毕业设计（论文）-PLC在车床数控化改造中的应用.doc

河北化工医药职业技术学院目录第一章 绪论31.1机床控制的发展历史31.2机床控制现状4第二章 可编程序控制器(PLC)简介42.1可编程序控制器的基本概况42.1.1可编程序控制器的定义42.12可编程序控制器的发展趋势52.2 可编程序控制器的分类及特点52.21可编程序控制器的特点52.3 PLC的基本硬件及工作过程图示6第三章 普通车床结构、运动形式及其控制系统73.1普通车床的结构83.2车床的运动形式83.3车床的控制93.31车床的控制特点93.32车床控制的典型环节9第四章 车床数控系统的发展95.1机床数控改造的意义115.11机床数控化改造原因115.12机床数控化的优越性115.13机床数控化改造的意义125.2普通车床的数控化改造设计135.3车床数控改造时性能和精度的选择145.4 车床数控改造方案选择155.5车床的操作要求165.6 PLC数控系统需解决的问题165.7数控系统的控制原理16图1 数控系统原理图175.8 机床电气系统进行PLC改造的基本方法175.81 PLC输入、输出（I/O）点数确定185.82 驱动程序（梯形图）设计18图3 总程序框图、19（2）、手动程序梯形图设计19图4 Z向手动程序梯形图20第六章 可编程控制器(PLC)在CW6140机床改造中的应用216.1 车床改造前后的对比216.2 以CW6140型普通车床为例，把继电控制改造为PLC控制226.21 改造分析226.22 电气控制线路分析236.23 PLC及其程序设计24第七章 结论与展望27参考文献29致谢30PLC在车床数控化改造中的应用摘 要PLC在机械制造的设备控制中应用非常广泛，但在普通车床数控化改造中，用PLC作数控系统的核心部件还是一个新的课题。随着PLC技术、功能不断完善，这将是一种发展趋势。本文介绍了关于PLC在机床电器控制中的应用、车床结构和运动形式、PLC在车床数控化改造中的应用，并以PLC在CW6140机床改造中的应用为例解释PLC在车床数控化改造中的应用。关键词 ：机床，控制，车床，PLC，数控化PLC On A Lathe CNC Retrofit ABSTRACTPLC in the machinery manufacturing control is widely used, but in general the transformation of CNC Lathe, CNC system with the PLC as the core component is a new task. With the PLC technology, function continuously improved, it will be a trend.This paper describes on the PLC in the electrical machine control applications, turning the structure and movement forms, PLC-based reform in the CNC lathe in the applications, and to adopt PLC semi-automatic transformation of C7632KEY WORDS: machine tool, control, lathe, PLC, NC第一章 绪论1.1机床控制的发展历史在机床工业的发展过程中，提高机床的加工速度和加工精度，始终是人们努力解决的相互制约的两大课题，也是推动机床电气控制系统发展的动力。电力拖动控制、电力电子、检测、计算机和控制理论的发展，为机床电气控制系统不断发展提供了物质和科技条件。20世纪40年代以前，机床的电气控制主要采用交流电动机拖动的继电器-接触器控制。由于当时的交流电动机难以实现调速，只能通过皮带、齿轮等机械机构来实现有级变速，因而机床的机械结构比较复杂，同时还限制了加工精度的提高。继电器-接触器控制系统可以实现机床的各种运动控制（如启动、制动、反转、变速等），并可实现逻辑控制、联锁控制、异地控制等，因而大大提高了机床的自动化水平，有助于减轻工人的劳动强度。这种控制系统技术简单、易于掌握，至今仍被广泛采用。 继电器-接触器控制系统是由各种电器组成的，而这些电器的机械动作寿命是有限的，必须按时更换损坏的电器，以免影响系统的可靠性。另外，根据加工工艺的要求，需要改变控制逻辑关系时，必须修改线路，重新安装配线，这对现代机床的控制要求是很不适应的。20世纪40年代后，发电机-电动机、交磁放大机-电动机等直流调速系统，以其优良的调速性能，被广泛用于大型机床的主拖动和进给拖动系统中。不仅提高了机床的加工性能，还简化了机床的传动机构。1.2机床控制现状近年来，由于电力电子器件及其变换技术的发展和矢量控制技术的应用，交流调速系统有了很大的发展，在调速性能上完全可以与直流调速系统相媲美，加之性能可靠、维护方便，因而在星带机床中逐步取代着直流调速系统。 在机床的控制方面，今年出现的可编程控制器（PLC）已广泛用于电气控制系统中。可编程控制器不仅可以按事先编好的程序进行各种逻辑控制，还具有随意编程、自动诊断、通用性好、体积小、可靠性高的特点。因此，可编程控制器正逐步取代着继电器接触器控制系统。 PLC在机械制造的设备控制中应用非常广泛,但在普通车床数控化改造中,用PLC作数控系统的核心部件还是一个新的课题。随着PLC技术、功能不断完善,这将是一种发展趋势。第二章 可编程序控制器(PLC)简介2.1可编程序控制器的基本概况2.1.1可编程序控制器的定义可编程序控制器（Poogrannable Controller）简称为PC,但是由于个人计算机(Personal Computer)也简称为PC,为了区别,同时由于早期的可变程序控制旗帜是具有逻辑控制功能,因此人们仍习惯称可编程序控制器为PLC(Programmable Logical Controller)1982年国际电工委员会在颁布可编程序控制器标准草案中所作的定义为:可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统.它采用一种可编程序的存储器,在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。可编程序控制器及其有关设备应按易于与工业系统连成一个整体和具有扩充功能的原则进行设计。2.12可编程序控制器的发展趋势由于工业生产队自动控制系统需求的多样性，PLC的发展方向有两个：一是朝着小型、建议、价格低廉方向发展。单片及技术的发展，促进了PLC向紧凑型发展，体积减小，价格降低，可靠性不断提高。这种小型的PLC可以广泛取代继电器控制系统，应用于单机控制和小型生产的控制，如OMRON公司的C20、C20P、C28P、C40P、C60P、C20H、C40H等。二是朝着大型、高速、多功能方向发展。大型的PLC一般为多微处理器系统，有较大的存储能力和功能强筋的输入输出接口通过丰富的职能外设借口，可以实现流量、温度、压力、位置等闭环控制；通过网络接口，可几连不同类型的PLC和计算机，从而组成控制范围很大的局域网络，适用于大型的自动化控制系统。 2.2 可编程序控制器的分类及特点2.21可编程序控制器的特点一、为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC机有以下特点：1.可靠性高，抗干扰能力强，工业生产对控制设备的可靠性要求：2.故障修复时间（平均修复时间）短二、任何电子设备产生的故障，通常为两种：1、偶发性故障：由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。但对PLC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。2、永久性故障：由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。3.功能强、适应面广现代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。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。4. 编程简单、容易掌握目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。5. 减少了控制系统的设计及施工的工作量由于PLC采用了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，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。6. 体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。近年来，随着PLC技术的发展, 它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。在机床的实际设计和生产过程中,为了提高机床加工的精度，对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。2.3 PLC的基本硬件及工作过程图示PLC的基本硬件框图PLC的工作过程第三章 普通车床结构、运动形式及其控制系统3.1普通车床的结构普通车床的主要组成部件有：主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身。普通车床是车床中应用最广泛的一种，约占车床类总数的65%，因其主轴以水平方式放置故称为卧式车床主轴箱：又称床头箱，它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经过一系列的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速，同时主轴箱分出部分动力将运动传给进给箱。主轴箱中等主轴是车床的关键零件。主轴在轴承上运转的平稳性直接影响工件的加工质量，一旦主轴的旋转精度降低，则机床的使用价值就会降低进给箱：又称走刀箱，进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其变速机构，可得到所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削丝杠与光杠：用以联接进给箱与溜板箱，并把进给箱的运动和动力传给溜板箱，使溜板箱获得纵向直线运动。丝杠是专门用来车削各种螺纹而设置的，在进行工件的其他表面车削时，只用光杠，不用丝杠。溜板箱：是车床进给运动的操纵箱，内装有将光杠和丝杠的旋转运动变成刀架直线运动的机构，通过光杠传动实现刀架的纵向进给运动、横向进给运动和快速移动，通过丝杠带动刀架作纵向直线运动，以便车削螺纹。3.2车床的运动形式车床的运动形式为切削运动1、主运动工件的旋转运动，由主轴通过卡盘或顶尖去带动工件旋转，它承受车削加工时的主要切削功率。 2、进给运动 车床的进给运动是刀架的纵向或横向直线运动，其运动形式有手动和机动两种3、辅助运动 刀架的快速移动和工件的夹紧与放松3.3车床的控制3.31车床的控制特点1、主轴能在较大的范围内调速。 2、调速的方法可通过控制主轴变速箱外的变速手柄来实现。3、 加工螺纹时，要求反转退刀，这就要求主轴能够正、反转。主轴的正、反转可通过采用机械方法如操作手柄获得。3.32车床控制的典型环节1、主轴的正反转控制 2、主轴的点动控制 3、主轴电动机反接制动停车控制 4、刀架快速移动控制5、 冷却泵电动机控制 6、主轴电动机负载检测及保护环节 第四章 车床数控系统的发展数控机床的发展是随着微电子、计算机、自动化元件、检测等技术的发展而迅速发展起来的。30 年左右数控技术发展的历史证明，促进数控机床不断发展的原因是数控装置和伺服驱动系统的发展 数控装置的发展至今已经历了五代 1952 年，教控机床的出现是第一代，数控装置采用了电子管、继电器等元件构成模拟电路 1959 年，出现了晶体管，数控装盆中广泛采用晶体管和印刷线路板，构成晶体管数字电路（分立元件） ，使体积缩小，进入第二代 1965 年，出现了小规模集成电路，用它构成集成数字电路作数控装置使体积更小功耗低，系统可靠性提高，发展到第三代 以上的机床数控装置都是由元器件构成的专用控制机，称为硬件数控 1970 年，随着微电子技术的发展，出现中大规模的集成电路使小型计算机价格急剧下降，采用小型计算机来取代专用控制机，用编制在计算机内的专用程序来控制机床，实现了软件控制使控制功能既增强又更灵活，并提高系统的可靠性，这就进入第四代，称计算机数控系统（Computer Numerical Control 简称CNC ） 1974年以后，价廉的微处理器的出现，很快取代了小型计算机的数控，而成为微型机数控（Microcomputer Numorica1 Control 简称MNC ) ，进入了第五代1979 年超大规模集成电路、大容量磁泡存储器的应用，使微机数控的控制功能越来越强，存储容t 越来越大。1981 年以来数控系统已具有人机会话、动态图形显示、切削用量选择、故障诊断、软件精度补偿等功能，使数控系统更加智能化 从上述可知：大约五年左右数控装盆更新一次，采用了微机数控使数控装砚的可靠性得到很好的解决，而价格低廉使数控技术的应用范围更为广泛 伺服驻动系统是数控机床精度和快速性的保证，所以伺服驱动系统的性能和可靠性的提高也是数控机床发展的关键技术 50 年代，数控机床的何服驱动系统普遍采用步进系统，但当时步进电机功率范围小，直接驱动只适用于小功率的数控设备，例如线切割机床。一般数控机床是采用步进电机和液压扭矩放大器（电液脉冲马达），增大了开环步进系统的功率，但油泵嗓声大、效率低，70 年代随着功率步进电机的问世，已取代了步进电机和液压扭矩故大器。步进系统进给速度不高，精度低，但其驱动系统简单，调试维修容易，价格便宜，目前常用于经济型数控机床 70 年代，采用直流伺服电机系统，使调速范围达到1 : 20000 ，效率高，精度好，速度高，过毅能力大，嗓声小。但电机尺寸大并节维修电刷，驭动系统比较复杂，价格贵。目前对高精度，快速性好的数控机床已广泛采用 80 年代，出现了交流伺服系统，电机没有电刷磨损和电刷火花，维护简单，可靠性好，高速性能好虽伺服控侧复杂，目前价格稍贵，但应用很有发展前途 计算机数控系统还带有可编程控制特（P LC ) ，它取代了传统的继电器逻辑控制，取消了庞大的强电控制箱。可编程控制器可以通过编创捏序来改变其控制逻辑，具有高度柔性，与数控技术结合，可以有效地完成各类控制。 第五章 车床的PLC数控系统控制原理设计5.1机床数控改造的意义5.11机床数控化改造原因随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，产品的更新换代也不断加速，因此对机床不仅要求具有较高的精度和生产率，而且应能迅速地适应产品零件的变换。生产的需要促使了数控机床的产生，随着电子技术，特别是计算机技术的发展，数控 机床迅速的发展起来。 从第一台数控机床（1952年 美国）问世至今，机床的数控化率在不断的提高。世界各工业国家已普遍生产和应用，日本生产机床的数控化率在1988年就已达到70%。 我国从开放搞活以来，加快了数控机床技术的引进，促使我国的机床数控技术的普及和发展。当前普遍应用的微型计算机数控机床，它综合了电子技术、计算机技术、自动化技术、测量技术和机械制造等方面的最新成果，是一种灵活高效的自动化机床，是机电一体化的典型产品之一。各大企业不断设置数控机床扩大再生产和替换陈旧设备。数控机床的普及率不断提高，这种情况下，普通机床的数控改造是否必要可从以下几点说明。 数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批多变零件的加工问题，能够稳定的加工质量和提高生产效率，但是应用数控机床还是受到其他条件的限制。数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，对中小企业常是力不从心。目前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代的机床闲置起来又造成浪费。国内订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。通过数控机床对具体生产有多余功能。 要较好地解决上述问题，应走普通车床数控改造之路，从一些工业化国的经验者，机床的数控改造也必不可少，数控改造机床占有较大比例。如：日本的大企业中有近30%的机床经过数控改造，中小企业则是70%以上。在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供机床数控改造服务。我国作为机床大国-为了提高机床的数控化率对普通机床进行数控改造不失为一种良策。一些发达国家如德国、美国、 日本等就非常重视对旧机床的改造， 而且已形成了一个完善的产学研结合的改造体系。 由于技术的不断进步，机床改造已成为一个永恒的课题。 我国应在这方面加大宣传力度， 走出一条适合我国国情的机床的数控改造之路。机床数控改造节省资金，同购置新机床相比一般可节省6080的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的 1/3 即使将原机床的结构进行彻底改造升级， 也只需花费购买新机床60的费用， 并可以利用现有地基。性能稳定可靠， 因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。机床经数控改造后， 即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高3-7倍。对复杂零件而言， 难度越高， 功效提高得越多。 且可以不用或少用工装，不仅节约了费用，而且可以缩短生产准备周期。因此，普通机床的数控不但存在的必要，而且大有可为，尤其对一些中小企业更是如此。5.12机床数控化的优越性一般说来，数控机床比传统机床有以下突出的优越性。 （1）可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 （2）可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。 （3）加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要工人修配。（4）可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 （5）拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 （6降低了工人的劳动强度，节省了劳动力(一个人可以看管多台机床)，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 数控技术现已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 由于机床下游行业固定资产投资连续几年快速增长，国内机电产品市场需求年均增长30，带动了机床市场需求30%以上的增长。从2002年开始，我国就成为世界第一机床消费大国。2004年国产金属切削机床年产量达到38.94万台、数控机床产量5.19万台；2005年前三季度，我国金属切削机床和数控机床产量分别达到34.08万台和4.33万台。 我国的大多数制造行业和企业的生产、加工装备大多数是传统的机床，而且多数是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响到企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 由于近几年国内外数控系统的高速发展，使原来进口的高档数控系统已不再满足日新月异的产品需求，迫切需要更换最新的数控系统及软件。 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。在这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。 这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。 由于机床数控技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。我国的机床改造业，也已进入到以数控技术为主的新的行业。 其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复； 其二是NC化，在普通机床上加数控系统，改造成NC机床、CNC机床； 其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新； 其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。5.13机床数控化改造的意义1）节省资金。 机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度3） 提高生产效率。 机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。5.2普通车床的数控化改造设计机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成（那些受资金等条件限制，而将传统机床改装成建议数控机床的另当别论）。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。改造的可行性分析通过以后，就可以针对某台或某几台机床的现况确定改造方案，一般包括： 1、机械修理与电气改造相结合 一般来说，需进行数控改造的机床，都需进行机械修理。要确定修理的要求、范围、内容；也要确定因数控改造而需进行机械结构改造的要求、内容；还要确定数控改造与机械修理。机械性能的完好是数控改造成功的基础。 为配合数控改造而需进行的机械大修改造的测量、计算、设计、绘图、零件制作等应先期完成。同时对停机后需拆、改、加工的部分等应事先规划完毕，提出明确要求，与整个改造工作衔接得当。 2、新旧系统接口的转换设计 根据每台设备改造范围不同，需事先设计接口部分转换，若全部改造的，应设计机电转换接口、操作面板控制与配置、互联部分接点、参数测量点、维修位置等，要求操作与维修方便、合理，线路走向通顺、中小连接点少，强弱电干扰最小，备有适当裕量等。局部改造的，还需要考虑新旧系统的性能匹配、电压极性与大小变换、安装位置、数模转换等，必要时需自行制作转换接口。 合理的验收标准，也是技术准备工作的重要一环。改造工作涉及机械、液压、电气、控制、传感等，因为验收标准是对新系统的考核，制定时必须实事求是，过高或过低的标准都会对改造工作产生负面影响。标准一旦确定下来，不能轻易修改，因为它牵涉到整个改造工作的各个环节。 准备工作就绪后，即可进入改造的实施阶段。实施阶段内容按时间顺序分为： （1）原机床的全面保养 机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。其次，应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。这样既可对改造工作起指导参考作用，又可在改造结束时作对比分析用。 （2）原系统拆除 原系统的拆除必须对照原图纸，仔细进行，及时在图纸上作出标记，防止遗漏或过拆(局部改造情况下)。在拆的过程中也会发现一些新系统设计中的欠缺之处，应及时补充与修正，拆下的系统及零件应分门别类，妥善保管。还有一定使用价值的，可作其他机床备件用。 （3）改造的实施与调试 机床改造应按预先制定好的方案按先后顺序进行。 调试必须按事先确定的步骤和要求进行。调试人员应头脑冷静，随时记录，以便发现和解决问题。调试中首先试安全保护系统灵敏度，防止人身、设备事故发生。调试现场必须清理干净，无多余物品；各运动坐标拖板处于全行程中心位置；能空载试验的，先空载后加载；能模拟试验的，先模拟后实动；能手动的，先手动后自动。 验收工作应聘请有关的人员共同参加，并按已制定的验收标准进行。验收工作包括： （1）机床机械性能验收 经过机械修理和改造以及全面保养，机床的各项机械性能应达到要求，几何精度应在规定的范围内。 （2）电气控制功能和控制精度验收 电气控制的各项功能必须达到动作正常，灵敏可靠。控制精度应用系统本身的功能(如步进尺寸等)与标准计量器具(如激光干涉仪、坐标测量仪等)对照检查，达到精度范围之内。同时还应与改造前机床的各项功能和精度作出对比，获得量化的指标差。 （3）试件切削验收 可以参照国内外有关数控机床切削试件标准，在有资格的操作工、编程人员配合下进行试切削。试件切削可验收机床刚度、切削力、噪声、运动轨迹、关联动作等，一般不宜采用产品零件作试件使用。 5.3车床数控改造时性能和精度的选择并不是所有的旧机床都可以进行数控改造，机床的改造主要应具备两个条件：第一，机床基础件必须有足够的刚性。第二，改造的费用要合适，经济性好。在改装车床前，要对机床的性能指标做出决定。改装后的车床能加工工件的最大回转直径以及最大长度、主电动机功率等一般都不会改变。加工工件的平面度、直线度、圆柱度以及粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。主要有下述性能和精度的选择需要在改装前确定。1）轴变速方法、级数、转速范围、功率以及是否需要数控制动停车等。2）进给运动：进给速度：Z向（通常为8400mm/min）；X向（通常为2100 mm/min）。快速移动：Z向（通常为1.24m/min）；X向（通常为1.23m/min）。脉冲当量：在0.0250.005mm内选取，通常Z向为X向的2倍。加工螺距范围：包括能加工螺距类型（公制、英制、模数、径节和锥螺纹等），一般螺距在10mm以内都不难达到。3）进给运动驱动方式（一般都选用步进电机驱动）。4）给运动传动是否需要改装成滚珠传动。5）刀架是否需要配置自动转位刀架，若配置需要确定工位数。6）其他性能指标选择：插补功能：车床加工需具备直线和圆弧插补功能。刀具补偿和间隙补偿：为了保证一定的加工精度，一般需考虑设置刀补和间隙补偿功能。显示：采用数码管还是液晶或者显示器显示，显示的位数多少等问题要根据车床加工功能实际需要确定，一般来说，显示越简单成本越低，也容易实现。诊断功能：为防止操作者输入的程序有错和随之出现的错误动作，可在数控改造系统设计时加入必要的器件和软件，使其能指示出机床出现故障或者功能失效的部分等，实现有限的诊断功能。以上是车床数控改造时需要考虑的一些通用性能指标，有的车床改造根据需要还会有些专门的要求，如车削大螺距螺纹、在恶劣的环境下工作的防尘干扰、车刀高精度对刀等，这个时候应有针对性的专门设计。5.4 车床数控改造方案选择当数控车床的性能和精度等内容基本选定后，可根据此来确定改造方案。目前机床数控改造技术已经日趋成熟，专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能一般均能满足车床的常规加工要求。因此，较典型的车床数控改造方案可选择为：配置专用车床数控改造系统，更换进给运动的滑动丝杠传动为滚珠丝杠传动、采用步进电机驱动进给运动、配置脉冲发生器实现螺纹加工功能、配置自动转位刀架实现自动换刀功能。通常的机床数控化改造步骤基本如下(1)旧设备基本评估(2)确定改造方案(3)落实改造投入资金(4)寻找委托单位，签订有关改造合同协议(5)整理消化机床现有资料、数据(6)现场测绘旧设备电气、机械部件(7)对CNC、PLC、机床电气、机械改造内容进行设计、订货、制造(8)对机床其余机电系统、液压系统、辅件进行现场拆修、保养、更换(9)对机床改造部分进行现场施工、安装和连接(10)机床联调试验(11)修调恢复机床几何精度、定位精度(12)机床及控制系统各部分功能联动试验，工作可靠性运行(13)机床交检查验收(14)机床试生产切削运行但对某些具体的车床还要具体分析已确定改造方案。目前较典型的经济型专用车床数控改造系统具有下列基本配置和功能：1）采用单片微机为主控CPU，具有直线和圆弧插补、代码编程、刀具补偿和间隙补偿功能、数码管二坐标同时显示、自动转位刀架控制、螺纹加工等控制功能。2） 配有步进电机驱动系统，脉冲当量或控制精度一般为：Z为0.01mm，X向为0.005mm（要与相应导程的丝杠相配套）。3）加工程序大多靠面板按键输入，代码编制，掉电自动保护存储器存储；可以对程序进行现场编辑修改和试运行操作。4）具有单步或连续执行程序、循环执行程序、机械极限位置自动限位、超程报警，以及进给速度程序自动终止等各类数控基本功能。5.5车床的操作要求车床一般加工回转表面、螺纹等。 要求其动作一般是X、Z向快进、工进、快退。加工过程中能进行自动、手动、车外圆与车螺纹等转换;并且能进行单步操作。5.6 PLC数控系统需解决的问题车床的操作过程比较复杂，而PLC一般只适用于动作的顺序控制。要将PLC用于控制车床动作，必须解决三个问题：1）如何产生驱动伺服机构的信号及X、Z向动作的协调; 2）如何改变进给系统速度;3）车螺纹如何实现内联系传动及螺纹导程的变化。将PLC及其控制模块和相应的执行元件组合，这些问题是可以解决的。5.7数控系统的控制原理普通车床数控化改造工作就是将刀架、X、Z向进给改为数控控制。根据改造特点，伺服元件采用步进电机，实行开环控制系统就能满足要求。Z向脉冲当量取0.01mm，X向脉冲当量取0.005mm。选用晶体管输出型的PLC。驱动步进电机脉冲信号由编程产生，通过程序产生不同频率脉冲实现变速。X、Z向动作可通过输入手动操作或程序自动控制。车螺纹的脉冲信号由主轴脉冲发生器产生，通过与门电路接入PLC输入端，经PLC程序变频得到所需导程的脉冲。刀架转位、车刀进、退可由手动或自动程序控制。图1为数控系统原理图。图1 数控系统原理图5.8 机床电气系统进行PLC改造的基本方法利用PLC改造机床电气系统，可大大简化电气线路。它的设计方法是，将各个电气元件直接与PLC的各个输入、输出端口相连，元件之间的连接关系，以及各线圈的状态由逻辑程序确定，元件之间不存在直接的串联或并联，所以线路简单，而逻辑关系由程序确定，维护和设计比较容易。5.81 PLC输入、输出（I/O）点数确定所设计的车床操作为：起点总停、Z、X向快进、工进、快退;刀架正、反转;手动、自动、单步、车螺纹转换。因此，输入需14点。根据图1得输出需9点。I/O连接图如图2所示（以三菱F1S-30MT）为例。图2 I/O连接图5.82 驱动程序（梯形图）设计（1）、总程序结构设计手动、自动、单步、车螺纹程序的选择采用跳转指令实现。图3是总程序结构框图。若合上X12（X13、X14、X15断开），其常闭断开，执行手动程序;若X12断开，X13全上，程序跳过手动程序，指针到P0处，执行自动程序。图3 总程序框图、（2）、手动程序梯形图设计手动程序、自动程序需根据具体零件设计，这里仅以Z向快进、工进、快退的动作为例加以说明。其梯形图如图4所示。 图4 Z向手动程序梯形图在执行手动程序状态下，按X0，Y1接通，作好起动准备。按X2，辅助继电器M0接通。通过T63计时及Y2触点组合，产生频率为103/2i的脉冲信号（i为计时时间，根据需要设定，单位为ms），驱动Z向快进。当按下X3时（M0断开），M1接通，M1与定时器T32组合使Y2产生频率为103/2j的脉冲（ji），由Y2输出，实现工进。按下X4时，M0、Y3同时接通，电机快速反转，实现快退。第六章 可编程控制器(PLC)在CW6140机床改造中的应用6.1 车床改造前后的对比金属切削加工是改变零件形状的方法之一，从毛坯到成品，使零件加工成符合生产需要的形状和尺寸。数控机床是以编程控制器（PLC）微处理器为核心的一种新型工业控制装置，具有体积小、功能强、编程简单、可靠性强等优点，将加工信号传递到机床的数控系统，通过伺服系统按程序自动进行加工，检测设置是由传感器和传动电机组成，根据闭锁系统反馈的信号来控制、修正运动部件的偏移量，保证了零件加工的精确度。由于数控机床是根据控制器输出的信号自动按工艺完成所需的加工工作，减少了由操作人员接在普通机床加工时为保证零件按图标定的诸如直径的上下偏差、长度公差、形位公差、吃刀距、超出距所造成的重复开停机、调整、测试等一系列浪费时间的工作，并且保证产品质量。以普通车床为例，将一根直径40、长500毫米的坯料加工至直径=36，精度要求不柱度为0.05毫米的轴。普通车床车削时所需的机动时间T应该为：由 n=1000vD=10001003.1440=796转/分式中：车床主轴速度 D工件坯料直径因： L=l+y+=500+2+2=504毫米式中：L车刀所移动的距离 y吃刀距（毫米） l工件待加工长度 超出距（毫米） T=Lh/snt=5042/0.87962=0.79分钟式中：T机动时间 h切削厚度 s走刀量 n工件每分钟转数 t切削深度 除以上能以轴、转速及走刀量等有据可依能算出的走刀时间外，其余的如为保证尺寸精度必须小心谨慎地给定进给量前的刀尖与工件表面的对刀，然后以拖板的刻度为参考小心进刀，试车一定长度后，停机检测（最多为两次），确信与图纸的要求相符后才进行车削，其中所需的时间只能按实际操作加上人为制定给出该项工作所耗费的工时，设定此所需的时间为0.5分钟时，则普通车床的实际用时T应为： T=T +0.5=0.79+ 0.5=1.29（分钟）改装（PLC）后的车床，转由编程控制器（PLC）发出的信号完成所须的加工工序，由于车床的横向进给实现了自动化，程序应为：以车刀刀尖为基准点，控制车刀刀尖按指令给定的以主轴中心轴线为基准进到所需加工的轴的半径距离时，横向进给自锁，依照信号进行纵向切削工作，省去了由人工操作加工中所需的反复开停车及检测用时，因此，从以上的加工一根简单的40500（毫米）的轴可以得出：如果改装后数控车床的转速、切削用量等和普通车床相同，则数控机床所需的实际用时为T=0.79(分钟)。普通车床与改装（PLC）可编程控制器后的车床的实际时间差为： TT=1.290.79=0.5(分钟)由此可见改装（PLC）控制后车床的机动时比普通车床的用时省却了0.5分钟，工效将近提高了一倍，对于批量生产的产品，不仅节省了大量的时间，还提高了控制系统的可靠性和准确性，为企业提供了更可靠的自动化生产保障，提高了经济效益。6.2 以CW6140型普通车床为例，把继电控制改造为PLC控制6.21 改造分析1）根据机床电气控制原理图（图1）的控制状态，选择合适的PLC机型；2）列出PLC输入、输出I/O分配表（表1、表2）；3）画出PLC控制电路接线图（图2）；4）画出PLC梯形图（图3），并编制程序；图1 CW6140型普通车床电气控制线路原理图6.22 电气控制线路分析 CW6140型普通车床电气控制线路原理图如图1所示。图中分主电路、控制电路和照明、信号电路。1、 主电路分析 主电路中有两台电机，M1为主轴电机，带动主轴旋转和刀架作进给运动；M2为冷却泵。 三相交流电源通过转换开关QS1引入，主轴电机M1由接触器控制启动，热继电器FR1为主轴电机M1的过载保护。 冷却泵电机M2由组合开关QS2控制启动和停止，热继电器FR2为它的过载保护。2、 控制电路分析（1）主轴电机的控制。当按SB2时，接触器KM1的线圈获得电动作，同时KM1的常开触点闭合，KM3和KT得电，KM1和 KM3主触点闭合时电机M1星形正转降压启动，当KT延时约35S时，KT延时常闭触点断开使KM3失电，其星形接法主触点断开；KT延时常开触点闭合使KM2得电，其主触点闭合，电机M1从星形转换为三角形运行。同理，按SB1时，电机M1反转（星形三角形启动）。（2）冷却泵电机的控制。旋合组合开关QS2使冷却泵电机M2启动运行。（3）照明电路分析。控制变压器TC的二次侧输出36V电压，作为机床低压照灯电源，EL为机床的低压照明灯，由开关SA2控制。6.23 PLC及其程序设计 3.3.1 PLC选型和I/O端口分配根据以上机床主电路继电控制要求分析，系统共需开关量输入点5个，开关量输出点4个，考虑系统的经济性和技术指标，拟选用三菱公司的微型机FX2n16MR机型，该机基本单元有8点输入，8点输出，完全能满足控制要求。输入/输出信号地址分配如表1和表2。表1 输入信号地址分配表名称外接器件地址正转（ 启动）SB2X000反转SB1X001过载保护FR1X002过程保护FR2X003停止SBX00表2输出信号地址分配表名称外接器件地址继电器KM1Y000继电器KM2Y001继电器KM3Y002继电器KM4Y0033.3.2 PLC控制电路接线图为了保证安全,系统外部设置了急停控制电路，SB6为电源供给按钮，当系统出现故障时，按下SB5，KM线圈失电，KM常开启点断开，PLC失去电源，机床停止工作。PLC控制电路接线如图2所示。图2 PLC控制电路接线图3.3.3 PLC程序设计： 当按SB2时， X000的常开触点闭合，Y000、Y003和T0得电，接触器KM1的线圈获得电动作，同时KM1和 KM4主触点闭合时电机M1星形正转降压启动，当T0延时约35S时，T0延时常闭触点断开使KM4失电，其星形接法主触点断开；T0延时常开触点闭合使KM3得电，其主触点闭合，电机M1从星形转换为三角形运行。同理，按SB1时，X001的常开触点闭合, 接触器KM2的线圈获得电动作,电机M1反转（星形三角形启动）。根据以上要求编制PLC控制梯形图（图3）及由梯形图写出PLC控制指令程序。图3 PLC梯形图编程如下:LD X000OR Y000ANI Y001AND X002AND X003AND X004OUT Y000LD X001OR Y001ANI Y000AND X002AND X003AND X004OUT Y001LD Y000OR Y001MPSANI Y002OUT TOK30MROLD TOOR Y002ANBANI Y003OUT Y002MPPANI TOANI Y002OUT Y003END 采用简易编程器或设置有三菱PLC开发软件的电脑，把编制的程序输