PLC毕业设计张天仪.docx
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PLC毕业设计张天仪.docx
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PLC毕业设计张天仪
编号
无锡太湖学院
毕业设计(论文)
题目:
基于S7-200PLC的数控机床盘式刀库控制系统设计
机电系机械工程及其自动化专业
学号:
0823186
学生姓名:
张天仪
指导教师:
宋广雷(职称:
教授)
(职称:
)
2012年5月22日
无锡太湖学院本科毕业设计(论文)
诚信承诺书
本人郑重声明:
所呈交的毕业设计(论文)《基于S7-200PLC的数控机床盘式刀库控制系统设计》是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果,除了在毕业设计(论文)中特别加以标注引用、表示致谢的内容外,本毕业设计(论文)不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。
班级:
机械85
学号:
0823186
作者姓名:
张天仪
2012年5月20日
无锡太湖学院
机电系机械工程及其自动化专业
毕业设计论文任务书
一、题目及专题:
1、题目基于S7-200PLC的数控机床盘式刀库控制系统设计
2、专题电气控制与PLC应用数控编程的应用
二、课题来源及选题依据
课题来源;1.西门子公司.SIMATICS7-200可编程控制器
2.数控技术在刀具上的应用
选题依据:
西门子公司的SIMATICS7-200可编程控制器正在向小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的方向发展,与计算机技术相结合,使用更加方便,相信在数控刀具上大有作为。
三、本设计(论文或其他)应达到的要求:
1.内容全面,有图有文字,表达清晰,说到重点。
特别关注如何编写PLC程序。
2字数在10000字以上。
四、接受任务学生:
机械85班姓名张天仪
五、开始及完成日期:
自2011年10月25日至2012年5月22日
六、设计(论文)指导(或顾问):
指导教师签名
签名
签名
教研室主任
〔学科组组长研究所所长〕签名
系主任签名
2011年10月25日
摘要
可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心、集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置。
它具有功能齐全、使用方便、维护容易、通用性强、可靠性好、性能价格比高等特点,已在工业控制的各个领域得到了极为广泛的应用,成为实现工业自动化的一种强有力工具。
本课题研究的内容就是利用PLC技术实现数控机床盘式刀库控制,设计其电气控制系统,将最新的控制技术应用到工作过程中,提高盘式刀库系统的稳定性、可靠性和实时性。
本文综述了PLC控制系统的一般结构;简述了PLC控制系统设计的原则、内容和步骤。
针对该刀库系统的特点和刀库性能要求,采用了德国西门子公司S7-200系列中S7-22X作为系统控制器,重点阐述了该系统的硬件、软件的设计方法,并简要分析了用计时器实现掉电自保的方法和用实时时钟功能实现刀库自动控制的方法。
经过运行实践表明,以PLC控制的系统可靠性和实时性良好,完全满足系统设计要求,取得了良好的经济效益。
关键词:
可编程控制器 数控机床刀库
Abstract
ProgrammableLogicController(PLC)isakindofuniversalindustrialcontrolapparatuswhichisdevelopedrapidlyandusedwidelyinrecentyears,takingmicroprocessorasitscore,integratingmicrocomputertechnology,automationtechnologyandcommunicationtechnology.Itisappliedverydiffuselyinvariedfieldofindustrialcontrolwiththecharacteristicssuchasall-roundfunctions,flexibleapplication,wellreliability,highratioofcapabilityandpriceandeasymaintenanceandsoon,havingbecomearobusttooltorealizeindustrialautomation.
ThecontentthatthispaperstudiedistomakeuseofPLCtechnologytorealizetheCNCmachinetooloftheDisccuttermudsystem,designtheelectriccontrolsystem,applythelatestcontroltechnologytothelathetransform,andimprovethestabilityofthescrapemudsystem,reliabilityandrealtimenature.ThepapersummarizesthegeneralstructureofPLCcontrolsystem;putsforwardtheprinciple,contentandstepofPLCcontrolsystemdesigning.SiphonblowagainstthesystemofsoilcharacteristicsandperformancerequirementsGermanyadoptedaSiemensS7-200seriessystemsasaS7-22Xcontrollerfocusesonthesystem'shardwareandsoftwaredesignmethods,focusesonthesystem'shardwareandsoftwaredesignmethods,SummaryandAnalysisofthetimerusedtoachievepower-failandtrytokeepthereal-timeclockfunctionforknifelibraryautomaticcontroling.
Afterrunning,practiceshowsthatthePLCcontrolsystemreliabilityandgoodreal-time,fullysatisfythedesignrequirements,achievedgoodeconomicresults.
Keywords:
ProgrammableLogicController CNCmachinetool Knifelibrary
摘要……………………………………………………………………………………………III
Abstract………………………………………………………………………………………IV
1.绪论…………………………………………………………………………………………1
1.1加工中心的功用及组成………………………………………………………………1
2.盘式刀库系统…………………………………………………………………………………1
2.1加工中心换刀系统……………………………………………………………………1
2.1.1刀库类型…………………………………………………………………………2
2.1.2换刀方式…………………………………………………………………………6
2.1.2.1顺序选择方式……………………………………………………………6
2.1.2.2刀具编码方式……………………………………………………………6
2.1.2.3刀座编码方式……………………………………………………………8
2.1.3刀具交换装置的形式……………………………………………………………8
3.圆盘刀库的研究………………………………………………………………………………12
3.1刀库换刀常用控制方式…………………………………………………………………12
3.2圆盘式刀库控制原理……………………………………………………………………12
3.2.1分析盘式刀库的动作时序………………………………………………………12
3.3预选刀具的自动控制……………………………………………………………………13
4.PLC在刀库上的应用…………………………………………………………………………15
4.1PLC基本组成……………………………………………………………………………15
4.1.1中央处理器………………………………………………………………………15
4.1.2输入输出接口……………………………………………………………………16
4.1.2.1输入接口…………………………………………………………………16
4.1.2.2输出接口…………………………………………………………………16
4.1.3电源………………………………………………………………………………16
4.2S7-200系列PLC…………………………………………………………………………17
4.2.1CPU22X系列基本单元…………………………………………………………17
4.3STEP7-Micro/WIN-32编程软件………………………………………………………184.3.1STEP7-Micro/WIN-32软件运行……………………………………………………18
4.3.1.1菜单条……………………………………………………………………19
4.3.1.2工具条……………………………………………………………………20
4.3.1.3引导条……………………………………………………………………20
4.3.1.4指令树……………………………………………………………………21
4.3.1.5输出窗口…………………………………………………………………21
4.3.1.6状态栏……………………………………………………………………21
4.3.1.7编辑器…………………………………………………………………21
4.3.1.8局部变量表……………………………………………………………21
4.4数控机床刀库运动控制设计…………………………………………………………21
4.4.1完成主要任务……………………………………………………………………21
4.4.1.1刀库的驱动………………………………………………………………22
4.4.1.2刀位的控制实现…………………………………………………………22
4.4.1.3刀库的控制原理…………………………………………………………23
4.5控制系统结构…………………………………………………………………………23
4.6控制原理………………………………………………………………………………25
4.7本章小结……………………………………………………………………………25
5.盘式刀库PLC程序的设计…………………………………………………………………26
5.1盘式刀库的特点……………………………………………………………………26
5.1.1刀库编号………………………………………………………………………26
5.1.2刀位管理与换刀………………………………………………………………26
5.1.3刀库位置确认…………………………………………………………………26
5.1.4换刀方式………………………………………………………………………26
5.1.5换刀信号………………………………………………………………………26
5.2换刀动作的分析……………………………………………………………………26
5.3刀库的动作监控及互锁……………………………………………………………27
5.4换刀过程用到的PLC指令…………………………………………………………27
5.5本章小结……………………………………………………………………………30
6.结论与展望…………………………………………………………………………………31
6.1结论…………………………………………………………………………………31
6.2不足之处和未来展望………………………………………………………………31
参考文献……………………………………………………………………………………32
附录…………………………………………………………………………………………33
1绪论
1.1加工中心的功用及组成
加工中心(如图1.1)是一种高效数控加工机床,一台加工中心可完成由几台普通数控机床才能完成的工作。
其特点是被加工零件只经过一次安装,就可以连续地对工件各个表面自动进行车削、铣削、钻削、扩孔、铰孔、镗孔、攻丝、等多工步的加工,工序高度集中。
这种机床一般具有刀库和自动换刀装置、回转工作台或分度工作台,也有采用双工作台形式,在加工过程中能自动地进行刀具更换工作,以满足不同工序加工的需要。
加工中心按机床结构的不同可以分为车削中心和铣削中心,其中铣削中心又分为立式加工中心和卧式加工中心,图1.1是VMC1100立加工中心外型图。
图1.1VMC1100立式加工中心
1-立柱部件;2-主轴箱部件;3-工作台床鞍部件;4-刀库部件;5-操作面板;6-床身部件;7-冷却系统;
2.盘式刀库系统
2.1加工中心换刀系统
加工中心有一个专作储存刀具用的刀库如图1.1中的4,当需要用某一刀具进行切削加工时,将该刀具自动地从刀库移动到刀具主轴上;切削完毕后,又将用过的刀具自动的从刀具主轴上移回刀库中。
由于换刀过程中刀具需在各部件之间进行转换,所以各部件的动作必须准确协调。
刀库中刀具的数目根据机床的结构布局不同而不同。
刀库布置在远离加工区的地方,从而消除了它与其它部件相干涉的可能性。
刀库不能承受切削加工的作用力,否则容易引起刀库变形,从而影响换刀的准确性。
机床的主轴或刀架尺寸不受限制,这样可以提高主轴或刀架部件的刚度,从而有利于提高机床的加工精度。
采用这种自动换刀方式的刀具主轴需要有刀具的自动夹紧、放松机构及其驱动传力机构。
另外,还要求有清洁刀柄、刀孔及刀座的装置,因而结构较复杂,换刀时间一般较长。
其换刀动作包括:
一个工序加工完毕以后,按照数控系统的指令,刀具快速退离工件,从加工位置退到换刀位置(同时主轴准停);进行前后工序刀具的交换;然后松开主轴(消除准停)、变速、主轴起动旋转并快速趋近加工位置,用更换的新刀具开始下一工序的加工。
2.1.1刀库类型
刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一,其容量、布局以及具体结构随机床结构的不同而不同。
加工中心刀库主要有表2-1中所示的形式及它们的特点、适用范围。
表2-1常用刀库类型
类型
简图
特点
适用范围
鼓轮式刀库
图a为径向取刀式
图b为轴向取刀式
图c为刀具在取刀位置可转动90°,置于立式加工中心的主轴侧面,可与主轴直接进行刀具交换,使换刀结构简单,换刀时间短。
因结构简单紧凑,应用较多;但因刀具单环排列,空间利用率低,大容量的刀库外径比较低大,转动惯量大,选刀时间长,因此这种刀库形式较适用于刀库容量小的场合
占地面积大,刀库位置受限制,但将它置于卧式主轴的机床顶部,不妨碍操作,并且可用一单臂双手机械手对主轴直接进行换刀,换刀时间短,结构简单。
便于根据机床总布局要求安排刀库的位置,刀库容量不宜过大。
类型
简图
特点
适用范围
鼓轮式刀库
刀库空间利用率高,占地面积小,结构紧凑;但装取刀运动机构、刀库结构都较复杂
适用于大刀库容量的场合,一般为60把以上的刀库
鼓轮弹夹式
适用于刀库置于机床立柱顶部,刀具容量较大的场合
多层鼓轮式
图a刀具轴线与刀库旋转轴线平行,径向装、取刀具。
轻型刀具装在上盘,重型刀具装在下盘
图b为刀具轴线垂直于刀具旋转轴线
适用于刀具容量要求较大的换刀装置
链
式
刀
库
结构紧凑,刀库容量可以较大,链环可根据机床的总体布局要求配置成适当形式以利于换刀机构的工作。
通常为轴向取刀。
位置精度不高。
在刀库容量很大时,可采用多环链式刀库(图b)。
它外形更紧凑,占用空间更小,选刀时间短
适用于刀库容量较大的场合。
在增加刀库容量时,可增加链条长度,而不增加链轮直径,因而链轮的圆周速度不增加,刀库的运动惯量不象鼓轮式刀库增加那样多。
类型
简图
特点
适用范围
格
子
箱
式
刀
库
结构紧凑,刀库空间利用率高。
换刀时间较长。
小直径刀具为轴向取刀,大直径刀具为径向取刀
布局不灵活,通常刀库安置在工作台上,应用较少
直
线
式
刀
库
刀库容量小,一般在十几把刀左右
多用于自动换刀的数控车床,数控钻床也有采用
2.1.2选刀方式
按数控装置的刀具选择指令,从刀库中挑选各工序所需要刀具的操作,称为自动换刀。
目前,刀具的选刀方式主要有以下三种。
2.1.2.1顺序选择方式
刀具的顺序选择方式是将刀具按加工工序的顺序,依次放入刀库的每一个刀座内。
每次换刀时,刀库按顺序转动一个刀座的位置,并取出所需要的刀具。
已经使用过的刀具可以放回原来的刀座内,也可以按顺序放入下一个刀座内。
采用这种方式的刀库,不需要刀具识别装置而且驱动控制比较简单,可以直接由刀库的分度机构来实现。
因此刀具的顺序选择方式具有结构简单,工作可靠等优点。
但由于刀库中的刀具在不同的工序中不能重复使用,因而必须相应地增加刀具的数量和刀库的容量,这样就降低了刀具和刀库的利用率。
此外,人工的装刀操作必须十分谨慎,一旦刀具在刀库中的顺序发生差错,将会造成严重事故。
2.1.2.2刀具编码方式
刀具的编码选择方式采用了一种特殊的刀具结构,并对每把刀具进行编码。
换刀时通过编码识别装置、根据程序的换刀指令代码,在刀库中寻找出所需要的刀具。
由于每把刀具都有自己的代码,因而刀具可以放入刀库中任何一个刀座中,这样不仅刀库中的刀具可以在不同的工序中多次重复使用,而且换下来的刀具也不必放回原来的刀座,这对装刀和选刀十分有利,刀库的容量也可以相应地减少,而且还可以避免由于刀具在刀库中放置顺序的差错所造成的事故。
图1.2为编码刀柄的示意图。
在刀杆尾部的拉紧螺杆3上套着一组等间隔的编码环1,并由锁紧螺母2将它们固定。
编码环的外径有大小两种不同的规格,每个编码环的高低分别表示2进制的"1"和"0"。
通过对两种圆环的不同排列,可以得到一系列的代码。
例如图1.3所示的7个编码环,就能区别127种刀具。
通常全部为0的代码是不允许使用的,以避免与刀座中没有刀具的状况相混淆,便于操作者的记忆和识别,也可以使用二——八进制编码来表示。
图2.2编码刀柄示意图
1-编码环;2-锁紧螺母;3-拉紧螺杆;
在刀库上设有编码识别装置。
当刀库中带有编码环的刀具依次通过编码识别装置,编码环的高低就能使相应的触针读出每一把刀具的代码。
如果读出的代码与程序中选择刀具的代码一致时,就发出信号使刀库停止回转。
这样加工所需要的刀具就准确地停留在取刀位置上,然后由机械手从刀库中将刀具取出。
编码识别装置分为接触式和非接触式两种。
接触式编码识别装置如图2.3所示。
它通过触针4来识别编码环的大小,再通过识别器5来得到识别。
它结构简单、可靠性较差,寿命较短,而且不能快速选刀。
非接触式编码识别装置又分为磁性和光电识别两种方式。
磁性识别方式(如图1.4所示,它是利用磁性材料和非磁性材料磁感应的强弱不同通过感应线圈读取代码。
编码环分别由软钢和黄铜(或塑料)制成,非导磁性材料编码环代表编码"1",导磁性材料编码环代表编码"0"。
将它们按规定的编码排列,安装在刀柄的前端。
当编码环通过线圈时,只有对应于软钢圆环的那些绕组才能感应出高电位,而其余绕组则输出低电位。
然后,再通过识别电路选出所需要的刀具。
磁性识别装置没有机械接触和磨损,因此可以快速选刀,而且具有结构简单,工作可靠,寿命长和无噪声等优点。
图2.4非接触式识别装置对数码环识别
1-刀柄;2-非导磁性材料编码环;3-导磁性材料编码环;
4-非接触式识别器;
图2.3接触式编码识别装置
1、2、3-编码环;4-触针;5-接触式识别器;
光电识别方法是近年来出现的一种新尝试。
其原理如图1.5所示。
链式刀库带着刀座1和刀具2依次经过刀具识别位置I,在这个位置上安装投光器3,通过光学系统将刀具的外形及编码环投影到由光敏元件组成的屏板5上形成了刀具图样。
装刀时,屏板5将每一把刀具的图样转换成对应的脉冲信息,经过处理将代表每一把刀具的"信息图形”记入贮存器。
选刀时,当某一把刀具在识别位置出现的"信息图形"与存贮器内指定的刀具"信息图形"相一致时,便发出信号,使刀具停在换刀位置上,由机械手4将刀具取出。
这种识别系统不但能识别编码还能识别图样,因此给刀具的管理带来了方便。
但由于该系统的价格昂贵,所以限制了它的使用。
图2.5光电识别原理
1-刀座;2-刀具;3-投光器;4-机械手;5-屏板;
2.1.2.3刀座编码方式
刀座编码方式是对刀库的刀座进行编码并将与刀座编码相对应的工具一一放入指定的刀座中,然后根据刀座的编码选取刀具。
由于这种编码方式取消了刀柄中的编码环,使刀柄的结构大为简化。
因此,刀具识别装置的结构就不受刀柄尺寸的限制,而且可以放在较为合理的位置。
采用这种编码方式时,当操作者把刀具放入与编码不符的刀座内时,仍然会造成事故。
而且在刀具自动交换过程中,必须将用过的刀具放回原来的刀座内,从而增加了刀座的复杂性。
与顺序选择方式相比较,刀座编码方式最突出的优点是刀具可以在加工过程中重复多次使用。
刀座编码方式可分为永久性编码和临时性编码两种。
一般情况下,永久性编码是将一种与刀座号相对应的刀座编码板安装在每个刀座侧面,它的编码是固定不变的。
另一种临时性编码,也称为钥匙编码,它与前者有较大区别。
它采用了一种专用的代码钥匙,如图2.6,编码时先按加工程序的规定给每一把刀具系上表示该刀具号码的代码钥匙。
在刀具任意放入刀座的同时,将相对应的代码钥匙插入该刀座旁的钥匙孔内。
通过钥匙把刀具的代码转记到该刀座上,从而给刀座编上了代码。
图2.6刀座临时性编码原理
1-无齿部分;2、5-接触片;3-有齿部分;4-定位孔;
将钥匙插入钥匙孔座,然后顺时针方向旋转90°,处于钥匙有齿部分3的接触片2被撑起,表示代码"1",处于无齿部分1的接触片5保持原状,表示代码"0"。
刀库上装有数码读取装置,它由两个排成180°的碳刷组成。
当刀库转动选刀时,钥匙座孔的两排接
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