数控加工中心刀具换刀系统的设计.docx

课程设计说明书

题 目 机电一体化技术与系统课程设计
--数控加工中心刀具换刀系统的设计

系 别
专 业
班 级
姓 名
设计时间
指导教师

xxxx年xx月xx日
xx学院

目 录
一、课程设计任务 ……………………………………………3
二、课程设计要求 ……………………………………………4
三、课程设计参数设置 ………………………………………4
四、课程设计过程 ……………………………………………4
第一节 PLC基本介绍……………………………………4
1.1 PLC介绍 ………………………………………4
1.2 PLC的组成 ……………………………………5
第二节 阐述PLC的工作原理 …………………………6
2.1 PLC的工作原理…………………………………7
2.2 PLC的选型依据…………………………………8
第三节 列出I/O配置表…………………………………10
3.1 I/O配置(表) …………………………………10
第四节 刀盘取刀示意图…………………………………11
4.1 机械手与调取刀具示意图………………………11
第五节 本系统梯形图及指令表…………………………12
5.1功能图 ……………………………………12
5.2 梯形图 …………………………………………13
5.3 指令表 …………………………………………14
第六节 本系统的开发环境 ……………………………18
6.1 本系统的开发环境………………………………18
第七节 本系统的改进 …………………………………19
第八节 总结 ……………………………………………20
参考文献 …………………………………………………20
五、指导教师评价 ……………………………………………21

前 言

加工中心（Machining Center）简称MC，是由机械设备与数控系统组成的适用于加工复杂零件的高效率自动化机床。加工程序的编制，是决定加工质量的重要因素。
加工中心时高效、高精度数控机床，工件在一次装夹中便可完成多道工序的加工，同时还备有刀具库，并且有自动化换刀功能。加工中心所具有是这些丰富的功能，决定了加工中心程序编制的复杂性。
加工中心能是实现三轴或三轴以上的联动控制，以保证刀具进行复杂表面的加工。加工中心除具有直线插补和圆弧插补功能外，还具有各种加工固定循环，刀具半径自动补偿、刀具长度自动补偿、加工过程图形显示、人机对话、故障自动诊断、离线编程等功能。
加工中心是从数控铣床发展而来的。与数控铣床的最大区别在与加工中心具有自动交换加工刀具的能力，通过在刀库上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，实现多种加工功能。

课程设计任务书
一.设计任务
本课程取自数控加工中心刀具库的自动控制实验。因原有的刀具库控制方式过于陈旧、功能过于单一且智能度不高。效率较低并且指示灯不合理，对刀成功后没有正确与否的提示。针对原有功能的不足提出自己的改进方法。对位成功的进行指示灯闪烁提示，调取不是当前工位的道时，系统能根据调取刀具的大小自动选择最佳刀盘转动发向，以提高取刀效率。
改进的基本特征：
1. 档机械手位置=程序调取刀号位，换刀成功指示灯闪烁3秒。
2. 档机械手位置>程序调刀号位，刀具逆转，调刀指示灯亮，到位后，换刀成功指示灯 闪烁3秒、
3. 当机械手位置<程序调取刀号位，刀具盘顺转，调刀指示灯亮，到位后换刀成功指示灯闪烁3秒。
机械手位置与调取刀号之间的偏差是选择正反转的根据。 二、课程设计要求
刀具由PLC控制来实现功能。斗笠式刀库装6把刀，从上向下看顺时针编号，如图所示，以机械手位置为基准，刀号变大方向连续3把刀采用刀盘逆时针旋转换刀；刀号变小方向连续2把刀采用刀盘顺时针旋转换刀。例如假设1号刀位停留在机械手位置处时，调整1好刀时刀盘不动作；调整5、6号刀时，刀盘顺时针旋转；调整2、3、4好到时，刀盘顺时针旋转。
三、课程设计的参数设置
1)寄存器D0：机械手当前位置寄存器。
2)寄存器D1: 机械手刀具号寄存器。
3)寄存器 D3 : 偏差寄存器
4）参数K：参数k1、k2、k3、k4、k5、k6分别为1、2、3、4、5、6
四、课程设计过程
第一节 PLC基本介绍
1.1 PLC介绍
PLC即可编程控制器：PLC英文全称programmable logic controller，中文全称为程逻辑控制器。是之一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（Intemational electrical）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运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的储存器，用来在其内部储存器执行逻辑运算，顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的的输入和输出，控制各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工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计”。

1.2PLC的组成
1、 CPU模块
CPU由控制器、运算和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连。起“心脏”作用。当从编程输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能( 系统程序存储器的解释编译程序)，把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或映像寄存器。然后有CPU把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映像寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口，控制外部驱动器。
2、 I/O模块
输入/输出（I/O）单元式PLC与外部设备连接的纽带。输入单元接受现场设备向PLC提供的开关量信号，经过处理后，变成CPU能够识别的信号。输入单元将CPU的信号经处理后来控制外部设备。
输入接口示意图：

输出接口示意图：

3、编程器
变衡器分为两种，一种是手持编程器，携带方便。但缺点是只能编辑指令表。另一种是通过PLC的RS232接口与计算机 RS232接口相连。通过专用软件先在电脑上编辑梯形图或指令表 程序，在编译机器码传输机器码输到PLC中。
4、 系统电源
Plc一般合用220v交流电源或24v直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC5v、正负12v、24v等直流电源。不同型号的PLC有不同的供电方式，所以PLC电源的输入电压既有12v和24v直流，又有110vhe和220v交流。PLC内部使用的电源是整体的供给中心，它的优势直接影响到PLC的功能和可靠性，因此目前大部分plc采用开关式稳压电源。

5、 存储器
具有记忆功能的半导体电路。它分为系统程序存储器用
户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包 括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译 处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。 厂家使用的内容不可更改，断电不消失。
用户存储器;分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随即存储器存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效 的锂电池作为后备电源，寿命一般为3—5年。
第二节 阐述PLC的工作原理
2.1 PLC的工作原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户储存器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和输出刷新三个阶段。
PLC的一个扫描周期有输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段;首先以扫描的方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段;按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果在写入输出状态寄存器中有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输入状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式( 继电器、晶体管或晶闸管)输出你，驱动相应输出设备工作。应的
PLC执行用户程序的工作过程分为以下4个阶段。
(1)自诊断阶段：PLC具有很强的自诊断功能，当确认所有硬件工作正常后进入下一工作阶段
(2)输入信号处理阶段：在输入信号处理阶段，CPU对输入端进行扫描，将获得各个输入端子的信号送到输入暂存器存放。
(3)程序处理阶段：当输入端子的信号全部进入输入暂存器后，
CPU工作进入到第三阶段。在本阶段中，PLC进行用户程序处理它对用户程序从上到下依次扫描，将结果写入输出暂存器中。
（4）输出处理阶段：这个阶段CPU对用户程序的扫描已处理完毕，并将输出信号从输出暂存器中取出，通过输出锁存电路驱动PLC的外部负载，即控制执行元件动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。
2.2选型、选型依据
根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型(小、中、大形机器).并且结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况、选定性价比较好的PLC机型。

1.输入点和输出点数
输入点和输出点一般按一定比例设置，不同厂家的PLC其设置会不同，如omron公司生产cpmln型I/O比为3:2，而三菱的FX2N系列I/O比为1:1.用户可根据实际控制系统所需输入输出信号数量和信号类型来决定PLC型号或相应的输出模块。
2、储存容量
储存容量一般只存放用户程序的存储器的容量，通常用“字”或步”来表示，“步”就是PLC中存放程序的地址单元，
每一步占用两个字，一条基本指令一般为一步，而复杂的功能指令往往有若干步，如OMRON的CPM1A型PLC存储容量为2048字，三菱的FX2N系列PLC存储容量为8K字。
3、编程语言
不同厂家生产PLC所用编程语言不同，且互不兼容。一般梯形图和指令表是PLC最常用的编程语言，目前。PLC编程基本上计算机上完成，梯形图以及其直观，编程容易而成为主要编程语言，编程完成的梯形图程序可直接输入PLC进行调试，用户无需写出指令表。但若用手持编程时，需输入指令表语句。
三菱系列常用可选型号
型号
I/O点数
用户程序步数
功能指令
通信功能
FX0S
10-30
800步EEPROM
50
无
FX0N
24-128
2K步EEPROM
55
较强
FX2N
16-256
内附8KRAM
298
强

第三节 列出I/O配置表
节点类型
节点名称

节点作用
节点类型
节点名称

节点作用

输入
X001
机械手位置检测

输入
X014
刀具号选择
X002
机械手位置检测
X015
刀具号选择
X003
机械手位置检测
X016
刀具号选择
X004
机械手位置检测

输出

Y000
刀具到位指示
X005
机械手位置检测
Y001
刀具旋转指示
X006
机械手位置检测
Y002
刀盘顺转
X0011
刀具号选择
Y003
刀具逆转
X0012
刀具号选择
Y004
换刀闪烁
X013
刀具号选择
第四节 刀盘取刀示意图
如图所示，图中为刀盘和机械手，1、2、3、4、5为刀具机械手换取刀具可以分为3种形式。
1）调取当前刀时（图号为1号刀）刀盘不动作。
2） 假设机械手在1号位，调取2、3、4号刀时，刀盘逆时针旋转
3）假设机械手在1号位，调取5号刀和6号刀时，刀盘顺时针旋转

第五节 本系统梯形图及指令表
1） 功能图

检测机械手位置D0

检测系统调取刀号D1

D0与D1比较

D0=D1
D0D1
D0-D1=D3
D0+k6-D1=D3
D3K3
D3与K3比较

Y0到位指示灯亮

M10动作
M12动作
M11动作

换刀成功指示灯Y4闪
刀盘顺转
刀盘逆转

2） 梯形图

3）指令表
指 令 表
序步
步进指令
器件号
0
LD
X011

1
MOV
K1
D0
6
LD
X012

7
MOV
K2
D0
12
LD
X013

13
MOV
K3
D0
18
LD
X015

19
MOV
K1
D0
24
LD
X015

25
MOV
K5

30
LD
X016

31
MOV
K1
D0
36
LD
X001

37
ANI
M5

38
MOV
K1
D1
43
SET
M5

44
LD
X002

45
ANI
M5

46
MOV
K2
D1
51
SET
M5

52
LD
X003

53
ANI
M5

54
MOV
K3
D1
59
SET
M5

60
LD
X004

61
ANI
M5

62
MOV
K4
D1
67
SET
M5

68
LD
X005

69
ANI
M5

70
MOV
K5
D1
75
SET
M5

76
LD
X006

77
ANI
M5

78
MOV
K6
D1
83
SET
M5

84
LD
M5

85
CMP
D0
D1
92
MPS

93
AND
M0

94
SUB
D0
D1
101
MRD

102
AND
M1

103
OUT
Y000

104
MRD

105
AND
M2

106
ADD
D0
K6
113
MPP

114
AND
M2

115
SUB
D2
D1
122
LD
M5

123
CMP
D3
K3
130
MPS

131
AND
M10

132
ANI
Y000

133
ANI
M20

134
OUT
M18

135
MRD

136
AND
M11

137
ANI
Y000

138
ANI
M20

139
OUT
M19

140
MPP

141
AND
M12

142
ANI
Y000

143
ANI
M20

144
OUT
M20

145
LD
M19

146
OR
M20

147
OUT
Y002

148
LD
M18

149
OUT
Y003

150
LD
Y000

151
OUT
T1
K50
154
LD
Y002

155
OR
Y003

156
OUT
Y001

157
LD
Y000

158
AND
M8013

159
OUT
Y004

160
LD
T1

161
RST
M5

162
END

第六节 本系统的开发环境

本系统的编程是采用三菱FX系列PLC编程软件：SWOPC|WIN-c。
SWOPC-FXGP|WIN—CV3.3中文版位一个应用于FX系列可编程控制器的编程软件，运行于Windows平台（3.1、95、98、ME、200、XP、2003等），在该软件中，你可通过线路符号、SFC、符号表编程序语言等来创建顺控程序，简历注释数据即设置寄存器数据。改程序可在串行系统中与PLC进行通讯、文件传递、操作监控以及各种测试功能等

第七节 本系统的改进
在加工中心上使用的刀库主要有两种，一种盘式刀库，一种是链式刀库。盘式刀库到容量相对较小，一般在1—24把刀具，主要适应与小型加工中心：链式刀库装刀容量大。一般在1—100把刀具，主要适用于大中型加工中心

加工中心对自动换刀装置有如下具体要求：
1、刀库容量适当。2、换刀时间短。3、换刀空间小。4、动作可靠、使用稳定。5、刀具重复定位精度高。6、刀具识别准确。
数控加工中心的自动换刀系统中刀具的交换方式通常有两种：
（1） 采用机械手交换刀具方式
（2） 有刀库与机床的相对运动实现刀具交换的方式前者的优点是结构简单，成本低，换刀的可靠性高，但是缺点是换刀时间长，刀库因为结构所限容量不多。而采用机械手进行刀具交换的方式在加工中心应用最为广泛，本系统中的机械手采用的是单臂机械手。单臂机械手换刀时间较长，速度较慢。所以。我认为本系统可改为双臂机械手以及双刀盘的形式，这样可以有效的节省换到时间而机械手的工作行程大为缩短，以提高换到速度。或者，刀具库容量较大时，可采用链式刀库则更为方便。

第八节 总结
机电一体化技术与系统课程设计是我们学完了大学的全部基础课、技术基础课以及专业课之后进行的，这是我们在进行课程设计之前对各课程的一次深入的综合性的总复习，也是一次理论联系实际的训练，所以它在我们大学生活中占有重要的地位。
通过这次课程设计我知道了我对以前课程的认识和进一步了解、掌握，也让我认识到三年大学到底学了多少东西，也让我认清了我以后的工作方向。

参考文献
1.文朴、李田。《机械设计》机械工业出版社。2001.7.
2.机械设计手册.编写《机械设计手册》.化学工业出版社.2006.6.
3.王爱玲.《现代数控编程技术及应用》.国防工业出版社2002.1.
4濮良贵.《机械设计》.西安西北工业大学出版社.1996.5.
5林栋梁.《英汉机电工程词典》.机械工业出版社.1997.7
6王卫兵.《chimatron E 6.0数控编程实用教程》.清华大学出版社2005.7.
7黄俊明等.unigraghics Ⅱ模型设计高级篇.北京：中铁道出版社.2001.
8.王华山.塑料注塑技术与实例【M】.北京：化学工业出版社.2006.

五、指导教师评价
1.指导教师评语：

2.成绩评定：

指导教师签名：

签 名：
2011 年09 月 28 日