1、編號無錫太湖學院畢業設計（論文）題目：基于S7-200 PLC的數控機床盤式刀庫控制系統設計 機電系機械工程及其自動化專業學 號： 0823186學生姓名：張天儀指導教師：宋廣雷（職稱：教 授） （職稱： ）2012年5月22日無錫太湖學院本科畢業設計（論文）誠 信 承 諾 書本人鄭重聲明：所呈交的畢業設計（論文） 基于S7-200 PLC的數控機床盤式刀庫控制系統設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，除了在畢業設計（論文）中特別加以標注引用、表示致謝的內容外，本畢業設計（論文）不包含任何其他個人、集體已發表或撰寫的成果作品。 班 級：機械85 學 號：0823186 作者姓名：

2、 張天儀 2012年 5 月 20日無錫太湖學院機 電系 機械工程及其自動化 專業畢業設計論 文任務書一、題目及專題：、 題目基于S7-200 PLC的數控機床盤式刀庫控制系統設計、專題電氣控制與PLC應用 數控編程的應用二、課題來源及選題依據課題來源；1.西門子公司.SIMATIC S7-200可編程控制器2.數控技術在刀具上的應用 選題依據： 西門子公司的SIMATIC S7-200可編程控制器正在向小型化、廉價化、標準化、高速化、智能化、大容量化、網絡化的方向發展，與計算機技術相結合，使用更加方便，相信在數控刀具上大有作為。 三、本設計（論文或其他）應達到的要求：1.內容全面，有圖有文字

3、，表達清晰，說到重點。特別關注如何編寫PLC程序。 2字數在10000字以上。四、接受任務學生：機械85班 姓名 張天儀五、開始及完成日期：自2011年 10 月25 日至2012年5月22 日六、設計（論文）指導（或顧問）：指導教師簽名簽名簽名教研室主任學科組組長研究所所長簽名系主任 簽名2011年10月25日摘 要可編程控制器(PLC)是以微處理器為核心、集微機技術、自動化技術、通信技術于一體的通用工業控制裝置。它具有功能齊全、使用方便、維護容易、通用性強、可靠性好、性能價格比高等特點，已在工業控制的各個領域得到了極為廣泛的應用，成為實現工業自動化的一種強有力工具。本課題研究的內容就是利用

4、PLC技術實現數控機床盤式刀庫控制，設計其電氣控制系統，將最新的控制技術應用到工作過程中，提高盤式刀庫系統的穩定性、可靠性和實時性。本文綜述了PLC控制系統的一般結構；簡述了PLC控制系統設計的原則、內容和步驟。針對該刀庫系統的特點和刀庫性能要求，采用了德國西門子公司S7-200系列中S7-22X作為系統控制器，重點闡述了該系統的硬件、軟件的設計方法，并簡要分析了用計時器實現掉電自保的方法和用實時時鐘功能實現刀庫自動控制的方法。經過運行實踐表明，以PLC控制的系統可靠性和實時性良好，完全滿足系統設計要求，取得了良好的經濟效益。 關鍵詞：可編程控制器  數控機床 刀庫

5、60;AbstractProgrammable Logic Controller (PLC) is a kind of universal industrial control apparatus which is developed rapidly and used widely in recent years, taking microprocessor as its core, integrating microcomputer technology, automation technology and communication technology. It is applied ve

6、ry diffusely in varied field of industrial control with the characteristics such as all-round functions, flexible application, well reliability, high ratio of capability and price and easy maintenance and so on, having become a robust tool to realize industrial automation.The content that this paper

7、 studied is to make use of PLC technology to realize the CNC machine toolof the Disc cutter mud system, design the electric control system, apply the latest control technology to the lathe transform, and improve the stability of the scrape mud system, reliability and real time nature. The paper summ

8、arizes the general structure of PLC control system; puts forward the principle, content and step of PLC control system designing. Siphon blow against the system of soil characteristics and performance requirements Germany adopted a Siemens S7-200 series systems as a S7-22X controller focuses on the

9、system's hardware and software design methods, focuses on the system's hardware and software design methods, Summary and Analysis of the timer used to achieve power-fail and try to keep the real-time clock function for knife library automatic controling.After running, practice shows that the

10、 PLC control system reliability and good real-time, fully satisfy the design requirements, achieved good economic results.  Keywords: Programmable Logic Controller   CNC machine tool  Knife library目 錄摘要IIIAbstract IV1. 緒論11.1加工中心的功用及組成 12.盤式刀庫系統1 2.1加工中心換刀系統 1 2.1.1刀庫類型2 2.1.2換刀方

11、式6 2.1.2.1順序選擇方式6 2.1.2.2刀具編碼方式6 2.1.2.3刀座編碼方式8 2.1.3刀具交換裝置的形式 83.圓盤刀庫的研究12 3.1刀庫換刀常用控制方式12 3.2圓盤式刀庫控制原理12 3.2.1分析盤式刀庫的動作時序12 3.3預選刀具的自動控制134.PLC在刀庫上的應用15 4.1 PLC基本組成15 4.1.1中央處理器15 4.1.2輸入輸出接口16 4.1.2.1輸入接口16 4.1.2.2輸出接口16 4.1.3電源16 4.2 S7-200系列PLC17 4.2.1 CPU22X系列基本單元174.3 STEP 7-Micro/WIN-32編程軟件1

12、8 4.3.1 STEP 7-Micro/WIN-32軟件運行18 4.3.1.1菜單條19 4.3.1.2工具條20 4.3.1.3引導條20 4.3.1.4指令樹21 4.3.1.5輸出窗口21 4.3.1.6狀態欄21 4.3.1.7 編輯器 21 4.3.1.8 局部變量表 214.4數控機床刀庫運動控制設計21完成主要任務 214.4.1.1刀庫的驅動224.4.1.2刀位的控制實現224.4.1.3刀庫的控制原理234.5 控制系統結構 234.6 控制原理 254.7 本章小結 255.盤式刀庫PLC程序的設計26 5.1 盤式刀庫的特點 265.1.1刀庫編號265.1.2刀位

13、管理與換刀265.1.3刀庫位置確認265.1.4換刀方式265.1.5換刀信號265.2 換刀動作的分析 265.3 刀庫的動作監控及互鎖 27 5.4 換刀過程用到的PLC指令275.5 本章小結 306.結論與展望31 6.1 結論 31 6.2 不足之處和未來展望 31參考文獻 32附錄 331緒論1.1加工中心的功用及組成加工中心（如圖1.1）是一種高效數控加工機床，一臺加工中心可完成由幾臺普通數控機床才能完成的工作。其特點是被加工零件只經過一次安裝，就可以連續地對工件各個表面自動進行車削、銑削、鉆削、擴孔、鉸孔、鏜孔、攻絲、等多工步的加工，工序高度集中。這種機床一般具有刀庫和自動換

14、刀裝置、回轉工作臺或分度工作臺，也有采用雙工作臺形式，在加工過程中能自動地進行刀具更換工作，以滿足不同工序加工的需要。加工中心按機床結構的不同可以分為車削中心和銑削中心，其中銑削中心又分為立式加工中心和臥式加工中心，圖1.1是VMC1100立加工中心外型圖。 圖1.1 VMC1100立式加工中心1- 立柱部件；2-主軸箱部件；3-工作臺床鞍部件；4-刀庫部件；5-操作面板；6-床身部件；7-冷卻系統；2.盤式刀庫系統2.1加工中心換刀系統加工中心有一個專作儲存刀具用的刀庫如圖1.1中的4，當需要用某一刀具進行切削加工時，將該刀具自動地從刀庫移動到刀具主軸上；切削完畢后，又將用過的刀具自動的從刀

15、具主軸上移回刀庫中。由于換刀過程中刀具需在各部件之間進行轉換，所以各部件的動作必須準確協調。刀庫中刀具的數目根據機床的結構布局不同而不同。刀庫布置在遠離加工區的地方，從而消除了它與其它部件相干涉的可能性。刀庫不能承受切削加工的作用力，否則容易引起刀庫變形，從而影響換刀的準確性。機床的主軸或刀架尺寸不受限制，這樣可以提高主軸或刀架部件的剛度，從而有利于提高機床的加工精度。采用這種自動換刀方式的刀具主軸需要有刀具的自動夾緊、放松機構及其驅動傳力機構。另外，還要求有清潔刀柄、刀孔及刀座的裝置,因而結構較復雜，換刀時間一般較長。其換刀動作包括：一個工序加工完畢以后，按照數控系統的指令，刀具快速退離工件

16、，從加工位置退到換刀位置（同時主軸準停）；進行前后工序刀具的交換；然后松開主軸（消除準停）、變速、主軸起動旋轉并快速趨近加工位置，用更換的新刀具開始下一工序的加工。2.1.1刀庫類型刀庫是自動換刀裝置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具體結構隨機床結構的不同而不同。加工中心刀庫主要有表2-1中所示的形式及它們的特點、適用范圍。表2-1 常用刀庫類型類型簡圖特點適用范圍鼓輪式刀庫圖a為徑向取刀式圖b為軸向取刀式圖c為刀具在取刀位置可轉動90°，置于立式加工中心的主軸側面，可與主軸直接進行刀具交換，使換刀結構簡單，換刀時間短。因結構簡單緊湊，應用較多；但因刀具單環排列，空間利用率低，大

17、容量的刀庫外徑比較低大，轉動慣量大，選刀時間長，因此這種刀庫形式較適用于刀庫容量小的場合占地面積大，刀庫位置受限制，但將它置于臥式主軸的機床頂部，不妨礙操作，并且可用一單臂雙手機械手對主軸直接進行換刀，換刀時間短，結構簡單。便于根據機床總布局要求安排刀庫的位置，刀庫容量不宜過大。類型簡圖特點適用范圍鼓輪式刀庫刀庫空間利用率高，占地面積小，結構緊湊；但裝取刀運動機構、刀庫結構都較復雜適用于大刀庫容量的場合，一般為60把以上的刀庫鼓輪彈夾式適用于刀庫置于機床立柱頂部，刀具容量較大的場合多層鼓輪式圖a刀具軸線與刀庫旋轉軸線平行，徑向裝、取刀具。輕型刀具裝在上盤，重型刀具裝在下盤圖b為刀具軸線垂直于刀

18、具旋轉軸線適用于刀具容量要求較大的換刀裝置鏈式刀庫結構緊湊，刀庫容量可以較大，鏈環可根據機床的總體布局要求配置成適當形式以利于換刀機構的工作。通常為軸向取刀。位置精度不高。在刀庫容量很大時，可采用多環鏈式刀庫（圖b）。它外形更緊湊，占用空間更小，選刀時間短適用于刀庫容量較大的場合。在增加刀庫容量時，可增加鏈條長度，而不增加鏈輪直徑，因而鏈輪的圓周速度不增加，刀庫的運動慣量不象鼓輪式刀庫增加那樣多。類型簡圖特點適用范圍格子箱式刀庫結構緊湊，刀庫空間利用率高。換刀時間較長。小直徑刀具為軸向取刀，大直徑刀具為徑向取刀布局不靈活，通常刀庫安置在工作臺上，應用較少直線式刀庫刀庫容量小，一般在十幾把刀左右

19、多用于自動換刀的數控車床，數控鉆床也有采用2.1.2 選刀方式按數控裝置的刀具選擇指令，從刀庫中挑選各工序所需要刀具的操作，稱為自動換刀。目前，刀具的選刀方式主要有以下三種。2.1.2.1 順序選擇方式刀具的順序選擇方式是將刀具按加工工序的順序，依次放入刀庫的每一個刀座內。每次換刀時，刀庫按順序轉動一個刀座的位置，并取出所需要的刀具。已經使用過的刀具可以放回原來的刀座內，也可以按順序放入下一個刀座內。采用這種方式的刀庫，不需要刀具識別裝置而且驅動控制比較簡單，可以直接由刀庫的分度機構來實現。因此刀具的順序選擇方式具有結構簡單，工作可靠等優點。但由于刀庫中的刀具在不同的工序中不能重復使用，因而必

20、須相應地增加刀具的數量和刀庫的容量，這樣就降低了刀具和刀庫的利用率。此外，人工的裝刀操作必須十分謹慎，一旦刀具在刀庫中的順序發生差錯，將會造成嚴重事故。2.1.2.2 刀具編碼方式刀具的編碼選擇方式采用了一種特殊的刀具結構，并對每把刀具進行編碼。換刀時通過編碼識別裝置、根據程序的換刀指令代碼，在刀庫中尋找出所需要的刀具。由于每把刀具都有自己的代碼，因而刀具可以放入刀庫中任何一個刀座中，這樣不僅刀庫中的刀具可以在不同的工序中多次重復使用，而且換下來的刀具也不必放回原來的刀座，這對裝刀和選刀十分有利，刀庫的容量也可以相應地減少，而且還可以避免由于刀具在刀庫中放置順序的差錯所造成的事故。圖1.2為編

21、碼刀柄的示意圖。在刀桿尾部的拉緊螺桿3上套著一組等間隔的編碼環1，并由鎖緊螺母2將它們固定。編碼環的外徑有大小兩種不同的規格，每個編碼環的高低分別表示2進制的"1"和"0"。通過對兩種圓環的不同排列，可以得到一系列的代碼。例如圖1.3所示的7個編碼環，就能區別127種刀具。通常全部為0的代碼是不允許使用的，以避免與刀座中沒有刀具的狀況相混淆，便于操作者的記憶和識別，也可以使用二 八進制編碼來表示。圖2.2編碼刀柄示意圖1-編碼環；2-鎖緊螺母；3-拉緊螺桿；在刀庫上設有編碼識別裝置。當刀庫中帶有編碼環的刀具依次通過編碼識別裝置，編碼環的高低就能使相應的觸

22、針讀出每一把刀具的代碼。如果讀出的代碼與程序中選擇刀具的代碼一致時，就發出信號使刀庫停止回轉。這樣加工所需要的刀具就準確地停留在取刀位置上，然后由機械手從刀庫中將刀具取出。編碼識別裝置分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式編碼識別裝置如圖2.3所示。它通過觸針4來識別編碼環的大小，再通過識別器5來得到識別。它結構簡單、可靠性較差，壽命較短，而且不能快速選刀。非接觸式編碼識別裝置又分為磁性和光電識別兩種方式。磁性識別方式(如圖1.4所示，它是利用磁性材料和非磁性材料磁感應的強弱不同通過感應線圈讀取代碼。編碼環分別由軟鋼和黃銅(或塑料)制成，非導磁性材料編碼環代表編碼"1"，導磁性材

23、料編碼環代表編碼"0"。將它們按規定的編碼排列，安裝在刀柄的前端。當編碼環通過線圈時，只有對應于軟鋼圓環的那些繞組才能感應出高電位，而其余繞組則輸出低電位。然后，再通過識別電路選出所需要的刀具。磁性識別裝置沒有機械接觸和磨損，因此可以快速選刀，而且具有結構簡單，工作可靠，壽命長和無噪聲等優點。圖2.4非接觸式識別裝置對數碼環識別1-刀柄；2-非導磁性材料編碼環；3-導磁性材料編碼環；4-非接觸式識別器；圖2.3 接觸式編碼識別裝置1、2、3-編碼環；4-觸針；5-接觸式識別器；光電識別方法是近年來出現的一種新嘗試。其原理如圖1.5所示。鏈式刀庫帶著刀座1和刀具2依次經過刀具

24、識別位置I，在這個位置上安裝投光器3，通過光學系統將刀具的外形及編碼環投影到由光敏元件組成的屏板5上形成了刀具圖樣。裝刀時，屏板5將每一把刀具的圖樣轉換成對應的脈沖信息，經過處理將代表每一把刀具的"信息圖形”記入貯存器。選刀時，當某一把刀具在識別位置出現的"信息圖形"與存貯器內指定的刀具"信息圖形"相一致時，便發出信號，使刀具停在換刀位置上，由機械手4將刀具取出。這種識別系統不但能識別編碼還能識別圖樣，因此給刀具的管理帶來了方便。但由于該系統的價格昂貴，所以限制了它的使用。圖2.5光電識別原理1-刀座；2-刀具；3-投光器；4-機械手；5-屏板

25、；2.1.2.3 刀座編碼方式刀座編碼方式是對刀庫的刀座進行編碼并將與刀座編碼相對應的工具一一放入指定的刀座中，然后根據刀座的編碼選取刀具。由于這種編碼方式取消了刀柄中的編碼環，使刀柄的結構大為簡化。因此，刀具識別裝置的結構就不受刀柄尺寸的限制，而且可以放在較為合理的位置。采用這種編碼方式時，當操作者把刀具放入與編碼不符的刀座內時，仍然會造成事故。而且在刀具自動交換過程中，必須將用過的刀具放回原來的刀座內，從而增加了刀座的復雜性。與順序選擇方式相比較，刀座編碼方式最突出的優點是刀具可以在加工過程中重復多次使用。刀座編碼方式可分為永久性編碼和臨時性編碼兩種。一般情況下，永久性編碼是將一種與刀座號

26、相對應的刀座編碼板安裝在每個刀座側面，它的編碼是固定不變的。另一種臨時性編碼，也稱為鑰匙編碼，它與前者有較大區別。它采用了一種專用的代碼鑰匙，如圖2.6，編碼時先按加工程序的規定給每一把刀具系上表示該刀具號碼的代碼鑰匙。在刀具任意放入刀座的同時，將相對應的代碼鑰匙插入該刀座旁的鑰匙孔內。通過鑰匙把刀具的代碼轉記到該刀座上，從而給刀座編上了代碼。圖2.6刀座臨時性編碼原理1-無齒部分；2、5-接觸片；3-有齒部分；4-定位孔；將鑰匙插入鑰匙孔座，然后順時針方向旋轉90°，處于鑰匙有齒部分3的接觸片2被撐起，表示代碼"1"，處于無齒部分1的接觸片5保持原狀，表示代碼&

27、quot;0"。刀庫上裝有數碼讀取裝置，它由兩個排成180°的碳刷組成。當刀庫轉動選刀時，鑰匙座孔的兩排接觸片依次地通過碳刷，依次讀出刀座的代碼，直至尋找出所需要的刀具。這種編碼方式稱為臨時性編碼是因為在更換被加工零件時，取出刀座中的刀具之后，刀座原來的編碼隨著編碼鑰匙的取出而消失。因此這種方式具有更大的靈活性，各個工廠可以對大量刀具中的每一種用統一的固定編碼，這對于程序編制和刀具管理都十分有利，而且在刀具放入刀座時，不容易發生人為差錯，但鑰匙編碼方式仍然必須把用過的刀具放回原來的刀座中，這是它的主要缺點。2.1.3 刀具交換裝置的形式數控機床的自動換刀裝置中，實現刀庫與機

28、床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式通常分為由刀庫和機床主軸的相對運動實現刀具交換和采用機械手交換刀具兩類。刀具的交換方式和它們的具體結構對機床的生產率和工作可靠性有著直接的影響。利用刀庫與機床主軸的相對運動實現刀具交換的裝置此裝置在換刀時必須首先將用過的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具，這兩個動作不可能同時進行，因此換刀時間較長。圖2.7所示的數控立式加工中心就是采用這類刀具交換方式的實例。它的刀庫1安裝在機床主軸箱2的左側，當某一把刀具加工完畢從工件上退出后，即開始換刀。圖2.7 刀庫與機床主軸的相對運動換刀1-刀庫；2-主軸箱其刀具交換順序如下:按照指令，

29、主軸箱移動到與刀庫高度相應的位置，同時刀庫回轉，使刀庫的某個空刀座恰好對準主軸上刀柄的V形槽。刀庫右移，刀座中的彈簧機構卡入刀柄的V形槽中。主軸箱內的夾緊裝置放松，使主軸上用過的刀具回刀庫的空刀座中。主軸箱上升，刀庫同時旋轉，將下一工步需要的刀具對準主軸。主軸箱下降，將下一工步需要的刀具插入機床的主軸，同時主軸箱內的夾緊裝置夾緊。刀庫快速向左返回，將刀庫從主軸下面移開，進行下一工序的加工。 這種自動換力裝置只有一個刀庫，不需要其它裝置，結構極為簡單，然而換刀過程卻較為復雜。每交換一次刀具，刀庫和主軸箱就必須作兩次往復運動，因而增加了換刀時間。 刀庫機械手的刀具交換裝置采用機械手進行刀具交換的方

30、式應用得最為廣泛，這是因為機械手換刀具有很大的靈活性，而且可以減少換刀時間。在各種類型的機械手中，雙臂機械手換刀集中體現了以上的優點。在刀庫遠離機床主軸的換刀裝置中，除了機械手外，還必須帶有中間搬運裝置。雙臂機械手換刀的幾種常見結構如圖2.8所示，它們分別是鉤手2-8a，抱手2-8b，伸縮手2-8c和擦手2-8d，這幾種機械手能夠完成抓刀、拔刀、回轉、插刀以及返回等全部動作。為了防止刀具掉落，各種機械手的活動爪都必須帶有自鎖機構。由于雙臂回轉機械手 (圖2.8a、b、c)的動作比較簡單，而且能同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫中的刀具，因此換刀時間可以進一步縮短。圖2.8雙臂機械手換刀圖2.9是雙刀

31、庫機械手換刀裝置，其特點是用兩個刀庫和兩個單臂機械手進行工作，因而機械手的工作行程大為縮短，有效地節省了換刀時間，還由于刀庫分設兩處而使布局較為合理。圖2.9 雙刀庫機械手換刀1-刀庫I；2-主軸；3-刀庫II；根據各類機床的需要，加工中心所使用刀具的刀柄主要有圓柱形和圓錐形兩種。為了使機械手可靠地抓取刀具，刀具必須有合理的夾持部分，而且應當盡可能使刀柄標準化，圖2.0是常用的兩種刀柄結構。V型槽夾持結構中機械手爪的形狀和V型槽能很好地吻合，使刀具能準確地保持軸向和縱向位置，從而提高了裝刀的重復精度。法蘭盤夾持結構(圖2.0b)適用于鉗式機械手裝夾。這是由于法蘭盤的兩邊可以同時伸進鉗口。因此，

32、在使用中間輔助機械手時，能夠方便地將刀具從一個機械手傳遞到另一個機械手(如圖2.1所示)。這種自動換刀裝置的刀庫可儲存較多的刀具。自動換刀時，機械手把機床主軸上已用過的刀具送回刀庫，同時從刀庫上取下下一工步所需刀具送往主軸，因而換刀時間短，適于加工各種較復雜的工件，其加工效率高。圖2.1中間輔助機械手圖2.0刀柄夾持結構3 圓盤刀庫的研究這幾年來, 由于機械制造產業的不斷發展, 數控加工控制技術得到了迅速的普及和應用, 而其中帶有自動換刀裝置, 能在一次裝夾中就完成銑、鏜、鉆、擴等多種工序的加工中心更是占據了數控機床中的主導地位。自動換刀裝置是保證加工中心多道工序加工的基本條件, 其主要作用在

33、于減少加工過程中的非切削時間, 提高生產效率, 降低生產成本, 從而提升機床甚至整個生產線的生產力。因此, 加工中心自動換刀系統性能的好壞能直接影響到數控機床加工效率的高低。圓盤式刀庫使用機械刀臂換刀，特點是速度快。因為其動作是：機械手臂同時拔出刀庫中及主軸上的刀具旋轉180°同時插入刀具。優點是換刀速度快，裝刀量大（可達40把，普通常見24、16把）。缺點是容易出現故障，這是矛盾的地方，越好用的東西越復雜，但越復雜的東西越容易出故障（故障點多了）。下圖是幾種圓盤式刀庫的形狀3.1 刀庫換刀常用控制方式換刀方式主要有固定換刀和隨機換刀。前一種方式刀庫的刀套號和刀具號始終一致; 而后一

34、種方式,刀套號和刀具號在換刀過程中不一致。固定換刀方式(機械手, 無刀具預選功能)。無論換刀次數是多少, 刀套號與刀具號始終一一對應, 如N號刀套中始終是N號刀。這種換刀方式換刀時間較長, 適用于刀具容量較少的小型加工中心。由于無刀具預選, 必須先歸還舊刀再換新刀, 刀庫無機械手, 用Z 軸運動進給, 換刀時間較長。隨機換刀(有機械手, 可實現刀具預選)。刀具號與刀套號不一一對應, 系統有相應的刀具表隨時記憶刀具使用情況, 刀具表中刀套號是固定的, 而刀具號則隨刀具的交換隨時更新。例如在刀具表初始化后, N號刀套中是N號刀, 但只要產生刀具交換,則刀具表隨之進行數據交換(需在梯形圖中處理并設定

35、相應的數據表)。此方法換刀時間短, 適用于盤式、鏈式與箱式換刀系統。3.2圓盤式刀庫控制原理圓盤式刀庫是ATC 隨機換刀的典型形式之一,通過凸輪機構來完成整個換刀過程。換刀的動作過程快速且準確可靠, 是一種常采用的刀庫形式。在換刀控制時, 通常可以將刀具交換分為兩個步驟, 先調用T xx指令, 主要搜索刀庫中的刀具, 再使用M06指令完成刀具的交換, 使主軸上更換新的刀具。因此, 刀具交換實際上就是指搜索刀具和交換目標刀具兩個動作節拍。隨機換刀只對刀具進行編碼而不對刀套進行編碼, 刀具在刀庫中的位置是隨機的。理想的隨機換刀控制通常包括圓盤式刀庫PMC 用戶程序和NC宏程序(大直徑選刀、換刀程序

36、)兩部分。PMC 用戶程序和NC宏程序共同根據T 碼完成搜索刀庫中的刀具、進行刀具交換的整個過程。FANUC 0iMC數控系統的NC宏程序可以通過讀取、運用系統變量將宏程序中大小直徑刀具交換的條件狀態位作為換刀宏程序判斷跳步執行的條件, 通過用戶宏程序和PMC之間的信號應答, 非常容易地實現大小直徑刀具的隨機換刀與固定換刀方式選擇。3.2.1分析盤式刀庫的動作時序在未換刀前，刀庫數刀及定位限位開關應閉合；回刀信號的磁簧開關應閉合；換刀臂的原位開關應閉合；換刀電機停止檢測開關應閉合。當機床發出刀庫換刀指令1 時，刀庫分度電機開始旋轉(為正轉或反轉就近選刀)刀庫計數開關開始計數。當刀庫計數開關發出

37、計數正確及刀庫定位信號2 后，使分度機構電機停止旋轉。經過一段時間機床發出倒刀電磁閥得電信號3 ，倒刀氣缸縮回，使回刀磁簧開關斷開，倒刀磁簧開關閉合，發出倒刀定位信號4 。再經過一段時間(大約0.10.25s，目的在使倒刀氣壓缸內氣壓充足，換刀臂抓刀時才不會造成刀套的輕微晃動)，機床發出換刀電機旋轉信號5，換刀臂旋轉，使機械臂原點和電機停止開關斷開。機械臂旋轉到一定位置，接通電機停止信號6 ，電機停止旋轉；機械臂開始扣刀，扣刀確認信號7 閉合，同時主軸夾爪松開。主軸夾爪松開后，機床發出換刀電機旋轉信號8 ，換刀臂旋轉扣刀和換刀電機停止開關斷開。機械臂在換刀電機帶動下旋轉180°后，接

38、通電機停止信號9 ，電機停止旋轉；機械臂開始扣刀，扣刀確認信號10 閉合。主軸進行拉刀和夾緊后，機床發出換刀電機旋轉信號11 ，換刀臂旋轉扣刀和換刀電機停止開關斷開。機械臂在換刀電機帶動下旋轉0°后，接通電機停止信號12 ；電機停止旋轉，同時接通原點確認信號13 ，倒刀電磁閥失電。機床發出回刀電磁閥得電信號14 ，倒刀氣缸伸出，使倒刀磁簧開關斷開，回刀磁簧開關閉合，發出回刀定位信號15 ，經過一定時間后，回刀電磁閥失電。換刀動作完成。3.3 預選刀具的自動控制刀庫刀具交換的PMC控制程序設計主要考慮搜索目標刀具在刀庫上的刀套位置、刀庫旋轉方向(目標刀套最短路徑) 的判別, 從而完成目

39、標刀具的搜索, 為刀具交換作準備。所有刀具直徑都不超過100 mm 為通常的標準狀態, 采用隨機換刀。個別刀具(如盤刀、大刀體鏜刀) 直徑超過100 mm, 這把刀就不能參與其他小直徑刀具的隨機換刀工作過程(可能產生刀位干涉),對這類刀具的自動交換必然要作出特殊處理。其方法是: 將刀庫存儲刀具的區域分為兩部分, 一部分為多數的正常刀具區, 仍然采用隨機方式換刀; 另一部分為極少數的大直徑刀具區域, 采用固定刀位方式換刀(刀具取出、存入都是同一刀位, 不允許放入刀庫的其他刀位)。系統可通過宏程序T 指令判斷使用隨機換刀方式還是使用隨機換刀+ 固定位置換刀的混合方式。具體刀庫選刀宏程序流程圖如圖3

40、.1所示。圖3.1 刀庫選刀宏程序流程圖FANUC 0i-MC使用SB7 類型PMC, 應用數據檢索指令( DSCH ) 完成對目標刀具所在刀套號的搜索; 用回轉控制指令( ROT ) 解決刀庫旋轉最短路徑的判別; 用比較指令( COMPB) 解決大小直徑刀具的判別, 這樣就可以比較容易簡化一些復雜的判別和邏輯控制的程序。4PLC在刀庫上的應用可編程控制器PLC(Programmable Logic Controller)是一種通用控制裝置，是采用微電腦技術制造的自動控制設備。它將傳統的繼電器控制技術、計算機控制技術和通信技術融為一體，以順序控制為主，回路調節為輔，能實現邏輯判斷、定時、記憶和

41、算術運算等功能。PLC及其網絡技術廣泛地應用到工業自動化控制之中，集三電于一體，具有較好的控制精度和高可靠性，成為現代工業工業自動化的支柱。機床功能部件刀庫隨著國內機床行業的發展而發展。國外的大型刀庫雖然功能強大但是價格昂貴，因此我公司投入了大型刀庫的研制。由于研制的大型刀庫比普通刀庫的結構復雜，為了節約設計成本，采用PLC和觸摸屏來對系統進行控制。4.1 PLC基本組成PLC基本組成包括中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出接口（縮寫為I/O，包括輸入接口、輸出接口、外部設備接口、擴展接口等）、外部設備編程器及電源模塊組成，見圖4.1。PLC內部各組成單元之間通過電源總線、控制總線、地址總

42、線和數據總線連接，外部則根據實際控制對象配置相應設備與控制裝置構成PLC控制系統。圖4.1PLC的基本組成4.1.1中央處理器中央處理器（CPU）由控制器、運算器和寄存器組成并集成在一個芯片內。CPU通過數據總線總線、地址總線、控制總線和電源總線與存儲器、輸入輸出接口、編程器和電源相連接。小型PLC的CPU采用8位或16位微處理器或單片機，如8031、M68000等，這類芯片價格很低；中型PLC的CPU采用16位或32位微處理器或單片機，如8086、96系列單片機等，這類芯片主要特點是集成度高、運算速度快且可靠性高；而大型PLC則需采用高速位片式微處理器。CPU按照PLC內系統程序賦予的功能指

43、揮PLC控制系統完成各項工作任務。4.1.2 輸入輸出接口輸入輸出接口是PLC與工業現場控制或檢測元件和執行元件連接的接口電路。PLC的輸入接口有直流輸入、交流輸入、交直流輸入等類型；輸出接口有晶體管輸出、晶閘管輸出和繼電器輸出等類型。晶體管和晶閘管輸出為無觸點輸出型電路，晶體管輸出型用于高頻小功率負載、晶閘管輸出型用于高頻大功率負載；繼電器輸出為有觸點輸出型電路，用于低頻負載。4.1.2.1 輸入接口輸入接口用于接收和采集兩種類型的輸入信號，一類是由按鈕、轉換開關、行程開關、繼電器觸頭等開關量輸入信號；另一類是由電位器、測速發電機和各種變換器提供的連續變化的模擬量輸入信號。如圖4.2所示的直

44、流輸入接口電路為例，R1是限流與分壓電阻，R2與C構成濾波電路，濾波后的輸入信號經光耦合器T與內部電路耦合。當輸入端的按鈕SB接通時，光耦合器T導通，直流輸入信號被轉換成PLC能處理的5V標準信號電平（簡稱TTL），同時LED輸入指示燈亮，表示信號接通。微電腦輸入接口電路一般由寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路組成，這些電路集成在一個芯片上。交流輸入與交直流輸入接口電路與直流輸入接口電路類似。圖4.2 直流輸入接口電路4.1.2.2 輸出接口輸出接口電路向被控對象的各種執行元件輸出控制信號。常用執行元件有接觸器、電磁閥、調節閥（模擬量）、調速裝置（模擬量）、指示燈、數字顯示裝置和報警裝置等。輸

45、出接口電路一般由微電腦輸出接口電路和功率放大電路組成，與輸入接口電路類似，內部電路與輸出接口電路之間采用光電耦合器進行抗干擾電隔離。微電腦輸出接口電路一般由輸出數據寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路集成在芯片上，CPU通過數據總線將輸出信號送到輸出數據寄存器中，功率放大電路是為了適應工業控制要求，將微電腦的輸出信號放大。4.1.3 電源PLC的電源將外部供給的交流電轉換成供CPU、存儲器等所需的直流電，是整個PLC的能源供給中心。PLC大都采用高質量的工作穩定性好、抗干擾能力強的開關穩壓電源，許多PLC電源還可向外部提供直流24V穩壓電源，用于向輸入接口上的接入電氣元件供電，從而簡化外圍配置。

46、4.2S7-200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化控制的需要。由于具有緊湊的設計、良好的擴展性、低廉的價格及強大的指令系統，使得S7-200可以近乎完美地滿足小規模的控制要求。此外，豐富的CPU類型和電壓等級使其在解決用戶的工業自動化問題時，具有很強的適應性和可選擇性。 圖4-3 主機與計算機連接上圖4-3是典型的單主機連接示意圖。S7-200 CPU22X系列PLC，是S7-200 CPU21X系統的替代產品，由于它具有多種功能模塊和人機界面可供選擇，因此很容易組成PLC網絡。在這里以CPU22X為重點進行介紹。4.2.1 CPU22X系列基本單元近幾年西

47、門子公司推出的S7-200 CPU22X系列產品有：CPU221模塊、CPU222模塊、CPU224模塊、CPU226模塊、CPU226XM模塊。S7-200 CPU22X系列產品的主要性能如表4.1所示，供用戶在進行系統設計時查詢。CPU22X系列產品指令豐富、速度快、具有較強的通信能力。例如，CPU226模塊的I/O總數為40點，其中輸入點24點，輸出點16點；可帶7個擴展模塊；用戶程序存儲器容量為8KB；內置高速計數器，具有PID控制器的功能；有2個高速脈沖輸出端和2個RS-485通信口；具有PPI通信協議、MPI通信協議和自由口協議的通信能力；運行速度快、功能強，適用于要求較高的中小型

48、控制系統。表4.1 S7-200 CPU系列產品的主要性能表特征CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226外形尺寸（mm）90×80×6290×80×62120.5×80×62140×80×62190×80×62程序存儲區：運行模式下編輯非運行模式下編輯4096字節4096字節4096字節4096字節8192字節12288字節12288字節16384字節16384字節24576字節數據存儲區2048字節2048字節8192字節10240字節10240字節掉電保護時間50小時

49、50小時100小時100小時100小時本機數字量I/O本機模擬量I/O6入/4出無8入/6出無14入/10出無24入/10出6入/4出24入/16出無數字I/O映像區256（128入/128出）模擬I/O映像區無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68141424擴展模塊數量0個模塊2個模塊7個模塊7個模塊7個模塊高速計數器單相兩相總共4個4路30kHz2路20kHz總共4個4路30kHz2路20kHz總共6個6路30kHz4路20kHz總共6個4路30kHz2路200kHz3路20kHz1路100kHz總共6個6路30kHz4路

50、20kHz脈沖輸出（DC）2路20kHz2路20kHz2路20kHz2路100kHz2路20kHz模擬電位器1個（8位分辨率）2個（8位分辨率）實時時鐘配時鐘卡配時鐘卡內置內置內置RS-485通信口11122布爾指令執行速度0.22s/指令浮點數運算有4.3STEP 7-Micro/WIN-32編程軟件STEP 7-Micro/WIN-32是應用于S7-200系列PLC的編程軟件，可在32位Windows操作系統下運行。它功能強大，為用戶開發、編輯和監控自己的應用程序提供了良好的編程環境。它是西門子S7-200用戶不可缺少的開發工具。4.3.1STEP 7-Micro/WIN-32軟件運行軟件

51、安裝后，重啟計算機，在桌面上會出現一個快捷方式圖標,鼠標雙擊該圖標,即可打開STEP 7-Micro/WIN-32編程軟件。主界面如圖4-4。 軟件界面主要包括引導條（快捷操作窗口）、菜單條（包括8個主菜單項）、指令樹（快捷操作窗口）、工具條（快捷按鈕）4個分區，另外還有輸出窗口、狀態條、程序編輯器和局部變量表等窗口（可以同時或分別打開5個用戶窗口），除菜單條外，用戶可根據需要決定其他窗口的取舍和樣式的設置。圖4-4 編程軟件主界面4.3.1.1菜單條菜單條可以使用鼠標單擊或進行相應熱鍵操作。主菜單單項功能如下：（1） 文件（File） 執行“文件（File）”菜單命令，可以進行文件的相關操作。如新建、打開、關閉、保存文件，上傳和下載程序，打印設置、打印文件、文件打印預覽等操作。（2） 編輯（Edit）執行“編輯（Edit）”菜單