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1、目 录 前言前言 1 1 1 1 设计任务的初始分析与计算设计任务的初始分析与计算 2 2 1.1 设计要求2 1.2 刀库的结构形式 2 1.3 刀库的选刀方式2 2 2 主要元器件型号的选型主要元器件型号的选型 .3 3 2.1 步进电机及其驱动器的选型3 2.2 PLC 的选型 3 2.3 主要电器件清单4 3 3 PLCPLC 控制系统的设计控制系统的设计 4 4 3.1 PLC 控制程序设计 4 3.2 电路接线图9 3.3 PLC 控制程序梯形图 .10 3.4 PLC 控制程序指令表 .12 4 4 总结总结 1414 参考文献参考文献 1515 致谢致谢 1616 前 言 机床
2、数控技术课程设计的训练，使学生在学完机床数控技术及相应的机床电器及 PLC 等课程之后，能够运用所学的知识独立完成数控车、数控铣和加工中心的进给传动 及刀库系统设计，从而使学生进一步加深和巩固对所学知识的理解和掌握，并提高学 生的实际操作能力。 刀库系统是提供自动化加工过程中所需之储刀及换刀需求的一种装置。其自动换 刀机构及可以储放多把刀具的刀库，改变了传统以人为主的生产方式。借由自动控制 系统的控制，可以完成各种不同的加工需求，如铣削、钻孔、镗孔、攻牙等，大幅缩 短加工时程，降低生产成本，这是刀库系统的最大特点。 本次设计为基于 PLC 的数控铣床回转刀库控制系统设计。PLC 具有强大的运算
3、能力,良 好的通讯功能,极高的处理速度,已获得广泛的应用。PLC 及其控制器用于刀库控制系统， 有利于提高换刀速度,减小辅助加工时间，进而提高加工效率，降低加工成本，提升利 润空间。 1 设计任务的初始分析与计算 1.1 设计要求 对于普通铣床数控化改造设计，电动刀库（四个刀座）回转驱动由三相反应式步 进电机实现，完成其选型，用 4 位拨动开关设定转动速度，并设计其启动停止、正反 转、加减速和步数控制系统，数控系统的脉冲当量为 0.01rad/脉冲。 1.2 刀库的结构形式 刀库的结构定为圆盘式刀库，4 刀座，其平面结构如图 1 所示。 图 1 四刀座圆盘式刀库平面结构简图 1.3 刀库的选刀
4、方式 本刀库系统设计作为加工中心中的一个子系统，由机床的计算机控制系统自动控 制，采用计算机记忆选刀:刀具号和存刀位置及刀座号对应地存储在可编程控制器的寄 存器内,刀具存放地址改变, 编程控制器内存储的刀具信息也随之改变。刀具可以任意 取出,任意送回。 2 主要元器件型号的选型 2.1 步进电机及其驱动器的选型 根据相关的资料，一般作用在 8 刀座圆盘式刀库电机上的最大启动转矩为 3Nm 左右，本次设计的刀库只有 4 刀座，所带来的最大启动转矩应该小一些，查找数控 技术课程设计 229 页 表 A-5，选择 110BF003 型反应式步进电机，参数如表 1 所示。 表 1 110BF003 型
5、反应式步进电机参数 相数步距角（度）电压相电流最大静转矩最大启动频率最大运行频率分配方式 30.75/1.580V6A7.84Nm1500Hz7000Hz 三相六拍 根据选择的步进电机，经过查阅相关资料后，选择三相反应式步进驱动器 SH- 3F110M。 2.2 PLC 的选型 在本设计中,计算机控制系统送至 PLC 的信息由开关量输出信号完成。在初次运行 时必须使 PLC 的信息与计算机控制系统同步,所以设置一个寄存器设置选通接口触点 X003；T 指令是计算机控制系统的选刀信号,所以设置一个 T 指令接口选通触点 X004。PLC 的数据寄存器单个均为 16bit,所以设置寄存器内容时除“
6、寄存器设置”触 点外,还要 16 个触点配合使用,这里设定所有的数据都为二进制码。同时 PLC 上还需接 入一个 4 位拨动开关用于调速。本系统共需 25 个输入点和 4 个输出点,查阅相关资料， 并保证拥有一定扩充余量的前提下，选用三菱 FX2N-64MT 型 PLC ,它是基本单元,输入 输出接口各 32 个。PLC 输入输出接口分配的具体情况见表 2。 表 2 PLC 输入输出端口的分配 X000 运行控制信号输入 X001 报警复位信号输入 X002 换刀完成信号输入 X003 寄存器设置选通信号输入 X004 T 指令选通信号输入 X005X010速度选择输入 X011X030外部信
7、号输入 Y000 步进电机驱动器脉冲信号输出 Y001 步进电机驱动器方向信号输出 Y006 换刀信号输出 Y007 报警信号输出 2.3 主要电器件清单 表 3 主要电器件清单 电器件类型电器件类型电器件型号电器件型号 可编程逻辑控制器 FX2N-64MT 三相反应式步进电机 110BF003 三相反应式步进电机驱动器 SH-3F110M 3 PLC 控制系统的设计 3.1 PLC 控制程序设计 3.1.1 寄存器设置程序 程序采用上升沿输入方式 ,接通 X003 前,相应寄存器设置内容（二进制码）必须 先输入,以免设置错误，按从 D201 到 D218 的顺序逐一设置其内容（变址寄存器 V
8、1 从 0 到 18，当 V1 = 18 时，V1 清零） 。每个寄存器里面的内容类型说明见表 3。 表 3 寄存器内容类型 D201 当前换刀位刀座号 D202,D203 旋转一个刀座位置所需脉冲数 D204,D205 高速最高频率 D206,D207 中高速最高频率 D208,D209 中低速最高频率 D210,D211 低速最高频率 D212,D213 输出到驱动器的最高频率 D214 主轴上的刀具号 D215D2184 个刀座内的刀具号 由于四个刀座均布在水平面上，两两间隔即，已知数控系统的脉冲当量 90 2 为 0.01rad/脉冲，所以转过一个刀座位置所需脉冲数为： 2 0.01
9、= 157 所以 D202，D203 中的内容为 K157。 设刀库的最高转速为 60r/min，相应的设定刀库的中高速旋转、中低速旋转、低速 速旋转的转速分别为 50r/min、40r/min、30r/min。对应的脉冲频率分别为： 60 60 2 0.01 628Hz 50 60 2 0.01 524Hz 40 60 2 0.01 419Hz 30 60 2 0.01 314Hz 所以 D204,D205 中内容为 K628；D206,D207 中内容为 K524；D208,D209 中内容为 K419；D210,D211 中内容为 K314。 以上内容均由机床的计算机控制系统输入到 PL
10、C 的寄存器中。 图 2 寄存器设置程序段梯形图 3.1.2 T 指令输入、刀具检索及转速选择程序 程序中 X004 上升沿输入和逻辑取反指令 INV 的作用是使从 LD X004 到指针 P3 之 间的程序在 X004 上升沿这个扫描周期内执行一次,其余时间执行到 LDP X004，这一行 时跳过而不执行。 SER 数据查找指令的作用为当 T 指令输入时,在主轴和刀库中查找 T 指令所要求的 刀具。T 指令输入，在主轴上和刀库中查找设定刀具,查找的结果存于 D0D4。若没有 找到设定刀具,将 M10 置位(用于报警输出 ),并跳转至 P3,报警信号输出；若找到设定 刀具,将设定刀具所在位置(
11、存于 D1)存入变址寄存器 V0 中(MOV 指令),用于后续处理。 若设定刀具在换刀位的刀座上或者主轴上时,刀库都无需转动,但换刀设定刀具在换刀 位的刀座上时将 M9 置位，并将主轴上的刀具号(D214)与设定刀具所在刀座(D214V0)的 刀具代号交换(XCH 指令)并跳过脉冲输出等程序段。 X005X010 接口连接 4 位拨动开关，用于刀库旋转速度的选择。X005 输入时，将 D204,D205 中的内容送到 D212,D213（DMOV 指令）用于脉冲输出，刀库高速旋转；X006 输入时，将 D206,D207 中的内容送到 D212,D213 用于脉冲输出，刀库中高速旋转； X00
12、7 输入时，将 D208,D209 中的内容送到 D212,D213 用于脉冲输出，刀库中低速旋转； X010 输入时，将 D210,D211 中的内容送到 D212,D213 用于脉冲输出，刀库低速旋转。 一次只能有一个接口输入，不然会因程序互锁导致程序控制失效。 图 3 T 指令输入、刀具检索及转速选择程序段梯形图 3.1.3 刀库转向及刀具号重编排程序 （1）设定刀具所在刀座号减去换刀位当前刀座号 ,结果存于 D10(SUB 指令)。 （2）判断刀座号差(有正负)D10 与 02 数值范围的关系,结果用 M0M2 表示(ZCP 区间比较指令)。M0M2 接通条件如下: M0 通（D10
13、为负数） ；M1 通（D10 为不大于 2 的非负数） ；M2 通（D10 大于 2） 。 （3）M0 通( C0 为负数),M3 置位,用于标识刀座号差值原为负值,D10 取补(NEG 取 补指令，相当于绝对值不变的变号操作)，跳转再次执行计算步骤(2)。 （4）M1 通(D10 为不大于 2 的非负数),将 D10 值传至 D11（MOV）指令。 （5）M2 通(D10 大于 2),4 减去的 D10 值,差值存于 D11(SUB 指令)。 （6）方向计算：以 M1M3 最终状态来计算反转条件(Y001 通):M3 通(D10 原为负 数),M1 通(D10 绝对值不大于 2)；或者 M3
14、 不通 (D10 原为非负数), M2 通(D10 绝对值 大于 2)。正转条件(Y001 不通): M3 通(D10 原为负数),M1 不通(D10 绝对值大于 2)；或 者 M3 不通(D10 原为非负数),M2 不通 (D10 绝对值不大于 2)。 （7）刀库刀号重排：在第一次判断 D10 与 02 数值范围的关系时将主轴上的刀 具号(存储 D214)与设定刀具所在刀座(D214V0)的刀具号交换(XCH 指令),同时把设定刀 具所在刀座号送到（D201）当前换刀位刀座号(MOV 指令),实现程序中的刀库刀号重排 操作。 （8）方向信号输出后将 M4 置位，用于后序流程控制。 图 4 刀
15、库转向及刀具号重编排程序段梯形图 3.1.4 刀库旋转脉冲及换刀信号输出程序 （1)判断 D11 是否为 0，为 0 则将换刀标志 M9 置位,将刀座差负数符号标志 M3 和 用于流程控制的 M4 复位,跳过脉冲输出程序，直接跳到指针 P3 处。当 D11 不为 0,则继 续执行脉冲输出程序（由 DPLSR 可调速脉冲输出指令完成脉冲输出） 。 （2)刀库转过一个刀座位置后,使 D11 减 1（DEC 指令） 。在本设计中,转动完成以 DPLSR 语句影响的完成标志 M8029 接通来判断。 （3)当来到下一扫描周期时,由于 M4 接通 ,所以直接跳转至 P2 指针处，实际是继 续执行脉冲输出
16、程序。 （4)当脉冲输出完成,D11 变为 0 时,M3，M4 复位,M9 置位,使换刀信号输出。 （5)M9 在程序中作为换刀信号标志,当 M9 接通时,Y006 接通，告知机床计算机数 控系统进行换刀。 （6)换刀完成后, X002 接通,M9 复位。 图 5 刀库旋转脉冲及换刀信号输出程序段梯形图 3.1.5 报警信号输出与报警复位程序 （1)M10 置位，表示主轴和刀库中找不到设定刀具,因此要由 Y007 将报警信号输出。 （2)重新选定正确的刀具后，按下接在 X001 上的报警复位按钮后,M10 复位,停止 报警信号输出。 图 6 报警信号输出与报警复位程序段梯形图 3.2 电路接线图 图 7 电路接线图 3.3 PLC 控制程序梯形图 3.4 PLC 控制程序指令表 4 总结 紧紧张张的机床数控技术课程设计很快就结束了，这次的课程设计中不仅检验了 我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成 一件事情。在
