基于PLC的刀庫換刀控制系統設計目錄摘要 IAbstract II1、前言 11.1研究背景 11.2自動刀架的種類及發展趨勢 11.2.1刀架的種類 11.2.2自動刀架的發展趨勢 31.3可編程序邏輯控制器（PLC）概述 41.3.1PLC的結構 41.3.2PLC的硬件 51.3.3PLC的主要特點 62、刀架結構原理分析 12.1刀架的原理分析 12.2刀架主電路分析 22.3刀架電機弱電路回路 32.4PLC系統控制及分析 33、加工中心自動換刀裝置的硬件設計 43.1可編程控制器（PLC）的選型 43.2硬件設備的選型 53.2.1精定位開關 53.2.2刀庫電機選型 53.2.3接觸器 63.2.4熱繼電器 73.3其它信號接口電路 73.3.1編碼器接口電路 73.3.2超程限位開關信號輸入電路 73.3.3緊急停止信號 83.4加工中心刀具庫的I/O資源配置 93.4.1刀具庫I/O點分配 93.4.2刀具庫I/O外部接線圖 94、自動換刀裝置系統的軟件設計 114.1編程方法的選擇 114.2自動換刀系統的PLC程序設計 124.3上下位監控系統設計 144.3.1組態軟件介紹 144.3.2通用MCGSPC機界面設計 154.3.3MCGS監控系統與PLC通信 154.3.4仿真調試過程及其結果 16結論 20參考文獻 21附錄 241、前言1.1研究背景本次設計的題目是加工中心自動換刀裝置的設計。在機械制造業中，加工中心配置自動換刀裝置對改進產品質量、提高生產率和改善勞動條件等方面已經發揮了重要的作用，針對現有加工中心的自動換刀裝置進一步減少換刀時間，提高刀庫定位精度。刀庫式換刀裝置有一個存儲刀具的刀庫，機床只需一個夾持刀具進行切削的刀具主軸（鉆，膛，銑類機床）或刀架（車床類機床）。自動換刀系統是數控機床的重要組成部分。刀具夾持元件的結構特性及它與機床主軸的聯絡方式，將直接影響機床的加工性能。數控加工中心換刀效率的高低，主要取決于是刀庫中刀具的容量大小以及換刀動作的準確性。利用刀庫換刀，是目前加工中心中大量使用的換刀方式。刀庫結構形式及刀具交換裝置的工作方式，則會影響機床的換刀效率。在刀庫定位問題上，最后配置更優化的可編程控制器等模塊，程序控制采用模塊化設計方法，這對今后生產類似機床將十分有利很容易將其利用到其他機床上。本文的PLC加工中心自動換刀裝置在加工復雜零件的過程中，可以做到多工序連續換刀，工序相對集中，同時減少多次安裝造成的重復定位誤差，提高了加工精度。（在本設計中主要分析選刀系統以及送刀系統，機械手控制部分不多做分析。）1.2自動刀架的種類及發展趨勢1.2.1刀架的種類按換刀方式的不同，數控車床的刀架系統主要有回轉刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式，下面對這三種形式的刀架作簡單的介紹。（1）排式刀架排式刀架一般用于小規模數控車床，以加工棒料為主的車床較為常見。其結構形式為：夾持著各種不同用途刀具的刀夾沿著機床的X坐標軸方向排列在橫向滑板上。這種換刀方式迅速省時，有利于提高機床的生產效率。圖1.1排式刀架（2）回轉刀架?；剞D刀架是數控車床最常用的一種典型換刀刀架，一般通過液壓系統或電氣來實現機床的自動換刀動作。回轉刀架的換刀動作可分為刀架抬起、刀架轉位和刀架鎖緊等幾個步驟[[]徐二當.談數控車床刀架系統故障維修[J].中國高新技術企業.2008(10)][]徐二當.談數控車床刀架系統故障維修[J].中國高新技術企業.2008(10)（3）帶刀庫的自動換刀裝置。這種系統的換刀過程是先將主軸上用過的刀具取下放回車庫，然后根據選刀指令將刀庫中的代用刀具選好后交換到主軸上。帶刀庫的自動換刀裝置由刀庫和刀具交換機構組成。圖1帶刀庫自動換刀系統（4）動力刀架如圖2所示為適用于車削中心機床的動力轉塔刀架，其刀盤上既可以安裝各種非動力輔助刀夾夾持刀具進行加工，也可以安裝動力刀夾夾持刀具進行主動切削，完成橫向鉆孔及攻螺紋、端面鉆孔及攻螺紋、銑平面、銑鍵槽、銑扁方等各種復雜工序，實現加工自動化、高效化[[]聶福全.數控車床電動刀架換刀故障分析[J].設備管理與維修.2006(01)][]聶福全.數控車床電動刀架換刀故障分析[J].設備管理與維修.2006(01)圖1.2動力轉塔刀架1.2.2自動刀架的發展趨勢本文所涉及到的數控刀架并不包括動力型轉塔刀架，其發展趨勢主要表現在:（1）換刀更加迅速平穩隨著新結構、新材料、新電機技術的不斷研究以及伺服電機驅動性能的提升，新型的刀架在換刀時間會有更大的突破，換刀過程將會向無聲、無振動發展[[]宋胄.經濟型數控車床自動回轉刀架的故障分析及排除[J].機械工程師.2006(12)][]宋胄.經濟型數控車床自動回轉刀架的故障分析及排除[J].機械工程師.2006(12)（2）定位更精確隨著加工技術的改進，精度更高的端齒盤將會減小定位誤差:另外，新型的精定位裝置出現并取代端齒盤，這將使定位更精確。定位精度要求高，一般要求工位目標位置重復定位精度在，刀槽的工作位置定位精度在0.03-0.05。先進工藝用浮硬齒面對研，重復定位精度可高達另外，刀盤加工趨向用淬火硬磨削，以獲得刀槽精度的長期保持性及高的剛度。（3）結構更簡單新型的直接驅動技術應用于數控刀架，將會大大減少結構零件數量，提高可靠性，必將成為下一代數控刀架的主流。為了克服刀盤高速轉位引起的慣性沖擊，使用恰當的緩沖元件是其發展趨勢。1.3可編程序邏輯控制器（PLC）概述1.3.1PLC的結構PLC和一般的微型計算機基本相同，也是由硬件系統和軟件系統兩大部分組成的。PLC的硬件系統由微處理器(CPU)、存儲器(EPROM，ROM)、輸入輸出(I/O)部件、電源部件、編程器、I/O擴展單元和其他外圍設備組成。各部分通過總線(電源總線、控制總線、地址總線、數據總線)連接而成。其結構簡圖如下：圖1.3PLC硬件結構圖PLC的軟件系統是指PLC所使用的各種程序的集合，通?？煞譃橄到y程序和用戶程序兩大部分。系統程序是每一個PLC成品必須包括的部分，由PLC廠家提供，用于控制PLC本身的運行，系統程序固化在EPROM中。用戶程序是由用戶根據控制需要而編寫的程序。硬件系統和軟件系統組成了一個完整的PLC系統，他們是相輔相成，缺一不可的可編程序邏輯控制器（ProgrammableLogicController），簡稱PLC。它是一種以微機處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信控制技術等現代科技而發展起來的一種新型工業自動控制裝置。1.3.2PLC的硬件1.PLC的物理結構根據硬件結構的不同，可以將PLC分為整體式、模塊式和混合式。（1）整體式PLC整體式又叫做單元式或機箱式，它的體積小、價格低，對箱體式PLC，有一塊CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，當然按CPU性能分成若干型號，并按I/O點數又有若干規格。對模塊式PLC，有CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架。無任哪種結構類型的PLC，都屬于總線式開放型結構，其I/O能力可按用戶需要進行擴展與組合。（2）模塊式PLC大、中型PLC一般采用模塊式結構，它由機架和模塊組成，模塊插在模塊插座上，后者焊接在機架中的總線連接板上，有不同槽數的機架供用戶選用，如果一個機架容納不下選用的模塊，可以增設一個或數個擴展機架，各機架之間用接口模塊和電纜相連。用戶可以選用不同檔次的CPU模塊、品種繁多的I/O模塊和特殊功能塊，對硬件配置的選擇余地較大，維修時更換模塊也很方便。（3）CPU模塊中的存儲器存儲器分為系統程序存儲器和用戶程序存儲器，系統程序相當于個人計算機中的操作系統，它使PLC具有基本的智能，能完成PLC設計者的規定的各種工作。系統程序由PLC的生廠家設計并固定化在ROM（只讀存儲器）中，用戶不能讀取。用戶程序由用戶設計，它使PLC能完成用戶要球的特定功能，用戶程序存儲器的容量以字節（B）為單位。（4）I/O模塊各I/O點的通/斷狀態用發光二極管（LED）顯示，PLC與外部接線的連接一般用接線端子，某些模塊使用可以拆卸的插座型端子板，不需斷開端子板上的連接線，就可以迅速的更換模塊。輸入模塊：PLC通過輸入模塊來接收和采集輸入信號，通過輸出模塊控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、調速裝置等執行器，PLC控制的另一類外部負載是指示燈、數字顯示裝置和報警裝置等。輸入電路中設有RC濾波電路，以防止由于輸入觸點抖動或外部干擾脈沖引起的錯誤輸入信號。輸出模塊：輸出模塊的率放大元件有大功率晶體管和場效應管（驅動直流負載）、雙向可控硅（驅動交流負載）和小型繼電器，繼電器可以驅動交流負載或直流負載。輸出電流的典型值為0.5—2A，負載電源由外部現場提供。1.3.3PLC的主要特點1.抗干擾能力強，可靠性高PLC專門為工業環境而設計，具有很高的可靠性。它的主要模塊均采用大規模與超大規模集成電路，I/O系統設計有完善的通道保護與信息調理電路；在機構上對耐熱、防潮、防塵、抗震都有精確考慮；在硬件上采用隔離、屏蔽、濾波、接地等抗干擾措施；在軟件上采用數字濾波等干擾和故障診斷措施。所有這些使PLC具有較高的抗干擾能力，因此穩定、可靠，抗干擾能力強。與繼電器接觸裝置和通用計算機相比，PLC更能試用工業現場較為惡劣的生產環境。2.控制系統機構簡單，通用性強PLC及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統。在PLC夠成的控制系統中，只需要在PLC的端子上接入相應的輸入/輸出信號線即可，不需要諸如繼電器之類的物理電子器件和大量且繁雜的硬接線線路。當控制要求改變，需要變更控制系統的功能時，可以用編程器在線或離線修改程序，同一個PLC裝置用于不同的控制對象，只是輸入/輸出組件和應用軟件的不同。PLC的輸入/輸出可以直接與交流220V、直流24V等強電相連，并有較強的帶負載能力。3.編程簡單，易于使用PLC是面向用戶的設備，PLC的設計者充分考慮到現場工程技術人員的技能和習慣，因此PLC程序的編制采用梯形圖或面向工業控制的簡單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類似，這種編程語言形象直觀，容易掌握，不需要專門的計算機知識和語言，只要具有一定的電工和工藝知識就可在短時間內學會。4.功能完善現代PLC不僅有邏輯運算、計時、計數、步進控制功能，還能完成A/D轉換、D/A轉換、模擬量處理、高速計算、聯網通信等功能，可以通過上位計算進行顯示、報警、記錄，進行人機對話，使控制水平大為提高。因此，PLC具有極強的適用性，能夠很好地滿足各類型控制的需要，是目前工廠中應用最廣的自動化設備。5.體積小、維護操作方便PLC體積小，質量輕，便于安裝。PLC的輸入/輸出系統能夠直觀地反映現場信號的變化狀態，還能通過各種方式直觀地控制系統的運行狀態，如內部工作狀態、通信狀態、I/O點狀態、異常和電源狀態等，對此均有醒目的指示，非常有利于運行和維護人員對系統進行監控。2、刀架結構原理分析2.1刀架的原理分析該裝配圖為螺旋升降式四方回轉刀架，其工作原理見圖2.1：（1）刀架抬起。當數控裝置發出換刀指令喉，電機正轉，并經聯軸器，帶動蝸桿軸轉動，從而帶動蝸輪旋轉，蝸輪通過鍵帶動軸旋轉，軸上裝有軸套26，它可在套筒24內孔中的螺旋槽內滑動，從而舉起與套筒24相連的上刀架21及上端齒盤20，使上端齒盤20與下端齒盤18分開，完成刀架抬起動作。如圖3所示。（2）刀架轉位。刀架抬起后，軸套26仍在繼續轉動，同時帶動上刀架21轉過90，當轉過所需的角度后，由微動開關3發出信號給數控裝置。（3）刀架定位。當上刀架轉到需要到位后（旋轉90°、180°或270°），數控裝置發出的換刀指令使霍爾開關9中的某一個選通，當磁性板10與被選通的霍爾開關對齊后，霍爾開關反饋信號使電機反轉，插銷7在彈簧力作用下進入反靠盤5地槽中進行粗定位，上刀架體停止轉動，電機繼續反轉，使其在該位置落下，通過螺母絲桿機構7使上刀架移到齒盤3、4重新嚙合，實現精確定位[[]魏彩喬,陳明,王曉光.數控車床刀架的故障分析與維修[J].機床與液壓.2015(07)][]魏彩喬,陳明,王曉光.數控車床刀架的故障分析與維修[J].機床與液壓.2015(07)（4）刀架壓緊。刀架精確定位后，由微動開關發出的信號使電機反轉，夾緊刀架，壓縮彈簧15推動定位銷17，定位銷伸出，使上刀架21定位而不隨軸套26回轉，于是刀架在重力的作用下向下移動，上下端齒盤合攏壓緊。蝸桿繼續轉動則產生軸向位移，壓縮彈簧5，套筒4的外圓曲面壓縮開關3使電機停止旋轉，從而完成一次轉位。當兩齒盤增加到一定夾緊力時，電機由數控裝置停止反轉，防止電機不停反轉而過載毀壞，從而完成一次換刀過程。圖2.1刀架原理圖2.2刀架主電路分析圖2.2數控車床電動刀架電氣控制電路當有手動換刀或自動換刀指令時，經過系統處理轉變為刀位信號，這時在圖2中，PLC輸出Y06有效，KA6線圈通電，繼電器觸點閉合，在圖1中，KM1線圈通電，交流接觸器主觸點吸合，刀架電動機正轉；當PLC輸入點檢測到指令刀具所對應的刀位信號時，PLC輸出Y06有效撤銷，刀架電動機正轉停止；接著PLC輸出Y07有效，KA7線圈通電，繼電器觸點閉合，在圖1中KM1線圈通電，交流接觸器主觸點吸合，刀架電動機反轉，延時一定時間后，KM2主觸點斷開，刀架電動機反轉停止，換刀過程完成。2.3刀架電機弱電路回路圖2.3刀架電機弱電路回路PLC輸入/輸出電路中輸入1號刀同時選擇手動刀選擇。這時，SB11閉合KA6線圈得電反轉KA6觸點斷開實現互鎖。接觸器回路中的KA6觸點導通（KA1始終處于閉合狀態）KM5線圈得電反轉KM5反轉觸點斷開實現雙重互鎖。刀架正轉接觸器回路導通，在強電回路總的KM5觸點閉合刀架正轉。當霍爾元件檢測到1號刀的到位信號時，刀架開始定位鎖緊，電機停轉，換到結束。其他3把刀換刀方式依次類推。2.4PLC系統控制及分析數控系統調刀代碼開始執行時，或行動調刀時，首先輸出刀架正轉信號，使刀架旋轉，當接收到指定的刀具的到位信號后，關閉刀架正轉信號，延時50ms時間后，刀架開始反轉而進行鎖緊，并開始檢查鎖緊信號，延時60s，當接收到該信號后，關閉刀架反轉信號，延遲時間，并對電機制動。換刀結束。程序轉入下一程序段繼續執行。如執行的刀號與現在的刀號(自動記錄)一致時，則換刀指令立刻結束，并轉入下一程序段執行。3、加工中心自動換刀裝置的硬件設計3.1可編程控制器（PLC）的選型可編程序控制器是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。綜合考慮后，系統選擇了西門子S7-200系列PLC。采用PLC代替繼電器可的很好的性能價格比城市照明的線路越復雜使用PLC的優越性就越顯著。該系列產品素以高性能聞名，并且具有相當好的擴展和不錯的通信能力，西門子的工業控制總線也是相當流行。我們在該系列產品中選擇了S7-200CPU224。該機集成14輸入/10輸出口?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P的外部設備，都應按易于與工業控制系統聯成一個整體，易于擴充其功能的原則而設計。PLC耗電小，產生熱量極小，電氣柜可以設計密封，防灰塵不必經常維護。S7-200系列CPU在緊湊的外殼中組合了微處理器、集成的電路、輸入電路和輸出電路，以創建功能強大的微型PLC。見下圖3.1，下載程序后，S7-200包含應用程序中需要用來監控和控制輸入和輸出設備的邏輯。圖3.1S7-200的CPU圖西門子提供不同的S7-200CPU型號，具有多種特征和性能，可以為不同的應用創建有效的解決方案。下表簡要的比較了CPU的一些性能。表3.1S7-200CPU型號的比較S7-200擴充模塊為了更好地解決應用需要，S7-200系列包含許多中擴充模塊，可以使用這些擴充模塊將功能添加到S7-200CPU。下表提供了當前可用的擴充模塊的列表。表3.2S7-200擴充模塊3.2硬件設備的選型3.2.1精定位開關兩個精定位開關的安裝相對刀套外圓表面的距離可調，同時二者之間的相對位置可調，以保證其感應靈敏度高。刀庫上裝有刀庫原點位置檢測開關，凸輪坐上裝有回轉計數開和剎車點檢測開關。在安裝時采用將刀庫手動轉動一個真正刀具能夠準確順利裝人和拔出刀套的位置，并用千分表測出轉動誤差在公差范圍內。選擇型號為LX19K的行程開關，額定工作電壓：380VAC，額定工作電流：5A，動作行程：1.5~3.5mm。3.2.2刀庫電機選型在刀盤旋轉過程中，驅動刀庫電機需要頻繁的啟動、制動、正轉、反轉，在此，刀庫的驅動電機使用交流異步電動機，用行程開關檢測，交流異步電動機是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機類型。此種驅動方式相較于液壓馬達驅動運行穩定，定位準確、可靠，換刀速度快。如果有更好的上位控制器，還可以用轉矩方式控制，把速度環也從驅動器上移開。參數配置方便而且可調性更高，電機正反轉時還有LED指示燈顯示控制效果，非常直觀方便。數控軸控制刀庫旋轉電機，由于需要從PLC程序發出控制指令，便可以使用系統命令通道指令使相應的軸定位，最終使CNC控制軸到指定位置。本設計驅動刀庫電機選型為Y7-712-2，額定電壓：220V，額定功率：0.55KW，額定轉速：2800rpm，效率高，節能效果好，啟動轉矩大，噪聲震動較小。圖3.2驅動電動機主電路3.2.3接觸器接觸器是指工業電網中利用線圈流過電流產生磁場，使觸頭閉合，以達到控制負載的電器。本課題中選用西門子接觸器3TF4522-0XM0，適用于控制交流電動機和啟動、停止及反轉，可以提供三相交流電動機的過載保護和斷相保護。3.2.4熱繼電器熱繼電器是利用電流的熱效應原理工作的保護電器，在電路中作電動機的過載保護。凡電機長期運行時，都需要對其過載提供保護裝置。在接線時對星型聯結的電動機，應選擇帶斷相保護的熱繼電器。所選用的熱繼電器的整定電流通常與電動機的額定電流相等。在此系統中選用JR16-20型的熱繼電器。3.3其它信號接口電路3.3.1編碼器接口電路光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。本文選用美國ENCODERPRODUCTS公司生產的EPC－755A微型光電編碼器，圖3.3編碼信號接口電路3.3.2超程限位開關信號輸入電路所有電動設備都安裝單獨的超程限位開關，以防行程終止限位開關發生故障時導致機械損傷及重大事故。為了保證數控機床的運行安全，每個直線軸的兩端都限位。根據設備的運行情況而工作，通常裝設在遠離傳動裝置的地方，在規定的超程內有效工作。硬限位的開關動作的結果是引起緊急停車，伺服系統掉電并且禁止再起動。超程限位開關用于運動控制器保護，這個輸入信號通過光電禍合器和RC濾波器連接到MCX314的限位輸入端。圖3.4是超程限位輸入的電路的示意圖。圖3.4超程限位信號輸入電路3.3.3緊急停止信號為了緊急停止所有軸的驅動，MCX314有緊急停_L}信號EMGN，EMGM信號通常處于高電平，下降到低電平后，所有軸的電機立即停止。此時各軸的RR2寄存器的D5EMG位為1，EMGN信號不能選擇邏輯電平。圖3.25緊急停止信號3.4加工中心刀具庫的I/O資源配置3.4.1刀具庫I/O點分配通過對數控加工中心刀具選擇系統控制要求的分析，可知自動換刀系統的控制流程，由此得出系統的I/O點分配資源。I/O點分配表如表3.3所示。表3.3I/O點分配表輸入輸出元器件名符號對應I/O點元器件名符號對應I/O點刀具選擇按鈕SB1I0.0到位指示燈HL1Q0.0SB2I0.1換刀指示燈HL2Q0.1SB3I0.2刀庫正轉KM1Q0.2SB4I0.3刀庫反轉KM2Q0.3SB5I0.4換刀KM3Q0.4SB6I0.5到位行程開關ST1I1.0ST2I1.1ST3I1.2ST4I1.3ST5I1.4ST6I1.5由上表可知PLC有14個輸入點5個輸出點，因此選用PLC時可選用西門子S7-200CPU226，輸入點24，輸出點16，并留有一定的余量。3.4.2刀具庫I/O外部接線圖由系統的I/O資源分配可以繪出控制系統外部接線圖。系統I/O外部接線圖如圖3.5所示。圖3.5I/O外部接線圖4、自動換刀裝置系統的軟件設計本章設計了基于PLC的自動換刀裝置系統的控制軟件，根據硬件系統各個層次的主要功能設計了軟件模塊，并給出了每個控制模塊的實現流程，詳細介紹了系統的軟件開發環境，最后，給出了上位機和PLC及現場通信設備的數據傳輸協議，并編寫了軟件實現過程中的具體軟件代碼。4.1編程方法的選擇西門子提供的STEP7-Micro/Win軟件可以很方便的對PLC進行編程。該程序提供三種工具來進行編，程梯形圖(LAD)、語句表(STL)和功能塊圖(FBD)。LAD編輯器以圖形方式顯示程序，與電氣接線圖類似，這種方式易于初學者使用、易于理解且全世界通用、該編輯器還能使用SIMATIC和IEC1131-3指令集，可以使用STL編輯器顯示所有LAD程序。STL編輯器按照文本語言的形式顯示程序，允許你輸入助記符來創建控制程序，語句表同時是你能夠創建用LAD，FBD無法創建的程序，它與匯編語言非常類似，該種編輯器適用與有經驗的編程人員，能解決用LAD，FBD無法解決的問題，不過此時只能使用SIMATIC指令集，同時它還能顯示用LAD.、FBD編輯的程序，反之不一定成立。FBD也用圖形表示程序，由通用邏輯門組成，該種編輯方法較之LAD比較有利于程序流的跟蹤。在這里我們選用了LAD和STL兩種方式，從易用以及完全實現功能的角度來考慮。圖4.1STEP7Micro/WIN操作界面4.2自動換刀系統的PLC程序設計經過對加工中心工作原理的分析，可知數控加工中心刀具選擇系統的程序流程圖如圖4.2所示。圖4.2程序流程圖刀庫容量為20，容量不大，并且用于小型立式加工中心，因此決定采用盤式刀庫。盤式刀庫結構簡單，應用較多。此換刀裝置的優點是結構簡單，成本較低，換刀可靠性較好。整個換刀過程時間大約為4秒。主軸以換取新刀具的數量和刀庫中刀具數已預先在PLC內部存儲器存儲以及隨機換刀控制模式需要被設置在PLC內部數據表中，刀具的選擇方式為任意選擇方式中的計算機記憶式，可將刀具號和刀庫上存刀地址對應地記憶在計算機存儲器內或可編程控制器內。不論刀具放入那個地址，均可跟蹤記憶；利用刀庫上裝刀位置檢測裝置，可測得每一地址。這樣刀具可以任意存取，無需編碼元件，這種刀具任選方式使換刀控制大為簡化。4.3上下位監控系統設計4.3.1組態軟件介紹本文選用昆企通態的MCGS通用組態軟件作為上位PC機軟件開發監控平臺，實現車庫狀況的遠程監控，選用嵌入式組態編程軟件ew5000作為上位觸摸屏軟件開發人機操作界面，實現車庫狀況的現場調試。組態軟件一般有圖形界面系統、實時數據庫系統、第三方程序接口組件和控制功能組件。圖形界面系統用于生成現場過程圖形畫面；實時數據庫系統用于實時存儲現場控制點的參數；第三方接口組件用于組態軟件與其它應用程序交換數據；控制功能組件用于生成監控所需的控制策略。4.3.2通用MCGSPC機界面設計MCGS由北京昆企通態自動化軟件科技有限公司生產，基于Windows平臺，用于快速構造和生成上位機監控系統，是國內使用較多的一款通用組態軟件。每一部分分別進行組態操作，可以完成不同的工作，且具有不同的特性。組態環境是生成應用系統的工作環境，組態環境相當于一套完整的工具軟件，用來幫助用戶設計和構造自己的應用系統。組態軟件組成部分如圖4.3所示。圖4.3MCGS通用組態五大組成部分在系統運行的過程中，為了便于畫面的切換和變量的提取，必須對菜單進行功能組態。主控窗口負責調度和管理這些窗口的打開或關閉。設備窗口通過設備構件吧外部設備的數據采集進來，送人實時數據庫中的數據輸出到外部設備。用戶窗口主要用于設置工程中人機交互的界面。MCGS用實時數據來管理所有的實時數據。動態監控畫面是組態軟件使用的最終目的，用戶根據需要可以建立多個監控畫面。4.3.3MCGS監控系統與PLC通信在PLC程序上加入相應內部寄存器M(如MO.O)，在計算機顯示屏幕中很好地發揮更多監控顯示功能，界面中加入了頻率監控功能，以豐富上位機的監控功能。對于數據采集模塊來說，其主要是負責根據相應的格式分解自PLC讀取的數據。數據采集系統主要包含數據輸入單元、數據處理及監控和數據輸出單元。數據采集流程圖如圖4.4所示。圖4.4數據采集流程圖4.3.4仿真調試過程及其結果程序的編寫和修改是在STEP-7Micro/WINSP9軟件中完成。STEP-7Micro/WINSP9軟件編程界面圖如圖4.5所示。圖4.5軟件編程界面圖由于仿真軟件不能直接接受西門子S7-200的程序代碼，必須用編程的“導出”功能將S7-200的用戶程序轉換為擴展名為“awl”的ASCII文本文件，然后在下載到仿真軟件的PLC中。對CPU進行選型后會出現CPU226的仿真主控界面圖如圖4.6所示。圖4.6CPU226仿真主控界面圖下載成功后，CPU226的仿真主控界面處于“stop”狀態，同時會出現下載的程序代碼文本框和梯形圖，本設計的梯形圖和導出的程序塊圖如圖4.7所示。圖4.7梯形圖與程序塊圖在完成組態畫面的繪制和命令語言的編寫后，可進行組態畫面的演示。在演示之前，要對畫面進行保存，單擊菜單欄“文件\存入”命令，在彈出的窗口中選中“基于PLC的自動換刀系統”，在點擊“確定”即可。當點擊運行加工中心自動換刀裝置仿真時，保存完成后，單擊“文件\切換到View”命令切換到運行系統，在單擊菜單欄“打開”命令，在彈出的窗口中選中所創建的系統畫面即“基于PLC的自動換刀系統”，點擊“確定”即可進入換刀系統的運行界面。在此以初始狀態3號刀具置于機械手位置，選擇4號刀具為請求交換刀具為例，進行系統組態畫面的演示。當3號刀具置于機械手位置時，行程開關ST3動作即梯形圖中I1.2閉合，組態畫面上ST3所對應的按鈕顏色由紅變為綠。運行系統組態畫面如圖4.8所示。圖4.8初始狀態的組態演示選擇4號刀具時，按下選擇按鈕SB4即梯形圖中I0.3閉合，根據PLC程序可知刀盤應正向旋轉以實現最短距離送刀的控制要求，刀盤正向旋轉即驅動電機正轉。對應的組態演示畫面中，SB4對應的按鈕顏色由紅變綠，電機正轉對應的指示燈顏色由紅變為綠。組態畫面如圖4.9所示。圖4.9電機正轉組態畫面當刀盤旋轉將請求交換刀具送到機械手位置時，電機停止轉動，到位指示燈亮，機械手開始換刀，同時換刀指示燈閃爍。對應的組態演示畫面中，電機正轉對應指示燈由綠變紅，到位指示燈和換刀指示燈均由紅變綠。其組態畫面如圖4.10所示。圖4.10換刀組態畫面結論在PLC控制步進電機的控制系統中，利用PLC的內部結構，將采集的信號通過預定的程序進行控制。用西門子S7-200為核心控制器，用PLC內的預置程序來控制整個系統的運行，刀位運行過程中只需調用子程序模塊，用電機的正反轉來控制刀位的上下左右移動實現加工中心自動換刀的自動化，而且提高了控制系統的柔性和可靠性，進而為維修和故障診斷提供多方面的可能性，這樣大大降低了程序的復雜程度，方便了程序的修改，有較高的推廣和實用價值。這次課題設計總計費時之久，剛開始時不知從何下手，在老師的指導下到圖書館查閱相關資料。有關數控上的資料翻了數次，有參考了相關設計資料，終于知道了該怎么做。接下來塞選出一系列有價值的資料，與同組同學不斷的討論、向老師請教，終于完成了設計。當然，在此過程中也有許多不足之處，例如：知識的不全面，所學的還沒有全部掌握，思維的狹隘等，讓我在畢業前上了生動形象的一課。通過這次設計了解刀庫結構，這還不夠，要做進一步研究，設計操作結構簡單功能強大的刀庫是目前的發展方向，在以后工作中要繼續努力做更深入的研究。參考文獻[1]劉建南.淺談機械高效加工技術[J].中國高新技術企業.2017(08)[2]李凌鵬.五軸數控機床技工復雜葉片刀具路徑軌跡及補償方法[J].世界有色金屬.2017(08)[3]王素粉.雙立柱數控鏜削鏟斗銷孔專用機床主軸模態分析[J].傳動技術.2017(01)[4]魏華.數控技術中數控設備的選擇及程序管理[J].電子技術與軟件工程.2017(08)[5]汪新文.S7-300PLC控制加工中心刀庫隨機選刀方式研究[J].制造技術與機床.2007(04)[6]陳芳，李繼中.盤式刀庫加工中心自動換刀系統控制[J].機械設計與制造.2017(10)[7]倪春杰.PLC在加工中心刀庫轉位控制中的應用[J].蘭州石化職業技術學院學報.2013(03)[8]敖榮慶，周興科.PLC控制加工中心刀庫的選刀與CNC系統的通信研究[J].航空精密制造技術.2012(04)[9]向金林.TH7130立式加工中心自動換刀系統的設計[J].裝備制造技術.2016(03)[10]石鳳武.數控加工工藝及其夾具設計優化[J].工業技術創新.2017(02)[11]紀銀德.加工中心換刀手臂位置的調整[J].機械工人.冷加工.2014(07)[12]高誠，石敏，鄧凌，程志.基于西門子數控系統的機床換刀安全設計[J].航空制造技術.2009(24)[13]Mohamed-ChahirFitouhi，MustaphaNourelfath.Integratingnoncyclicalpreventivemaintenanceschedulingandproductionplanningforasinglemachine[J].InternationalJournalofProductionEconomics.2011(2)[14]Chin-TaiChen.Dynamicpreventivemaintenancestrategyforanaginganddeterioratingproductionsystem[J].ExpertSystemsWithApplications.2017(5)[15]AvijitJoarder，HareKrishna，DebasisKundu.InferencesonWeibullparameterswithconventionaltype-Icensoring[J].ComputationalStatisticsandDataAnalysis.2014(1)[16]NabilNahas，AbdelhakimKhatab，DaoudAit-Kadi，MustaphaNourelfath.Extendedgreatdelugealgorithmfortheimperfectpreventivemaintenanceoptimizationofmulti-statesystems[J].ReliabilityEngineeringandSystemSafety.2016(11)[17]AshutoshGupta，BhaswatiMukherjee，S.K.Upadhyay.Weibullextensionmodel:ABayesstudyusingMarkovchainMonteCarlosimulation[J].ReliabilityEngineeringandSystemSafety.2017(10)[18]X.W.Xu，S.T.Newman.MakingCNCmachinetoolsmoreopen，interoperableandintelligent—areviewofthetechnologies[J].ComputersinIndustry.2015(2)[19]D.N.PrabhakarMurthy，MichaelBulmer，JohnA.Eccleston.Weibullmodelselectionforreliabilitymodelling[J].ReliabilityEngineeringandSystemSafety.2014(3)[20]AlexanderGrigoriev，JorisvandeKlundert，FritsC.R.Spieksma.Modelingandsolvingtheperiodicmaintenanceproblem[J].EuropeanJournalofOperationalResearch.2014(3)[21]DUZhengchun，ZHANGShujie，HONGMaisheng.Developmentofamulti-stepmeasuringmethodformotionaccuracyofNCmachinetoolsbasedoncrossgridencoder.InternationalJournalofMachineTools&Manufacture.2013[22]KuritaT，HattoriM.Developmentofnew-conceptdesktopsizemachinetool.InternationalJournalofMachineToolsandManufacture.2015[23]Qiu，H.，Li，Y.，Li，Y.AnewmethodanddeviceformotionaccuracymeasurementofNCmachinetools，partI:Principleandequipment.InternationalJournalofMachineToolsandManufacture.2011PAGEPAGE30第3章REF_Ref168484495\h錯誤！未找到引用源。附錄（一）指令表根據程序梯形圖可以寫出指令表語言，刀具選擇系統的指令表如下所示：LDI1.0MOVW+1，VW0LDI1.1MOVW+2，VW0LDI1.2MOVW+3，VW0LDI1.3MOVW+4，VW0LDI1.4MOVW+5，VW0LDI1.5MOVW+6，VW0LDI0.0ANM0.0SM0.0，1MOVW+1，VW10LDI0.1ANM0.0SM0.0，1MOVW+2，VW10LDI0.2ANM0.0S