機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)詳解

課程設(shè)計(jì)說明書 鄭州電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 課程設(shè)計(jì)說明書 題 目 機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) --數(shù)控加工中心刀具換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系 別 機(jī)電工程系 專 業(yè) 機(jī)電一體化 班 級(jí) 11級(jí)機(jī)電2班 姓 名— xiaoming 設(shè)計(jì)時(shí)間 2013 年5月8日 指導(dǎo)教師 xiaoli 二。一三年五月七日 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 一、課程設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控加工中心刀具庫換刀系統(tǒng)。 二、課程設(shè)計(jì)要求 刀具由PLC控制來實(shí)現(xiàn)其功能。斗笠式刀庫裝 6把刀，從上向下看順時(shí)針編號(hào)，如圖 4-1所示。以機(jī)械手位置為基準(zhǔn)，刀號(hào)變大方向連續(xù) 3把刀盤逆時(shí)針換刀；刀號(hào)變小連續(xù) 2把刀采用順時(shí)針旋轉(zhuǎn)換刀。例如：假設(shè) 1號(hào)刀為停留在機(jī)械手位置處時(shí)，調(diào)去 1號(hào)刀時(shí) 刀盤不動(dòng)作；調(diào)取5、6號(hào)刀時(shí)刀盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，調(diào)去 2、3、4號(hào)刀時(shí)，刀盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 三、課程設(shè)計(jì)的參數(shù)設(shè)置 1、寄存器D0；機(jī)械手當(dāng)前位置寄存器。 2、寄存器D1:程序刀號(hào)寄存器。 3、寄存器D3:偏差寄存器。 4、參數(shù) K:參數(shù) K1、K2、K& K4 KS K6分別為 1、2、3、4、5、6。 四、課程設(shè)計(jì)過程 第一節(jié)PLC基本介紹 可編程控制器(Programmable Controller ) 簡(jiǎn)稱PC,為了避免和通用計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱 PC同意，在很多書中對(duì)可編程控制器仍沿用 PLC的簡(jiǎn)稱。 1968年美國的汽車工業(yè)首先提出了可編程控制器的概念， 1969年美國數(shù)字設(shè)備公司制 造出了世界上第一臺(tái)PLG這時(shí)的可編程控制器只能用于執(zhí)行邏輯判斷、定時(shí)、計(jì)數(shù)等順序 控制功能，所以稱為可編程控制器，簡(jiǎn)稱 PLG PLC最早用于取代汽車生產(chǎn)線上的繼電器控 制系統(tǒng)，隨即擴(kuò)大到食品加工、制造冶金等工業(yè)部門 可編程控制器在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能上都類似于通用計(jì)算機(jī)， 所不同的是可編程控制器還 具有很多通用計(jì)算機(jī)所不具有的功能和結(jié)構(gòu)。 PLC還有很多適應(yīng)于各種工業(yè)控制系統(tǒng)的模 塊； PLC采用以傳統(tǒng)電氣圖為基礎(chǔ)的梯形圖語言編程，方法簡(jiǎn)單且易于學(xué)習(xí)和掌握。所以 在控制系統(tǒng)應(yīng)用方面PLC優(yōu)于計(jì)算機(jī)，它易于和控制系統(tǒng)相連接，可以方便靈活的構(gòu)成不 同要求，不同規(guī)模的控制系統(tǒng)，其環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力強(qiáng)， 所以可將可編程控制器稱工 業(yè)控制計(jì)算機(jī)，由于這些特點(diǎn)，目前可編程控制器已成為工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要支柱。 可編程控制器的基本組成： 1、中央處理單元(CPU) 中央處理器單元是PLC的核心，PLC的檔次越高CPU勺位數(shù)越多，系統(tǒng)處理信息量越大， 運(yùn)算速度就越快，指令功能也越強(qiáng)。 2、存儲(chǔ)器 存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。 存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。 3、輸入輸出接口電路 現(xiàn)場(chǎng)輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，作用是 PLC與現(xiàn)場(chǎng)控制 的接口界面的輸入通道。 現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求電路集成，作用 PLC 通過現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路向現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。 4、電源 PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個(gè)良好的、可靠的電源 系統(tǒng)是無法正常工作的，因此 PLC的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交 流電壓波動(dòng)在+10%（+15%）范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將 PLC直接連接到交流電網(wǎng) 5、編程器 編程器用于將用戶程序送入 PLC的存儲(chǔ)器，是PLC最重要德外部設(shè)備。編程器可 用于編程，也可以用來進(jìn)行程序修改和檢查，還可以對(duì) PLC工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。 第二節(jié)闡述PLC的工作原理 可編控制器的工作原理：循環(huán)掃描工作方式， PLC在通電以后，PLC實(shí)際上是按 照分時(shí)操作進(jìn)行工作的，此工作過程的循環(huán)掃描工作方式。 當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序 執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期 問，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 （一）輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它 們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸 出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化， I/O映象區(qū)中的 相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào) 的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 （二）用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序 （梯 形圖）。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的 控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯 運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位 的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要 執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)在 I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā) 生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在 I/O映象區(qū)或系統(tǒng) RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù) 據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面 的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被 刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程 序起作用。 在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即 I/O指令則可以直接存取 I/O點(diǎn)。即使 用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會(huì)被更新，程序直接從 I/O模塊 取值，輸出過程影像寄存器會(huì)被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。 （三）輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后， PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間， CPU按照 I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng) 相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是 PLC的真正輸出。 第三節(jié)列出I/O配置表 節(jié)點(diǎn)類型 節(jié)點(diǎn)名稱 節(jié)點(diǎn)作用 軸 入 X001 機(jī)械手位置檢測(cè) X002 機(jī)械手位置檢測(cè) X003 機(jī)械手位置檢測(cè) X004 機(jī)械手位置檢測(cè) X005 機(jī)械手位置檢測(cè) X006 機(jī)械手位置檢測(cè) X0011 刀具號(hào)選擇 X0012 刀具號(hào)選擇 X0013 刀具號(hào)選擇 X0014 刀具號(hào)選擇 X0015 刀具號(hào)選擇 X0016 刀具號(hào)選擇 出 輸 Y000 刀具到位寸斤 Y001 刀盤旋轉(zhuǎn)指示 Y002 刀盤順轉(zhuǎn) Y003 刀盤逆轉(zhuǎn) Y004 換刀閃爍 第四節(jié)刀盤取刀示意圖 如圖4-1所示，以1號(hào)刀位在機(jī)械手位置處為例。 一、調(diào)取當(dāng)前刀號(hào)。機(jī)械手在 1號(hào)刀位D0=K1,系統(tǒng)調(diào)取當(dāng)前刀號(hào)， D0=K1, 兩值比較D0=D1,此時(shí)，到位指示燈直接亮起，接著換刀成功指示燈閃爍，表示換 刀完成。 二、調(diào)取2 （或3、4）號(hào)刀。機(jī)械手在 1號(hào)位D0=K1,系統(tǒng)調(diào)取2號(hào)刀，D1=K2, 兩值比較 D0<D1,止匕時(shí)，D0要先加 K6再減D1得D3, D3再和K3比較D3>K3,M10動(dòng)作， 刀盤逆轉(zhuǎn)。 -14 - 圖4-1 ⑶ 如圖4-2 ,調(diào)取5 （或6）號(hào)刀，機(jī)械手在 1號(hào)位置D0=K1,系統(tǒng)調(diào)取5 號(hào)刀，D1=K5,兩值比較 D0<D1,止匕時(shí)，D0要先加 K6再減D1得D3, D3再和k3較, K011 X012 X013 K014 K015 K001 M5 HI― K002 M5 TI X003 M5 TI X004 M5 K005 M5 TI K006 M5 TI M5 D3~~《K3, M11、M12動(dòng)作，刀盤順轉(zhuǎn) 第五節(jié) 本系統(tǒng)梯形圖及指令 4MOV KI BO } TMOV K2 DO } -[Mov K3 DO } -[MOV K4 DO } 4Jiov K5 DO } -DrtOV K6 DO } HJIOV KI DI } [SET M5 } {NtO K2 DI } [SET M5 1 D!K)V S3 DI } [SET M5 } WV K4 DI } [SET M5 1 WV K5 DI } [SET M5 1 [MOV K6 DI } [SET M5 } (CMP DO DI MCI } {SUB DO DI D3 } (YOW， MD DO K6 D2 ， {SUB D2 DI D3 } 指令表 在止 步進(jìn)指令 器彳 牛號(hào) 0 LD X011 1 MOV K1 D0 6 LD X012 7 MOV K2 D0 12 LD X013 13 MOV K3 D0 18 LD X015 19 MOV K1 1 D0 24 LD X015 25 MOV K5 30 LD X016 1 31 MOV K1 D0 36 LD X001 37 ANI M5 38 MOV K1 D1  43 SET M5 44 1 LD X002 45 ANI M5 46 MOV K2 D1 51 SET M5 52 LD X003 53 ANI M5 54 「 MOV K3 D1 59 SET M5 60 LD X004 61 ANI M5 62 MOV K4 D1 67 SET M5 68 LD X005 69 ANI M5 70 MOV K5 D1 75 SET M5 76 LD X006 77 ANI M5 78 MOV K6 D1 83 SET M5 84 LD M5 85 CMP D0 D1 92 MPS 93 AND M0 94 SUB D0 D1 101 MRD 102 AND M1 103 OUT Y000 104 MRD 105 AND M2 106 ADD D0 K6 113 1 MPP 114 AND M2 115 SUB D2 D1 122 1 LD M5 123 CMP D3 K3 130 MPS 131 1 AND M10 132 ANI Y000 133 ANI M20 134 OUT M18 135 MRD 136 AND M11  137 ANI Y000 138 1 ANI M20 139 OUT M19 140 MPP 141 1 AND M12 142 ANI Y000 143 ANI M20 144 OUT M20 145 LD M19 146 OR M20 147 OUT Y002 148 LD M18 149 OUT Y003 150 LD Y000 151 OUT T1 K50 154 LD Y002 155 OR Y003 156 OUT Y001 157 LD Y000 158 AND M8013 159 OUT Y004 160 LD T1 161 RST M5 162 END 第六節(jié)本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步， 人們對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)提出了許多新的和更 高的要求，制造業(yè)中的機(jī)電一體化應(yīng)用就是典型的實(shí)例。毫無疑問，機(jī)械制造自動(dòng)化中的 計(jì)算機(jī)數(shù)控、柔性制造、計(jì)算機(jī)集成制造及機(jī)器人等技術(shù)的發(fā)展代表了機(jī)電一體化的發(fā)展 水平。 系統(tǒng)的表現(xiàn)特征之一是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。 第七節(jié)本系統(tǒng)的改進(jìn) 選擇順應(yīng)性裝配機(jī)器人具有選擇順應(yīng)性的裝配機(jī)器人的手臂，這種機(jī)器人在 水平方向具有順應(yīng)性，而在垂直方向則有很大的剛性，最適合于裝配作業(yè)使 用，它有大臂回轉(zhuǎn)、小臂回轉(zhuǎn)、腕部升降與回轉(zhuǎn)四個(gè)自由度。 人工智能化在機(jī)電一體化中的研究日益得到重視， 機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的 智能化就是重要的應(yīng)用。提高機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平和加快設(shè)計(jì)水平是 改進(jìn)該系統(tǒng)的重要方法。 五、指導(dǎo)教師評(píng)價(jià) 1 .指導(dǎo)教師評(píng)語： 指導(dǎo)教師簽名: 2 .成績(jī)?cè)u(píng)定: 簽名： 年 月 日