数控加工中心刀具换刀系统的设计说明doc 24页正式版.docx

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数控加工中心刀具换刀系统的设计说明doc24页正式版

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

、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

1.1PLC介绍………………………………………4

1.2PLC的组成……………………………………5

第二节阐述PLC的工作原理…………………………6

2.1PLC的工作原理…………………………………7

2.2PLC的选型依据…………………………………8

第三节列出I/O配置表…………………………………10

3.1I/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（MachiningCenter）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

1.1PLC介绍

PLC即可编程控制器：

PLC英文全称programmablelogiccontroller，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（Intemationalelectrical）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

2.1PLC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

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.《chimatronE6.0数控编程实用教程》.清华大学出版社2005.7.

7黄俊明等.unigraghicsⅡ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