【正文】 量的智能化，如自適應(yīng)控制、工藝參數(shù)自動(dòng)生成等；為提高驅(qū)動(dòng)性能的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適用控制、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載、自動(dòng)選定模型、自整定等；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的扥智能化；智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等，及智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容，方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 4. 柔性化、集成化 為適應(yīng)制造自動(dòng)化的發(fā)展，向 FMC、 FMS、 CIMS提供基礎(chǔ)設(shè)備，要求數(shù)控系統(tǒng)不僅能完成通常的加工功能，而且還能夠具備自動(dòng)測(cè)量，自動(dòng)上下料，自動(dòng)換刀，自動(dòng)誤差補(bǔ)償，自動(dòng)診斷，進(jìn)線和聯(lián)網(wǎng)功能，一句用戶的不同要求，可方便地靈活配置及集成。 可編程控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r 可編程控制器的特點(diǎn) 可編程控制器，簡(jiǎn)稱 PLC（ Programmable logic controller），是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在 1987年國(guó)際電工委員會(huì)（ International Electrical Committee）頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì) PLC 做了如下定義：“ PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字操作的電子裝置”。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。 PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原理而設(shè)計(jì)。 PLC之所以高速發(fā)展除了工業(yè)自動(dòng)化的客觀需求外，還有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。它較好的解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中的可靠、安全、靈活、方便經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題。其特點(diǎn)如下： 1. 編 程方法簡(jiǎn)單易學(xué) 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 7 梯形圖是使用最多的 PLC的編程語(yǔ)言，其電路符號(hào)和表達(dá)式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語(yǔ)言形象直觀，易學(xué)易懂，熟悉繼電器電路圖的電器技術(shù)人員只要花幾天時(shí)間就能可以熟悉梯形圖語(yǔ)言，并用來(lái)編制用戶語(yǔ)言。 2. 性能強(qiáng)，性能價(jià)格比高 一臺(tái)小型 PLC內(nèi)有成百上千個(gè)可供用戶使用的編程元件，有很強(qiáng)的功能，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。與相同功能的繼電器控制系統(tǒng)相比，具有很高的性能價(jià)格比， PLC可以通過(guò)通信聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)分散控制，集中管理。 3. 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng) PLC產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化 、模塊化、配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶使用用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同的功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。 PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。 PLC有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可以直接驅(qū)動(dòng)一般的電磁閥和小型交流接觸器。 硬件配置確定后，可以通過(guò)修改用戶程序，方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。 4. 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的中間繼電器，時(shí)間繼電器。由于觸電接觸不良，容易出現(xiàn)故障。 PLC 用軟件代替大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器， PLC外部?jī)H剩下與輸入和輸出的有關(guān)的少量硬件 元件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的 1/10~1/100，因觸電接觸不良造成的故障大為減少。 PLC采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可以直接用于有強(qiáng)烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)， PLC已被廣大用戶公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。 5. 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小 PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等期間，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。 PLC的梯形圖程序一般用順序控制設(shè)計(jì)法來(lái)設(shè)計(jì)。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì) 梯形圖的時(shí)間比設(shè)計(jì)相同功能的繼電器控制系統(tǒng)電路圖的時(shí)間要少很多。 PLC的用戶程序可以在實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，輸入信號(hào)用小開(kāi)關(guān)來(lái)模擬，通過(guò) PLC上的發(fā)光二極管可觀察出信號(hào)的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)調(diào)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題一般通過(guò)修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間比繼電器系統(tǒng)少很多。 6. 維修工作量小，維修方便 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 8 PLC 的故障率很低，且有完善的自診斷和顯示功能。 PLC 或外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，可以根據(jù) PLC上的發(fā)光二極管或編程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更換模式的方法可以迅速的排 除故障。 7. 體積小，能耗低 復(fù)雜的控制系統(tǒng)使用 PLC后，可以減少大量的中間繼電器盒時(shí)間繼電器，小型 PLC的體積僅相當(dāng)于幾個(gè)繼電器的大小，因此可將開(kāi)關(guān)柜的體積縮小到原來(lái)的 1/2~1/10。 PLC的配線比繼電器控制系統(tǒng)的的配線少很多，股可以節(jié)省大量的配線和附件，減少大量的安裝接線工時(shí)，加上開(kāi)關(guān)柜體積的縮小，可以節(jié)省大量的費(fèi)用。 可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域 PLC 已經(jīng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在很多的工業(yè)部門，隨著其性能的價(jià)格比的不斷提高， PLC 的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，主要有一下幾個(gè)方面： 1. 數(shù)字量邏輯控制 PLC用“與”、“或”、“非”等邏輯控制指令來(lái)實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)和電路的串、并聯(lián)，代替繼電器進(jìn)行組合邏輯控制、定時(shí)控制欲順序邏輯控制。數(shù)字量邏輯控制可以用于單臺(tái)設(shè)備，也可以用于自動(dòng)生產(chǎn)線，其應(yīng)用領(lǐng)域已遍及各行各業(yè)，甚至深入到家庭。 2. 運(yùn)動(dòng)控制 PLC使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊，對(duì)直線運(yùn)動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)的位置、速度和加工控制，可以實(shí)現(xiàn)單軸、雙軸、三軸和多軸位置控制，是運(yùn)動(dòng)控制欲順序控制有機(jī)地結(jié)合在一起。PLC的運(yùn)動(dòng)控制功能廣泛地用與各種機(jī)械，例如金屬切削機(jī)床、金屬成形機(jī)械、裝配機(jī)器、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。 3. 閉環(huán)過(guò)程控制 過(guò)程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。 PLC 通過(guò)模擬量I/O模塊，實(shí)現(xiàn)模擬量（ Analog）和數(shù)字量（ Digital）之間的 A/D轉(zhuǎn)換，并對(duì)模擬量實(shí)行閉環(huán) PID（比例 積分 微分）控制。小型 PLC用 PID指令實(shí)現(xiàn) PID閉環(huán)控制。 PID閉環(huán)控制功能已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于塑料擠壓成形機(jī)、加熱爐、熱處理爐、鍋爐等設(shè)備，以及輕工、化工、機(jī)械、冶金、電力、建材等行業(yè)。 4. 數(shù)據(jù)處理 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 9 現(xiàn)代的 PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（包括整數(shù)運(yùn)算、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、字邏輯運(yùn)算，以及求反、求補(bǔ)、循環(huán)和移位等）、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn) 換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中的參考值進(jìn)行比較，也可以用通信功能傳送到別的智能裝置，或者將他們打印制表。 5. 通信聯(lián)網(wǎng) PLC的通信包括 PLC與遠(yuǎn)程 I/O之間的通信、多臺(tái) PLC之間的通信、 PLC與其他智能控制設(shè)備（例如計(jì)算機(jī)、變頻器、數(shù)控裝置）之間的通信。 PLC與其他智能控制設(shè)備一起，可以組成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。 可編程邏輯控制器的發(fā)展趨勢(shì) 從當(dāng)前產(chǎn)品技術(shù)性能來(lái)看， PLC發(fā)展趨勢(shì)仍然主要體現(xiàn)在體積的縮小與性能的提高 兩大方面。 1 體積小型化。電子產(chǎn)品體積的小型化是微電子技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果?，F(xiàn)代 PLC無(wú)論從內(nèi)部元件組成還是硬件、軟件結(jié)構(gòu)都已經(jīng)于早期的 PLC有了很大的不同， PLC體積被大幅度縮小。 2 性能的提高。 PLC的性能主要包括 CPU性能與 I/O性能兩大方面。 智能 I/O模塊式以微處理器為基礎(chǔ)的功能部件。他們的 CPU與 PLC主 PLC并行工作，占用主機(jī) CPU的時(shí)間很少，有利于提高 PLC 的掃描速度。智能模塊要有模擬量 I/O， PID回路控制，智能 I/O的應(yīng)用，使過(guò)程控制功能增強(qiáng)。某些 PLC的過(guò)程控制還具有自適應(yīng)，參數(shù)自整 定功能，使調(diào)試時(shí)間減少，控制精度提高。 另外， PLC 不斷與計(jì)算機(jī)相結(jié)合。個(gè)人計(jì)算主要用作 PLC 的編程器、操作站或人 /機(jī)接口終端，其發(fā)展是使 PLC具備計(jì)算機(jī)的功能。大型 PLC采用功能很強(qiáng)的微處理器和大容量存儲(chǔ)器，將邏輯控制，模擬量控制，數(shù)字運(yùn)算和通訊功能緊密結(jié)合在一起。這樣， PLC與個(gè)人計(jì)算機(jī)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，集散控制系統(tǒng)在功能和應(yīng)用方面互相滲透，使控制系統(tǒng)的性能價(jià)格比不斷提高。 改善和發(fā)展新的編程語(yǔ)言、高性能的外部設(shè)備和圖形監(jiān)控技術(shù)構(gòu)成的人 /及對(duì)話技術(shù)，除梯形圖、流程圖、專用語(yǔ)言指令外，還增加了 BASIC、 C語(yǔ)言的編程功能和容錯(cuò)功能。如：雙機(jī)熱備、自動(dòng)切換 I/O、雙機(jī)表決（當(dāng)出入狀態(tài)與 PLC邏輯狀態(tài)比較出錯(cuò)時(shí)，自動(dòng)斷開(kāi)改 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 10 輸出）、 I/O三重表決（ I/O狀態(tài)進(jìn)行軟硬件表決，取兩臺(tái)相同的）等，以滿足極高可靠性要求。 . 課題的研究意義 自動(dòng)換刀系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。刀具夾持元件的結(jié)構(gòu)特性及它與機(jī)床主軸的聯(lián)絡(luò)方式，將直接影響機(jī)床的加工性能。刀庫(kù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式及刀具交換裝置的工作方式，則會(huì)影響機(jī)床的換刀效率。自動(dòng)換刀系統(tǒng)本省及相關(guān)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度又會(huì)對(duì)機(jī)床的成本造價(jià)產(chǎn)生直接影響。 本文對(duì)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置進(jìn) 行研究，不僅提升數(shù)控機(jī)床的工作效率，而且通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)的研究，使得在可行的范圍內(nèi)降低整機(jī)的成為可能，對(duì)實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 11 第二章 機(jī)械手的自動(dòng)換刀裝置研究 加工中心要完成對(duì)工件的多工序加工，必須要在加工過(guò)程中自動(dòng)更換刀具，為完成這項(xiàng)工作而設(shè)置的儲(chǔ)存及更換刀具的系統(tǒng)統(tǒng)稱為自動(dòng)換刀系統(tǒng)。自動(dòng)換刀系統(tǒng)中的刀庫(kù)，換刀的可靠性，即換刀速度直接影響到加工中心的工作效率。 利用刀庫(kù)換刀，是目前加工中心中大量使用的換刀方式。由于有了刀庫(kù)，機(jī)床只要一個(gè)固定主軸夾持刀具，有利于提高主軸剛度。獨(dú)立的 刀庫(kù)大大增加了刀具的儲(chǔ)存數(shù)量，有利于擴(kuò)大機(jī)床的功能，并能較好地減少各種影響加工精度的干擾。 自動(dòng)換刀系統(tǒng)研究 刀庫(kù)介紹 刀庫(kù)式換刀裝置有一個(gè)存儲(chǔ)刀具的刀庫(kù)，機(jī)床只需一個(gè)夾持刀具進(jìn)行切削的刀具主軸（鉆，膛，銑類機(jī)床）或刀架（車床類機(jī)床）。當(dāng)需要某一刀具進(jìn)行切削加工時(shí)，將該刀具自動(dòng)地從刀庫(kù)轉(zhuǎn)置至機(jī)床主軸或刀架中；在切削完畢后，又將用過(guò)的刀具自動(dòng)的從機(jī)床主軸或刀架移回刀庫(kù)中。由于在換刀過(guò)程中刀具需要在多個(gè)部件之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以各部件的動(dòng)作必需準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。 刀庫(kù)中刀具的數(shù)目可根據(jù)工藝要求與機(jī)床的結(jié) 構(gòu)布局而定，數(shù)量可較多。刀庫(kù)的儲(chǔ)存量一般在 8～ 64把范圍內(nèi)，多的可達(dá) 10～ 200把。 刀庫(kù)可布置在遠(yuǎn)離加工區(qū)的地方，從而消除了它與工件發(fā)生干涉的可能性。 刀庫(kù)不承受切削加工的作用力，它的工作條件比較好。 機(jī)床的主軸或刀架的尺寸不象刀塔那樣的受限制，這樣就有可能提高主軸或刀架的剛度。從而有利于提高機(jī)床的加工精度。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 12 采用這種自動(dòng)換刀方式的刀具主軸或刀架，需要自動(dòng)夾緊、放松刀具的機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)傳力機(jī)構(gòu)。另外，還常需要清潔刀柄及刀孔、刀座的裝置，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換刀時(shí)間一般也比較長(zhǎng)。 “自動(dòng)換刀過(guò)程時(shí)間”包括下述動(dòng)作的 時(shí)間：一個(gè)工序加工完畢后，刀具快速退離工件，從加工位置退到換刀位置（同時(shí)主軸準(zhǔn)停）；進(jìn)行新舊刀具的交換；然后松開(kāi)主軸（消除準(zhǔn)停）、變速、主軸啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)并快速趨近加工位置，用更新的新刀具開(kāi)始下一工序的加工。 由于這種自動(dòng)換刀裝置是用于多工序零件加工，換刀頻繁，如果每一次的“自動(dòng)換刀過(guò)程時(shí)間”稍長(zhǎng)一點(diǎn)，多次換刀所積累的結(jié)果就會(huì)相當(dāng)可觀，就不能顯著提高生產(chǎn)效率，因此，在設(shè)計(jì)條件允許的情況下，應(yīng)盡可能縮短“自動(dòng)換刀過(guò)程時(shí)間”。中型機(jī)床，每次換刀時(shí)間一般在 10秒左右，當(dāng)然，在自動(dòng)換刀過(guò)程的各個(gè)動(dòng)作中，有些動(dòng)作如刀具快速 退離和快速接近工件所需時(shí)間，尚與工件加工面具體位置有關(guān)，不完全決定于設(shè)計(jì)者。但有些動(dòng)作如進(jìn)行新舊刀具交換所需要的“換刀時(shí)間”，則可基本上由機(jī)床設(shè)計(jì)者所決定。這種“換刀時(shí)間”有的已降低至 ，一般約為 5秒。 鏈?zhǔn)降稁?kù) 鏈?zhǔn)降稁?kù)包括單環(huán)鏈和多環(huán)鏈 , 鏈環(huán)形式可有多種變化，如圖 2— 1（ a）、（ b）、（ c） （ a） （ b） （ c） 圖 2— 1 圖 2— 2 是方形刀庫(kù)的典型結(jié)構(gòu)示意圖。主動(dòng)鏈輪由伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò) 蝸輪減速裝置驅(qū)動(dòng)（根據(jù)需要，還可以經(jīng)過(guò)齒輪副傳動(dòng)）。這種傳動(dòng)方式，不僅在鏈?zhǔn)降稁?kù)中采用，在其他形式的刀庫(kù)傳動(dòng)中，也多采用。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文） 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院（論文）