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1、 普通车床 PLC 改造第一章 绪 论1.1本文选题的背景及意义1.1.1金属切削机床及其在国民经济中的地位金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，他是制造机器的机器，所以又被称为 “工作母机 ”或 “工具机 ”。机床的母机属性决定了它在国民经济中的地位。机床工业为各种类型的机械制造厂提供先进的制造技术与优质高效的机床设备，促进机械制造工业的生产能力和工艺水平的提高。机械制造工业肩负着为国民经济各部门提供现代化技术装备的任务，即为工业、农业、交通运输业、科研和国防等部门提供各种机器、仪器和工具。为适应现代化建设的需要，必须大力发展机械制造工业。可见，机械制造工业是国民经济各部
2、门赖以发展的基础，而机床则是机械制造工业的基础。一个国际机床工业的技术水平在很大程度上标志着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。1.1.2数控机床的优越性数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物 ,是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比 ,其优越性是显而易见的 ,不仅零件加工精度高 ,产品质量稳定 ,且自动化程度极高 ,可减轻工人的体力劳动强度 ,大大提高了生产效率 ,特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工 ,因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。1.1.3数控机床在我国的发展现
3、状我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势 ,一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求 ,而另一方面却有不少国产机床滞销积压 ,国外机床产品充斥市场。 90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达 15%左右 ,而 95年已达 77%。严重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现 ,除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外 ,一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进 ,新产品 (包括基型、变型和专用机床 )的开发周期长 ,从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。具体地说 ,这个问题反映在下列五个
4、方面 :(1) 我国机床厂目前开发基型产品的周期约为 15 18个月 ,其中设计时间约为 5 8个月 ,占总周期的 40%左右。而国外一些先进机床厂同类基型产品的开发周期为 6 9个月 ,其中设计约 1.5 2个月 ,只占 25%。因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。(2) 我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具 (如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及机床性能测试装置等 ),自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计 ,使设计一次成功的把握性降低 ,往往需要反复试制才能定型 ,从而可能错过新产品推向市场的良机。(3) 用户根据使用需要 ,在订货时往
5、往提出一些特殊要求 ,甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求 ,这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外 ,这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周 ,而在我国机床厂用手工操作就至少需 1 2个月 ,且由于这些图纸和文件涉及多个部门 ,常会出现漏改和失误的现象 ,影响了产品的质量和交货期。(4) 现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数 ,他们的专业知识和实际经验不足 , 又担负着开发的重任。(5)由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立 ,缺乏有效的协同开发的模式 ,不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见 ,容易造成产品的反复修改 ,延长了开发的周期。为解决这些问
6、题 ,必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术 ,发展优化和仿真技术 ,提高产品结构性能 ,并建立起基于并行工程 (Concurrent Engineering)的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境 ,使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面 ,使企业取得良好的经济效益。1.1.4机床数控化改造的必要性我国目前机床总量 380余万台，而其中数控机床总数只有 11.34万台，即我国机床数控化率不到 3%。近 10年来，我国数控机床年产量约为 0.6 0.8万台，年产值约为 18亿元。机床的年产量数控化率为 6%。我国机床役龄 10年以上的占 60
7、%以上； 10年以下的机床中，自动 /半自动机床不到 20%， FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60%以上） 。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 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，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快
8、的特点。事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以为企业带来可观的经济效益。1.2机床数控技术的基本概念1.2.1概述数控技术，简称数控 (NumericalControl)。它是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。数控系统包括：数控装置、可编程序控制器、主轴驱动及进给装置等部分。要实现对机床的控制，需要用几何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数，如：进给速度、主轴转速、主轴正反转、换刀、冷却液的开关等。这些信息按一定的格式形成加工程序，通过数控
9、系统的译码，从而使机床准确地动作和加工出优质的零件。1.2.2数控机床的工作流程数控机床工作时根据所输入的数控加工程序，由数控装里控制机床部件的运动零件加工轮廓，从而满足零件形状的要求。数控加工程序的编制：在零件加工前，首先根据被加工零件图样所规定的零件形状、尺寸、材料及技术要求等，确定零件的工艺过程、工艺参数、几何参数以及切削用量等，然后根据数控机床编程手册规定的代码和程序格式编写零件加工程序。对于比较简单的零件，通常采用手工编程；对于形状复杂的零件，则在编程机上进行自动编程，或者在计算机上用 CAD/CAM 软件自动生成零件加工程序。译码：数控装置接受程序，译码程序按照一定的语法规则将信息
10、解释成计算机能够识别的数据形式。刀具补偿：零件加工程序通常是按零件轮廓轨迹编制的。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹运动加工出所要求的零件轮廓。插补：插补的目的是控制加工运动，使刀具相对于工件作出符合零件轮廓轨迹的相对运动。位置控制和机床加工：位置控制的任务是在每个采样周期内，将插补计算出的指令位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电机，电动机使机床的运动部件带动刀具相对于工件按规定的轨迹和速度进行加工。1.3数控机床的组成和分类1.3.1数控机床的组成数控机床一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成，见图 1-1：图 1-1 数控机床的组成(1)
11、输入输出设备输入输出设备主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印 。(2)数控装置数控装置是数控机床的核心。它接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。(3)伺服系统伺服系统是接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驭动部件。它包括伺服电路和伺服电机组成。一般来说，数控机床的伺服驱动要求有好的快速响应性能，能灵敏而准确地跟踪由数控装置发出的指令信号。(4)测量反馈装置该装置由测量部件和响应的测量电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。(5)机床本体机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加
12、工的机械部分。1.3.2数控机床的分类按伺服系统的控制原理可分为：开环控制的数控机床、半闭环控制的数控机床和闭环控制的数控机床。(1)开环控制的数控机床这类数控机床不带有位置检测装置，数控装置将零件程序处理后，输出数字信号给伺服系统 .驱动机床运动。指令信号的流程是单向的。如图 1-2所示。图 1-2 开环控制的数控机床(2)闭环控制的数控机床这类机床带有检测装置。它随时接受在工作台端测得的实际位置反馈信号，将其与数控装置发来的指令位置信号相比较，由其差值控制进给轴运动，直到差值为零，进给轴停止运动。如图 1-3。图 1-3 闭环控制的数控机床闭环控制可以消除包括工作台传动链带在内的误差，从而
13、定位精度高、速度调节快，但由于工作台惯量大，给系统的设计和调整带来很大的困难，主要是系统的稳定性受到不利影响。(3)半闭环控制的数控机床半闭环控制的数控机床与闭环控制得到数控机床的区别在于检测反馈信号不是来自工作台。而是来自电动机端或丝杠端连接的测量元件。如图 1-4。图 1-4 半闭环控制的数控机床实际位置的反馈是通过间接测得的伺服电动机的角位移算出来的，因而控制精度没有闭环高，但机床工作的稳定性却由于大惯盆工作台被排除在控制环外，调试方便，因而广泛用于数控机床中。1.4数控机床的特点(1)加工零件的适应性强，灵活性好。(2)加工精度高，产品质皿稳定。(3)生产率高。(4)减少工人的劳动强度
14、。(5)生产管理水平高。1.5 CA6140车床数控改造技术参数最大工件直径 /mm 400最大工件长度 /mm 1500溜板及刀架重力 /N 纵向（ z 轴） 800；横向（ x 轴） 600刀架快速移动速度 /m/min 纵向 2.4；横向 1.2最大进给速度 /m/min 纵向 0.6；横向 0.3定位精度 /mm 0.015主电动机功率 /kw 7.5启动加速时间 /ms 30第二章 车床的总体改造和设计2.1 CA6140车床改造的总休方案图 2-1 数控系统的总体框架总体框架说明 :(1) PC 机：可采用工控 PC 机，可满足该控制系统的控制要求。(2)运动控制卡：采用 PCL
15、运动控制卡，该卡是一种高速三轴步进电机运动控制卡，它有 16位的数字输入、输出口，可实现三轴联动。因此，它可以满足车床 X、 Z 轴联动，实现直线，圆弧插补。(3)光电耦合电路的作用是能够隔离外部干扰信号对运动控制卡的信号冲击，提高系统的稳定性。(4)机床本体是由 CA6140改造而来，拆除原来的丝杆，溜板箱，变速箱等。(5)步进电机及其驱动器要能够达到 0.005mm 的加工精度要求。(6)各种限位开关：减速开关，回零开关均安装在机床本体上，限位开关起着硬件硬限位的作用，当车床加工工件超出加工范围时，车床自动停止加工。减速开关的作用是当车床刀架回零并走到车床零点附近时，减速开关被开启并通知车
16、床减速走到零位置。2.2进给系统的设计考虑到该数控系统是开环控制，没有位置反馈，故进给系统尽可能的要减少中间传动环节。本车床的 X、 Z 两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节，直接采用了步进电机 +刚性联轴器 +滚珠丝杆的传动方案。拆除原来的丝杆，增加少量的机械附件，就可安装步进电机及滚珠丝杆螺母副。2.3控制系统的软件部分该车床控制系统采用 GSK980T 系统。其功能主要有读取零件的加工 G 代码，编辑和编译 G 代码，仿真加工 (包括加工前仿真和与加工同步仿真 )，回参考点，手工对刀，加工中断，超程软限位等功能。它可处理进给速度，主轴速度及转速方向，刀具信息， M 功能等多种加工信息。加工过程中，软件界面的状态栏还可以显示出刀具当前的坐标，加工状态，加工时间等信息。2.4改造后机床的特点(1)具有与原机床一致的刚度与强度 .(2)具有与原机床一致的加工范围
