第一章 绪论
1.1 加工中心
1.1.1简介
加工中心机床是机床中自动化程度较高、工序较为集中的机床之一，尤其是卧式加工中心尤为突出，卧式加工中心的主轴线为水平状态设置，多数采用的是移动式立柱结构，一般都带有可回转的分度工作台，通常有3-5个运动坐标，最常见的是三个直线运动坐标加一回转工作台。它是带有刀库和自动换到装置的产量最高、应用最广泛的数控机床之一。在加工工件时，工件通过一次装夹，就可以进行多种工序连续加工。
加工中心的优点是加工时排屑容易。但是加工中心在调试程序及试切时不易观察，加工工件时不便于监视，零件的装夹和测量都不方便，并且它结构复杂，占地面积大，价格也过于高昂。
1.1.2 国内外研究概况
近年来，加工中心在品种、性能、功能方面有很大的发展。在品种上，有用于航空、航天零件加工的立、卧五轴联动加工中心;有高性能加工中心对集成三维CAD/CAM 对模具复杂的曲面超精加工;在结构上适合于组成模块式制造单元(FMC)和柔性生产线(FMS)，并具有机电、通讯一体化功能。
1.2 研究背景与研究意义
随着装备制造业的发展，对产品的质量及效率要求的提高，人们对机床的需求也越来越大，因此，由电气系统控制的多工位交换台的加工中心尤其重要，它大大提高了机床的利用率及企业的生产率。
当用加工中心机床批量加工切削时间较短的工件时，工件装卸时间占整个工件加工循环时间的比例很大，在加工中心机床上设计可行的电气系统控制的交换工作台，便可实现两工作台交换的控制，使切削时间和辅助装卸工件同步进行，提高机床的有效利用率。因此，此项研究是非常有必要的，它对人们的生活需求有着重要的意义和广阔的发展前景。
第二章 设计方法概述
2.1 加工中心交换工作台的控制方法
2.1.1继电接触器控制系统
20世纪60年代以前，对工业生产进行自动控制的最先进装置就是继电-接触器控制盘，它对当时生产力的发展发挥了很大作用。但是当人类历史跨入20世纪60年代以后，工业生产随着市场的转变，开始由大批量小品种转变为小批量多品种的生产。在转换过程中，继电控制系统的许多固有弊端更得突出，成为了生产转换的一大障碍。
继电接触器控制系统的弊端：
⑴使用大量机械触点，其可靠性比较差;
⑵其功能局限性比较大、体积大、耗能多;
⑶利用继电-接触器控制系统进行控制时，当生产工艺要求发生变化，控制柜内的元件和接线也必须要有相应的动作，这种变动工期长，费用高。
2.2可编程控制器(PLC)
随着科学技术发展、生产工艺不断提出新的要求，可编程控制器(PLC)技术在控制领域不断出现一些新的突破，比如PLC技术在规模上向大小两头发展、编程语言向标准化靠拢、输入输出模块智能化和专用化控制和管理功能一体化，这些都使得PLC在处理速度和控制功能上都有了很大的提高，不仅可以进行逻辑开关量的逻辑控制，还可以对模拟量进行控制，且具有数据处理、PID控制和数据通信功能，发展成为一种新型的工业自动化控制标准装置。
PLC作为一种专为工业应用而设计的控制器，主要有以下特点：
⑴可靠性高并且抗干扰能力强
为了适应现代工业应用的要求，PLC在硬件和软件方面采取了大量的技术措施，以便在恶劣环境下长时间可靠运行，目前大多数PLC的平均无故障运行时间可达几十万小时。
⑵通用性好，控制程序可以改变，使用方便
PLC可以用各种齐全的各种硬件装置来组成各种控制系统，使用者不必自己再设计和制作硬件装置。硬件确定后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，无须整体改变PLC的硬件设备，只需要改变程序就可以满足要求了。
⑶功能强、适用范围广
现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入/输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能，不仅可以控制一台生产机械、一条生产线，还可以控制一条生产线。
⑷编程简单且易学易用
目前大部分PLC采用梯形图编程方式，梯形图语言的编程元件符号和表达方式和继电器控制电路原理图非常接近，这样对于大多数工厂企业电气技术人员来说比较容易接受和掌握。
⑸系统设计、调试以及维修方便
PLC通过软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，大大减少了控制柜的设计、安装、接线等工作量。再者，PLC的用户程序可以用计算机在实验室仿真调试，缩减了现场调试的工作量。此外，PLC的结构的模块化和很强的自我诊断能力，使得维修极为方便。
因此，为了更方便有效地实现加工中心交换工作台，在设计中选用可编程控制器(PLC)。
第三章 设计内容及过程
3.1 主要设计内容
由PLC的定义已知，其实质上是一种为实现工业控制而设计的专用计算机，所以尽管可编程控制器的品种繁多，结构、功能多种多样，但系统组成和工作原理基本相同。概括来说，系统都是由硬件和软件两大部分组成，都是采用集中采样、集中输出的周期性循环扫描方式进行工作。
因此，在设计PLC时，主要是设计它的硬件和软件两个部分。
3.1.1 PLC的硬件介绍
PLC种类很多，但结构大同小异。PLC控制系统组建时，需要在PLC的输入端子连接有关的输入设备(如触点、按钮和行程开关等)，在输出端子连接有关的输出设备(如电磁线圈、电磁阀和指示灯等)，如果要实现PLC与其他设备的通信，可以在PLC的通信接口连接其他设备，如果想扩展PLC的功能，可以给PLC的扩展接口接上扩展单元。
从上图中可以看出，PLC内部主要由CPU、存储器、输入接口、输出接口、通信接口、扩展接口组成。
3.1.2 PLC软件介绍
PLC与个人计算机相仿，用户程序必须在系统程序的管理下才能运行。下面首先介绍PLC系统监控程序的运行，然后在介绍用户指令系统的相关内容。
㈠系统监控程序
系统监控程序的运行从设备上电开始，经过初始化程序后进入循环执行阶段。如下图是系统监控程序执行过程的框图：
㈡用户应用程序
用户应用程序是由用户编写的，能够完成系统控制任务的指令序列。
⑴PLC的编程元件，是PLC指令系统中的基本要素，PLC指令系统通常提供的逻辑部件有：继电器、定时器、计数器、触发器及其他元件和指令;
⑵PLC的编程语言，包括梯形图、语句表语言、功能块图。
本次课题为加工中心交换工作台控制的设计，不包含系统监控程序设计。
3.2 控制对象分析(设计要求)
交换台交换时必须满足如下条件：
准备区定位销定位，工作台1、2检测在位，按下装夹完成按钮并确认指示灯亮，交换台落下到位，交换台拉勾落下到位，准备区交换台到零位位置，X轴和工作区交换台到第二参考点。
当不能满足以上条件就会出现“2072 Tab Disallow-Chang交换台不能交换”提示.
当满足以上条件后，交换工作台可以开始交换动作，其动作如下：
⒈由一个阀来控制使得交换台抬起，用一个检测信号检测是否到位;
⒉由一个阀来控制使得交换台拉钩抬起，用相应的检测信号检测是否到位;
⒊用两个检测信号检测两工作台是否落入钩子里，检测到位后，将工作台进行旋转;
⒋由一个阀来控制使得工作台拉钩落下，用一个检测信号检测是否到位;
⒌由一个阀来控制使得交换台落下，用一个检测信号检测是否到位;
⒍观察检测交换台旋转是否到位的零位指示灯是否亮起;
以后的交换工作台都重复这些步骤，只是工作台的旋转方向是不同的。
一些动作的M代码如下：
M57 拉钩落下 M58 拉钩抬起
M62 交换台插销
M63 交换台拔销 M66 交换台抬起
M67 交换台落下 M68 正向交换
M69 反向交换
3.3 硬件设计
3.3.1电气元件选型
电气控制电路设计中应尽可能减少电器元件的品种、规格和数量，其用途相同的器件尽可能选同一种品牌、型号的产品。尽量了解电器的新产品，使得设计进行的更加顺利迅速，同时可以使线路在技术指标、先进性、稳定性、可靠性等方面得到大大提高。由电路设计中的一些要求，得到电器元件清单：
|
型号 |
名称 |
规格 |
数量 |
配件号 |
备注 |
|
HH53P-PL 无锡机床电器厂 |
小型中间继电器 |
线圈电压DC24v带浪涌抑制回路及动作指示灯 3NC +3NO |
8 |
=D01-KA40=D02-KA40=E06-(KA30-KA34)=E07-KA10=E08-KA10=E09-(KA20-KA27)=E10-KA10 =F00-(KA40-KA42) |
无交换台时取消8件 |
|
TP511X 无锡机床电器厂 |
小型中间继电器插座 |
导轨式 |
8 |
=D01-KA40=D02-KA40=E06-(KA30-KA34)=E07-KA10=E08-KA10=E09-(KA20-KA27)=E10-KA10 =F00-(KA40-KA42) |
无交换台时取消8件 |
|
SL1-D 日本山武 |
限位开关 |
～220V,钢轮 |
2 |
=E09-SQ17=E09-SQ18 |
无交换台时取消 |
|
BES516-325-BO-C-PU-03 巴鲁夫 |
电感式传感器 |
PNP常开型，DC 3线、M12×1、额定感应距离Sn=2mm额定工作电压DC24V，LED显示，电缆长3mm |
7 |
=E09-（SQ10-SQ16） |
无交换台时取消 |
|
ZB2-BA1+ZB2-BZ105 施耐德电气公司 |
按钮 |
白色 安装孔Φ22.5 |
2 |
=E09-SB12=E09-SB13 |
|
|
JH-B-1.5L/3-1.5L/2-1.5/20-B-1.5/12-B-1.5/26成都低压电器厂 |
接线座 |
17.5A，58节，带标记座，标记号，防护盖，带隔板 |
1 |
+A1-XT02 +A1-XT10 +A1-XT90 |
|
|
ZB2-BS844 +ZB2-BZ105施耐德电气公司 |
急停按钮 |
红色蘑菇头 Φ40 身体组合1NC+1NO，安装孔Φ22，锁定旋转释放按钮 |
1 |
=E09-SB12 |
|
|
ZB2-BW31+ZB2+BW061C ZB2-BE101 施耐德 |
带灯按钮 |
操作头白色，带BA9s24W灯泡直接供电的指示灯身体组合，一常开的触点模块，安装孔Φ22 |
2 |
=E09-SB10 =E09-SB11 |
|
|
LED1-10/20姜堰万利 |
指示灯 |
电阻式球型，绿色，24V，安装孔12.5 |
3 |
=E09-HL20 =E09-HL21 =E09-HL22 |
|
|
4WE6D50/AG24NZ5L 北京华德 |
电磁阀 |
8 |
=E09-YV30～ =E09-YV38 |
一些电气元件的选型原则如下：
①中间继电器：在该电路中电器元件的额定电压要达到24V，并且继电器的触点对数至少要达到(2常开、2常闭);
②中间继电器插座：插座要求便于安装;
③电感式传感器：可靠性高，额定电压达到24V;
④其他剩余元件主要依据是：可靠性高、耐用、方便采购。
3.3.2 PLC机选型
由于生产PLC的厂家众多，实现的功能虽基本相同，但性能、价格和编程语言却有较大的差别，一般从以下几个方面考虑。
①功能方面
所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力完成控制任务。如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求;或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求;或对PLC的位置控制有特殊要求等。这要求用户对市场上流行的PLC品种有详细的了解，以便做出最优的选择。
②价格方面
不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC价格能相差40%以上。在使用PLC较多的强狂下，性价比是一个重要的因素。
③售后服务
用户应考虑相关的技术支持，同一型号以方便维修，系统改造、升级等元素。
本次交换工作台的控制设计只是加工中心的一个部分，而该加工中心配置的是FANUC数控系统，所以为了型号的统一，选用FANUC的PLC机。
3.3.3 I/O分配
输入/输出信号对应的PLC的I/0端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。对软件来说，分配I/O地址以后才可以进行编程;对硬件施工来说，只有确定了I/O地址，才可以绘制电气原理图、装配图，并进行安装。
下表是本设计的I/O分配表：
|
I/O分配表 |
||
|
输入信号 |
插销按钮 |
X8.2 |
|
插销到位 |
X7.6 |
|
|
装夹完成 |
X7.7 |
|
|
交换台抬起到位 |
X7.0 |
|
|
交换台落下到位 |
X7.1 |
|
|
交换台拉钩抬起到位 |
X7.4 |
|
|
交换台拉钩落下到位 |
X7.5 |
|
|
交换台1落在钩子里 |
X8.0 |
|
|
交换台2落在钩子里 |
X8.1 |
|
|
交换台正传到位 |
X7.2 |
|
|
交换台反转到位 |
X7.3 |
|
|
输出信号 |
交换台抬起 |
Y4.0 |
|
交换台落下 |
Y4.1 |
|
|
交换台正转 |
Y4.2 |
|
|
交换台反转 |
Y4.3 |
|
|
交换台拉钩抬起 |
Y4.4 |
|
|
交换台拉钩落下 |
Y4.5 |
|
|
插销 |
Y4.6 |
|
|
装夹完成确认 |
Y5.3 |
|
|
交换台到零位位置 |
Y5.4 |
|
|
交换台自转（拔销） |
Y5.5 |
|
3.4 软件设计
梯形图由触点、输出、用方框表示的功能块等符号组成。触点代表逻辑输入条件，输出通常代表逻辑输出结果，功能块用来表示定时器、计数器或者数学运算等指令。另外，梯形图还有左右母线，它是借用传统电气原理图的分析方法而想象的左正右负的直流电源线。
编写梯形图程序的要求如下：
(1)梯形图的每一个逻辑行要以左母线为起点，按从左至右、自上而下的顺序排列，PLC在扫描程序时也是按照这个顺序执行程序;
(2)触点应画在水平线上，不能画在垂直线上;
(3)线圈不能直接接在左母线上，必须接在右母线上;
(4)梯形图必须按照执行程序的顺序依次画出。
下面对此次设计的梯形图做一下大概的解析：
其中：
R27.0、R103.1、R90.0、R100.6、R100.7都是一些中间地址;
K5.0、K3.1是一些保持型开关;
WL.FA是指示灯;
Z.D是零位指示灯;
F96.0是X轴第二参考点;
F96.0是B轴第二参考点;
功能块SUB24是定时器，用于延时，此图中的延时是输入信号的延时，是为了确保相应的输入信号完全到位。
R101.0、R101.1、R101.2、R101.3、R101.4是中间地址;
图中的功能块都是定时器，用于延时，此图中的延时是输入信号的延时，是为了确保相应的输入信号完全到位。
R101.5是中间地址;
功能块是定时器，用于延时，此图中是信号X8.1的延时，为了确保该信号完全到位;
该图中的第二条编程语言表示用M66来实现Y4.0的输出(交换台抬起);
该图中的第三条编程语言表示用M67来实现Y4.1的输出(交换台落下)。
第一个功能块是低电平有效，第二个功能块是高电平有效;
此段程序是M代码的做法，F7.0是M代码选通信号。
