【基于PLC的刀库换刀控制系统设计11000字（论文）】

基于PLC的刀库换刀控制系统设计目录摘要 IAbstract II1、前言 11.1研究背景 11.2自动刀架的种类及发展趋势 11.2.1刀架的种类 11.2.2自动刀架的发展趋势 31.3可编程序逻辑控制器（PLC）概述 41.3.1PLC的结构 41.3.2PLC的硬件 51.3.3PLC的主要特点 62、刀架结构原理分析 12.1刀架的原理分析 12.2刀架主电路分析 22.3刀架电机弱电路回路 32.4PLC系统控制及分析 33、加工中心自动换刀装置的硬件设计 43.1可编程控制器（PLC）的选型 43.2硬件设备的选型 53.2.1精定位开关 53.2.2刀库电机选型 53.2.3接触器 63.2.4热继电器 73.3其它信号接口电路 73.3.1编码器接口电路 73.3.2超程限位开关信号输入电路 73.3.3紧急停止信号 83.4加工中心刀具库的I/O资源配置 93.4.1刀具库I/O点分配 93.4.2刀具库I/O外部接线图 94、自动换刀装置系统的软件设计 114.1编程方法的选择 114.2自动换刀系统的PLC程序设计 124.3上下位监控系统设计 144.3.1组态软件介绍 144.3.2通用MCGSPC机界面设计 154.3.3MCGS监控系统与PLC通信 154.3.4仿真调试过程及其结果 16结论 20参考文献 21附录 241、前言1.1研究背景本次设计的题目是加工中心自动换刀装置的设计。在机械制造业中，加工中心配置自动换刀装置对改进产品质量、提高生产率和改善劳动条件等方面已经发挥了重要的作用，针对现有加工中心的自动换刀装置进一步减少换刀时间，提高刀库定位精度。刀库式换刀装置有一个存储刀具的刀库，机床只需一个夹持刀具进行切削的刀具主轴（钻，膛，铣类机床）或刀架（车床类机床）。自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联络方式，将直接影响机床的加工性能。数控加工中心换刀效率的高低，主要取决于是刀库中刀具的容量大小以及换刀动作的准确性。利用刀库换刀，是目前加工中心中大量使用的换刀方式。刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。在刀库定位问题上，最后配置更优化的可编程控制器等模块，程序控制采用模块化设计方法，这对今后生产类似机床将十分有利很容易将其利用到其他机床上。本文的PLC加工中心自动换刀装置在加工复杂零件的过程中，可以做到多工序连续换刀，工序相对集中，同时减少多次安装造成的重复定位误差，提高了加工精度。（在本设计中主要分析选刀系统以及送刀系统，机械手控制部分不多做分析。）1.2自动刀架的种类及发展趋势1.2.1刀架的种类按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式，下面对这三种形式的刀架作简单的介绍。（1）排式刀架排式刀架一般用于小规模数控车床，以加工棒料为主的车床较为常见。其结构形式为：夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的X坐标轴方向排列在横向滑板上。这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率。图1.1排式刀架（2）回转刀架。回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，一般通过液压系统或电气来实现机床的自动换刀动作。回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤[[]徐二当.谈数控车床刀架系统故障维修[J].中国高新技术企业.2008(10)][]徐二当.谈数控车床刀架系统故障维修[J].中国高新技术企业.2008(10)（3）带刀库的自动换刀装置。这种系统的换刀过程是先将主轴上用过的刀具取下放回车库，然后根据选刀指令将刀库中的代用刀具选好后交换到主轴上。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。图1带刀库自动换刀系统（4）动力刀架如图2所示为适用于车削中心机床的动力转塔刀架，其刀盘上既可以安装各种非动力辅助刀夹夹持刀具进行加工，也可以安装动力刀夹夹持刀具进行主动切削，完成横向钻孔及攻螺纹、端面钻孔及攻螺纹、铣平面、铣键槽、铣扁方等各种复杂工序，实现加工自动化、高效化[[]聂福全.数控车床电动刀架换刀故障分析[J].设备管理与维修.2006(01)][]聂福全.数控车床电动刀架换刀故障分析[J].设备管理与维修.2006(01)图1.2动力转塔刀架1.2.2自动刀架的发展趋势本文所涉及到的数控刀架并不包括动力型转塔刀架，其发展趋势主要表现在:（1）换刀更加迅速平稳随着新结构、新材料、新电机技术的不断研究以及伺服电机驱动性能的提升，新型的刀架在换刀时间会有更大的突破，换刀过程将会向无声、无振动发展[[]宋胄.经济型数控车床自动回转刀架的故障分析及排除[J].机械工程师.2006(12)][]宋胄.经济型数控车床自动回转刀架的故障分析及排除[J].机械工程师.2006(12)（2）定位更精确随着加工技术的改进，精度更高的端齿盘将会减小定位误差:另外，新型的精定位装置出现并取代端齿盘，这将使定位更精确。定位精度要求高，一般要求工位目标位置重复定位精度在，刀槽的工作位置定位精度在0.03-0.05。先进工艺用浮硬齿面对研，重复定位精度可高达另外，刀盘加工趋向用淬火硬磨削，以获得刀槽精度的长期保持性及高的刚度。（3）结构更简单新型的直接驱动技术应用于数控刀架，将会大大减少结构零件数量，提高可靠性，必将成为下一代数控刀架的主流。为了克服刀盘高速转位引起的惯性冲击，使用恰当的缓冲元件是其发展趋势。1.3可编程序逻辑控制器（PLC）概述1.3.1PLC的结构PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。PLC的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成。其结构简图如下：图1.3PLC硬件结构图PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。它是一种以微机处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信控制技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置。1.3.2PLC的硬件1.PLC的物理结构根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式、模块式和混合式。（1）整体式PLC整体式又叫做单元式或机箱式，它的体积小、价格低，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。（2）模块式PLC大、中型PLC一般采用模块式结构，它由机架和模块组成，模块插在模块插座上，后者焊接在机架中的总线连接板上，有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下选用的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用接口模块和电缆相连。用户可以选用不同档次的CPU模块、品种繁多的I/O模块和特殊功能块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。（3）CPU模块中的存储器存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器，系统程序相当于个人计算机中的操作系统，它使PLC具有基本的智能，能完成PLC设计者的规定的各种工作。系统程序由PLC的生厂家设计并固定化在ROM（只读存储器）中，用户不能读取。用户程序由用户设计，它使PLC能完成用户要球的特定功能，用户程序存储器的容量以字节（B）为单位。（4）I/O模块各I/O点的通/断状态用发光二极管（LED）显示，PLC与外部接线的连接一般用接线端子，某些模块使用可以拆卸的插座型端子板，不需断开端子板上的连接线，就可以迅速的更换模块。输入模块：PLC通过输入模块来接收和采集输入信号，通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调速装置等执行器，PLC控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号。输出模块：输出模块的率放大元件有大功率晶体管和场效应管（驱动直流负载）、双向可控硅（驱动交流负载）和小型继电器，继电器可以驱动交流负载或直流负载。输出电流的典型值为0.5—2A，负载电源由外部现场提供。1.3.3PLC的主要特点1.抗干扰能力强，可靠性高PLC专门为工业环境而设计，具有很高的可靠性。它的主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信息调理电路；在机构上对耐热、防潮、防尘、抗震都有精确考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等干扰和故障诊断措施。所有这些使PLC具有较高的抗干扰能力，因此稳定、可靠，抗干扰能力强。与继电器接触装置和通用计算机相比，PLC更能试用工业现场较为恶劣的生产环境。2.控制系统机构简单，通用性强PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在PLC够成的控制系统中，只需要在PLC的端子上接入相应的输入/输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量且繁杂的硬接线线路。当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入/输出组件和应用软件的不同。PLC的输入/输出可以直接与交流220V、直流24V等强电相连，并有较强的带负载能力。3.编程简单，易于使用PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，因此PLC程序的编制采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识就可在短时间内学会。4.功能完善现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、步进控制功能，还能完成A/D转换、D/A转换、模拟量处理、高速计算、联网通信等功能，可以通过上位计算进行显示、报警、记录，进行人机对话，使控制水平大为提高。因此，PLC具有极强的适用性，能够很好地满足各类型控制的需要，是目前工厂中应用最广的自动化设备。5.体积小、维护操作方便PLC体积小，质量轻，便于安装。PLC的输入/输出系统能够直观地反映现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、I/O点状态、异常和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监控。2、刀架结构原理分析2.1刀架的原理分析该装配图为螺旋升降式四方回转刀架，其工作原理见图2.1：（1）刀架抬起。当数控装置发出换刀指令喉，电机正转，并经联轴器，带动蜗杆轴转动，从而带动蜗轮旋转，蜗轮通过键带动轴旋转，轴上装有轴套26，它可在套筒24内孔中的螺旋槽内滑动，从而举起与套筒24相连的上刀架21及上端齿盘20，使上端齿盘20与下端齿盘18分开，完成刀架抬起动作。如图3所示。（2）刀架转位。刀架抬起后，轴套26仍在继续转动，同时带动上刀架21转过90，当转过所需的角度后，由微动开关3发出信号给数控装置。（3）刀架定位。当上刀架转到需要到位后（旋转90°、180°或270°），数控装置发出的换刀指令使霍尔开关9中的某一个选通，当磁性板10与被选通的霍尔开关对齐后，霍尔开关反馈信号使电机反转，插销7在弹簧力作用下进入反靠盘5地槽中进行粗定位，上刀架体停止转动，电机继续反转，使其在该位置落下，通过螺母丝杆机构7使上刀架移到齿盘3、4重新啮合，实现精确定位[[]魏彩乔,陈明,王晓光.数控车床刀架的故障分析与维修[J].机床与液压.2015(07)][]魏彩乔,陈明,王晓光.数控车床刀架的故障分析与维修[J].机床与液压.2015(07)（4）刀架压紧。刀架精确定位后，由微动开关发出的信号使电机反转，夹紧刀架，压缩弹簧15推动定位销17，定位销伸出，使上刀架21定位而不随轴套26回转，于是刀架在重力的作用下向下移动，上下端齿盘合拢压紧。蜗杆继续转动则产生轴向位移，压缩弹簧5，套筒4的外圆曲面压缩开关3使电机停止旋转，从而完成一次转位。当两齿盘增加到一定夹紧力时，电机由数控装置停止反转，防止电机不停反转而过载毁坏，从而完成一次换刀过程。图2.1刀架原理图2.2刀架主电路分析图2.2数控车床电动刀架电气控制电路当有手动换刀或自动换刀指令时，经过系统处理转变为刀位信号，这时在图2中，PLC输出Y06有效，KA6线圈通电，继电器触点闭合，在图1中，KM1线圈通电，交流接触器主触点吸合，刀架电动机正转；当PLC输入点检测到指令刀具所对应的刀位信号时，PLC输出Y06有效撤销，刀架电动机正转停止；接着PLC输出Y07有效，KA7线圈通电，继电器触点闭合，在图1中KM1线圈通电，交流接触器主触点吸合，刀架电动机反转，延时一定时间后，KM2主触点断开，刀架电动机反转停止，换刀过程完成。2.3刀架电机弱电路回路图2.3刀架电机弱电路回路PLC输入/输出电路中输入1号刀同时选择手动刀选择。这时，SB11闭合KA6线圈得电反转KA6触点断开实现互锁。接触器回路中的KA6触点导通（KA1始终处于闭合状态）KM5线圈得电反转KM5反转触点断开实现双重互锁。刀架正转接触器回路导通，在强电回路总的KM5触点闭合刀架正转。当霍尔元件检测到1号刀的到位信号时，刀架开始定位锁紧，电机停转，换到结束。其他3把刀换刀方式依次类推。2.4PLC系统控制及分析数控系统调刀代码开始执行时，或行动调刀时，首先输出刀架正转信号，使刀架旋转，当接收到指定的刀具的到位信号后，关闭刀架正转信号，延时50ms时间后，刀架开始反转而进行锁紧，并开始检查锁紧信号，延时60s，当接收到该信号后，关闭刀架反转信号，延迟时间，并对电机制动。换刀结束。程序转入下一程序段继续执行。如执行的刀号与现在的刀号(自动记录)一致时，则换刀指令立刻结束，并转入下一程序段执行。3、加工中心自动换刀装置的硬件设计3.1可编程控制器（PLC）的选型可编程序控制器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。综合考虑后，系统选择了西门子S7-200系列PLC。采用PLC代替继电器可的很好的性能价格比城市照明的线路越复杂使用PLC的优越性就越显著。该系列产品素以高性能闻名，并且具有相当好的扩展和不错的通信能力，西门子的工业控制总线也是相当流行。我们在该系列产品中选择了S7-200CPU224。该机集成14输入/10输出口。可编程序控制器及其有关的外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。PLC耗电小，产生热量极小，电气柜可以设计密封，防灰尘不必经常维护。S7-200系列CPU在紧凑的外壳中组合了微处理器、集成的电路、输入电路和输出电路，以创建功能强大的微型PLC。见下图3.1，下载程序后，S7-200包含应用程序中需要用来监控和控制输入和输出设备的逻辑。图3.1S7-200的CPU图西门子提供不同的S7-200CPU型号，具有多种特征和性能，可以为不同的应用创建有效的解决方案。下表简要的比较了CPU的一些性能。表3.1S7-200CPU型号的比较S7-200扩充模块为了更好地解决应用需要，S7-200系列包含许多中扩充模块，可以使用这些扩充模块将功能添加到S7-200CPU。下表提供了当前可用的扩充模块的列表。表3.2S7-200扩充模块3.2硬件设备的选型3.2.1精定位开关两个精定位开关的安装相对刀套外圆表面的距离可调，同时二者之间的相对位置可调，以保证其感应灵敏度高。刀库上装有刀库原点位置检测开关，凸轮坐上装有回转计数开和刹车点检测开关。在安装时采用将刀库手动转动一个真正刀具能够准确顺利装人和拔出刀套的位置，并用千分表测出转动误差在公差范围内。选择型号为LX19K的行程开关，额定工作电压：380VAC，额定工作电流：5A，动作行程：1.5~3.5mm。3.2.2刀库电机选型在刀盘旋转过程中，驱动刀库电机需要频繁的启动、制动、正转、反转，在此，刀库的驱动电机使用交流异步电动机，用行程开关检测，交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。此种驱动方式相较于液压马达驱动运行稳定，定位准确、可靠，换刀速度快。如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开。参数配置方便而且可调性更高，电机正反转时还有LED指示灯显示控制效果，非常直观方便。数控轴控制刀库旋转电机，由于需要从PLC程序发出控制指令，便可以使用系统命令通道指令使相应的轴定位，最终使CNC控制轴到指定位置。本设计驱动刀库电机选型为Y7-712-2，额定电压：220V，额定功率：0.55KW，额定转速：2800rpm，效率高，节能效果好，启动转矩大，噪声震动较小。图3.2驱动电动机主电路3.2.3接触器接触器是指工业电网中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。本课题中选用西门子接触器3TF4522-0XM0，适用于控制交流电动机和启动、停止及反转，可以提供三相交流电动机的过载保护和断相保护。3.2.4热继电器热继电器是利用电流的热效应原理工作的保护电器，在电路中作电动机的过载保护。凡电机长期运行时，都需要对其过载提供保护装置。在接线时对星型联结的电动机，应选择带断相保护的热继电器。所选用的热继电器的整定电流通常与电动机的额定电流相等。在此系统中选用JR16-20型的热继电器。3.3其它信号接口电路3.3.1编码器接口电路光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。本文选用美国ENCODERPRODUCTS公司生产的EPC－755A微型光电编码器，图3.3编码信号接口电路3.3.2超程限位开关信号输入电路所有电动设备都安装单独的超程限位开关，以防行程终止限位开关发生故障时导致机械损伤及重大事故。为了保证数控机床的运行安全，每个直线轴的两端都限位。根据设备的运行情况而工作，通常装设在远离传动装置的地方，在规定的超程内有效工作。硬限位的开关动作的结果是引起紧急停车，伺服系统掉电并且禁止再起动。超程限位开关用于运动控制器保护，这个输入信号通过光电祸合器和RC滤波器连接到MCX314的限位输入端。图3.4是超程限位输入的电路的示意图。图3.4超程限位信号输入电路3.3.3紧急停止信号为了紧急停止所有轴的驱动，MCX314有紧急停_L}信号EMGN，EMGM信号通常处于高电平，下降到低电平后，所有轴的电机立即停止。此时各轴的RR2寄存器的D5EMG位为1，EMGN信号不能选择逻辑电平。图3.25紧急停止信号3.4加工中心刀具库的I/O资源配置3.4.1刀具库I/O点分配通过对数控加工中心刀具选择系统控制要求的分析，可知自动换刀系统的控制流程，由此得出系统的I/O点分配资源。I/O点分配表如表3.3所示。表3.3I/O点分配表输入输出元器件名符号对应I/O点元器件名符号对应I/O点刀具选择按钮SB1I0.0到位指示灯HL1Q0.0SB2I0.1换刀指示灯HL2Q0.1SB3I0.2刀库正转KM1Q0.2SB4I0.3刀库反转KM2Q0.3SB5I0.4换刀KM3Q0.4SB6I0.5到位行程开关ST1I1.0ST2I1.1ST3I1.2ST4I1.3ST5I1.4ST6I1.5由上表可知PLC有14个输入点5个输出点，因此选用PLC时可选用西门子S7-200CPU226，输入点24，输出点16，并留有一定的余量。3.4.2刀具库I/O外部接线图由系统的I/O资源分配可以绘出控制系统外部接线图。系统I/O外部接线图如图3.5所示。图3.5I/O外部接线图4、自动换刀装置系统的软件设计本章设计了基于PLC的自动换刀装置系统的控制软件，根据硬件系统各个层次的主要功能设计了软件模块，并给出了每个控制模块的实现流程，详细介绍了系统的软件开发环境，最后，给出了上位机和PLC及现场通信设备的数据传输协议，并编写了软件实现过程中的具体软件代码。4.1编程方法的选择西门子提供的STEP7-Micro/Win软件可以很方便的对PLC进行编程。该程序提供三种工具来进行编，程梯形图(LAD)、语句表(STL)和功能块图(FBD)。LAD编辑器以图形方式显示程序，与电气接线图类似，这种方式易于初学者使用、易于理解且全世界通用、该编辑器还能使用SIMATIC和IEC1131-3指令集，可以使用STL编辑器显示所有LAD程序。STL编辑器按照文本语言的形式显示程序，允许你输入助记符来创建控制程序，语句表同时是你能够创建用LAD，FBD无法创建的程序，它与汇编语言非常类似，该种编辑器适用与有经验的编程人员，能解决用LAD，FBD无法解决的问题，不过此时只能使用SIMATIC指令集，同时它还能显示用LAD.、FBD编辑的程序，反之不一定成立。FBD也用图形表示程序，由通用逻辑门组成，该种编辑方法较之LAD比较有利于程序流的跟踪。在这里我们选用了LAD和STL两种方式，从易用以及完全实现功能的角度来考虑。图4.1STEP7Micro/WIN操作界面4.2自动换刀系统的PLC程序设计经过对加工中心工作原理的分析，可知数控加工中心刀具选择系统的程序流程图如图4.2所示。图4.2程序流程图刀库容量为20，容量不大，并且用于小型立式加工中心，因此决定采用盘式刀库。盘式刀库结构简单，应用较多。此换刀装置的优点是结构简单，成本较低，换刀可靠性较好。整个换刀过程时间大约为4秒。主轴以换取新刀具的数量和刀库中刀具数已预先在PLC内部存储器存储以及随机换刀控制模式需要被设置在PLC内部数据表中，刀具的选择方式为任意选择方式中的计算机记忆式，可将刀具号和刀库上存刀地址对应地记忆在计算机存储器内或可编程控制器内。不论刀具放入那个地址，均可跟踪记忆；利用刀库上装刀位置检测装置，可测得每一地址。这样刀具可以任意存取，无需编码元件，这种刀具任选方式使换刀控制大为简化。4.3上下位监控系统设计4.3.1组态软件介绍本文选用昆企通态的MCGS通用组态软件作为上位PC机软件开发监控平台，实现车库状况的远程监控，选用嵌入式组态编程软件ew5000作为上位触摸屏软件开发人机操作界面，实现车库状况的现场调试。组态软件一般有图形界面系统、实时数据库系统、第三方程序接口组件和控制功能组件。图形界面系统用于生成现场过程图形画面；实时数据库系统用于实时存储现场控制点的参数；第三方接口组件用于组态软件与其它应用程序交换数据；控制功能组件用于生成监控所需的控制策略。4.3.2通用MCGSPC机界面设计MCGS由北京昆企通态自动化软件科技有限公司生产，基于Windows平台，用于快速构造和生成上位机监控系统，是国内使用较多的一款通用组态软件。每一部分分别进行组态操作，可以完成不同的工作，且具有不同的特性。组态环境是生成应用系统的工作环境，组态环境相当于一套完整的工具软件，用来帮助用户设计和构造自己的应用系统。组态软件组成部分如图4.3所示。图4.3MCGS通用组态五大组成部分在系统运行的过程中，为了便于画面的切换和变量的提取，必须对菜单进行功能组态。主控窗口负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。设备窗口通过设备构件吧外部设备的数据采集进来，送人实时数据库中的数据输出到外部设备。用户窗口主要用于设置工程中人机交互的界面。MCGS用实时数据来管理所有的实时数据。动态监控画面是组态软件使用的最终目的，用户根据需要可以建立多个监控画面。4.3.3MCGS监控系统与PLC通信在PLC程序上加入相应内部寄存器M(如MO.O)，在计算机显示屏幕中很好地发挥更多监控显示功能，界面中加入了频率监控功能，以丰富上位机的监控功能。对于数据采集模块来说，其主要是负责根据相应的格式分解自PLC读取的数据。数据采集系统主要包含数据输入单元、数据处理及监控和数据输出单元。数据采集流程图如图4.4所示。图4.4数据采集流程图4.3.4仿真调试过程及其结果程序的编写和修改是在STEP-7Micro/WINSP9软件中完成。STEP-7Micro/WINSP9软件编程界面图如图4.5所示。图4.5软件编程界面图由于仿真软件不能直接接受西门子S7-200的程序代码，必须用编程的“导出”功能将S7-200的用户程序转换为扩展名为“awl”的ASCII文本文件，然后在下载到仿真软件的PLC中。对CPU进行选型后会出现CPU226的仿真主控界面图如图4.6所示。图4.6CPU226仿真主控界面图下载成功后，CPU226的仿真主控界面处于“stop”状态，同时会出现下载的程序代码文本框和梯形图，本设计的梯形图和导出的程序块图如图4.7所示。图4.7梯形图与程序块图在完成组态画面的绘制和命令语言的编写后，可进行组态画面的演示。在演示之前，要对画面进行保存，单击菜单栏“文件\存入”命令，在弹出的窗口中选中“基于PLC的自动换刀系统”，在点击“确定”即可。当点击运行加工中心自动换刀装置仿真时，保存完成后，单击“文件\切换到View”命令切换到运行系统，在单击菜单栏“打开”命令，在弹出的窗口中选中所创建的系统画面即“基于PLC的自动换刀系统”，点击“确定”即可进入换刀系统的运行界面。在此以初始状态3号刀具置于机械手位置，选择4号刀具为请求交换刀具为例，进行系统组态画面的演示。当3号刀具置于机械手位置时，行程开关ST3动作即梯形图中I1.2闭合，组态画面上ST3所对应的按钮颜色由红变为绿。运行系统组态画面如图4.8所示。图4.8初始状态的组态演示选择4号刀具时，按下选择按钮SB4即梯形图中I0.3闭合，根据PLC程序可知刀盘应正向旋转以实现最短距离送刀的控制要求，刀盘正向旋转即驱动电机正转。对应的组态演示画面中，SB4对应的按钮颜色由红变绿，电机正转对应的指示灯颜色由红变为绿。组态画面如图4.9所示。图4.9电机正转组态画面当刀盘旋转将请求交换刀具送到机械手位置时，电机停止转动，到位指示灯亮，机械手开始换刀，同时换刀指示灯闪烁。对应的组态演示画面中，电机正转对应指示灯由绿变红，到位指示灯和换刀指示灯均由红变绿。其组态画面如图4.10所示。图4.10换刀组态画面结论在PLC控制步进电机的控制系统中，利用PLC的内部结构，将采集的信号通过预定的程序进行控制。用西门子S7-200为核心控制器，用PLC内的预置程序来控制整个系统的运行，刀位运行过程中只需调用子程序模块，用电机的正反转来控制刀位的上下左右移动实现加工中心自动换刀的自动化，而且提高了控制系统的柔性和可靠性，进而为维修和故障诊断提供多方面的可能性，这样大大降低了程序的复杂程度，方便了程序的修改，有较高的推广和实用价值。这次课题设计总计费时之久，刚开始时不知从何下手，在老师的指导下到图书馆查阅相关资料。有关数控上的资料翻了数次，有参考了相关设计资料，终于知道了该怎么做。接下来塞选出一系列有价值的资料，与同组同学不断的讨论、向老师请教，终于完成了设计。当然，在此过程中也有许多不足之处，例如：知识的不全面，所学的还没有全部掌握，思维的狭隘等，让我在毕业前上了生动形象的一课。通过这次设计了解刀库结构，这还不够，要做进一步研究，设计操作结构简单功能强大的刀库是目前的发展方向，在以后工作中要继续努力做更深入的研究。参考文献[1]刘建南.浅谈机械高效加工技术[J].中国高新技术企业.2017(08)[2]李凌鹏.五轴数控机床技工复杂叶片刀具路径轨迹及补偿方法[J].世界有色金属.2017(08)[3]王素粉.双立柱数控镗削铲斗销孔专用机床主轴模态分析[J].传动技术.2017(01)[4]魏华.数控技术中数控设备的选择及程序管理[J].电子技术与软件工程.2017(08)[5]汪新文.S7-300PLC控制加工中心刀库随机选刀方式研究[J].制造技术与机床.2007(04)[6]陈芳，李继中.盘式刀库加工中心自动换刀系统控制[J].机械设计与制造.2017(10)[7]倪春杰.PLC在加工中心刀库转位控制中的应用[J].兰州石化职业技术学院学报.2013(03)[8]敖荣庆，周兴科.PLC控制加工中心刀库的选刀与CNC系统的通信研究[J].航空精密制造技术.2012(04)[9]向金林.TH7130立式加工中心自动换刀系统的设计[J].装备制造技术.2016(03)[10]石凤武.数控加工工艺及其夹具设计优化[J].工业技术创新.2017(02)[11]纪银德.加工中心换刀手臂位置的调整[J].机械工人.冷加工.2014(07)[12]高诚，石敏，邓凌，程志.基于西门子数控系统的机床换刀安全设计[J].航空制造技术.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错误！未找到引用源。附录（一）指令表根据程序梯形图可以写出指令表语言，刀具选择系统的指令表如下所示：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