【課程設計】數(shù)控加工中心刀具換刀系統(tǒng)

1、<p><b>　　杭州職業(yè)技術學院</b></p><p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　題 目 機電一體化課程設計 </p><p>　　--數(shù)控加工中心刀具換刀系統(tǒng) </p><p>　　系 別 機電工程系 </p>

2、<p>　　專 業(yè) 機電一體化 </p><p>　　班 級 機電0641/0642 </p><p>　　姓 名 朱浩奎&何鐵勇 </p><p>　　指導教師 吳曉蘇 張中明 </p><p>　　二○○七年十二月三十一日</p><p><b&g

3、t;　　杭州職業(yè)技術學院</b></p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p><b>　　一、課程設計任務：</b></p><p>　　本課題取自數(shù)控加工中心刀具庫的自動控制實驗。因原有的刀具庫控制方式過于陳舊、功能過于單一且智能度不高，刀盤只能單向轉動，效率較低并且指示燈設計不合理，

4、對刀成功后沒有正確與否的提示。針對原有功能的的不足提出自己的改進方法。對位成功的進行指示燈閃爍提示，調取不是當前工位的刀時，系統(tǒng)能根據(jù)調取刀號的大小自動選擇最佳刀盤轉動方向，以提高取刀效率。</p><p><b>　　改進后的基本特征：</b></p><p>　　1、當機械手位置 = 程序調取刀號位，換刀成功指示燈閃爍3秒。</p><p>

5、;　　2、當機械手位置 > 程序調取刀號位，刀具盤逆轉,調刀指示燈亮,到位后, 換刀成功指示燈閃爍3秒。</p><p>　　3、當機械手位置 < 程序調取刀號位，刀具盤順轉, 調刀指示燈亮,到位后,換刀成功指示燈閃爍3秒。</p><p>　　機械手位置與調取刀號位之間的偏差是選擇正反轉的根據(jù)。</p><p><b>　　二、課程設計要求：

6、</b></p><p><b>　　1、PLC基本介紹</b></p><p>　　2、闡述PLC的工作原理</p><p>　　3、列出I/O配置表</p><p><b>　　4、刀盤取刀示意圖</b></p><p>　　5、本系統(tǒng)梯形圖及指令表</

7、p><p>　　6、本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境</p><p><b>　　7、本系統(tǒng)的改進</b></p><p><b>　　8、總結</b></p><p><b>　　三、設計期限</b></p><p>　　2007年 12月 27 日至 2008年 1

8、月 6 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一節(jié) PLC基本介紹 3</p><p>　　1.1 PLC介紹

9、 3</p><p>　　1.2 PLC的組成 3</p><p>　　第二節(jié) PLC的工作原理 5</p><p

10、>　　2.1 PLC的工作原理 5</p><p>　　2.2 PLC的優(yōu)點 6</p><p>　　2.3 PLC的選型依據(jù)

11、 7</p><p>　　第三節(jié) I/O配置（表） 8</p><p>　　3.1 I/O配置（表）

12、 8</p><p>　　第四節(jié) 刀盤取刀示意圖 8</p><p>　　4.1 機械手與調取刀具示意圖 9</p><p>　　第五節(jié) 本系統(tǒng)框圖及程序

13、 10</p><p>　　5.1 軟件流程圖 10</p><p>　　5.2 梯形圖

14、 11</p><p>　　5.3 指令表 12</p><p>　　5.4 本系統(tǒng)的詳細工作原理 15</p><

15、;p>　　第六節(jié)PLC的開發(fā)環(huán)境 16</p><p>　　6.1 本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境 16</p><p>　　第七節(jié) 本系統(tǒng)的改進

16、 17</p><p>　　第八節(jié) 總結 17</p><p>　　參考文獻 18&l

17、t;/p><p>　　第一節(jié) PLC基本介紹</p><p><b>　　1.1 PLC介紹</b></p><p>　　PLC即可編程控制器：PLC英文全稱Programmable Logic Controller;中文全稱為可編程邏輯控制器。是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（International Ele

18、ctrical Committee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：</p><p>　　“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能

19、的原則而設計。”</p><p>　　1.2 PLC的組成</p><p><b>　　1、CPU模塊</b></p><p>　　CPU由控制器、運算器和寄存器組成。這些電路集成在一個芯片上。CPU通過地址總線、數(shù)據(jù)總線與I/O接口電路相連接。起“心臟”作用。當從編程器輸入的程序存入到用戶程序存儲器中，然后CPU根據(jù)系統(tǒng)所賦予的功能（系統(tǒng)程序

20、存儲器的解釋編譯程序），把用戶程序翻譯成PLC內部所認可的用戶編譯程序。輸入狀態(tài)和輸入信息從輸入接口輸進，CPU將之存入工作數(shù)據(jù)存儲器中或輸入映象寄存器。然后由CPU把數(shù)據(jù)和程序有機地結合在一起。把結果存入輸出映象寄存器或工作數(shù)據(jù)存儲器中，然后輸出到輸出接口、控制外部驅動器。</p><p><b>　　2、I/O模塊</b></p><p>　　輸入/輸出（I/O）

21、單元是PLC與外部設備連接的紐帶。輸入單元接受現(xiàn)場設備向PLC提供的開關量信號，經過處理后，變成CPU能夠識別的信號。輸出單元將CPU的信號經處理后來控制外部設備。</p><p><b>　　輸入接口示意圖：</b></p><p><b>　　輸出接口示意圖： </b></p><p><b>　　3、編程器

22、</b></p><p>　　編程器分為兩種，一種是手持編程器，攜帶方便。但缺點是只能編輯指令表。另一種是通過PLC的RS232接口與計算機RS232接口相連。通過專用軟件先在電腦上編輯梯形圖或指令表程序，再編譯成機器碼傳輸?shù)絇LC中。</p><p><b>　　4、系統(tǒng)電源</b></p><p>　　PLC一般合用220V交流

23、電源或24V直流電源。內部的開關電源為各模塊提供DC5V、±12V、24V等直流電源。不同型號的PLC有不同的供電方式，所以PLC電源的輸入電壓既有12V和24V直流，又有110V和220V交流。PLC內部使用的電源是整體的供給中心，它的優(yōu)劣直接影響到PLC的功能和可靠性，因此目前大部分PLC采用開關式穩(wěn)壓電源。</p><p><b>　　5、存儲器</b></p>

24、<p>　　具有記憶功能的半導體電路。 它分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)程序存儲器用以存放系統(tǒng)程序，包括管理程序，監(jiān)控程序以及對用戶程序做編譯處理的解釋編譯程序。由只讀存儲器、ROM組成。廠家使用的，內容不可更改，斷電不消失。</p><p>　　用戶存儲器：分為用戶程序存儲區(qū)和工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。由隨機存取存儲器（RAM）組成。用戶使用的。斷電內容消失。常用高效的鋰電池作為后備電源，壽命一般為3~

25、5年。</p><p>　　第二節(jié) PLC的工作原理</p><p>　　2.1 PLC的工作原理</p><p>　　PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在PLC運行時，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號(或地址號)作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結束。然后重新返回

26、第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。</p><p>　　PLC的一個掃描周期有輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。</p><p>　　PLC在輸入采樣階段：首先以掃描的方式按順序將所有暫存在輸入鎖存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段。

27、</p><p>　　PLC在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經相應的運算和處理后，其結果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內容隨著程序的執(zhí)行而改變。</p><p>　　輸出刷新階段：當所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅動相應輸出設備工作。</p>

28、<p>　　2.2 PLC的優(yōu)點</p><p>　　1、靈活性：不同類型的硬件設備采用相同的可編程序控制器，編寫不同應用軟件就可以了，并且可以用一臺可編程控制器控制幾臺操作方式完全不同的設備。</p><p>　　2、便于改進與修正：可編程序控制器為改進和修訂原設計提供了極其方便的手段，以前也許要花費幾周的時間才能完成的工作使用可編程序控制器只要幾分鐘就可以了。</p

29、><p>　　3、節(jié)點利用率高：在可編程序控制器中，一個輸入中的開關量或程序中的一個“線圈”可提供用戶所需用的連鎖節(jié)點，即節(jié)點在程序中可不受限制的使用。</p><p>　　4、成本低：可編程序控制器提供的繼電器節(jié)點、計數(shù)器、計時器、順控器的數(shù)量比采用繼電器、計數(shù)器、計時器、順控器等實際元器件要便宜的多</p><p>　　5、模擬調試：可編程序控制能對所空功能在實驗室

30、內進行模擬調試，縮短現(xiàn)場的調試，而古典電器線路是無法在實驗室進行調試的，只能花費現(xiàn)場大量時間。</p><p>　　6、能對現(xiàn)場進行微觀調試：在可編程序控制器系統(tǒng)中，操作人員能通過顯示器觀測到所控每一個節(jié)點的運行情況，隨時監(jiān)測事故發(fā)生點。</p><p>　　7、快速動作：傳統(tǒng)繼電器節(jié)點的響應時間一般要幾百毫秒，而可編程序控制器里的節(jié)點反應很快，內部是微秒級的。</p>&l

31、t;p>　　8、可靠性：可編程序控制器由集成電路元件構成，因此可靠性大大高于機械和電器繼電器。</p><p>　　9、系統(tǒng)購置的簡單化：可編程序控制器是一個完整的系統(tǒng)，購置了一臺可編程序控制器，就相當于購買了系統(tǒng)所需要的所有繼電器、計數(shù)器、計時器等器件。</p><p>　　10、圖紙簡化：傳統(tǒng)控制電路要靠畫藍圖，而藍圖不能隨哦設計的不同階段不斷更新的，采用可編程序控制器很容易做到

32、隨時打印出更新后的電路圖。</p><p>　　11、易于系統(tǒng)的變化：可編程序控制器可以重新編程序，所以可以滿足所控生產流程頻繁變化的要求。</p><p>　　2.3 選型、選型依據(jù)</p><p>　　根據(jù)生產工藝要求，分析被控對象的復雜程度，進行I/O點數(shù)和I/O點的類型（數(shù)字量、模擬量等）統(tǒng)計，列出清單。適當進行內存容量的估計，確定適當?shù)牧粲杏嗔慷焕速M資源

33、的機型（小、中、大形機器）。并且結合市場情況，考察PLC生產廠家的產品及其售后服務、技術支持、網絡通信等綜合情況，選定性價比較好的PLC機型。 </p><p>　　1、輸入點和輸出點數(shù)</p><p>　　輸入點和輸出點一般按一定比例設置,但不同廠家的PLC其設置會不同,如OMRON公司生產CPM1A型I/O比為3:2,而三菱的FX2N系列I/O比為1:1。用戶可根據(jù)實際控制系統(tǒng)所需輸入

34、輸出信號數(shù)量和信號類型來決定PLC的型號或相應的輸入輸出模塊。</p><p><b>　　2、存儲容量</b></p><p>　　存儲容量一般指存放用戶程序的存儲器的容量，通常用“字”或“步”來表示?！安健本褪荘LC中存放程序的地址單位，每一步占用兩個字，一條基本指令一般為一步，而復雜的功能指令往往有若干步，如OMRON的CPM1A型PLC的存儲容量為2048字，

35、三菱的FX2N系列PLC存儲容量為8K步。</p><p><b>　　3、編程語言</b></p><p>　　不同廠家生產的PLC所用的編程語言不同，而且互不兼容。一般梯形圖和指令表是PLC最常用 的編程語言。目前 ，PLC編程基本上都在計算機上完成，梯形圖以其直觀、編程容易而成為主要編程語言，編制完成的梯形圖程序可直接輸入PLC進行調試，用戶無需寫出指令表。但若

36、用手持編程器編程時，要輸入指令表語句。</p><p>　　三菱系列常用可選型號</p><p><b>　　第三節(jié) I/O配置</b></p><p>　　3.1 I/O配置（表） </p><p><b>　　I/O口配置表</b></p><p><b>

37、;　　第四節(jié) 裝配圖</b></p><p>　　4.1機械手與調取刀具示意圖</p><p>　　調取當前刀時（圖中為1號刀）刀盤不動作。</p><p>　　假設機械手在1號位，調取5號和6號刀時，刀盤順時針旋轉。</p><p>　　假設機械手在1號位，調取2、3、4號刀時，刀盤逆時針旋轉。</p><p

38、>　　第五節(jié) 本系統(tǒng)梯形圖</p><p><b>　　5.1軟件流程圖</b></p><p><b>　　5.2梯形圖</b></p><p><b>　　續(xù)上圖</b></p><p><b>　　5.3指令表</b></p>&

39、lt;p>　　0 LD X011 </p><p>　　1 MOV K1 D0</p><p>　　6 LD X012</p><p>　　7 MOV K2 D0</p><p>　　12 LD X013 </p><p>　　13 MOV

40、K3 D0</p><p>　　18 LD X014</p><p>　　19 MOV K4 D0</p><p>　　24 LD X015</p><p>　　25 MOV K5</p><p>　　30 LD X016</p><p>　

41、　31 MOV K1 D1 </p><p>　　36 LD X001</p><p>　　37 ANI M5</p><p>　　38 MOV K1 D1</p><p>　　43 SET M5</p><p>　　44 LD X002</p>

42、<p>　　45 ANI M5</p><p>　　46 MOV K2 D1</p><p>　　51 SET M5</p><p>　　52 LD X003</p><p>　　53 ANI M5</p><p>　　54 MOV K3 D1<

43、;/p><p>　　59 SET M5</p><p>　　60 LD X004</p><p>　　61 ANI M5</p><p>　　62 MOV K4 D1</p><p>　　67 SET M5</p><p>　　68 LD X0

44、05</p><p>　　69 ANI M5</p><p>　　70 MOV K5 D1</p><p>　　75 SET M5</p><p>　　76 LD X006</p><p>　　77 ANI M5</p><p>　　78 MOV

45、 K6 D1</p><p>　　83 SET M5</p><p>　　84 LD M5</p><p>　　85 CMP D0 D1</p><p><b>　　92 MPS</b></p><p>　　93 AND M0</p>

46、<p>　　94 SUB D0 D1</p><p><b>　　101 MRD</b></p><p>　　102 AND M1</p><p>　　103 OUT Y000</p><p><b>　　104 MRD</b></p>&l

47、t;p>　　105 AND M2</p><p>　　106 ADD D0 K6</p><p><b>　　113 MPP</b></p><p>　　114 AND M2</p><p>　　115 SUB D2 D1</p><p>　　122

48、 LD M5</p><p>　　123 CMP D3 K3</p><p><b>　　130 MPS</b></p><p>　　131 AND M10</p><p>　　132 ANI Y000</p><p>　　133 ANI M20<

49、;/p><p>　　134 OUT M18</p><p><b>　　135 MRD</b></p><p>　　136 AND M11</p><p>　　137 ANI Y000</p><p>　　138 ANI M20</p><p>

50、　　139 OUT M19</p><p><b>　　140 MPP</b></p><p>　　141 AND M12</p><p>　　142 ANI Y000</p><p>　　143 ANI M20</p><p>　　144 OUT M20&l

51、t;/p><p>　　145 LD M19</p><p>　　146 OR M20</p><p>　　147 OUT Y002</p><p>　　148 LD M18</p><p>　　149 OUT Y003</p><p>　　150 L

52、D Y000</p><p>　　151 OUT T1 K50</p><p>　　154 LD Y002</p><p>　　155 OR Y003</p><p>　　156 OUT Y001</p><p>　　157 LD Y000</p>

53、;<p>　　158 AND M8013</p><p>　　159 OUT Y004</p><p>　　160 LD T1</p><p>　　161 RST M5</p><p><b>　　162 END</b></p><p>　　5

54、.4 本系統(tǒng)的詳細工作原理</p><p>　　分三種情況考慮：假設機械手一直在1號位。</p><p>　　1、調取當前當?shù)短?。機械手在1號刀位（X11閉合），D0＝K1，系統(tǒng)調取當前刀位的刀（X1閉合），D1=K1，兩個值相比較，D0=D1，此時，到位指示燈直接亮起，接著換刀成功指示閃爍，表示換刀完成。</p><p>　　2、調取2-4號刀，機械手在1號刀位

55、（X11閉合），D0＝K1，系統(tǒng)調取當2號位的刀（X2閉合），D1=K2，兩個值相比較，D0＜D1，此時，D0要先加K6再減D1，（較小數(shù)減較大數(shù)計算較復雜，所以采用先加上最大數(shù)再減）D3再和K3比較，D3＞K3，M10,動作，刀盤逆轉。</p><p>　　3、調取5、6號刀，機械手在1號刀位（X11閉合），D0＝K1，系統(tǒng)調取當5號位的刀（X5閉合），D1=K5，兩個值相比較，D0＜D1，此時，D0要先加K6

56、再減D1，（較小數(shù)減較大數(shù)計算較復雜，所以采用先加上最大數(shù)再減）D3再和K3比較， D3≤K3，M11/M12,動作，刀盤順轉。</p><p>　　第六節(jié) 本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境</p><p>　　6.1 本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境</p><p><b>　　第七節(jié) 系統(tǒng)的改進</b></p><p>　　在實際應用中，如果刀庫

57、中有多把刀時，可以再加一個電機，在調取刀號和機械手位置較遠時，可以兩個電機同時工作，以加快調刀、換刀速度。</p><p><b>　　總結</b></p><p>　　機電一體化技術與系統(tǒng)課程設計是我們學完了大學的全部基礎課、技術基礎課以及專業(yè)課之后進行的，這是我們在進行畢業(yè)設計之前對所學各課程的一次深入的綜合性的總復習，也是一次理論聯(lián)系實際的訓練，因此，它在我們大

58、學生活中占有重要的地位。</p><p>　　本次課程設計的課題為刀具庫換刀系統(tǒng)，刀盤由PLC（可編程序控制器）控制來實現(xiàn)其功能。我們在設計中得出了一些理論上數(shù)據(jù)可能與實際數(shù)據(jù)有所出入。設計之前原有刀盤只能單向轉動，效率較低并且指示燈設計不合理，對刀成功后沒有正確與否的提示。改進后有對刀成功的指示燈閃爍提示，調取不是當前工位的刀時，系統(tǒng)能根據(jù)調取刀號的大小自動選擇最佳刀盤轉動方向，以提高取刀效率。但這在現(xiàn)實生活中

59、還不可用?，F(xiàn)實中當調試成功后還應當編寫使用說明書做到質量可靠、穩(wěn)定有保障。不足之處應在使用中改進升級，最終達到設備安全穩(wěn)定。</p><p>　　這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多問題，最后在老師的精心指導下，完成了設計任務。同時，在老師身上我學到了很多實用的知識，在此我表示感謝！</p><p><b>　　參考資料</b></p><

60、;p>　　《機電一體化概論》――趙再軍主編 浙江大學出版社;</p><p>　　《PLC基礎及應用》――廖常初主編 機械工業(yè)出版社;</p><p>　　《電器控制與PLC》――丁學恭主編 浙江大學出版社;</p><p>　　《PLC應用開發(fā)技術與工程實踐》――求是科編著 人民郵電出版社;</p><p>　　

61、《可編程控制器系統(tǒng)開發(fā)實例導航》――汪曉平等編著 人民郵電出版社;</p><p>　　部分資料通過Internet查詢所得。</p><p><b>　　指導教師評語：</b></p><p><b>　　指導教師簽名：</b></p><p><b>　　成績答辯評定：</b&