰尘，导致电路接触不良，后期故障频发，难以保障系统的长期稳定运行，因此在本研究中不予考虑。2）单片机控制模式单片机控制系统主要由单片机、输入检测与控制单元、输出及执行单元等模块构成。该系统具备低功耗、响应快速等显著特点。不过，其缺点也不容忽视，控制系统组件通过并联的印刷电路连接，易受电容阻抗干扰，并且对使用环境要求严苛，在存在灰尘、水分或油污的环境中无法正常工作，极易引发系统运行紊乱，甚至造成微控制器系统损坏。3）PLC控制方式PLC控制系统由输入控制与检测装置、PLC控制器以及输出执行器组成。相较于单片机系统，PLC控制方式采用端子连接，接线更为简洁。其输入接口与系统信号检测及操作控制部件相连，输出接口连接继电器线圈或接触器线圈等控制执行器，螺栓连接方式极大提升了接线便利性。此外，PLC控制系统采用的梯形图程序结构与传统继电器控制逻辑高度相似，便于熟悉继电器控制的技术人员理解和快速掌握。基于以上优势，PLC控制系统成为设计人员的首选方案，也为后期系统升级改造提供了便利条件。综合对比上述三种控制系统，本研究决定选用西门子S7-200系列PLC对自动换刀机械手控制系统进行控制。2.2PLC在自动换刀系统中的作用PLC作为自动换刀系统的核心控制部件，在整个系统中扮演着至关重要的角色，其功能涵盖逻辑控制、数据处理、故障诊断等多个关键方面，对提高系统的自动化程度和可靠性发挥着不可替代的作用。在逻辑控制方面，PLC依据预先编写的程序，精准地协调自动换刀系统中各个部件的动作顺序和时间间隔。在换刀过程中，当数控系统发出换刀指令后，PLC迅速响应，首先控制刀库电机启动，驱动刀库按照预定的选刀方式旋转，将目标刀具准确地输送到换刀位置。当目标刀具到达换刀位置后，PLC控制刀库定位机构动作，确保刀库准确停止，同时向机械手发送信号，控制机械手执行抓取刀具的动作。机械手在PLC的控制下，通过一系列精确的动作，如手臂的伸缩、旋转等，准确地抓取刀库中的目标刀具和主轴上的旧刀具，然后进行刀具交换。交换完成后，PLC又控制机械手将新刀具安装到主轴上，并将旧刀具放回刀库中的指定位置。在整个换刀过程中，PLC严格按照既定的逻辑顺序，精确控制刀库、机械手、主轴等部件的协同动作，确保换刀过程的顺利进行。通过PLC的逻辑控制，自动换刀系统能够实现高度自动化的换刀操作，大大提高了换刀效率和准确性，减少了人为因素对换刀过程的干扰。在数据处理方面，PLC能够实时采集和处理自动换刀系统中的各种数据信息。它可以实时监测刀库中刀具的位置信息、机械手的运动状态信息、主轴的工作状态信息等。通过对这些数据的实时采集和分析，PLC能够准确判断系统的运行状态，及时发现潜在的问题，并采取相应的措施进行处理。PLC可以根据刀库中刀具的位置信息，计算出刀库旋转的角度和速度，以确保目标刀具能够快速、准确地到达换刀位置。同时，PLC还可以根据机械手的运动状态信息，调整机械手的动作参数，如运动速度、加速度等，以保证机械手能够平稳、准确地完成刀具的抓取和交换动作。PLC还可以对采集到的数据进行存储和管理，为系统的故障诊断和维护提供有力的数据支持。通过对历史数据的分析，技术人员可以了解系统的运行趋势，提前预测可能出现的故障，从而采取预防性维护措施，提高系统的可靠性和稳定性。在故障诊断方面，PLC具备强大的故障检测和诊断功能。它可以实时监测自动换刀系统中各个部件的工作状态，一旦发现异常情况，立即进行故障诊断，并及时发出报警信号。当刀库电机出现过载、短路等故障时，PLC能够迅速检测到异常电流信号，并通过内部的故障诊断程序，准确判断故障类型和故障位置，然后向操作人员发出报警信息，提示故障原因和解决方法。当机械手在抓取刀具过程中出现位置偏差、抓取力不足等问题时，PLC也能够及时发现并进行故障诊断，通过调整机械手的动作参数或控制策略，尝试解决故障。如果故障无法自行解决，PLC会停止系统运行，以避免故障进一步扩大，同时记录故障信息，方便技术人员进行故障排查和修复。通过PLC的故障诊断功能，能够及时发现和解决自动换刀系统中的故障，提高系统的可靠性和稳定性，减少设备停机时间，降低生产损失。PLC通过实现逻辑控制、数据处理和故障诊断等功能，显著提高了自动换刀系统的自动化程度和可靠性。它使自动换刀系统能够更加高效、准确、稳定地运行，为数控加工中心的高效、高精度加工提供了有力保障。在未来的发展中，随着PLC技术的不断进步和创新，其在自动换刀系统中的应用将更加广泛和深入，将进一步推动自动换刀系统向智能化、自动化方向发展。2.2系统总体设计方案本设计的基于PLC的自动换刀机械手控制系统主要由PLC、刀库、机械手、传感器、电机和驱动器等部分构成。1）PLC：作为控制系统的核心，选用西门子S7-200系列PLC。该系列PLC具有处理速度快、存储容量适中、功能丰富等优势，能够满足自动换刀机械手控制系统对实时性和可靠性的严格要求。它负责接收数控系统发出的换刀指令，依据预设的控制逻辑，对刀库、机械手等部件的动作进行精确控制，同时实时采集和处理传感器反馈的信号，实现对系统运行状态的全面监测和故障诊断。2）刀库：采用链式刀库，这种刀库具有刀具存储容量大、布局灵活等优点，能够满足多种加工任务对刀具数量和种类的需求。刀库由伺服电机驱动，通过精密的传动机构实现刀具的快速、准确选刀。在刀库的每个刀位上均安装有位置传感器，用于实时检测刀具的位置信息，并将该信息反馈给PLC，确保PLC能够准确掌握刀库中刀具的状态。3）机械手：选用双臂式机械手，其具有换刀速度快、动作平稳等特点，能够有效提高换刀效率和精度。机械手的手臂由伺服电机驱动，通过滚珠丝杠和直线导轨实现精确的直线运动，确保在抓取和交换刀具时能够准确地定位。手部采用气动夹爪，具有夹紧力大、响应速度快等优点，能够可靠地抓取和释放刀具。在机械手的各个关节和关键部位均安装有传感器，用于检测机械手的运动状态和位置信息，实现对机械手动作的精确控制。4）传感器：包括位置传感器、接近传感器等。位置传感器用于检测刀库中刀具的位置、机械手的运动位置等，为PLC提供精确的位置反馈信息，确保系统动作的准确性。接近传感器用于检测刀具和机械手的接近状态，防止碰撞事故的发生，提高系统的安全性。压力传感器用于检测气动夹爪的夹紧力，保证刀具在抓取和交换过程中的稳定性，防止刀具掉落。这些传感器将采集到的信号实时传输给PLC，为PLC的决策和控制提供重要依据。5）电机和驱动器：刀库和机械手的运动分别由伺服电机驱动，伺服电机具有响应速度快、控制精度高、运行平稳等优点，能够满足自动换刀机械手对运动性能的要求。驱动器则根据PLC发出的控制信号，对伺服电机的转速、位置和转矩进行精确控制，实现刀库和机械手的精确运动。刀库伺服电机通过驱动器接收PLC的脉冲信号，控制刀库的旋转速度和位置，实现快速、准确的选刀。机械手伺服电机通过驱动器接收PLC的控制指令，实现手臂的伸缩、旋转和手部的开合等动作，确保换刀过程的顺利进行。在系统工作过程中，数控系统发出换刀指令后，PLC迅速响应并启动刀库选刀程序。刀库伺服电机在驱动器的控制下开始旋转，带动刀库按照预定的选刀策略将目标刀具输送到换刀位置。位置传感器实时监测刀库的旋转位置，并将信号反馈给PLC，当目标刀具到达换刀位置时，刀库停止旋转。并将信号反馈给PLC，PLC根据反馈信号对系统进行实时调整和控制，确保换刀过程的快速、准确和稳定。2.3自动换刀机械手控制系统硬件选型这里对系统中所用到的主要元器件进行选型，如下：根据系统控制设计要求，这里对系统的主要配件进行选定，具体如下：1）PLC的选择：主要是根据IO表的点位数来选择PLC的规模，根据控制器件的信号类型来选择输出类型，即继电器输出型或者是晶体管输出型，由系统的IO地址可知，本系统共有12个输入点，5个输出点，在选择PLC型号时还要考虑10%左右的IO口预留，因此这里选择CPU226继电器型PLC来完成本系统的控制。PLC的个形如下图2.1所示：图2.1自动换刀机械手控制系统PLC外形及接线端子图刀库驱动电动机的选择本系统刀库驱动，采用一个三相异步电动机来进行驱动，这里由于刀库的负荷不大，所以选择一个1.1KW，6极的电动机来驱动，其型号是Y90L-6，电机的具体参数是：额定电压为AC380V、额定电流为2.97A，电机的额定转速为960r/min，共外形如下图2.2所示：图2.2自动换刀机械手控制系统电动机外形图电动机的电流也可以按下式计算： 三相电机类电功率的计算公式是：（2-1）P=1.732*线电压U*线电流I*功率因数COSΦ，因为电动机是3相380V，接法是星形联接，驱动电机功率采用1.1KW，额定电压是AC380V，假设功率因数假设是0.85。电机电流=功率/电压/功率因数=1100/1.732/380/0.85=2.97A。3）控制用继电器的选择，由于晶体管输出型PLC，不宜直接带接触器线圈，所以这里引入中间继电器，选正泰公司的正泰继电器JZX-228脚型，其线圈采用直流驱动线圈，直流线圈的额定电路是DC24V，即直流继电器，接触器线圈电压是AC220V,外图如下图2.3所示：图2.3换刀机械手控制系统中间继电器4）基于PLC自动换刀机械手控制系统启动控制按钮SB1~SB6的选择：系统的控制按钮，由于电流很小，不用选择电流值的大小，一般按钮的触点电流值为5A左右，这里只对按钮进行颜色分类即可，系统停止按钮SB8的颜色选择红色按钮头，其余启动控制用按钮均选择绿色按钮头，这里所有按钮均选用正泰品牌的，型号是：NP2-BA31，触点型号是：ZB2-BE101，按钮的外观如下图2.4所示：图2.4基于PLC自动换刀机械手控制系统按钮外形图5）基于PLC自动换刀机械手控制系统变频器的选择，变频器这里选西门子变频器，其型号为MM440功率为1.5KW，其外观图如下图2.5所示：图2.5基于PLC自动换刀机械手控制系统变频器外形图6）基于PLC自动换刀机械手控制系统指示灯HL1-HL3的选择：指示灯的选择，只用选择颜色和控制电压即可，系统的控制电压是DC24V，所以指示灯的电压选DC24V，其颜色选绿色的指示灯，品牌也选正泰的产品，其型号是：ND16-22DS/4，指示灯的外形图如下图2.6所示：图2.6基于PLC自动换刀机械手控制系统指示灯外形图由上述元器件选型，可以做出系统的元器件明细表见表2.1所示。表2.1器件明细表序号代号名称型号品牌或厂家数量1M1驱动电动机Y90L-6湘潭电机厂14PLC可编程序控制器CPU226西门子16KA1、KA2开关窗接触器JZX-22正泰27VVVF变频器MM4401.5KW西门子110SB1-SB6控制按钮绿NP2-BA31正泰612HL1-HL3指示灯ND16-22DS/4正泰214SQ1-SQ6位置检测LJ12A3-4-Z-BX正泰6

第3章自动换刀机械手控制系统电路设计3.1自动换刀机械手控制系统主电路设计自动换刀机械手控制系统的主电路即一个由变频器控制和驱动的一台三相异步电动机，系统由一个西门子变频器来驱动旋转电机。电路图如下图3-1所示：图3.1自动换刀机械手控制系统主电路图M1是刀盘驱动电动机，QF1是换刀电机断路器，MM440是换刀电控制变频器，当KA1的动合触点接通是为控制刀盘顺时钟方向转，KA2的动合触点接通是为控制刀盘逆时钟方向转。3.2自动换刀机械手控制系统的IO分配表设计根据自动换刀机械手控制系统的控制要求，可以做出系统的IO分配表，如下表3.1、3.2所示：

表3.1PLC控制系统I/O分配表输入点分配输出点分配输入设备输入端子输出设备控制设备输出端子机械手位置1检测SQ1I0.1刀具到位指示HL1Q0.0机械手位置2检测SQ2I0.2刀盘旋转指示HL2Q0.1机械手位置3检测SQ3I0.3刀盘顺转KA1Q0.2机械手位置4检测SQ4I0.4刀盘逆转KA2Q0.3机械手位置5检测SQ5I0.5换刀闪烁HL3Q0.4机械手位置6检测SQ6I0.6刀具号1选择SB1I1.1刀具号2选择SB2I1.2刀具号3选择SB3I1.3刀具号4选择SB4I1.4刀具号5选择SB5I1.5刀具号6选择SB6I1.63.3自动换刀机械手控制系统的IO接线图自动换刀机械手控制系统的IO接线图根据系统的I/O表来设计绘制。这里采用的是CPU226型PLC。具体如下图3.2所示：图3.2自动换刀机械手控制系统IO接线图

第4章自动换刀机械手控制系统软件设计4.1自动换刀机械手控制系统流程图设计根据换刀过程要求，可以设计出系统的简单换刀流程，如图4.1所示：图4.1换刀流程图4.2自动换刀机械手控制系统梯形图设计系统设计过程中，在设计出系统的硬件部分后，这里还要对系统的换刀部分控制程序进行设计，具体如下。图4.2初始化刀号梯形图系统上电，先择呼叫刀号用的存储器和刀盘刀号所处位置寄存器进行清0，以保证系统正确。图4.3刀具号选择梯形图这里是设置所选刀具的地址号，即把某把刀所处的编号送到相对应的存空间。图4.4刀具号选择梯形图这里是设置所选刀具的地址号，即把某把刀所处的编号送到相对应的存空间。图4.5刀盘所处刀位号梯形图这里是读取刀盘所处的刀位号，即机械手位号。图4.6有选择刀号控制梯形图有选择呼叫刀号时，置位M0.5。图4.7转换控制梯形图图4.8刀库旋转控制梯形图在选择刀号大于或当前刀号，使M0.0输出，进而把呼叫刀位号减去所处刀位号，其值存于VW130。在选择刀号小于或当前刀号，先对呼叫刀号VW100进行加6，再把呼叫刀位号减去所处刀位号，其值存于VW130，最后再进行I/B转换，值存于VB130中。图4.9刀库转向控制梯形图当呼叫刀号与刀盘所处刀位号的差值大于3时，刀盘进行顺转，而其差值小于3时，刀盘进行反转。图4.10刀库换刀过程指示梯形图换刀过程进行指示灯指示。图4.11刀库机械手换刀控制梯形图换刀时进行闪烁，即Q0.4输出闪烁，表示正在进行换刀。到时停止。复位M0.5。4.3自动换刀机械手控制系统梯形图调试设计完成，进行编译，编译成功，导出仿真高度用文本文件AWL格式的文件。这里采用打开S7-200标准仿真器来进行仿真，导入AWL程序。这种仿真器更详尽。图4.12仿真初始画面上电，把所有输出复位。图4.136号刀选择控制当选择6号刀具时，I1.6接通，这时Q0.1,Q0.2输出，正转，同时其指示灯亮。图4.145号刀选择控制再选择5号刀具时，I1.5接通，这时Q0.1,Q0.3输出，逆转，同时旋转指示灯亮。图4.15到呼叫刀号位到达位置时，Q0.0输出，同时Q0.4闪烁，表示换刀机械手正在换刀。图4.16启动系统执行换刀完成闪烁5秒后Q0.4停止输出，即换刀完成。

第5章系统总结与展望5.1研究成果总结本研究成功设计并实现了基于PLC的自动换刀机械手控制系统，在系统设计、性能优化和实际应用等方面取得了一系列重要成果。在系统设计方面，深入分析了自动换刀机械手控制系统的工作原理和性能要求，精心规划了系统的总体架构，确保各组成部分能够协同工作，实现高效的换刀操作。通过对市场上多种PLC品牌和型号的详细对比，综合考虑系统的性能需求、成本预算和可靠性等因素，最终选用西门子S7-200系列PLC作为核心控制单元，并对其I/O端口进行了合理分配，为系统的稳定运行提供了坚实的硬件基础。在刀库设计上，充分考虑加工需求和设备空间限制，这里不是真正的实物系统，只是为了学习研究，所以只作了6把刀具控制。在性能优化方面，对自动换刀机械手控制系统的性能指标进行了深入分析，通过实际运行测试和模拟测试相结合的方式，全面评估了系统的换刀时间、定位精度和可靠性等性能。针对测试中发现的问题，从硬件和软件两个层面提出了针对性的优化策略。在硬件方面，对刀库传动系统进行升级，更换高强度、高精度的滚子链，优化驱动电机选型；对机械手的机械结构进行优化设计，增加手臂的刚度和强度，改进手部夹爪的材料和结构。在软件方面，优化控制算法，采用自适应控制算法和智能预测算法，提高系统的运行稳定性和可靠性；优化软件逻辑流程，减少不必要的等待时间和重复操作，提高换刀效率。通过这些优化措施，系统的性能得到了显著提升，换刀时间明显缩短，定位精度大幅提高，可靠性得到有效增强。5.2研究不足与展望尽管本研究在基于PLC的自动换刀机械手控制系统方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之处，有待在未来的研究中进一步改进和完善。在硬件方面，虽然对刀库传动系统和机械手机械结构进行了优化，但仍存在一些潜在的问题。刀库的高速旋转和频繁启停可能导致传动部件的磨损加剧，从而影响刀库的长期稳定性和可靠性。机械手在高速运动时，由于惯性和振动的影响，可能会出现定位精度下降的情况。在未来的研究中，可以进一步探索采用新型材料和先进制造工艺，提高传动部件的耐磨性和机械结构的刚性，减少磨损和振动对系统性能的影响。研究更先进的运动控制算法和补偿技术，实时监测和补偿机械手在运动过程中的误差，提高定位精度和运动稳定性。在软件方面，虽然采用了自适应控制算法和智能预测算法