计算机控制系统12121627 (1)

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1、一体化孔加工自动控制系统 董凯凯、曹荣、 华秋实、蔡兴君、林志劲 目录 自动控制系统简介1 系统设计2 PLC简介3 555定时器，74ls160简介4 机械、电气及液压结构设计5 控制工艺流程6 PLC接线图，i/o分配表7 STL状态图8 PLC指令表9 计数电路设计10 柔性制造系统(FMS)的简介 柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）是由两台或两台以上加工中心或数控机 床组成，并在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化，其基本组成部分有：自 动化加工设备，工件储运系统，刀具储运系统，多层计算机控制系统等。 1、自动化加工 设备 组成FMS的自

2、动化加工设备有数控机床、加工中心、车削中心等，也可能是柔性制 造单元。这些加工设备都是计算机控制的，加工零件的改变一般只需要改变数控程序，因 而具有很高的柔性。自动化加工设备是自动化制造系统最基本，也是最重要的设备。 2、 工件储运系统 FMS工件储运系统由工件库、工件运输设备和更换装置等组成。工件库包 括自动化立体仓库和托盘（工件）缓冲站。工件运输设备包括各种传送带、运输小车、机 器人或机械手等。工件更换装置包括各种机器人或机械手、托盘交换装置等。 3、刀具储 运系统 FMS的刀具储运系统由刀具库、刀具输送装置和交换机构等组成。刀具库有中央 刀库和机床刀库。刀具输送装置有不同形式的运输小车、

3、机器人或机械手。刀具交换装置 通常是指机床上的换刀机构，如换刀机械手。 4、辅助设备 FMS可以根据生产需要配置 辅助设备。辅助设备一般包括：自动清洗工作站；自动去毛刺设备；自动测量设备 ；集中切屑运输系统；集中冷却润滑系统等。 5、多层计算机控制系统 FMS的控制 系统采用三级控制，分别是单元控制级、工作站控制级、设备控制级。图1就是一个FMS 控制系统实例，系统包括自动导向小车（AGV）、TH6350卧式加工中心、XH714A立式加 工中心和仓储设备等。 （2）工作站控制级 FMS工作站一般分成加工工作站和物流工作站。加工工作站完成各工位的加 工工艺流程、刀具更换、检验等管理；物流工作站完

4、成原料、成品及半成品的储存、运输、工位 变换等管理。这一级控制系统是指挥和协调单元中一个设备小组的活动，处理由物料贮运系统交 来的零件托盘，并通过控制工件调整、零件夹紧、切削加工、切屑清除、加工过程中检验、卸下 工件以及清洗工件等功能对设备级各子系统进行调度。设备控制级和工作站控制级等控制系统一 般采用具有较强控制功能的有实时控制功能的微型计算机、总线控制机或可编程控制器等工控 机。 （3）单元控制级 单元控制级作为FMS的最高一级控制，是全部生产活动的总体控制系统 ，同时它还是承上启下、沟通与上级（车间）控制器信息联系的桥梁。因此，单元控制器对实现 底三层有效的集成控制，提高FMS的经济效益

5、，特别是生产能力，具有十分重要的意义。单元控 制级一般采用具有较强实时处理能力的小型计算机或工作站。 图1为FMS控制系统实例 （1）设备控制级 是针对各 种设备，如机器人、机床、坐标 测量机、小车、传送装置以及储存/检索等的 单机控制。这一级的控制系统向上与工作站 控制系统用接口连接，向下与设备连接。设 备控制器的功能是把工作站控制器命令转换 成可操作的、有次序的简单任务，并通过各 种传感 器监控这些任务的执行。 图1 图2是一种较典型的FMS，4台加工中心直线布置，工件储运系统由托盘站2、托 盘运输无轨小车4、工件装卸工位3和布置在加工中心前面的托盘交换装置12等组 成。刀具储运系统由中央

6、刀库8、刀具进出站6、刀具输送机器人移动车7和刀具 预调仪5等组成。单元控制器9、工作站控制器（图中未标出）和设备控制装置组 成三级计算机控制。切屑运输系统没有采用集中运输方式，每台加工中心均配有 切屑运输装置。 图3 具有装配功能的柔性制造系统 1控制柜 2手工工位 3紧固机器人 4装配机器人 5双 臂机器人 6清洗站 7仓库 8车削加工中心 9多坐标测量仪 10镗铣加工中心 11刀具 预调站 12装配机器人 13小件装配站 14装夹站 15AGV（自动导引小车） 16控制区 图3 所示是一个具有柔性装配功能的柔性制造系统。图的右部是加工系统，有一台镗铣加工中心10和一台 车削中心8。9是多

7、坐标测量仪，7是立体仓库、14是装夹具区。图的左部是一个柔性装配系统，其中 有一个装载机器人12、三个装夹具机器人3、4、13；一个双臂机器人5、一个手工工位2和传送带。柔 性加工和柔性装配两个系统由一个自动导向小车作为运输系统15连接。测量设备也集成在总控系统范 围内。 柔性制造系统的主要特点有：柔性高，适应多品种中小批量生产；系统内的机床工艺能力 上是相互补充和相互替代的；可混流加工不同的零件；系统局部调整或维修不中断整个系统的 运作；多层计算机控制，可以和上层计算机联网；可进行三班无人干预生产。 图3 一：自动控制系统简介 自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使整个生产过

8、程或工作机械自动地按预选规定的规律运行，达到要求的指标；或使它的某些物理 量按预定的要求变化。 系统就是通过执行规定功能、实现预定目标的一些相互关联单元的组合 体。 自动控制系统实现某一控制目标所需要的所有装置的有机组合体。 例如，家用电冰箱能保持恒温；高楼水箱能保持恒压供水；电网电压和频率 自动保持不变；火炮根据雷达指挥仪传来的信息，能够自动地改变方位角和俯仰角 ，随时跟踪目标；人造卫星能够按预定的轨道运行并返回地面；程序控制机床能够 按预先排定的工艺程序自动地进刀切削，加工出预期几何形状的零件；焊接机器人 能自动地跟踪预期轨迹移动，焊出高质量的产品。所有这些自动控制系统的例子， 尽管它们的

9、结构和功能各不相同，但它们有共同的规律，即它们被控 制的物理量 保持恒定，或者按照一定的规律变化。 自动控制系统中常用的名词术语： 输入信号作用于系统的激励信号定义为系统的控制量或参考输入量。通 常是指给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号 输出信号被控对象中需要控制的物理量定义为系统的被控量或输出量。 它与输入量之间保持一定的函数关系。 反馈信号由系统（或元件）输出端取出并反向送回系统（或元件）输入 端的信号称为反馈信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。 偏差信号指参考输入与主反馈信号之差。偏差信号简称偏差，其实质是 从输入端定义的误差信号。 误差信号指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误

10、差，其实质是从 输出端定义的误差信号。 扰动信号在自动控制系统中，妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有 因素称为扰动量。简称扰动或干扰，它与控制作用相反，是一种不希望的、能破 坏系统输出规律的不利因素。 二：系统设计 本团队用三菱PLC设计一个孔加工自动控制系统，其大体控制过程为：传 送带1将待加工件送来，一个机械臂将工件夹起来放到工作台上，液压装置 将其夹紧工作台转动。 分别到三个工位（包括钻 孔，扩孔，铰孔三个工序 ），每个工位加工完后转 台转到特定位置，液压装 置放松，然后机械臂将已 加工工件夹起来送到传送 带2送走，至此一个循环完 成。在每一次循环过程中 ，由硬件电路进行计数。 1、定

11、义 可编程控制器，简称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。 三：PLC简介 2、基本结构 中央处理器： 中央处理器单元一般由控制器、运算 器和寄存器组成。CPU通过地址总 线、数据总线、控制总线与储存单 元、输入输出接口、通信接口、扩展 接口相连。CPU是PLC的核心，它不 断采集输入信号，执行用户程序，刷 新系统输出。 储存器 ： PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两种。系统存储器用

12、于存放PLC的 系统程序，用户存储器用于存放PLC的用户程序。现在的PLC一般均采用可电 擦除的E2PROM存储器来作为系统存储器和用户存储器。 输入输出接口单元： PLC的输入接口电路的作用是将按钮、行程开关或传感器等产生的信号输入 CPU；PLC的输出接口电路的作用是将CPU向外输出的信号转换成可以驱动外 部执行元件的信号，以便控制接触器线圈等电器的通、断电。PLC的输入输出 接口电路一般采用光耦合隔离技术，可以有效地保护内部电路 扩展接口和通信接口： PLC的扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，使PLC的配 置更加灵活，以满足不同控制系统的需要；通信接口的功能是通过这些通

13、信接 口可以和监视器、打印机、其他的PLC或是计算机相连，从而实现“人-机”或 “机-机”之间的对话。 3、工作原理 PLC 的工作方式为循环扫描方式，当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三 个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段 称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行 上述三个阶段。 其工作过程大致分为3个阶段：输入采样、程序执行和输入采样、程序执行和 输出刷新。 4、PLC的分类 （1）小型PLC 小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件 融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I

14、/O以及其他各种特殊功能 模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通 讯联网以及各种应用指令。 (2) 中型PLC 中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在2561024点之间。I/O的处理方 式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫 描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块， 通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。 (3) 大型PLC 一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。大型PLC的软、硬件功能极强。 具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成

15、三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。大型PLC还可以采用三CPU构成表决 式系统，使机器的可靠性更高。 四：74ls160简介 引出端符号： TC 进位输出端 CEP 计数控制端 Q0Q3 输出 端 CET 计数控制端 CP 时钟输入端（上升沿有效） /MR 异步清除输入端（低电平有效） /PE 同步 并行置入控制端（低电平有效） 十进制同步计数器（异步清除） 简要说明： 74ls160 为可预置的十进制同步计数器，共有54/74160 和 54/74LS160 两种线路结构型 式，160 的清除端是异步的。当清除端 /MR 为低电平时，不管时钟端 CP 状态如何，即可完成清除功能。 160

16、的清除端是异步的。当清除端/MR 为低电平时，不管时钟端 CP 状态如何，即可完成清除功能。 160 的预置是同步的。当置入控制器/PE 为低电平时，在CP 上 升沿 作用下，输出端Q0Q3 与数据输入端P0P3 一致。对于 54/74160， 当CP 由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端CEP、CET 为高电平，则 /PE 应避免由低至高电平的跳变，而54/74LS160 无此 种限制。 160 的计数是同步的，靠CP 同时加在四个触发器上而实现的。 当 CEP、CET 均为高电平时，在CP 上升沿作用下Q0Q3 同时变化， 从而 消除了异步计数器中出现的计数尖峰。对于54/74160，只有当 CP 为高 电平时，CEP、CET 才允许由高至低电平的跳变，而54/74LS160 的 CEP、CET 跳变与CP 无关。 五：机械、电气及液压结构设计 六：控制工艺流程 七：PLC接线图，I/O分配表 接线图 八：STL状态图 九：PLC