【基于PLC的刀庫換刀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)11000字（論文）】

基于PLC的刀庫換刀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄摘要 IAbstract II1、前言 11.1研究背景 11.2自動刀架的種類及發(fā)展趨勢 11.2.1刀架的種類 11.2.2自動刀架的發(fā)展趨勢 31.3可編程序邏輯控制器（PLC）概述 41.3.1PLC的結(jié)構(gòu) 41.3.2PLC的硬件 51.3.3PLC的主要特點(diǎn) 62、刀架結(jié)構(gòu)原理分析 12.1刀架的原理分析 12.2刀架主電路分析 22.3刀架電機(jī)弱電路回路 32.4PLC系統(tǒng)控制及分析 33、加工中心自動換刀裝置的硬件設(shè)計(jì) 43.1可編程控制器（PLC）的選型 43.2硬件設(shè)備的選型 53.2.1精定位開關(guān) 53.2.2刀庫電機(jī)選型 53.2.3接觸器 63.2.4熱繼電器 73.3其它信號接口電路 73.3.1編碼器接口電路 73.3.2超程限位開關(guān)信號輸入電路 73.3.3緊急停止信號 83.4加工中心刀具庫的I/O資源配置 93.4.1刀具庫I/O點(diǎn)分配 93.4.2刀具庫I/O外部接線圖 94、自動換刀裝置系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 114.1編程方法的選擇 114.2自動換刀系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計(jì) 124.3上下位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 144.3.1組態(tài)軟件介紹 144.3.2通用MCGSPC機(jī)界面設(shè)計(jì) 154.3.3MCGS監(jiān)控系統(tǒng)與PLC通信 154.3.4仿真調(diào)試過程及其結(jié)果 16結(jié)論 20參考文獻(xiàn) 21附錄 241、前言1.1研究背景本次設(shè)計(jì)的題目是加工中心自動換刀裝置的設(shè)計(jì)。在機(jī)械制造業(yè)中，加工中心配置自動換刀裝置對改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)率和改善勞動條件等方面已經(jīng)發(fā)揮了重要的作用，針對現(xiàn)有加工中心的自動換刀裝置進(jìn)一步減少換刀時間，提高刀庫定位精度。刀庫式換刀裝置有一個存儲刀具的刀庫，機(jī)床只需一個夾持刀具進(jìn)行切削的刀具主軸（鉆，膛，銑類機(jī)床）或刀架（車床類機(jī)床）。自動換刀系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。刀具夾持元件的結(jié)構(gòu)特性及它與機(jī)床主軸的聯(lián)絡(luò)方式，將直接影響機(jī)床的加工性能。數(shù)控加工中心換刀效率的高低，主要取決于是刀庫中刀具的容量大小以及換刀動作的準(zhǔn)確性。利用刀庫換刀，是目前加工中心中大量使用的換刀方式。刀庫結(jié)構(gòu)形式及刀具交換裝置的工作方式，則會影響機(jī)床的換刀效率。在刀庫定位問題上，最后配置更優(yōu)化的可編程控制器等模塊，程序控制采用模塊化設(shè)計(jì)方法，這對今后生產(chǎn)類似機(jī)床將十分有利很容易將其利用到其他機(jī)床上。本文的PLC加工中心自動換刀裝置在加工復(fù)雜零件的過程中，可以做到多工序連續(xù)換刀，工序相對集中，同時減少多次安裝造成的重復(fù)定位誤差，提高了加工精度。（在本設(shè)計(jì)中主要分析選刀系統(tǒng)以及送刀系統(tǒng)，機(jī)械手控制部分不多做分析。）1.2自動刀架的種類及發(fā)展趨勢1.2.1刀架的種類按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式，下面對這三種形式的刀架作簡單的介紹。（1）排式刀架排式刀架一般用于小規(guī)模數(shù)控車床，以加工棒料為主的車床較為常見。其結(jié)構(gòu)形式為：夾持著各種不同用途刀具的刀夾沿著機(jī)床的X坐標(biāo)軸方向排列在橫向滑板上。這種換刀方式迅速省時，有利于提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。圖1.1排式刀架（2）回轉(zhuǎn)刀架?；剞D(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，一般通過液壓系統(tǒng)或電氣來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動換刀動作?；剞D(zhuǎn)刀架的換刀動作可分為刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位和刀架鎖緊等幾個步驟[[]徐二當(dāng).談數(shù)控車床刀架系統(tǒng)故障維修[J].中國高新技術(shù)企業(yè).2008(10)][]徐二當(dāng).談數(shù)控車床刀架系統(tǒng)故障維修[J].中國高新技術(shù)企業(yè).2008(10)（3）帶刀庫的自動換刀裝置。這種系統(tǒng)的換刀過程是先將主軸上用過的刀具取下放回車庫，然后根據(jù)選刀指令將刀庫中的代用刀具選好后交換到主軸上。帶刀庫的自動換刀裝置由刀庫和刀具交換機(jī)構(gòu)組成。圖1帶刀庫自動換刀系統(tǒng)（4）動力刀架如圖2所示為適用于車削中心機(jī)床的動力轉(zhuǎn)塔刀架，其刀盤上既可以安裝各種非動力輔助刀夾夾持刀具進(jìn)行加工，也可以安裝動力刀夾夾持刀具進(jìn)行主動切削，完成橫向鉆孔及攻螺紋、端面鉆孔及攻螺紋、銑平面、銑鍵槽、銑扁方等各種復(fù)雜工序，實(shí)現(xiàn)加工自動化、高效化[[]聶福全.數(shù)控車床電動刀架換刀故障分析[J].設(shè)備管理與維修.2006(01)][]聶福全.數(shù)控車床電動刀架換刀故障分析[J].設(shè)備管理與維修.2006(01)圖1.2動力轉(zhuǎn)塔刀架1.2.2自動刀架的發(fā)展趨勢本文所涉及到的數(shù)控刀架并不包括動力型轉(zhuǎn)塔刀架，其發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在:（1）換刀更加迅速平穩(wěn)隨著新結(jié)構(gòu)、新材料、新電機(jī)技術(shù)的不斷研究以及伺服電機(jī)驅(qū)動性能的提升，新型的刀架在換刀時間會有更大的突破，換刀過程將會向無聲、無振動發(fā)展[[]宋胄.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床自動回轉(zhuǎn)刀架的故障分析及排除[J].機(jī)械工程師.2006(12)][]宋胄.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床自動回轉(zhuǎn)刀架的故障分析及排除[J].機(jī)械工程師.2006(12)（2）定位更精確隨著加工技術(shù)的改進(jìn)，精度更高的端齒盤將會減小定位誤差:另外，新型的精定位裝置出現(xiàn)并取代端齒盤，這將使定位更精確。定位精度要求高，一般要求工位目標(biāo)位置重復(fù)定位精度在，刀槽的工作位置定位精度在0.03-0.05。先進(jìn)工藝用浮硬齒面對研，重復(fù)定位精度可高達(dá)另外，刀盤加工趨向用淬火硬磨削，以獲得刀槽精度的長期保持性及高的剛度。（3）結(jié)構(gòu)更簡單新型的直接驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控刀架，將會大大減少結(jié)構(gòu)零件數(shù)量，提高可靠性，必將成為下一代數(shù)控刀架的主流。為了克服刀盤高速轉(zhuǎn)位引起的慣性沖擊，使用恰當(dāng)?shù)木彌_元件是其發(fā)展趨勢。1.3可編程序邏輯控制器（PLC）概述1.3.1PLC的結(jié)構(gòu)PLC和一般的微型計(jì)算機(jī)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。PLC的硬件系統(tǒng)由微處理器(CPU)、存儲器(EPROM，ROM)、輸入輸出(I/O)部件、電源部件、編程器、I/O擴(kuò)展單元和其他外圍設(shè)備組成。各部分通過總線(電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線)連接而成。其結(jié)構(gòu)簡圖如下：圖1.3PLC硬件結(jié)構(gòu)圖PLC的軟件系統(tǒng)是指PLC所使用的各種程序的集合，通?？煞譃橄到y(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。系統(tǒng)程序是每一個PLC成品必須包括的部分，由PLC廠家提供，用于控制PLC本身的運(yùn)行，系統(tǒng)程序固化在EPROM中。用戶程序是由用戶根據(jù)控制需要而編寫的程序。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個完整的PLC系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的可編程序邏輯控制器（ProgrammableLogicController），簡稱PLC。它是一種以微機(jī)處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信控制技術(shù)等現(xiàn)代科技而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置。1.3.2PLC的硬件1.PLC的物理結(jié)構(gòu)根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的不同，可以將PLC分為整體式、模塊式和混合式。（1）整體式PLC整體式又叫做單元式或機(jī)箱式，它的體積小、價(jià)格低，對箱體式PLC，有一塊CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，當(dāng)然按CPU性能分成若干型號，并按I/O點(diǎn)數(shù)又有若干規(guī)格。對模塊式PLC，有CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架。無任哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都屬于總線式開放型結(jié)構(gòu)，其I/O能力可按用戶需要進(jìn)行擴(kuò)展與組合。（2）模塊式PLC大、中型PLC一般采用模塊式結(jié)構(gòu)，它由機(jī)架和模塊組成，模塊插在模塊插座上，后者焊接在機(jī)架中的總線連接板上，有不同槽數(shù)的機(jī)架供用戶選用，如果一個機(jī)架容納不下選用的模塊，可以增設(shè)一個或數(shù)個擴(kuò)展機(jī)架，各機(jī)架之間用接口模塊和電纜相連。用戶可以選用不同檔次的CPU模塊、品種繁多的I/O模塊和特殊功能塊，對硬件配置的選擇余地較大，維修時更換模塊也很方便。（3）CPU模塊中的存儲器存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器，系統(tǒng)程序相當(dāng)于個人計(jì)算機(jī)中的操作系統(tǒng)，它使PLC具有基本的智能，能完成PLC設(shè)計(jì)者的規(guī)定的各種工作。系統(tǒng)程序由PLC的生廠家設(shè)計(jì)并固定化在ROM（只讀存儲器）中，用戶不能讀取。用戶程序由用戶設(shè)計(jì)，它使PLC能完成用戶要球的特定功能，用戶程序存儲器的容量以字節(jié)（B）為單位。（4）I/O模塊各I/O點(diǎn)的通/斷狀態(tài)用發(fā)光二極管（LED）顯示，PLC與外部接線的連接一般用接線端子，某些模塊使用可以拆卸的插座型端子板，不需斷開端子板上的連接線，就可以迅速的更換模塊。輸入模塊：PLC通過輸入模塊來接收和采集輸入信號，通過輸出模塊控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、調(diào)速裝置等執(zhí)行器，PLC控制的另一類外部負(fù)載是指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等。輸入電路中設(shè)有RC濾波電路，以防止由于輸入觸點(diǎn)抖動或外部干擾脈沖引起的錯誤輸入信號。輸出模塊：輸出模塊的率放大元件有大功率晶體管和場效應(yīng)管（驅(qū)動直流負(fù)載）、雙向可控硅（驅(qū)動交流負(fù)載）和小型繼電器，繼電器可以驅(qū)動交流負(fù)載或直流負(fù)載。輸出電流的典型值為0.5—2A，負(fù)載電源由外部現(xiàn)場提供。1.3.3PLC的主要特點(diǎn)1.抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高PLC專門為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)，具有很高的可靠性。它的主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路，I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)與信息調(diào)理電路；在機(jī)構(gòu)上對耐熱、防潮、防塵、抗震都有精確考慮；在硬件上采用隔離、屏蔽、濾波、接地等抗干擾措施；在軟件上采用數(shù)字濾波等干擾和故障診斷措施。所有這些使PLC具有較高的抗干擾能力，因此穩(wěn)定、可靠，抗干擾能力強(qiáng)。與繼電器接觸裝置和通用計(jì)算機(jī)相比，PLC更能試用工業(yè)現(xiàn)場較為惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。2.控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)PLC及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。在PLC夠成的控制系統(tǒng)中，只需要在PLC的端子上接入相應(yīng)的輸入/輸出信號線即可，不需要諸如繼電器之類的物理電子器件和大量且繁雜的硬接線線路。當(dāng)控制要求改變，需要變更控制系統(tǒng)的功能時，可以用編程器在線或離線修改程序，同一個PLC裝置用于不同的控制對象，只是輸入/輸出組件和應(yīng)用軟件的不同。PLC的輸入/輸出可以直接與交流220V、直流24V等強(qiáng)電相連，并有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。3.編程簡單，易于使用PLC是面向用戶的設(shè)備，PLC的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣，因此PLC程序的編制采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類似，這種編程語言形象直觀，容易掌握，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識和語言，只要具有一定的電工和工藝知識就可在短時間內(nèi)學(xué)會。4.功能完善現(xiàn)代PLC不僅有邏輯運(yùn)算、計(jì)時、計(jì)數(shù)、步進(jìn)控制功能，還能完成A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、模擬量處理、高速計(jì)算、聯(lián)網(wǎng)通信等功能，可以通過上位計(jì)算進(jìn)行顯示、報(bào)警、記錄，進(jìn)行人機(jī)對話，使控制水平大為提高。因此，PLC具有極強(qiáng)的適用性，能夠很好地滿足各類型控制的需要，是目前工廠中應(yīng)用最廣的自動化設(shè)備。5.體積小、維護(hù)操作方便PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。PLC的輸入/輸出系統(tǒng)能夠直觀地反映現(xiàn)場信號的變化狀態(tài)，還能通過各種方式直觀地控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如內(nèi)部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、I/O點(diǎn)狀態(tài)、異常和電源狀態(tài)等，對此均有醒目的指示，非常有利于運(yùn)行和維護(hù)人員對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。2、刀架結(jié)構(gòu)原理分析2.1刀架的原理分析該裝配圖為螺旋升降式四方回轉(zhuǎn)刀架，其工作原理見圖2.1：（1）刀架抬起。當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令喉，電機(jī)正轉(zhuǎn)，并經(jīng)聯(lián)軸器，帶動蝸桿軸轉(zhuǎn)動，從而帶動蝸輪旋轉(zhuǎn)，蝸輪通過鍵帶動軸旋轉(zhuǎn)，軸上裝有軸套26，它可在套筒24內(nèi)孔中的螺旋槽內(nèi)滑動，從而舉起與套筒24相連的上刀架21及上端齒盤20，使上端齒盤20與下端齒盤18分開，完成刀架抬起動作。如圖3所示。（2）刀架轉(zhuǎn)位。刀架抬起后，軸套26仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動，同時帶動上刀架21轉(zhuǎn)過90，當(dāng)轉(zhuǎn)過所需的角度后，由微動開關(guān)3發(fā)出信號給數(shù)控裝置。（3）刀架定位。當(dāng)上刀架轉(zhuǎn)到需要到位后（旋轉(zhuǎn)90°、180°或270°），數(shù)控裝置發(fā)出的換刀指令使霍爾開關(guān)9中的某一個選通，當(dāng)磁性板10與被選通的霍爾開關(guān)對齊后，霍爾開關(guān)反饋信號使電機(jī)反轉(zhuǎn)，插銷7在彈簧力作用下進(jìn)入反靠盤5地槽中進(jìn)行粗定位，上刀架體停止轉(zhuǎn)動，電機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)，使其在該位置落下，通過螺母絲桿機(jī)構(gòu)7使上刀架移到齒盤3、4重新嚙合，實(shí)現(xiàn)精確定位[[]魏彩喬,陳明,王曉光.數(shù)控車床刀架的故障分析與維修[J].機(jī)床與液壓.2015(07)][]魏彩喬,陳明,王曉光.數(shù)控車床刀架的故障分析與維修[J].機(jī)床與液壓.2015(07)（4）刀架壓緊。刀架精確定位后，由微動開關(guān)發(fā)出的信號使電機(jī)反轉(zhuǎn)，夾緊刀架，壓縮彈簧15推動定位銷17，定位銷伸出，使上刀架21定位而不隨軸套26回轉(zhuǎn)，于是刀架在重力的作用下向下移動，上下端齒盤合攏壓緊。蝸桿繼續(xù)轉(zhuǎn)動則產(chǎn)生軸向位移，壓縮彈簧5，套筒4的外圓曲面壓縮開關(guān)3使電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，從而完成一次轉(zhuǎn)位。當(dāng)兩齒盤增加到一定夾緊力時，電機(jī)由數(shù)控裝置停止反轉(zhuǎn)，防止電機(jī)不停反轉(zhuǎn)而過載毀壞，從而完成一次換刀過程。圖2.1刀架原理圖2.2刀架主電路分析圖2.2數(shù)控車床電動刀架電氣控制電路當(dāng)有手動換刀或自動換刀指令時，經(jīng)過系統(tǒng)處理轉(zhuǎn)變?yōu)榈段恍盘?，這時在圖2中，PLC輸出Y06有效，KA6線圈通電，繼電器觸點(diǎn)閉合，在圖1中，KM1線圈通電，交流接觸器主觸點(diǎn)吸合，刀架電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)PLC輸入點(diǎn)檢測到指令刀具所對應(yīng)的刀位信號時，PLC輸出Y06有效撤銷，刀架電動機(jī)正轉(zhuǎn)停止；接著PLC輸出Y07有效，KA7線圈通電，繼電器觸點(diǎn)閉合，在圖1中KM1線圈通電，交流接觸器主觸點(diǎn)吸合，刀架電動機(jī)反轉(zhuǎn)，延時一定時間后，KM2主觸點(diǎn)斷開，刀架電動機(jī)反轉(zhuǎn)停止，換刀過程完成。2.3刀架電機(jī)弱電路回路圖2.3刀架電機(jī)弱電路回路PLC輸入/輸出電路中輸入1號刀同時選擇手動刀選擇。這時，SB11閉合KA6線圈得電反轉(zhuǎn)KA6觸點(diǎn)斷開實(shí)現(xiàn)互鎖。接觸器回路中的KA6觸點(diǎn)導(dǎo)通（KA1始終處于閉合狀態(tài)）KM5線圈得電反轉(zhuǎn)KM5反轉(zhuǎn)觸點(diǎn)斷開實(shí)現(xiàn)雙重互鎖。刀架正轉(zhuǎn)接觸器回路導(dǎo)通，在強(qiáng)電回路總的KM5觸點(diǎn)閉合刀架正轉(zhuǎn)。當(dāng)霍爾元件檢測到1號刀的到位信號時，刀架開始定位鎖緊，電機(jī)停轉(zhuǎn)，換到結(jié)束。其他3把刀換刀方式依次類推。2.4PLC系統(tǒng)控制及分析數(shù)控系統(tǒng)調(diào)刀代碼開始執(zhí)行時，或行動調(diào)刀時，首先輸出刀架正轉(zhuǎn)信號，使刀架旋轉(zhuǎn)，當(dāng)接收到指定的刀具的到位信號后，關(guān)閉刀架正轉(zhuǎn)信號，延時50ms時間后，刀架開始反轉(zhuǎn)而進(jìn)行鎖緊，并開始檢查鎖緊信號，延時60s，當(dāng)接收到該信號后，關(guān)閉刀架反轉(zhuǎn)信號，延遲時間，并對電機(jī)制動。換刀結(jié)束。程序轉(zhuǎn)入下一程序段繼續(xù)執(zhí)行。如執(zhí)行的刀號與現(xiàn)在的刀號(自動記錄)一致時，則換刀指令立刻結(jié)束，并轉(zhuǎn)入下一程序段執(zhí)行。3、加工中心自動換刀裝置的硬件設(shè)計(jì)3.1可編程控制器（PLC）的選型可編程序控制器是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。綜合考慮后，系統(tǒng)選擇了西門子S7-200系列PLC。采用PLC代替繼電器可的很好的性能價(jià)格比城市照明的線路越復(fù)雜使用PLC的優(yōu)越性就越顯著。該系列產(chǎn)品素以高性能聞名，并且具有相當(dāng)好的擴(kuò)展和不錯的通信能力，西門子的工業(yè)控制總線也是相當(dāng)流行。我們在該系列產(chǎn)品中選擇了S7-200CPU224。該機(jī)集成14輸入/10輸出口?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)的外部設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則而設(shè)計(jì)。PLC耗電小，產(chǎn)生熱量極小，電氣柜可以設(shè)計(jì)密封，防灰塵不必經(jīng)常維護(hù)。S7-200系列CPU在緊湊的外殼中組合了微處理器、集成的電路、輸入電路和輸出電路，以創(chuàng)建功能強(qiáng)大的微型PLC。見下圖3.1，下載程序后，S7-200包含應(yīng)用程序中需要用來監(jiān)控和控制輸入和輸出設(shè)備的邏輯。圖3.1S7-200的CPU圖西門子提供不同的S7-200CPU型號，具有多種特征和性能，可以為不同的應(yīng)用創(chuàng)建有效的解決方案。下表簡要的比較了CPU的一些性能。表3.1S7-200CPU型號的比較S7-200擴(kuò)充模塊為了更好地解決應(yīng)用需要，S7-200系列包含許多中擴(kuò)充模塊，可以使用這些擴(kuò)充模塊將功能添加到S7-200CPU。下表提供了當(dāng)前可用的擴(kuò)充模塊的列表。表3.2S7-200擴(kuò)充模塊3.2硬件設(shè)備的選型3.2.1精定位開關(guān)兩個精定位開關(guān)的安裝相對刀套外圓表面的距離可調(diào)，同時二者之間的相對位置可調(diào)，以保證其感應(yīng)靈敏度高。刀庫上裝有刀庫原點(diǎn)位置檢測開關(guān)，凸輪坐上裝有回轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)開和剎車點(diǎn)檢測開關(guān)。在安裝時采用將刀庫手動轉(zhuǎn)動一個真正刀具能夠準(zhǔn)確順利裝人和拔出刀套的位置，并用千分表測出轉(zhuǎn)動誤差在公差范圍內(nèi)。選擇型號為LX19K的行程開關(guān)，額定工作電壓：380VAC，額定工作電流：5A，動作行程：1.5~3.5mm。3.2.2刀庫電機(jī)選型在刀盤旋轉(zhuǎn)過程中，驅(qū)動刀庫電機(jī)需要頻繁的啟動、制動、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，在此，刀庫的驅(qū)動電機(jī)使用交流異步電動機(jī)，用行程開關(guān)檢測，交流異步電動機(jī)是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機(jī)類型。此種驅(qū)動方式相較于液壓馬達(dá)驅(qū)動運(yùn)行穩(wěn)定，定位準(zhǔn)確、可靠，換刀速度快。如果有更好的上位控制器，還可以用轉(zhuǎn)矩方式控制，把速度環(huán)也從驅(qū)動器上移開。參數(shù)配置方便而且可調(diào)性更高，電機(jī)正反轉(zhuǎn)時還有LED指示燈顯示控制效果，非常直觀方便。數(shù)控軸控制刀庫旋轉(zhuǎn)電機(jī)，由于需要從PLC程序發(fā)出控制指令，便可以使用系統(tǒng)命令通道指令使相應(yīng)的軸定位，最終使CNC控制軸到指定位置。本設(shè)計(jì)驅(qū)動刀庫電機(jī)選型為Y7-712-2，額定電壓：220V，額定功率：0.55KW，額定轉(zhuǎn)速：2800rpm，效率高，節(jié)能效果好，啟動轉(zhuǎn)矩大，噪聲震動較小。圖3.2驅(qū)動電動機(jī)主電路3.2.3接觸器接觸器是指工業(yè)電網(wǎng)中利用線圈流過電流產(chǎn)生磁場，使觸頭閉合，以達(dá)到控制負(fù)載的電器。本課題中選用西門子接觸器3TF4522-0XM0，適用于控制交流電動機(jī)和啟動、停止及反轉(zhuǎn)，可以提供三相交流電動機(jī)的過載保護(hù)和斷相保護(hù)。3.2.4熱繼電器熱繼電器是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的保護(hù)電器，在電路中作電動機(jī)的過載保護(hù)。凡電機(jī)長期運(yùn)行時，都需要對其過載提供保護(hù)裝置。在接線時對星型聯(lián)結(jié)的電動機(jī)，應(yīng)選擇帶斷相保護(hù)的熱繼電器。所選用的熱繼電器的整定電流通常與電動機(jī)的額定電流相等。在此系統(tǒng)中選用JR16-20型的熱繼電器。3.3其它信號接口電路3.3.1編碼器接口電路光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。本文選用美國ENCODERPRODUCTS公司生產(chǎn)的EPC－755A微型光電編碼器，圖3.3編碼信號接口電路3.3.2超程限位開關(guān)信號輸入電路所有電動設(shè)備都安裝單獨(dú)的超程限位開關(guān)，以防行程終止限位開關(guān)發(fā)生故障時導(dǎo)致機(jī)械損傷及重大事故。為了保證數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行安全，每個直線軸的兩端都限位。根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行情況而工作，通常裝設(shè)在遠(yuǎn)離傳動裝置的地方，在規(guī)定的超程內(nèi)有效工作。硬限位的開關(guān)動作的結(jié)果是引起緊急停車，伺服系統(tǒng)掉電并且禁止再起動。超程限位開關(guān)用于運(yùn)動控制器保護(hù)，這個輸入信號通過光電禍合器和RC濾波器連接到MCX314的限位輸入端。圖3.4是超程限位輸入的電路的示意圖。圖3.4超程限位信號輸入電路3.3.3緊急停止信號為了緊急停止所有軸的驅(qū)動，MCX314有緊急停_L}信號EMGN，EMGM信號通常處于高電平，下降到低電平后，所有軸的電機(jī)立即停止。此時各軸的RR2寄存器的D5EMG位為1，EMGN信號不能選擇邏輯電平。圖3.25緊急停止信號3.4加工中心刀具庫的I/O資源配置3.4.1刀具庫I/O點(diǎn)分配通過對數(shù)控加工中心刀具選擇系統(tǒng)控制要求的分析，可知自動換刀系統(tǒng)的控制流程，由此得出系統(tǒng)的I/O點(diǎn)分配資源。I/O點(diǎn)分配表如表3.3所示。表3.3I/O點(diǎn)分配表輸入輸出元器件名符號對應(yīng)I/O點(diǎn)元器件名符號對應(yīng)I/O點(diǎn)刀具選擇按鈕SB1I0.0到位指示燈HL1Q0.0SB2I0.1換刀指示燈HL2Q0.1SB3I0.2刀庫正轉(zhuǎn)KM1Q0.2SB4I0.3刀庫反轉(zhuǎn)KM2Q0.3SB5I0.4換刀KM3Q0.4SB6I0.5到位行程開關(guān)ST1I1.0ST2I1.1ST3I1.2ST4I1.3ST5I1.4ST6I1.5由上表可知PLC有14個輸入點(diǎn)5個輸出點(diǎn)，因此選用PLC時可選用西門子S7-200CPU226，輸入點(diǎn)24，輸出點(diǎn)16，并留有一定的余量。3.4.2刀具庫I/O外部接線圖由系統(tǒng)的I/O資源分配可以繪出控制系統(tǒng)外部接線圖。系統(tǒng)I/O外部接線圖如圖3.5所示。圖3.5I/O外部接線圖4、自動換刀裝置系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)本章設(shè)計(jì)了基于PLC的自動換刀裝置系統(tǒng)的控制軟件，根據(jù)硬件系統(tǒng)各個層次的主要功能設(shè)計(jì)了軟件模塊，并給出了每個控制模塊的實(shí)現(xiàn)流程，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境，最后，給出了上位機(jī)和PLC及現(xiàn)場通信設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，并編寫了軟件實(shí)現(xiàn)過程中的具體軟件代碼。4.1編程方法的選擇西門子提供的STEP7-Micro/Win軟件可以很方便的對PLC進(jìn)行編程。該程序提供三種工具來進(jìn)行編，程梯形圖(LAD)、語句表(STL)和功能塊圖(FBD)。LAD編輯器以圖形方式顯示程序，與電氣接線圖類似，這種方式易于初學(xué)者使用、易于理解且全世界通用、該編輯器還能使用SIMATIC和IEC1131-3指令集，可以使用STL編輯器顯示所有LAD程序。STL編輯器按照文本語言的形式顯示程序，允許你輸入助記符來創(chuàng)建控制程序，語句表同時是你能夠創(chuàng)建用LAD，F(xiàn)BD無法創(chuàng)建的程序，它與匯編語言非常類似，該種編輯器適用與有經(jīng)驗(yàn)的編程人員，能解決用LAD，F(xiàn)BD無法解決的問題，不過此時只能使用SIMATIC指令集，同時它還能顯示用LAD.、FBD編輯的程序，反之不一定成立。FBD也用圖形表示程序，由通用邏輯門組成，該種編輯方法較之LAD比較有利于程序流的跟蹤。在這里我們選用了LAD和STL兩種方式，從易用以及完全實(shí)現(xiàn)功能的角度來考慮。圖4.1STEP7Micro/WIN操作界面4.2自動換刀系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計(jì)經(jīng)過對加工中心工作原理的分析，可知數(shù)控加工中心刀具選擇系統(tǒng)的程序流程圖如圖4.2所示。圖4.2程序流程圖刀庫容量為20，容量不大，并且用于小型立式加工中心，因此決定采用盤式刀庫。盤式刀庫結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用較多。此換刀裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，換刀可靠性較好。整個換刀過程時間大約為4秒。主軸以換取新刀具的數(shù)量和刀庫中刀具數(shù)已預(yù)先在PLC內(nèi)部存儲器存儲以及隨機(jī)換刀控制模式需要被設(shè)置在PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)表中，刀具的選擇方式為任意選擇方式中的計(jì)算機(jī)記憶式，可將刀具號和刀庫上存刀地址對應(yīng)地記憶在計(jì)算機(jī)存儲器內(nèi)或可編程控制器內(nèi)。不論刀具放入那個地址，均可跟蹤記憶；利用刀庫上裝刀位置檢測裝置，可測得每一地址。這樣刀具可以任意存取，無需編碼元件，這種刀具任選方式使換刀控制大為簡化。4.3上下位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.3.1組態(tài)軟件介紹本文選用昆企通態(tài)的MCGS通用組態(tài)軟件作為上位PC機(jī)軟件開發(fā)監(jiān)控平臺，實(shí)現(xiàn)車庫狀況的遠(yuǎn)程監(jiān)控，選用嵌入式組態(tài)編程軟件ew5000作為上位觸摸屏軟件開發(fā)人機(jī)操作界面，實(shí)現(xiàn)車庫狀況的現(xiàn)場調(diào)試。組態(tài)軟件一般有圖形界面系統(tǒng)、實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、第三方程序接口組件和控制功能組件。圖形界面系統(tǒng)用于生成現(xiàn)場過程圖形畫面；實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用于實(shí)時存儲現(xiàn)場控制點(diǎn)的參數(shù)；第三方接口組件用于組態(tài)軟件與其它應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)；控制功能組件用于生成監(jiān)控所需的控制策略。4.3.2通用MCGSPC機(jī)界面設(shè)計(jì)MCGS由北京昆企通態(tài)自動化軟件科技有限公司生產(chǎn)，基于Windows平臺，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，是國內(nèi)使用較多的一款通用組態(tài)軟件。每一部分分別進(jìn)行組態(tài)操作，可以完成不同的工作，且具有不同的特性。組態(tài)環(huán)境是生成應(yīng)用系統(tǒng)的工作環(huán)境，組態(tài)環(huán)境相當(dāng)于一套完整的工具軟件，用來幫助用戶設(shè)計(jì)和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。組態(tài)軟件組成部分如圖4.3所示。圖4.3MCGS通用組態(tài)五大組成部分在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，為了便于畫面的切換和變量的提取，必須對菜單進(jìn)行功能組態(tài)。主控窗口負(fù)責(zé)調(diào)度和管理這些窗口的打開或關(guān)閉。設(shè)備窗口通過設(shè)備構(gòu)件吧外部設(shè)備的數(shù)據(jù)采集進(jìn)來，送人實(shí)時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)輸出到外部設(shè)備。用戶窗口主要用于設(shè)置工程中人機(jī)交互的界面。MCGS用實(shí)時數(shù)據(jù)來管理所有的實(shí)時數(shù)據(jù)。動態(tài)監(jiān)控畫面是組態(tài)軟件使用的最終目的，用戶根據(jù)需要可以建立多個監(jiān)控畫面。4.3.3MCGS監(jiān)控系統(tǒng)與PLC通信在PLC程序上加入相應(yīng)內(nèi)部寄存器M(如MO.O)，在計(jì)算機(jī)顯示屏幕中很好地發(fā)揮更多監(jiān)控顯示功能，界面中加入了頻率監(jiān)控功能，以豐富上位機(jī)的監(jiān)控功能。對于數(shù)據(jù)采集模塊來說，其主要是負(fù)責(zé)根據(jù)相應(yīng)的格式分解自PLC讀取的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)輸入單元、數(shù)據(jù)處理及監(jiān)控和數(shù)據(jù)輸出單元。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖4.4所示。圖4.4數(shù)據(jù)采集流程圖4.3.4仿真調(diào)試過程及其結(jié)果程序的編寫和修改是在STEP-7Micro/WINSP9軟件中完成。STEP-7Micro/WINSP9軟件編程界面圖如圖4.5所示。圖4.5軟件編程界面圖由于仿真軟件不能直接接受西門子S7-200的程序代碼，必須用編程的“導(dǎo)出”功能將S7-200的用戶程序轉(zhuǎn)換為擴(kuò)展名為“awl”的ASCII文本文件，然后在下載到仿真軟件的PLC中。對CPU進(jìn)行選型后會出現(xiàn)CPU226的仿真主控界面圖如圖4.6所示。圖4.6CPU226仿真主控界面圖下載成功后，CPU226的仿真主控界面處于“stop”狀態(tài)，同時會出現(xiàn)下載的程序代碼文本框和梯形圖，本設(shè)計(jì)的梯形圖和導(dǎo)出的程序塊圖如圖4.7所示。圖4.7梯形圖與程序塊圖在完成組態(tài)畫面的繪制和命令語言的編寫后，可進(jìn)行組態(tài)畫面的演示。在演示之前，要對畫面進(jìn)行保存，單擊菜單欄“文件\存入”命令，在彈出的窗口中選中“基于PLC的自動換刀系統(tǒng)”，在點(diǎn)擊“確定”即可。當(dāng)點(diǎn)擊運(yùn)行加工中心自動換刀裝置仿真時，保存完成后，單擊“文件\切換到View”命令切換到運(yùn)行系統(tǒng)，在單擊菜單欄“打開”命令，在彈出的窗口中選中所創(chuàng)建的系統(tǒng)畫面即“基于PLC的自動換刀系統(tǒng)”，點(diǎn)擊“確定”即可進(jìn)入換刀系統(tǒng)的運(yùn)行界面。在此以初始狀態(tài)3號刀具置于機(jī)械手位置，選擇4號刀具為請求交換刀具為例，進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)畫面的演示。當(dāng)3號刀具置于機(jī)械手位置時，行程開關(guān)ST3動作即梯形圖中I1.2閉合，組態(tài)畫面上ST3所對應(yīng)的按鈕顏色由紅變?yōu)榫G。運(yùn)行系統(tǒng)組態(tài)畫面如圖4.8所示。圖4.8初始狀態(tài)的組態(tài)演示選擇4號刀具時，按下選擇按鈕SB4即梯形圖中I0.3閉合，根據(jù)PLC程序可知刀盤應(yīng)正向旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)最短距離送刀的控制要求，刀盤正向旋轉(zhuǎn)即驅(qū)動電機(jī)正轉(zhuǎn)。對應(yīng)的組態(tài)演示畫面中，SB4對應(yīng)的按鈕顏色由紅變綠，電機(jī)正轉(zhuǎn)對應(yīng)的指示燈顏色由紅變?yōu)榫G。組態(tài)畫面如圖4.9所示。圖4.9電機(jī)正轉(zhuǎn)組態(tài)畫面當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)將請求交換刀具送到機(jī)械手位置時，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，到位指示燈亮，機(jī)械手開始換刀，同時換刀指示燈閃爍。對應(yīng)的組態(tài)演示畫面中，電機(jī)正轉(zhuǎn)對應(yīng)指示燈由綠變紅，到位指示燈和換刀指示燈均由紅變綠。其組態(tài)畫面如圖4.10所示。圖4.10換刀組態(tài)畫面結(jié)論在PLC控制步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，利用PLC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將采集的信號通過預(yù)定的程序進(jìn)行控制。用西門子S7-200為核心控制器，用PLC內(nèi)的預(yù)置程序來控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行，刀位運(yùn)行過程中只需調(diào)用子程序模塊，用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制刀位的上下左右移動實(shí)現(xiàn)加工中心自動換刀的自動化，而且提高了控制系統(tǒng)的柔性和可靠性，進(jìn)而為維修和故障診斷提供多方面的可能性，這樣大大降低了程序的復(fù)雜程度，方便了程序的修改，有較高的推廣和實(shí)用價(jià)值。這次課題設(shè)計(jì)總計(jì)費(fèi)時之久，剛開始時不知從何下手，在老師的指導(dǎo)下到圖書館查閱相關(guān)資料。有關(guān)數(shù)控上的資料翻了數(shù)次，有參考了相關(guān)設(shè)計(jì)資料，終于知道了該怎么做。接下來塞選出一系列有價(jià)值的資料，與同組同學(xué)不斷的討論、向老師請教，終于完成了設(shè)計(jì)。當(dāng)然，在此過程中也有許多不足之處，例如：知識的不全面，所學(xué)的還沒有全部掌握，思維的狹隘等，讓我在畢業(yè)前上了生動形象的一課。通過這次設(shè)計(jì)了解刀庫結(jié)構(gòu)，這還不夠，要做進(jìn)一步研究，設(shè)計(jì)操作結(jié)構(gòu)簡單功能強(qiáng)大的刀庫是目前的發(fā)展方向，在以后工作中要繼續(xù)努力做更深入的研究。參考文獻(xiàn)[1]劉建南.淺談機(jī)械高效加工技術(shù)[J].中國高新技術(shù)企業(yè).2017(08)[2]李凌鵬.五軸數(shù)控機(jī)床技工復(fù)雜葉片刀具路徑軌跡及補(bǔ)償方法[J].世界有色金屬.2017(08)[3]王素粉.雙立柱數(shù)控鏜削鏟斗銷孔專用機(jī)床主軸模態(tài)分析[J].傳動技術(shù).2017(01)[4]魏華.數(shù)控技術(shù)中數(shù)控設(shè)備的選擇及程序管理[J].電子技術(shù)與軟件工程.2017(08)[5]汪新文.S7-300PLC控制加工中心刀庫隨機(jī)選刀方式研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床.2007(04)[6]陳芳，李繼中.盤式刀庫加工中心自動換刀系統(tǒng)控制[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2017(10)[7]倪春杰.PLC在加工中心刀庫轉(zhuǎn)位控制中的應(yīng)用[J].蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2013(03)[8]敖榮慶，周興科.PLC控制加工中心刀庫的選刀與CNC系統(tǒng)的通信研究[J].航空精密制造技術(shù).2012(04)[9]向金林.TH7130立式加工中心自動換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù).2016(03)[10]石鳳武.數(shù)控加工工藝及其夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新.2017(02)[11]紀(jì)銀德.加工中心換刀手臂位置的調(diào)整[J].機(jī)械工人.冷加工.2014(07)[12]高誠，石敏，鄧凌，程志.基于西門子數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床換刀安全設(shè)計(jì)[J].航空制造技術(shù).2009(24)[13]Mohamed-ChahirFitouhi，MustaphaNourelfath.Integratingnoncyclicalpreventivemaintenanceschedulingandproductionplanningforasinglemachine[J].InternationalJournalofProductionEconomics.2011(2)[14]Chin-TaiChen.Dynamicpreventivemaintenancestrategyforanaginganddeterioratingproductionsystem[J].ExpertSystemsWithApplications.2017(5)[15]AvijitJoarder，HareKrishna，DebasisKundu.InferencesonWeibullparameterswithconventionaltype-Icensoring[J].ComputationalStatisticsandDataAnalysis.2014(1)[16]NabilNahas，AbdelhakimKhatab，DaoudAit-Kadi，MustaphaNourelfath.Extendedgreatdelugealgorithmfortheimperfectpreventivemaintenanceoptimizationofmulti-statesystems[J].ReliabilityEngineeringandSystemSafety.2016(11)[17]AshutoshGupta，BhaswatiMukherjee，S.K.Upadhyay.Weibullextensionmodel:ABayesstudyusingMarkovchainMonteCarlosimulation[J].ReliabilityEngineeringandSystemSafety.2017(10)[18]X.W.Xu，S.T.Newman.MakingCNCmachinetoolsmoreopen，interoperableandintelligent—areviewofthetechnologies[J].ComputersinIndustry.2015(2)[19]D.N.PrabhakarMurthy，MichaelBulmer，JohnA.Eccleston.Weibullmodelselectionforreliabilitymodelling[J].ReliabilityEngineeringandSystemSafety.2014(3)[20]AlexanderGrigoriev，JorisvandeKlundert，F(xiàn)ritsC.R.Spieksma.Modelingandsolvingtheperiodicmaintenanceproblem[J].EuropeanJournalofOperationalResearch.2014(3)[21]DUZhengchun，ZHANGShujie，HONGMaisheng.Developmentofamulti-stepmeasuringmethodformotionaccuracyofNCmachinetoolsbasedoncrossgridencoder.InternationalJournalofMachineTools&Manufacture.2013[22]KuritaT，HattoriM.Developmentofnew-conceptdesktopsizemachinetool.InternationalJournalofMachineToolsandManufacture.2015[23]Qiu，H.，Li，Y.，Li，Y.AnewmethodanddeviceformotionaccuracymeasurementofNCmachinetools，partI:Principleandequipment.InternationalJournalofMachineToolsandManufacture.2011PAGEPAGE30第3章REF_Ref168484495\h錯誤！未找到引用源。附錄（一）指令表根據(jù)程序梯形圖可以寫出指令表語言，刀具選擇系統(tǒng)的指令表如下所示：LDI1.0MOVW+1，VW0LDI1.1MOVW+2，VW0LDI1.2MOVW+3，VW0LDI1.3MOVW+4，VW0LDI1.4MOVW+5，VW0LDI1.5MOVW+6，VW0LDI0.0ANM0.0SM0.0，1MOVW+1，VW10LDI0.1ANM0.0SM0.0，1MOVW+2，VW10LDI0.2ANM0.0S