基于PLC的加工中心刀庫(kù)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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中央廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文題目：基于 PLC 的加工中心刀庫(kù)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 年 級(jí) 13 秋 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 論文完成日期 2015 年 11 月 南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文，作業(yè)）課題審批表教學(xué)單位(蓋章) 江寧電大 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造 及其自動(dòng)化 學(xué)生類別 開(kāi)放本科課題名稱 基于 PLC 的加工中心刀庫(kù)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 填報(bào)時(shí)間 2015 年 9 月 1 日課題內(nèi)容簡(jiǎn)介通過(guò) PLC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)加工中心盤式刀庫(kù)控制，設(shè)計(jì)其電器控制系統(tǒng)。分析刀庫(kù)的自動(dòng)換刀的過(guò)程，使刀庫(kù)在加工中心上能配合換刀機(jī)械手的需要——能在 PLC 的控制下靈活的實(shí)現(xiàn)換刀過(guò)程每次換新刀只需輸入相應(yīng)換刀號(hào)信號(hào)即可。將 PLC 控制系統(tǒng)運(yùn)用到工作過(guò)程中，提高刀庫(kù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性和實(shí)時(shí)性。1.數(shù)控加工中心及 PLC 的概述包括加工中心的功用及其組成；PLC 的特點(diǎn)及其在機(jī)床中的應(yīng)用。2.刀庫(kù)自動(dòng)選刀系統(tǒng)包括刀庫(kù)類型，換刀方式，控制原理。3.選刀控制的 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括 PLC 型號(hào)的選擇分析、地址分配、接線；換刀總過(guò)程、控制要求、動(dòng)作要求和程序流程圖。4.程序梯形圖及編程軟件包括梯形圖，編程軟件的特點(diǎn)及運(yùn)行環(huán)境。5.結(jié)論本畢業(yè)設(shè)計(jì)是加工中心刀庫(kù)換刀控制的設(shè)計(jì)，通過(guò)其設(shè)計(jì)熟練的掌握了 PLC 的工作原理和使用方法。將所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)工作中，更加提高自己的專業(yè)技能。指導(dǎo)教師姓名 黃波 參加學(xué)生姓名 王剛指導(dǎo)教師意見(jiàn)選題基于 PLC 技術(shù)對(duì)原有的生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造，選題得當(dāng)，符合大綱要求，同意按照此課題審批表撰寫論文。簽名：黃波市校審核意見(jiàn) 審核部門蓋章： 年 月 日基于 PLC 的加工中心刀庫(kù)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（江寧電大 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè) 王剛 1332101250385）【內(nèi)容摘要】機(jī)床的發(fā)展與應(yīng)用,大大降低了零件加工的輔助時(shí)間,極大的提高了生產(chǎn)率。隨著數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用,機(jī)械加工的自動(dòng)化程度大大提高,數(shù)控機(jī)床發(fā)展成了當(dāng)今普遍應(yīng)用的一種更新、更先進(jìn)的制造設(shè)備即加工中心。加工中心帶有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置,能對(duì)工件按預(yù)定程序進(jìn)行多工序加工的高度自動(dòng)化的多功能的數(shù)字控制機(jī)床。本設(shè)計(jì)的題目是基于 PLC 加工中心刀庫(kù)換刀控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)分析刀庫(kù)的自動(dòng)換刀的過(guò)程，使刀庫(kù)在加工中心上能配合換刀機(jī)械手的需要——能在數(shù)控程序的控制下靈活的實(shí)現(xiàn)換刀過(guò)程每次換新刀只需輸入相應(yīng)換刀號(hào)信號(hào)即可。在分析控制要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出相應(yīng)控制程序?！娟P(guān)鍵詞】 加工中心；ATC 刀庫(kù)；PLC 自動(dòng)選刀目 錄引言---------------------------------------------------------------------------------1—、數(shù)控加工中心及 PLC 概述-----------------------------------------------3（一）加工中心的發(fā)展及其組成與功用-------------------------------------3（二）可編程控制技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用---------------------------------------5（三）課題的研究意義---------------------------------------------------------9二、機(jī)械手的自動(dòng)換刀裝置研究--------------------------------------------10（一）刀庫(kù)自動(dòng)選刀機(jī)械系統(tǒng)------------------------------------------------10（二）ATC 的作用及其組成--------------------------------------------------12（三）機(jī)械手---------------------------------------------------------------------14（四）夾抓類型-----------------------------------------------------------------14（五）刀柄-----------------------------------------------------------------------15（六）加工中心機(jī)械手自動(dòng)換刀過(guò)程---------------------------------------15三、PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)--------------------------------------------------------17（一）PLC 的基本結(jié)構(gòu)--------------------------------------------------------17（二）PLC 的程序結(jié)構(gòu)---------------------------------------------------------17（三）S7-200 系列 PLC-------------------------------------------------------18四、PLC 實(shí)現(xiàn)隨機(jī)換刀--------------------------------------------------------20（一）刀庫(kù)換刀定位控制-----------------------------------------------------20（二）PLC 硬件接線圖---------------------------------------------------------23（三）自動(dòng)換刀 PLC 流程圖---------------------------------------------------23（四）程序梯形圖--------------------------------------------------------------25（五）STEP 7-Micro/WIN-32 編程軟件-------------------------------------27五、結(jié)論--------------------------------------------------------------------------32致謝--------------------------------------------------------------------------------34參考文獻(xiàn)--------------------------------------------------------------------------35南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文1引 言進(jìn)入 21 世紀(jì)，我國(guó)機(jī)床制造業(yè)既面臨著提升機(jī)械制造業(yè)水平的需求而引發(fā)的良機(jī)，也遭遇到加入 WTO（世界貿(mào)易組織）后激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力。從技術(shù)層面上來(lái)講，加速推進(jìn)數(shù)控技術(shù)將是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。裝備制造業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度。當(dāng)今世界各國(guó)制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。此外，世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國(guó)家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來(lái)發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“ 高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對(duì)我國(guó)實(shí)行限制政策。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù)是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的一門新型的發(fā)展十分迅速的高技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成機(jī)電一體化產(chǎn)品。其及技術(shù)范圍所覆蓋的范圍有，機(jī)械制造技術(shù)，微電子技術(shù)，信息處理，加工，傳輸技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，檢測(cè)監(jiān)控技術(shù)，傳感技術(shù)，軟件技術(shù)等。在提高生產(chǎn)率，減低成本 保證加工質(zhì)量及改善工人勞動(dòng)強(qiáng)度等方面，都有突出的優(yōu)點(diǎn)，特別是在適應(yīng)機(jī)械產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代，小批量，多品種生產(chǎn)方面，各類數(shù)控裝備是實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)的關(guān)鍵。數(shù)控加工中心是目前世界上產(chǎn)量最高、應(yīng)用最廣泛的數(shù)控機(jī)床之一。它的綜合加工能力較強(qiáng)，工件一次裝夾后能完成較多的加工內(nèi)容，加工精度較高，就中等加工難度的批量工件，其效率是普通設(shè)備的 5～10 倍，特別是它能完成許多普通設(shè)備不能完成的加工，對(duì)形狀較復(fù)雜，精度要求高的單件加工或中小批量多品種生產(chǎn)更為適用。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的加工中心在現(xiàn)代制造起著愈來(lái)愈重要的作用，他能縮短產(chǎn)品的制造周期，提高產(chǎn)品的加工精度，適合柔性加工。自動(dòng)換刀系統(tǒng)一般由刀庫(kù)，機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置組成。刀庫(kù)容量可大可小，其裝刀數(shù)在 20—180 把之間。刀庫(kù)的功能是存儲(chǔ)刀具并把下一把即將要用的刀具準(zhǔn)確地送到換到位置，供換刀機(jī)械手完成新舊刀具的交換。當(dāng)?shù)稁?kù)容量大時(shí)，常遠(yuǎn)離主抽配置且整體移動(dòng)不易，這就需要在主軸和刀庫(kù)之間配置換刀機(jī)構(gòu)來(lái)執(zhí)行換刀動(dòng)作。完成此功能的機(jī)構(gòu)包括送刀臂、擺刀站南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文2和換刀臂、總稱為機(jī)械手。具體來(lái)說(shuō)，它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫(kù)之間的傳遞。驅(qū)動(dòng)裝置則是使刀庫(kù)和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其功能的裝置，一般由步進(jìn)電機(jī)或液壓（或氣壓機(jī)構(gòu)）或凸輪機(jī)構(gòu)組成。機(jī)械手完成刀庫(kù)里的刀（新刀）與主軸上的刀（舊刀）的交換工作。由于數(shù)控加工中心的刀庫(kù)容量、換刀可靠性及換刀速度直接影響到加工中心的效率，而自動(dòng)換刀就是進(jìn)一步壓縮非切削時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件。所以數(shù)控機(jī)床為了能在工件一次裝夾中完成多道加工工序，縮短輔助時(shí)間，減少多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動(dòng)換刀裝置。南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文3一、數(shù)控加工中心及 PLC 概述（一）加工中心的發(fā)展及其組成與功用1．加工中心的發(fā)展第一臺(tái)加工中心是 1958 年由美國(guó)卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在數(shù)控臥式鏜銑床的基礎(chǔ)上增加了自動(dòng)換刀裝置，從而實(shí)現(xiàn)了工件一次裝夾后即可進(jìn)行銑削、鉆削、鏜削、鉸削和攻絲等多種工序的集中加工。加工中心是目前世界上產(chǎn)量最高，應(yīng)用最廣泛的數(shù)控機(jī)床之一，他是適應(yīng)省力，省時(shí)和節(jié)能的時(shí)代要求而迅速發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)換刀機(jī)床，是綜合了機(jī)械技術(shù)，電子技術(shù)等等的高技術(shù)產(chǎn)品。加工中心綜合能力較強(qiáng)，工件經(jīng)一次裝夾后能完成較多的加工內(nèi)容其效率是普通機(jī)床的五到十倍特別是它能完成許多普通設(shè)備不能完成的加工，對(duì)新裝復(fù)雜的，精度要求高的單件產(chǎn)品或小批量多品種生產(chǎn)更適用。加工中心不僅提高了共建的加工質(zhì)量，而且是數(shù)控機(jī)床中生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度最高的綜合性機(jī)床。加工中心(Machining Center)簡(jiǎn)稱 MC，是由機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成的使用于加工復(fù)雜形狀工件的高效率自動(dòng)化機(jī)床。加工中心又叫電腦鑼。加工中心備有刀庫(kù)，具有自動(dòng)換刀功能，對(duì)工件一次裝夾后進(jìn)行多工序加工的數(shù)控機(jī)床。加工中心是高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，工件裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序自動(dòng)選擇、更換刀具，自動(dòng)對(duì)刀、自動(dòng)改變主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等，可連續(xù)完成鉆、鏜、銑、鉸、攻絲等多種工序。因而大大減少了工件裝夾時(shí)間，測(cè)量和機(jī)床調(diào)整等輔助工序時(shí)間，對(duì)加工形狀比較復(fù)雜，精度要求較高，品種更換頻繁的零件具有良好的經(jīng)濟(jì)效果。加工中心最初是從數(shù)控銑床發(fā)展而來(lái)的。與數(shù)控銑床相同的是，加工中心同樣是由計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC) 、伺服系統(tǒng)、機(jī)械本體、液壓系統(tǒng)等各部分組成。但加工中心又不等同于數(shù)控銑床，加工中心與數(shù)控銑床的最大區(qū)別在于加工中心具有自動(dòng)交換刀具的功能，通過(guò)在刀庫(kù)安裝不同用途的刀具，可在一次裝夾中通過(guò)自動(dòng)換刀裝置改變主軸上的加工刀具，實(shí)現(xiàn)鉆、鏜、鉸、攻螺紋、切槽等多種加工功能。2．加工中心的結(jié)構(gòu)組成及工作過(guò)程南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文4本例數(shù)控加工中心機(jī)床有輸入、輸出裝置、可編程控制器、伺服系統(tǒng)、檢測(cè)反饋裝置和機(jī)床主機(jī)等組成。如下圖 1-1 所示。圖 1-1 數(shù)控機(jī)床組成機(jī)構(gòu)圖輸入裝置可將不同加工信息傳遞給計(jì)計(jì)算機(jī)。在數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生的初期，輸入裝置為穿孔紙帶，現(xiàn)已趨于淘汰；目前，使用鍵盤、磁盤等，大大方便了信息輸入工作。輸出指輸出內(nèi)部工作參數(shù)（含機(jī)床正常、理想工作狀態(tài)下的原始參數(shù)，故障診斷參數(shù)等） ，一般在機(jī)床剛工作狀態(tài)需輸出這些參數(shù)做記錄保存，帶工作一段時(shí)間后，再將輸出與原始資料做比較、對(duì)照，可幫助判斷機(jī)床工作是否維持正常。數(shù)控裝置只數(shù)控機(jī)床的核心與主導(dǎo)，完成所有加工數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算工作，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床個(gè)功能的指揮工作。它包含為計(jì)算機(jī)的電路，各種借口電路、CRT 顯示器等硬件及相應(yīng)軟件。可編程控制器對(duì)主軸單元實(shí)現(xiàn)控制，將程序中的轉(zhuǎn)速指令進(jìn)行處理而控制主軸轉(zhuǎn)速；管理刀庫(kù)，進(jìn)行自動(dòng)刀具交換、選刀方式、刀具累計(jì)使用次數(shù)、刀具剩余壽命及道具刃磨次數(shù)等管理；控制主軸正反轉(zhuǎn)和停止、準(zhǔn)停、切削液開(kāi)關(guān)、卡盤夾緊松開(kāi)、機(jī)械手取送刀等動(dòng)作；還對(duì)機(jī)床外部開(kāi)關(guān)（行程開(kāi)關(guān)、壓力開(kāi)關(guān)、溫控開(kāi)關(guān)等）進(jìn)行控制；對(duì)輸出信號(hào)（刀庫(kù)、機(jī)械手、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等）進(jìn)行控制。檢測(cè)反饋裝置由檢測(cè)元件和相應(yīng)的電路組成，主要是檢測(cè)速度和位移，并將信息反饋與數(shù)控裝置，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制以保證數(shù)控機(jī)床加工精度。數(shù)控機(jī)床的工作過(guò)程如下圖 1-2 所示。南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文5圖 1-2 數(shù)控機(jī)床的工作過(guò)程（二）可編程控制技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用1. 可編程控制技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用可編程控制器，簡(jiǎn)稱 PLC（Programmable logic controller） ，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在 1987 年國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrical Committee）頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì) PLC 做了如下定義：“PLC 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)字操作的電子裝置”。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原理而設(shè)計(jì)。PLC 之所以高速發(fā)展除了工業(yè)自動(dòng)化的客觀需求外，還有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。它較好的解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中的可靠、安全、靈活、方便經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題。其特點(diǎn)如下：(1) 編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)梯形圖是使用最多的 PLC 的編程語(yǔ)言，其電路符號(hào)和表達(dá)式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語(yǔ)言形象直觀，易學(xué)易懂，熟悉繼電器電路圖的電器技術(shù)人員只要花幾天時(shí)間就能可以熟悉梯形圖語(yǔ)言，并用來(lái)編制用戶語(yǔ)言。(2) 性能強(qiáng)，性能價(jià)格比高一臺(tái)小型 PLC 內(nèi)有成百上千個(gè)可供用戶使用的編程元件，有很強(qiáng)的功能，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。與相同功能的繼電器控制系統(tǒng)相比，具有很高的性能價(jià)格比，PLC 可以通過(guò)通信聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)分散控制，集中管理。(3) 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)PLC 產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化、配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶使用用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同的功能、不同規(guī)模的系南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文6統(tǒng)。PLC 的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC 有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可以直接驅(qū)動(dòng)一般的電磁閥和小型交流接觸器。硬件配置確定后，可以通過(guò)修改用戶程序，方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。(4）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的中間繼電器，時(shí)間繼電器。由于觸電接觸不良，容易出現(xiàn)故障。PLC 用軟件代替大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，PLC 外部?jī)H剩下與輸入和輸出的有關(guān)的少量硬件元件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的 1/10~1/100，因觸電接觸不良造成的故障大為減少。PLC 采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可以直接用于有強(qiáng)烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，PLC 已被廣大用戶公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。(5) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小PLC 用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等期間，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。PLC 的梯形圖程序一般用順序控制設(shè)計(jì)法來(lái)設(shè)計(jì)。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)梯形圖的時(shí)間比設(shè)計(jì)相同功能的繼電器控制系統(tǒng)電路圖的時(shí)間要少很多。PLC 的用戶程序可以在實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，輸入信號(hào)用小開(kāi)關(guān)來(lái)模擬，通過(guò) PLC 上的發(fā)光二極管可觀察出信號(hào)的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)調(diào)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題一般通過(guò)修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間比繼電器系統(tǒng)少很多。(6) 維修工作量小，維修方便PLC 的故障率很低，且有完善的自診斷和顯示功能。PLC 或外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，可以根據(jù) PLC 上的發(fā)光二極管或編程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更換模式的方法可以迅速的排除故障。(7) 體積小，能耗低南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文7復(fù)雜的控制系統(tǒng)使用 PLC 后，可以減少大量的中間繼電器盒時(shí)間繼電器，小型 PLC 的體積僅相當(dāng)于幾個(gè)繼電器的大小，因此可將開(kāi)關(guān)柜的體積縮小到原來(lái)的 1/2~1/10。PLC 的配線比繼電器控制系統(tǒng)的的配線少很多，股可以節(jié)省大量的配線和附件，減少大量的安裝接線工時(shí)，加上開(kāi)關(guān)柜體積的縮小，可以節(jié)省大量的費(fèi)用。2.PLC 在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用（1）PLC 在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用形式PLC 在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用，通常有兩種形式：一種稱為內(nèi)裝式；一種稱為獨(dú)立式。內(nèi)裝式 PLC 也稱集成式 PLC，采用這種方式的數(shù)控系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)之初就將 NC 和 PLC 結(jié)合起來(lái)考慮， NC 和 PLC 之間的信號(hào)傳遞是在內(nèi)部總線的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因而有較高的較高交換速度和較寬的信息通道。它們可以共用一個(gè) CPU 也可以是單獨(dú)的 CPU 這種結(jié)構(gòu)從軟硬件整體上考慮, PLC 和 NC 之間沒(méi)有多余的導(dǎo)線連接, 增加了系統(tǒng)的可靠性, 而且 NC 和 PLC 之間易實(shí)現(xiàn)許多高級(jí)功能。PLC 中的信息也能通過(guò) CNC 的顯示器顯示, 這種方式對(duì)于系統(tǒng)的使用具有較大的優(yōu)勢(shì)。高檔次的數(shù)控系統(tǒng)一般都采用這種形式的 PLC。獨(dú)立式 PLC 也稱外裝式 PLC，它獨(dú)立于 NC 裝置，具有獨(dú)立完成控制功能的 PLC。在采用這種應(yīng)用方式式，可根據(jù)用戶自己的的特點(diǎn)，選用不同專業(yè)PLC 廠商的產(chǎn)品，并且可以更為方便的對(duì)控制規(guī)模進(jìn)行調(diào)整。（2）PLC 與數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機(jī)床間的信息交換相對(duì)于 PLC，機(jī)床和 NC 就是外部。PLC 與機(jī)床以及 NC 之間的信息交換，對(duì)于 PLC 的功能發(fā)揮，是非常重要的。PLC 與外部的信息交換，通常有四個(gè)部分：①機(jī)床側(cè)至 PLC：機(jī)床側(cè)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)通過(guò) I/O 單元接口輸入到 PLC 中，除極少數(shù)信號(hào)外，絕大多數(shù)信號(hào)的含義及所配置的輸入地址，均可由 PLC 程序編制者或者是程序使用者自行定義。數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家可以方便的根據(jù)機(jī)床的功能和配置，對(duì) PLC 程序和地址分配進(jìn)行修改。②PLC 至機(jī)床： PLC 的控制信號(hào)通過(guò) PLC 的輸出接口送到機(jī)床側(cè)，所有輸出信號(hào)的含義和輸出地址也是由 PLC 程序編制者或者是使用者自行定義。南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文8③NC 至 PLC：CNC 至 PLC:CNC 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 的信號(hào)含義和地址（開(kāi)關(guān)量地址或寄存器地址） 均由 CNC 廠家確定 ,PLC 編程者只可使用不可改變和增刪。如數(shù)控指令的 M、S 、T 功能,通過(guò) CNC 譯碼后直接送入 PLC 相應(yīng)的寄存器中。④ PLC 至 CNC : PLC 送至 CNC 的信息也由開(kāi)關(guān)量信號(hào)或寄存器完成,所有 PLC 送至 CNC 的信號(hào)地址與含義由 CNC 廠家確定,PLC 編程者只可使用,不可改變和增刪。（3）PLC 與數(shù)控機(jī)床外圍電路的關(guān)系如前所述，PLC 在數(shù)控機(jī)床中用來(lái)控制機(jī)床的強(qiáng)電回路（通過(guò)一些電器元件） 。為了更好了解數(shù)控機(jī)床的 PLC 的控制功能，就有必要對(duì) PLC 和外圍電路的關(guān)系進(jìn)行分析。數(shù)控機(jī)床通過(guò) PLC 對(duì)機(jī)床的輔助設(shè)備進(jìn)行控制，PLC 對(duì)對(duì)外圍電路的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輔助設(shè)備的控制的。PLC 接受 NC 的控制信號(hào)以及外部反饋信號(hào)，經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算、處理將結(jié)果以信號(hào)的形式輸出。輸出信號(hào)從 PLC 的輸出模塊輸出，有些信號(hào)經(jīng)過(guò)中間繼電器控制接觸器然后控制具體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍輔助機(jī)構(gòu)的控制。有些信號(hào)不需要通過(guò)中間環(huán)節(jié)的處理直接用于控制外部設(shè)施，比如說(shuō)，有些直接用低壓電源驅(qū)動(dòng)的設(shè)備（如：面板上的指示燈） 。也就是說(shuō)每一個(gè)外部設(shè)備（使用 PLC 控制的）都是由 PLC 的一路控制信號(hào)來(lái)控制的，也就是說(shuō)每一個(gè)外部設(shè)備（使用 PLC 控制的）都在 PLC 中和一個(gè) PLC 輸出地址相對(duì)應(yīng)。PLC 對(duì)外圍設(shè)備的控制，不僅僅是要輸出信號(hào)控制設(shè)備、設(shè)施的動(dòng)作，還要接受外部反饋信號(hào)，以監(jiān)控這些設(shè)備設(shè)施的狀態(tài)。在數(shù)控機(jī)床中用于檢測(cè)機(jī)床狀態(tài)的設(shè)備或元件主要有，溫度傳感器、震動(dòng)傳感器、行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)等等。這些檢測(cè)信號(hào)有些是可以直接輸入到 PLC 的端口，有些必須要經(jīng)過(guò)一些中間環(huán)節(jié)才能夠輸入到 PLC 的輸入端口。無(wú)論是輸入還是輸出，PLC 都必須要通過(guò)外圍電路才能夠控制機(jī)床的輔助設(shè)施的動(dòng)作。在 PLC 和外圍電路的關(guān)系中，最重要的一點(diǎn)就是外部信號(hào)和 PLC內(nèi)部信號(hào)處理的對(duì)應(yīng)。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系就是前面所說(shuō)的地址分配，就是將每一個(gè)PLC 中地址和外圍電路每一路信號(hào)相對(duì)應(yīng)。這個(gè)工作是在機(jī)床生產(chǎn)過(guò)程中，編南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文9制和該機(jī)床相對(duì)應(yīng)的 PLC 程序時(shí)，由 PLC 程序編制工程師定義。當(dāng)然做這樣的定義必須遵循必要的規(guī)則，以使 PLC 程序符合系統(tǒng)的要求。（三）課題的研究意義自動(dòng)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。刀庫(kù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式及刀具交換裝置的工作方式，則會(huì)影響機(jī)床的換刀效率。自動(dòng)換刀系統(tǒng)本省及相關(guān)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度又會(huì)對(duì)機(jī)床的成本造價(jià)產(chǎn)生直接影響。本文對(duì)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置進(jìn)行研究，不僅提升數(shù)控機(jī)床的工作效率，而且通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)的研究，使得在可行的范圍內(nèi)降低整機(jī)的成為可能，對(duì)實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文10二、機(jī)械手的自動(dòng)換刀裝置研究加工中心要完成對(duì)工件的多工序加工，必須要在加工過(guò)程中自動(dòng)更換刀具，為完成這項(xiàng)工作而設(shè)置的儲(chǔ)存及更換刀具的系統(tǒng)統(tǒng)稱為自動(dòng)換刀系統(tǒng)。自動(dòng)換刀系統(tǒng)中的刀庫(kù)，換刀的可靠性，即換刀速度直接影響到加工中心的工作效率。利用刀庫(kù)換刀，是目前加工中心中大量使用的換刀方式。由于有了刀庫(kù)，機(jī)床只要一個(gè)固定主軸夾持刀具，有利于提高主軸剛度。獨(dú)立的刀庫(kù)大大增加了刀具的儲(chǔ)存數(shù)量，有利于擴(kuò)大機(jī)床的功能，并能較好地減少各種影響加工精度的干擾。（一）刀庫(kù)自動(dòng)選刀機(jī)械系統(tǒng)刀庫(kù)自動(dòng)選刀機(jī)械系統(tǒng)主要是將加工所需刀具，從刀庫(kù)中傳送到主軸夾持機(jī)構(gòu)上,基本要求： 換刀時(shí)間短，刀具重復(fù)定位精度高，足夠的刀具儲(chǔ)存量， 刀庫(kù)占地面積小( 結(jié)構(gòu)緊湊)， 安全可靠。刀庫(kù)系統(tǒng)是提供自動(dòng)化加工過(guò)程中所需之儲(chǔ)刀及換刀需求的一種裝置；其自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)及可以儲(chǔ)放多把刀具的刀庫(kù)。由,腦程式的控制，可以完成各種不同的加工需求，如銑削、鉆孔、搪孔、攻牙等。大幅縮短加工時(shí)程，降低生產(chǎn)成本。刀庫(kù)主要是提供儲(chǔ)刀位置，并能依程式的控制，正確選擇刀具加以定位，以進(jìn)行刀具交換；換刀機(jī)構(gòu)則是執(zhí)行刀具交換的動(dòng)作。刀庫(kù)必須與換刀機(jī)構(gòu)同時(shí)存在，若無(wú)刀庫(kù)則加工所需刀具無(wú)法事先儲(chǔ)備；若無(wú)換刀機(jī)構(gòu)，則加工所需刀具無(wú)法自刀庫(kù)依序更換，而失去降低非切削時(shí)間的目的，刀庫(kù)自動(dòng)換刀示意圖如圖 2-1 所示。南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文11圖 2-1 刀庫(kù)自動(dòng)換刀1、盤式刀庫(kù)在盤式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)中，刀具可以沿主軸徑向、軸向、斜向安放，如圖 2-2（a） 、（b） 、 （c） 。刀具軸向安裝的結(jié)構(gòu)最為緊湊，但為了換刀時(shí)刀具與主軸同向，有的刀庫(kù)中的刀具需要在換刀位置作 翻轉(zhuǎn)。在刀庫(kù)容量較大時(shí)，為在存取方?90便的同時(shí)保持結(jié)構(gòu)緊湊，可采取彈倉(cāng)式結(jié)構(gòu)，但是較其他形式復(fù)雜。目前大量的刀庫(kù)安裝在機(jī)床立柱的頂面或側(cè)面。在刀庫(kù)容量較大時(shí)，也有安裝在單獨(dú)的地基上的，以隔離刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)造成的振動(dòng)。盤式刀庫(kù)的刀具軸線也圓盤軸線平行，刀具環(huán)形排列，分徑向、軸向兩種取刀方式，其刀座結(jié)構(gòu)不同。這種盤式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多，適用于刀庫(kù)容量較小的情況。為增加刀庫(kù)空間利用率，可采用雙環(huán)或多環(huán)排列刀具的形式，但圓盤直徑增大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就增加，選刀時(shí)間也較長(zhǎng)。（a） （b） （c）圖 2-2 盤式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)其他的刀庫(kù)形式還有很多，由于篇幅的限制這里就不再詳細(xì)介紹了。結(jié)合的實(shí)際情況，在本設(shè)計(jì)中采用盤式刀庫(kù)這種結(jié)構(gòu)。2、換刀機(jī)械手介紹南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文12采用機(jī)械手進(jìn)行刀具交換的方式應(yīng)用的最為廣泛，這是因?yàn)闄C(jī)械手換刀有很大的靈活性，而且可以減少換刀時(shí)間。加工中心換刀機(jī)械手的種類繁多，可以說(shuō)每個(gè)廠家都推出自己的獨(dú)特的換刀機(jī)械手，在加工中心的自動(dòng)換刀系統(tǒng)中，是機(jī)械手具體執(zhí)行刀具的自動(dòng)更換，對(duì)其要求是迅速可靠、準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。由于加工中心機(jī)床的刀庫(kù)和主軸，其相對(duì)位置距離不同，相應(yīng)的換刀機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過(guò)程也不盡相同，它們由各種形式的機(jī)械手來(lái)完成。（1）雙臂端面夾緊式機(jī)械手雙臂斷面夾緊機(jī)械手在夾緊部位上是夾緊刀柄的兩個(gè)端面，如圖 2-3 所示。圖 2-3 雙臂端面夾緊式機(jī)械手由于雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的動(dòng)作比較簡(jiǎn)單，而且能夠同時(shí)抓取和裝卸機(jī)床主軸和刀庫(kù)上的刀具，換刀時(shí)間較短，故我們選用雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手。（二）ATC 的作用及其組成1、 ATC 的作用加工中心與一般數(shù)控機(jī)床的顯著區(qū)別是具有對(duì)零件進(jìn)行多工序加工的能力，即能在一次裝夾中自動(dòng)完成銑、鏜、擴(kuò)、攻螺紋和內(nèi)槽加工等，其之所以有這種加工能力就是因?yàn)樗幸惶鬃詣?dòng)換刀裝置。自動(dòng)換刀裝置是指能夠自動(dòng)完成主軸與刀具儲(chǔ)存位置之間刀具交換的裝置。ATC 的主要組成部分是刀庫(kù)、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置。刀庫(kù)的功能是存儲(chǔ)刀具并把南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文13下一把即將要用的刀具準(zhǔn)確地送到換刀位置。供換刀機(jī)械手完成新舊刀具的交換。當(dāng)?shù)稁?kù)容量大時(shí)，常遠(yuǎn)離主軸配置且整體移動(dòng)不易，這就需要在主軸和刀庫(kù)之間配置換刀機(jī)構(gòu)來(lái)執(zhí)行換刀動(dòng)作。 完成此功能的機(jī)構(gòu)包括送刀臂、擺刀站、和換刀臂，總稱為機(jī)械手。具體來(lái)說(shuō)，它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫(kù)之間的傳遞。驅(qū)動(dòng)裝置則是使刀庫(kù)和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其功能的裝置，一般由步進(jìn)電機(jī)或液壓（或氣液機(jī)構(gòu)）或凸輪機(jī)構(gòu)組成。2、 ATC 的組成（1）刀庫(kù)① 刀庫(kù)的功能刀庫(kù)的作用是儲(chǔ)備一定數(shù)量的刀具，機(jī)械手實(shí)現(xiàn)主軸上刀具的互換。刀具的類型有盤式刀庫(kù)、鏈?zhǔn)降稁?kù)等多種形式，刀庫(kù)的形式和容量要根據(jù)機(jī)床的工藝范圍來(lái)確定。②刀庫(kù)的容量刀庫(kù)的容量首先要考慮加工工藝的需要，從使用角度出發(fā)，一般為 10~40把刀，刀庫(kù)的利用率會(huì)高，而結(jié)構(gòu)比較緊湊。③ 刀具的選擇方式A、順序選擇 將刀具按加工工序的順序，一次放人刀庫(kù)的每一個(gè)刀座內(nèi)。每次換刀時(shí)，刀庫(kù)順序轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)刀座位置，并取出所需要的刀具，已經(jīng)使用過(guò)的刀具可以放回原來(lái)的刀座內(nèi)，也可以順序放入下一個(gè)刀座內(nèi)。但由于刀庫(kù)中刀具在不同的工序中不能重復(fù)使用，必須增加刀庫(kù)的容量，降低了利用率。B、任意選擇 目前大多數(shù)的數(shù)控系統(tǒng)都采用任意選刀的方式，其分為刀套編碼、刀具編碼和記憶式等三種。刀具編碼或到套編碼需要在刀具或到套上安裝用于識(shí)別的編碼條，一般都是根據(jù)二進(jìn)制編碼的原理進(jìn)行編碼。刀具編碼選刀方式采用了一種特殊的刀柄結(jié)構(gòu)，并對(duì)每把刀具編碼。每把刀具都有自己的代碼，因而刀具可在不同的工序中多次重復(fù)使用，換下的刀具不用放回原刀座，刀庫(kù)的容量也可相應(yīng)減少。采用記憶式選刀，這種方式能將道具號(hào)和倒庫(kù)中的刀套位置對(duì)應(yīng)地記憶在數(shù)控系統(tǒng)的 PLC 中，無(wú)論刀具放在哪個(gè)刀套內(nèi)，刀具信息都始終據(jù)存在 PLC 內(nèi)。刀庫(kù)上裝有位置檢測(cè)裝置，可獲得每個(gè)刀套的位南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文14置。這樣刀具就可以任意取出并送回。刀庫(kù)上還沒(méi)有機(jī)械遠(yuǎn)點(diǎn)，使每次選刀時(shí)就近選取。④刀庫(kù)的控制方式A、刀庫(kù)作為系統(tǒng)的定位軸來(lái)控制。在梯形圖中根據(jù)指令的 T 瑪進(jìn)行運(yùn)算比較厚輸出角度和速度指令到考庫(kù)伺服驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)伺服電機(jī)。刀庫(kù)的容量、旋轉(zhuǎn)速度、加/減速時(shí)間等均可在系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)定，此種方式不受外界因素影響定位準(zhǔn)確、可靠但成本較高。B、刀庫(kù)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，有快/慢速之分，用接近開(kāi)關(guān)計(jì)數(shù)并定位。在梯形圖中比較系統(tǒng)存儲(chǔ)的當(dāng)前刀號(hào)（主軸上的刀）和目標(biāo)刀號(hào)（預(yù)選刀）并運(yùn)算，再輸出旋轉(zhuǎn)指令，同時(shí)判斷按最短路徑旋轉(zhuǎn)到位。這種方式需要足夠的液壓動(dòng)力和電磁閥刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)速度可通過(guò)節(jié)流閥調(diào)整。但使用一段時(shí)間后可能胡因?yàn)橛唾|(zhì)、油壓、油溫及環(huán)境因素的變化而影響運(yùn)動(dòng)速度和準(zhǔn)確性。一般用于不需頻繁換刀的大中型機(jī)床。C、刀庫(kù)由交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)（馬氏）機(jī)構(gòu)，用接近開(kāi)關(guān)計(jì)數(shù)，這種方式運(yùn)行穩(wěn)定，定位準(zhǔn)確可靠，一般與凸輪機(jī)械手配合使用，換刀速度快，定位準(zhǔn)確。（三）機(jī)械手1. 機(jī)械手的功能機(jī)械手是執(zhí)行刀庫(kù)和主軸之間換刀動(dòng)作的裝置。2. 機(jī)械手的機(jī)械動(dòng)作機(jī)械動(dòng)作一般包含：拐臂旋轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂 180 度旋轉(zhuǎn)、抓手的松緊。3. 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)與控制方式:（1）機(jī)械手用液壓驅(qū)動(dòng)，靠接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)位置。如收的平移/爪刀/ 換刀/插刀等動(dòng)作分別有不同的電磁閥驅(qū)動(dòng)；但這種方式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較多，且收液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性檢測(cè)元件靈敏度等外界因素的影響。常用于不需頻繁換刀的大型臥式加工中心。（2）機(jī)械手由交流異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，整個(gè)換刀過(guò)程機(jī)械手僅在主軸送/拉到是啟動(dòng)/停止 3 次，整個(gè)換刀動(dòng)作連貫穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，換刀時(shí)間南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文15一般在 2s 左右。但對(duì)主軸拉松刀及爪刀位置的準(zhǔn)確性要求較高，常用于需頻繁換刀的中小型加工中心。（3）機(jī)械手由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定位精度高，換刀快速穩(wěn)定，但成本較高。（四）夾抓類型根據(jù)爪刀柄在換刀機(jī)構(gòu)刀臂上的夾持方式可分為固定爪、活動(dòng)爪、單夾爪、雙夾爪、彈簧爪、動(dòng)力爪等類。固定爪是指刀臂夾持部能吻合刀柄 V 形槽的半圓形部分，半圓形夾持部的一端或兩端有彈簧扣，即所謂單夾爪、雙夾爪：由兩個(gè)可張開(kāi)的夾指所組成即活動(dòng)爪，其夾緊力由彈簧產(chǎn)生的即彈簧爪，通常以直徑方式抓刀松刀；由液壓缸等動(dòng)力議案控制其張合的為動(dòng)力爪。（五） 刀柄自動(dòng)換刀裝置的工作質(zhì)量表現(xiàn)為換到時(shí)間和故障率，刀柄的選擇直接影響到機(jī)床的開(kāi)動(dòng)率和設(shè)備的投資大小，因此對(duì)刀柄的選擇十分重要。采用標(biāo)準(zhǔn)刀柄，標(biāo)準(zhǔn)刀柄與機(jī)床主軸連接的結(jié)合面試 7:24 錐面。刀面有多種規(guī)格，常用的有 ISO 標(biāo)準(zhǔn)的 40 號(hào)、45 號(hào)、50 號(hào)，個(gè)別的還有 35 號(hào)和 30 號(hào)。另外還必須考慮換刀機(jī)械手尺寸的要求和主軸上拉緊刀柄的拉釘尺寸要求。目前國(guó)內(nèi)機(jī)床上使用的刀柄規(guī)格很多，而且使用標(biāo)準(zhǔn)有美國(guó)的、德國(guó)的、日本的。因此，在選定機(jī)床后，選擇刀柄之前必須了解該機(jī)床主軸用的規(guī)格，機(jī)械手夾持尺寸及刀柄的實(shí)際尺寸。（六）加工中心機(jī)械手自動(dòng)換刀過(guò)程機(jī)械手將刀具從刀庫(kù)中取出送至機(jī)床主軸上，然后將用過(guò)的舊刀送回刀庫(kù)。其動(dòng)作過(guò)程簡(jiǎn)述如下（結(jié)合如下?lián)Q刀過(guò)程示意圖 2-4）：1、刀套下轉(zhuǎn) 90°如下圖 a 所示刀庫(kù)位于立柱左側(cè)，刀具軸線在刀庫(kù)中的安裝方向與主軸垂直。換刀前，刀庫(kù)將待換刀具送到換刀位置，然后刀套連同刀具翻轉(zhuǎn) 90°，使刀具軸線與主軸軸線平行，如圖 b 所示。2、機(jī)械手轉(zhuǎn) 75°如圖 c 所示，換刀機(jī)械手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 75°，兩手爪分別抓住刀庫(kù)上和主軸上的刀柄。3、機(jī)械手拔刀南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文16待主軸上自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)松開(kāi)刀具后，機(jī)械手下降，同時(shí)拔出主軸上和刀庫(kù)上的刀具，如圖 d 所示。4、刀具位置交換如圖 e 所示，機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn) 180°，使主軸刀具與刀庫(kù)刀具交換位置。5、機(jī)械手插刀機(jī)械手上升，分別將刀具插入主軸錐孔和刀庫(kù)刀套中,如圖 f 所示。6、機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn) 75°如圖 g 所示,待主軸上自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)夾緊刀具后，機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn) 75°，回到原始位置。7、刀套帶著換回的舊刀具向上翻轉(zhuǎn) 90°，準(zhǔn)備下一次選刀,如圖 h 所示。圖 2-4 換刀過(guò)程示意圖南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文17三、PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）PLC 的基本結(jié)構(gòu)1. CPU 模塊CPU 模塊主要由微處理器（CPU 芯片）和存儲(chǔ)器組成。在 PLC 控制系統(tǒng)中，CPU 模塊相當(dāng)于人的心臟和大腦，它不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲(chǔ)器用來(lái)儲(chǔ)存程序和數(shù)據(jù)。2. I/O 模塊輸入模塊和輸出模塊簡(jiǎn)稱為 I/O 模塊，它們相當(dāng)于人的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和 CPU 模塊的橋梁。3. 編程器編程器用來(lái)生成用戶程序，并用它來(lái)編輯、檢查、修改用戶程序，監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行情況。手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編輯指令表程序，因此又叫做指令編輯器。它的體積小，價(jià)格便宜，一般用來(lái)給小型 PLC 編程，或用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)。4. 電源PLC 使用 AC 220V 電源或 DC 24V 電源。內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電源為各模塊提供不同電壓等級(jí)直流電源。小型 PLC 可以為輸入電路和外部的電子傳感器提供DC 24V 電源，驅(qū)動(dòng) PLC 負(fù)載的直流電源一般由用戶提供。（二）PLC 的程序結(jié)構(gòu)以西門子 S7-200 為例，S7-200 CPU 的控制程序由主程序、子程序和中斷程序組成。1、主程序南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文18主程序是程序的主體，每一個(gè)項(xiàng)目都必須并且只能有一個(gè)主程序。在主程序中可以調(diào)試用子程序和中斷程序。主程序通過(guò)指令控制整個(gè)應(yīng)用程序的執(zhí)行，每個(gè)掃描周期都要執(zhí)行一次主程序。STEP7-Micro/WINde 程序編輯器窗口下部的標(biāo)簽用來(lái)選擇不同的程序。因?yàn)楦鱾€(gè)程序都放在獨(dú)立的程序塊中，各程序結(jié)束時(shí)不需要加入無(wú)條件結(jié)束指令或無(wú)條件返回指令。2、子程序子程序可逆的，僅在被其他程序調(diào)用時(shí)執(zhí)行。同一個(gè)子程序可以在不同的地方多次調(diào)用。使用子程序可以簡(jiǎn)化程序代碼和減少掃描周期時(shí)間。設(shè)計(jì)的好的子程序容易移植到其他別的項(xiàng)目中。3、中斷程序中斷程序用來(lái)即使處理與用戶程序的執(zhí)行時(shí)序無(wú)關(guān)的操作，或者不能事先預(yù)測(cè)何時(shí)發(fā)生的中斷事件。中斷程序不是有用戶用戶程序調(diào)用。而是在中斷事件發(fā)生時(shí)由操作系統(tǒng)調(diào)用。中斷程序是用戶編寫的。因?yàn)椴荒茴A(yù)知何時(shí)會(huì)出現(xiàn)中斷事件，所以不允許中斷程序改寫可能在其他程序中使用的存儲(chǔ)器。（三） S7-200 系列 PLC西門子公司的 S7-200 系列 PLC 可以滿足多種多樣的自動(dòng)化控制要求，由于具有緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展性、低廉的價(jià)格及強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，使得 S7-200 可以幾乎完美的滿足小型規(guī)模的控制要求。此外，豐富的 CPU 類型和電壓等級(jí)使其在解決用戶的工業(yè)自動(dòng)化問(wèn)題時(shí)，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和選擇性。S7-200 CPU22X 系列 PLC，是 S7-200 CPU21X 系列的替代產(chǎn)品，由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面可供選擇，因此很容易組成 PLC 網(wǎng)絡(luò)。在這里以S7-200 CPU22X 為重點(diǎn)介紹。1、CPU22X 系列的基本單元近幾年西門子公司推出的 S7-200 CPU22X 的系列產(chǎn)品有：CPU221 模塊、CPU222 模塊、CPU224 模塊、CPU226 模塊、CPU226XM 模塊。CPU22X 系列產(chǎn)品的性能如表 3.1 所示，供用戶在設(shè)計(jì)時(shí)查詢。CPU22X 系列產(chǎn)品指令豐富、速度快、具有較強(qiáng)的通信能力。例如，CPU226 的 I/O 總 40 點(diǎn)，其中輸入為 24點(diǎn)，輸出為 16 點(diǎn)；可攜帶 7 個(gè)擴(kuò)展模塊；用戶程序存儲(chǔ)器容量為 8KB；內(nèi)置南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文19高速計(jì)算器，具有 PID 控制器的功能；有兩個(gè)高速脈沖輸出端和 2 個(gè) RS-485通信口；具有 PPI 通信協(xié)議、MPI 通信協(xié)議和自由協(xié)議的通信能力。運(yùn)行速度快、通信能力強(qiáng)，使用于較高的中小型控制系統(tǒng)。表 3.1 S7-200 CPU 系列產(chǎn)品的主要性能表特征 CPU221 CPU222 CPU224 CPU224XP CPU226外形尺寸（mm) 90×80×62 90×80×62 120.5×80×62 140×80×62 190×80×62程序存儲(chǔ)區(qū)：運(yùn)行模式下編輯非運(yùn)行模式下編輯4096 字節(jié)4096 字節(jié)4096 字節(jié)4096 字節(jié)8192 字節(jié)12288 字節(jié)12288 字節(jié)16384 字節(jié)16384 字節(jié)24576 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū) 2048 字節(jié) 2048 字節(jié) 8192 字節(jié) 10240 字節(jié) 10240 字節(jié)掉電保護(hù)時(shí)間 50 小時(shí) 50 小時(shí) 100 小時(shí) 100 小時(shí) 100 小時(shí)本機(jī)數(shù)字量 I/O本機(jī)模擬量 I/O6 入/4 出無(wú)8 入/6 出無(wú)14 入/10 出無(wú)24 入/10 出6 入/4 出24 入/16 出無(wú)數(shù)字 I/O 映像區(qū) 256（128 入/128 出）模擬 I/O 映像區(qū) 無(wú) 32（16 入/16 出） 64（32 入/32 出） 64（32 入/32 出） 64（32 入/32 出）脈沖捕捉輸入 6 8 14 14 24擴(kuò)展模塊數(shù)量 0 個(gè)模塊 2 個(gè)模塊 7 個(gè)模塊 7 個(gè)模塊 7 個(gè)模塊高速計(jì)數(shù)器單相兩相總共 4 個(gè)4 路 30kHz2 路 20kHz總共 4 個(gè)4 路 30kHz2 路 20kHz總共 6 個(gè)6 路 30kHz4 路 20kHz總共 6 個(gè)4 路 30kHz2 路 200kHz3 路 20kHz1 路 100kHz總共 6 個(gè)6 路 30kHz4 路 20kHz脈沖輸出（DC） 2 路 20kHz 2 路 20kHz 2 路 20kHz 2 路 100kHz 2 路 20kHz模擬電位器 1 個(gè)（8 位分辨率） 2 個(gè)（8 位分辨率）實(shí)時(shí)時(shí)鐘 配時(shí)鐘卡 配時(shí)鐘卡 內(nèi)置 內(nèi)置 內(nèi)置RS-485 通信口 1 1 1 2 2布爾指令執(zhí)行速度 0.22μs/指令浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算 有南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文20四、PLC 實(shí)現(xiàn)隨機(jī)換刀在隨機(jī)換刀控制中，換刀的位置是隨機(jī)的，刀具選擇指令與刀套編號(hào)無(wú)關(guān)，是隨機(jī)變動(dòng)的，指令僅以刀具自身的直接編號(hào)為目標(biāo)。這種換刀方式在新刀取出后，刀具不需轉(zhuǎn)動(dòng)，可立即隨機(jī)存入原先使用的刀具，即換刀、存刀一次完成，縮短了換刀時(shí)間。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出 T 代碼換刀指令給 PLC，經(jīng)譯碼后在數(shù)據(jù)表中檢索，找到代碼指定的新刀號(hào)所在的數(shù)據(jù)表地址，并與實(shí)現(xiàn)刀號(hào)對(duì)照，如果不相同，則將刀庫(kù)回轉(zhuǎn)控制信號(hào)送至刀庫(kù)控制系統(tǒng)，直到定位到新刀號(hào)位置，刀庫(kù)才停止回轉(zhuǎn)，并準(zhǔn)備換刀。（一）刀庫(kù)換刀定位控制1、換刀過(guò)程盤式刀庫(kù)的三個(gè)基本動(dòng)作：取刀、還刀、換刀。取刀既是主軸上無(wú)刀具，將目標(biāo)刀具由刀庫(kù)取刀主軸上。還刀是主軸上有刀具，將主軸刀具還回刀庫(kù)中對(duì)應(yīng)的位置。換刀是主軸上有刀具，先將主軸上的刀具還回刀庫(kù)中對(duì)應(yīng)的位置上，然后目標(biāo)刀具由刀庫(kù)取到主軸上。取刀的基本過(guò)程：1、刀庫(kù)將目標(biāo)刀具按就近原則轉(zhuǎn)到換到位置。2、Z 軸進(jìn)入換刀準(zhǔn)備位置。 3、刀庫(kù)進(jìn)入換刀位置。4、主軸準(zhǔn)停，主軸松刀。5、Z 軸進(jìn)入換刀位置。 6、主軸緊刀。8、刀庫(kù)回到原始位置。9、Z 軸返回到換刀準(zhǔn)備位置。還刀的基本過(guò)程： 1、Z 軸進(jìn)入換刀準(zhǔn)備位置。2、z 軸進(jìn)入換刀位置，主軸準(zhǔn)停， 3、刀庫(kù)進(jìn)入換刀位置。4、主軸松刀。5、z 軸返回到換刀準(zhǔn)備為位置。6、主軸緊刀。換刀控制的基本約定：1、盤式刀庫(kù)采用固定刀位，即刀具號(hào)就是刀庫(kù)位置號(hào)。2、就近尋找目標(biāo)刀具。3、程序測(cè)試時(shí)要求：刀庫(kù)無(wú)換刀動(dòng)作。編程的刀具應(yīng)生效，以便系統(tǒng)檢測(cè)加上南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文21刀具參數(shù)后有無(wú)超出軟限位，記錄進(jìn)入程序測(cè)試時(shí)，主軸上的刀具號(hào)，在程序測(cè)試結(jié)束后的第一次換刀時(shí)，恢復(fù)原主軸的刀具號(hào)。2、輸入/輸出及內(nèi)部繼電器地址分配利用西門子 S7-200 可編程控制器對(duì)自動(dòng)選刀和刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)定位進(jìn)行控制，其輸入/ 輸出及內(nèi)部繼電器地址見(jiàn)表 4.1。表 4.1 PLC 輸入/輸出及內(nèi)部繼電器地址分配序號(hào) 輸入 輸出 數(shù)據(jù) 內(nèi)部繼電器1234567I0.0—刀具檢測(cè)I0.1—復(fù)位按鈕Q0.0—正轉(zhuǎn)Q0.1—反轉(zhuǎn)Q0.2—減速Q(mào)0.3—停車VW010—現(xiàn)值VW012—設(shè)定值VW014—差值M0.1—換刀指令M0.2—啟動(dòng)微分M0.3—復(fù)位微分M0.4—正轉(zhuǎn)標(biāo)志M0.5—反轉(zhuǎn)標(biāo)志M0.6—減速標(biāo)志M0.7—停止信號(hào)3、分析控制要求根據(jù)加工要求，自動(dòng)將指定的刀具轉(zhuǎn)至換刀位置；刀庫(kù)盤上共有 10 刀具供選；為提高換刀效率，要求換刀時(shí)按最小旋轉(zhuǎn)角（小于等于 180°）轉(zhuǎn)動(dòng)：為提高定位精度，當(dāng)指定刀具號(hào)轉(zhuǎn)至離取刀具號(hào)位置時(shí)減速。若設(shè)定值為 8，現(xiàn)值為 2，則 8-2=65，置正轉(zhuǎn)標(biāo)志；若設(shè)定值為 4，現(xiàn)值為 2，則 4-2=25 置正轉(zhuǎn)標(biāo)志；由于95，經(jīng)小于半數(shù)處理：10-9=1，置減速標(biāo)志。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出 T 代碼指令給 PLC，經(jīng) PLC 譯碼后在數(shù)據(jù)表中檢索，找到T 代碼指定到新刀號(hào)所在的數(shù)據(jù)表地址，換刀起動(dòng)，并設(shè)定新刀號(hào)內(nèi)存。用設(shè)定值 VW12 減去當(dāng)前值 VW10，得到差值 VW14 內(nèi)存，若 VW14 為負(fù)值，取補(bǔ)后內(nèi)存，若差值大于當(dāng)前刀號(hào)的一半 5，則設(shè)正轉(zhuǎn)輸出標(biāo)志 M0.3，若小于 5，設(shè)反轉(zhuǎn)輸出標(biāo)志 M0.4；設(shè)正轉(zhuǎn)輸出標(biāo)志后使差值 VW14 小于一半（也就是 10減去差值 VW14，然后差值 VW14 內(nèi)存） 。若差值 VW14 小于或等于 2，設(shè)減速南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文22標(biāo)志 M0.5。然后進(jìn)行刀具檢測(cè) I0.0，若是正轉(zhuǎn) Q0.0，當(dāng)前刀號(hào)加，當(dāng)前值VW10 內(nèi)存，若當(dāng)值 VW10 等于 0#，一號(hào)刀作為當(dāng)前值 VW10 內(nèi)存；若當(dāng)前值VW10 不等于 0#，用差值 VW14 減 1，差值 VW14 內(nèi)存；若不是正轉(zhuǎn) Q0.0，當(dāng)前號(hào)減，當(dāng)前值 VW10 內(nèi)存，若當(dāng)前值 VW10 等于#,10 號(hào)刀作為當(dāng)前值 VW10內(nèi)存，若當(dāng)前值 VW10 不等于 0#，則用差值 VW14 減 1，差值 VW14 內(nèi)存。然后看設(shè)定值 VW12 是否等于現(xiàn)值 VW10，等于，則停車標(biāo)志 M0.7 有效，停車結(jié)束 Q0.3；不等于的話，停車標(biāo)志 M0.7 無(wú)效，正傳標(biāo)志 M0.3 有效，輸出正轉(zhuǎn)Q0.0，反轉(zhuǎn)標(biāo)志 M0.4 有效，輸出反轉(zhuǎn) Q0.4，減速標(biāo)志 M0.5 有效，輸出減速Q(mào)0.2，然后返回差值 VW14 是否小于等于 2，反復(fù)循環(huán)，直至停車標(biāo)志 M0.7 有效，停車 Q0.3 有效。4、動(dòng)作要求（1）跟具加工的要求，刀庫(kù)應(yīng)該能夠自動(dòng)地將指定刀具轉(zhuǎn)至目標(biāo)換刀位置。（2）刀庫(kù)盤上共有 10 把刀。（3）為提高換刀效率，要求換刀時(shí)按最小旋轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng)。（4）為提高換刀效率，當(dāng)指定刀具號(hào)轉(zhuǎn)至距取到位置相差兩個(gè)刀號(hào)位置時(shí)，刀庫(kù)要減速。南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文23（二）PLC 硬件接線圖正轉(zhuǎn)K反轉(zhuǎn) 減速 停車南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文24圖 4-2 PLC 硬件接線圖（三）自動(dòng)換刀 PLC 流程圖南京廣播電視大學(xué)畢業(yè)論文25設(shè)減速標(biāo)志檢測(cè)刀具是正轉(zhuǎn)?當(dāng)前刀號(hào)加 1當(dāng)前刀號(hào)減 1當(dāng)前值=0#? 當(dāng)前值=21#?20#當(dāng)前內(nèi)存 1#當(dāng)前值內(nèi)存差值減 1?差值內(nèi)存NNNYNNYNYNYYY設(shè)定值=現(xiàn)值設(shè)停車標(biāo)志停車有效?正傳有效 輸出正傳 停車反轉(zhuǎn)有效 輸出反轉(zhuǎn)設(shè)正傳輸出標(biāo)志使差值小于一半差值=2啟動(dòng)換刀換刀號(hào)設(shè)定值減當(dāng)前值差值為負(fù)負(fù)值取補(bǔ)?差值內(nèi)存差值大于 10設(shè)反轉(zhuǎn)輸出標(biāo)志Y