课程设计.docx
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课程设计
杭州职业技术学院
课程设计说明书
题目机电一体化课程设计
--数控加工中心刀具换刀系统
系别机电工程系
专业机电一体化
班级机电0641/0642
姓名朱浩奎&何铁勇
指导教师吴晓苏张中明
二○○七年十二月三十一日
杭州职业技术学院
课程设计任务书
一、课程设计任务：
本课题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，刀盘只能单向转动，效率较低并且指示灯设计不合理，对刀成功后没有正确与否的提示。
针对原有功能的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刀时，系统能根据调取刀号的大小自动选择最佳刀盘转动方向，以提高取刀效率。
改进后的基本特征：
1、当机械手位置=程序调取刀号位，换刀成功指示灯闪烁3秒。
2、当机械手位置>程序调取刀号位，刀具盘逆转,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位之间的偏差是选择正反转的根据。
二、课程设计要求：
1、PLC基本介绍
2、阐述PLC的工作原理
3、列出I/O配置表
4、刀盘取刀示意图
5、本系统梯形图及指令表
6、本系统的开发环境
7、本系统的改进
8、总结
三、设计期限
2007年12月27日至2008年1月6日
目录
第一节PLC基本介绍3
1.1PLC介绍3
1.2PLC的组成3
第二节PLC的工作原理5
2.1PLC的工作原理5
2.2PLC的优点6
2.3PLC的选型依据7
第三节I/O配置（表）8
3.1I/O配置（表）8
第四节刀盘取刀示意图8
4.1机械手与调取刀具示意图9
第五节本系统框图及程序10
5.1软件流程图10
5.2梯形图11
5.3指令表12
5.4本系统的详细工作原理15
第六节PLC的开发环境16
6.1本系统的开发环境16
第七节本系统的改进17
第八节总结17
参考文献18
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;中文全称为可编程逻辑控制器。
是指以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（InternationalElectricalCommittee）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存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、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输入和输出，控制各种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与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、运算器和寄存器组成。
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接口电路相连接。
起“心脏”作用。
当从编程器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输入映象寄存器。
然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。
把结果存入输出映象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）单元是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。
输出单元将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
编程器分为两种，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，再编译成机器码传输到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、±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110V和220V交流。
PLC内部使用的电源是整体的供给中心，它的优劣直接影响到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和用户存储器。
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。
由随机存取存储器（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存储器中的程序，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逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，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对输出状态的刷新等工作。
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，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，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，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所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，输出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，驱动相应输出设备工作。
2.2PLC的优点
1、灵活性：
不同类型的硬件设备采用相同的可编程序控制器，编写不同应用软件就可以了，并且可以用一台可编程控制器控制几台操作方式完全不同的设备。
2、便于改进与修正：
可编程序控制器为改进和修订原设计提供了极其方便的手段，以前也许要花费几周的时间才能完成的工作使用可编程序控制器只要几分钟就可以了。
3、节点利用率高：
在可编程序控制器中，一个输入中的开关量或程序中的一个“线圈”可提供用户所需用的连锁节点，即节点在程序中可不受限制的使用。
4、成本低：
可编程序控制器提供的继电器节点、计数器、计时器、顺控器的数量比采用继电器、计数器、计时器、顺控器等实际元器件要便宜的多
5、模拟调试：
可编程序控制能对所空功能在实验室内进行模拟调试，缩短现场的调试，而古典电器线路是无法在实验室进行调试的，只能花费现场大量时间。
6、能对现场进行微观调试：
在可编程序控制器系统中，操作人员能通过显示器观测到所控每一个节点的运行情况，随时监测事故发生点。
7、快速动作：
传统继电器节点的响应时间一般要几百毫秒，而可编程序控制器里的节点反应很快，内部是微秒级的。
8、可靠性：
可编程序控制器由集成电路元件构成，因此可靠性大大高于机械和电器继电器。
9、系统购置的简单化：
可编程序控制器是一个完整的系统，购置了一台可编程序控制器，就相当于购买了系统所需要的所有继电器、计数器、计时器等器件。
10、图纸简化：
传统控制电路要靠画蓝图，而蓝图不能随哦设计的不同阶段不断更新的，采用可编程序控制器很容易做到随时打印出更新后的电路图。
11、易于系统的变化：
可编程序控制器可以重新编程序，所以可以满足所控生产流程频繁变化的要求。
2.3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,但不同厂家的PLC其设置会不同,如OMRON公司生产CPM1A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的型号或相应的输入输出模块。
2、存储容量
存储容量一般指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位，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的存储容量为2048字，三菱的FX2N系列PLC存储容量为8K步。
3、编程语言
不同厂家生产的PLC所用的编程语言不同，而且互不兼容。
一般梯形图和指令表是PLC最常用的编程语言。
目前，PLC编程基本上都在计算机上完成，梯形图以其直观、编程容易而成为主要编程语言，编制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。
但若用手持编程器编程时，要输入指令表语句。
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8K步RAM
298
强
第三节I/O配置
3.1I/O配置（表）
I/O口配置表
节点类型
节点名称
节点作用
输入
X001
机械手位置检测
X002
机械手位置检测
X003
机械手位置检测
X004
机械手位置检测
X005
机械手位置检测
X006
机械手位置检测
X011
刀具号选择
X012
刀具号选择
X013
刀具号选择
X014
刀具号选择
X015
刀具号选择
X016
刀具号选择
输出
Y000
刀具到位指示
Y001
刀盘旋转指示
Y002
刀盘顺转
Y003
刀盘逆转
Y004
换刀闪烁
第四节装配图
4.1机械手与调取刀具示意图
调取当前刀时（图中为1号刀）刀盘不动作。
假设机械手在1号位，调取5号和6号刀时，刀盘顺时针旋转。
假设机械手在1号位，调取2、3、4号刀时，刀盘逆时针旋转。
第五节本系统梯形图
5.1软件流程图
5.2梯形图
续上图
5.3指令表
0LDX011
1MOVK1D0
6LDX012
7MOVK2D0
12LDX013
13MOVK3D0
18LDX014
19MOVK4D0
24LDX015
25MOVK5
30LDX016
31MOVK1D1
36LDX001
37ANIM5
38MOVK1D1
43SETM5
44LDX002
45ANIM5
46MOVK2D1
51SETM5
52LDX003
53ANIM5
54MOVK3D1
59SETM5
60LDX004
61ANIM5
62MOVK4D1
67SETM5
68LDX005
69ANIM5
70MOVK5D1
75SETM5
76LDX006
77ANIM5
78MOVK6D1
83SETM5
84LDM5
85CMPD0D1
92MPS
93ANDM0
94SUBD0D1
101MRD
102ANDM1
103OUTY000
104MRD
105ANDM2
106ADDD0K6
113MPP
114ANDM2
115SUBD2D1
122LDM5
123CMPD3K3
130MPS
131ANDM10
132ANIY000
133ANIM20
134OUTM18
135MRD
136ANDM11
137ANIY000
138ANIM20
139OUTM19
140MPP
141ANDM12
142ANIY000
143ANIM20
144OUTM20
145LDM19
146ORM20
147OUTY002
148LDM18
149OUTY003
150LDY000
151OUTT1K50
154LDY002
155ORY003
156OUTY001
157LDY000
158ANDM8013
159OUTY004
160LDT1
161RSTM5
162END
5.4本系统的详细工作原理
分三种情况考虑：
假设机械手一直在1号位。
1、调取当前当刀号。
机械手在1号刀位（X11闭合），D0＝K1，系统调取当前刀位的刀（X1闭合），D1=K1，两个值相比较，D0=D1，此时，到位指示灯直接亮起，接着换刀成功指示闪烁，表示换刀完成。
2、调取2-4号刀，机械手在1号刀位（X11闭合），D0＝K1，系统调取当2号位的刀（X2闭合），D1=K2，两个值相比较，D0＜D1，此时，D0要先加K6再减D1，（较小数减较大数计算较复杂，所以采用先加上最大数再减）D3再和K3比较，D3＞K3，M10,动作，刀盘逆转。
3、调取5、6号刀，机械手在1号刀位（X11闭合），D0＝K1，系统调取当5号位的刀（X5闭合），D1=K5，两个值相比较，D0＜D1，此时，D0要先加K6再减D1，（较小数减较大数计算较复杂，所以采用先加上最大数再减）D3再和K3比较，D3≤K3，M11/M12,动作，刀盘顺转。
第六节本系统的开发环境
6.1本系统的开发环境
第七节系统的改进
在实际应用中，如果刀库中有多把刀时，可以再加一个电机，在调取刀号和机械手位置较远时，可以两个电机同时工作，以加快调刀、换刀速度。
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，这是我们在进行毕业设计之前对所学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，因此，它在我们大学生活中占有重要的地位。
本次课程设计的课题为刀具库换刀系统，刀盘由PLC（可编程序控制器）控制来实现其功能。
我们在设计中得出了一些理论上数据可能与实际数据有所出入。
设计之前原有刀盘只能单向转动，效率较低并且指示灯设计不合理，对刀成功后没有正确与否的提示。
改进后有对刀成功的指示灯闪烁提示，调取不是当前工位的刀时，系统能根据调取刀号的大小自动选择最佳刀盘转动方向，以提高取刀效率。
但这在现实生活中还不可用。
现实中当调试成功后还应当编写使用说明书做到质量可靠、稳定有保障。
不足之处应在使用中改进升级，最终达到设备安全稳定。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的精心指导下，完成了设计任务。
同时，在老师身上我学到了很多实用的知识，在此我表示感谢！
参考资料
《机电一体化概论》――赵再军主编浙江大学出版社;
《PLC基础及应用》――廖常初主编机械工业出版社;
《电器控制与PLC》――丁学恭主编浙江大学出版社;
《PLC应用开发技术与工程实践》――求是科编著人民邮电出版社;
《可编程控制器系统开发实例导航》――汪晓平等编著人民邮电出版社;
部分资料通过Internet查询所得。
指导教师评语：
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