基于PLC数控铣床回转刀库控制系统设计课程设计说明书

1、课程设计说明书目 录前言 11 设计任务的初始分析与计算21.1 设计要求21.2 刀库的结构形式21.3 刀库的选刀方式22 主要元器件型号的选型32.1 步进电机及其驱动器的选型32.2 PLC的选型32.3 主要电器件清单43 PLC控制系统的设计43.1 PLC控制程序设计 43.2 电路接线图93.3 PLC控制程序梯形图103.4 PLC控制程序指令表124总结14参考文献 15致谢 16前 言机床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

2、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

3、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

4、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

5、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“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

6、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X004T指令选通信号输入X005X010速度选择输入X011X030外部信号输入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-3F110M3 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

7、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V1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90即2rad，已知数控系统的脉冲当量为0.01rad/脉冲，所以

8、转过一个刀座位置所需脉冲数为：20.01=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：606020.01628Hz506020.01524Hz406020.01419Hz306020.01314Hz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PLC的寄存器中。图2 寄存器设置程序段梯形图

9、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(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

10、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；X007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

11、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

12、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D2

13、14)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

14、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

15、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。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。这次课设是我第一次尝试用GX Developer软件编写PLC的控制程序，也是我第一次详细了解三菱FX2N系列PLC的控制与使用方法，在

16、此期间遇到了非常多的困难，但也收获颇多。同时我还学会了在Microsoft Office Word软件中插入节和删除节的方法，这会对我以后再用计算机排版文章带来很大帮助，在用AutoCAD画电路接线图的时候，我进一步熟悉了电气符号的画法，尤其是手操开关的电气符号画法，这会给我以后的工作与学习带来巨大的帮助。回顾起此次机床数控技术课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从理论到实践，在课设的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只

17、有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，例如，对使用AutoCAD画接线图的方法我还是掌握的不全面，在用AutoCAD画电路接线图的时候遇到问题总是需要经常百度。参 考 文 献1范云涨.数控编程设计简明手册M.北京：机械工业出版社，1994.72范超毅.数控技术课程设计M.武汉：华中科技大学出版社，2007.53李方园.数控机床电气控制M.北京：清华大学出版社，2010.44傅