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1、1 四川职业技术学院 数控机床电气控制与 PLC 课程设计 所属系部 机械工程系 所属专业数控技术 所属班级数控二班 学 号 学生姓名指导教师 完成日期 2015 年 3 月 31 日星期二 2 任务书 CA6140CA6140 普通车床的电气翻新及数控改造设计普通车床的电气翻新及数控改造设计 设计内容与要求设计内容与要求: : 1. 将原机床的手动刀架更换为数 控电动刀架，并设计其控制线路； 2. 将原机床普通丝杠更换成滚珠 丝杠，并将其改为半闭环伺服控制， 设计其控制线路； 3. 对与此机床功能相关的主电路、 控制电路、输入输出接口电路、驱动 器线路等进行设计； 4. 对整机进行调试，使功
2、能完善、工 作正常。 设计方法及思路：设计方法及思路： （1）查阅资料，深入掌握数控机 床的原理、功能，分析机床数控改造 的研究现状。 （2）确定对 CA6140 车床的数控 化改造方案。 （3）完成主传动、进给传动系统 设计。 （4）给出电控系统的硬件配置及 I/O 线路图、分析 PLC 在数控改造中 的应用。 具体方法具体方法 拆除原车床的纵向和横向丝杠光杠、溜板箱及挂轮箱中的齿轮，用滚珠丝杠替换原 有普通滑动丝杠，将选取的纵向滚珠丝杠副通过托架安装在原溜板箱与床鞍连接的部位上， 纵横向滚珠丝杠两端尽可能利用原固定和支承方式。为便于安装滚珠丝杠副，丝杠采用分 体式，用套筒联轴器实现刚性连接
3、； 横向驱动电机及齿轮减速器安装在床鞍的后部（相对操作者） ，纵向驱动电机及齿 轮减速装置安装在机床的右端，靠近尾座的位置； 要实现自动换刀，需拆除原手动刀架，在小托板上安装数控转位刀架； 为了使改造后的车床能够加工螺纹。需要加装主轴脉冲编码器，以实现对主轴转速 的同步检测，编码器安装在主轴箱内； 3 为使加工过程中不超程，纵横向要安装行程限位开关； 为实现回参考点的动作，必须在纵横向安装接近开关； 纵、横向齿轮箱和丝杠全部加防护罩，以防止加工过程中的切屑飞溅伤人； 考虑到改造的成本，尽可能采用可靠性高的经济型数控系统。 4 摘摘 要要 中国是一个传统的机械制造大国，但其装备水平落后，特别是一
4、些老的机 械制造厂大多还是比较旧的机床，远远不能满足加工的要求。针对目前制造业 的技术装备现状，对传统机械制造业装备进行改造，解决机械制造业中的一些 技术问题，用现代先进技术对旧的设备进行改造和提升，是我国制造业的发展 方向。本课题是针对 CA6140 普通废旧车床进行数控化改造，其现实意义在于如 何寻找一种可行的、有推广价值的设备改造方法，对传统机械制造行业的技术 装备进行技术提升.以解决目前设备老化所带来的问题。 本课题研究过程中，首先对目前工厂所使用的常规数控机床进行了全面的 调查和分析。用户普遍反应，数控设备的限位保护功能有些欠缺，容易发生超 程等故障现象另一方面，数控车床大多承担多品
5、种、单件小批量生产的加工任 务，如果对每一个零件都去进行编程、输入、调试等工作，显得非常烦琐，用 户提出能不能找到一种方法，简化这一手续，以提高其生产效率。 根据数控车床所承担加工任务的特点，其加工的零件类型大多分为轴类、 套类、盘类等，依据成组工艺技术的原理，我们提出首先编写各类零件成组工 艺，依据成组工艺，编写数控程序，将数控加工程序编号存入 CP 机中的方法， 完成对零件的快速程序编制，提高生产效率。通过这种方法，可以变小批生产 为“大”批生产，可以有效的提高生产效率，同时降低对操作人员的要求 课题完成了对 CA6140 普通废旧车床的数控化改造，运行状况良好，实际 应用表明各项性能指标
6、达到了设计改造要求。提高了生产效率。 5 绪论绪论 .6 1 普通车床数控改造普通车床数控改造1 2 机械结构的改造机械结构的改造1 2.1 主要任务确定1 2.2 主传动系统的改造2 2.3 进给传动系统的改造2 （一）.丝杠.2 （二）.纵向进给系统改造.2 （三）.横向进给系统改造.3 2.4 刀架的改造3 2.5 坐标系的建立 X、Z 轴的限位和参考返回电路4 3 数控系统配置数控系统配置5 4 数控车床电气控制电路的分析数控车床电气控制电路的分析 .7 4.1 强电控制电路7 4.2 数控车床电气控制电路分析7 5 电气控制电路的改造电气控制电路的改造 9 5.1 主电路的改造9 5
7、.2 控制电路的改造10 5.3802D 系统输入信号 .10 5.4、802D 系统输出信号 .11 5.5 驱动配置接线口11 6 整机电气参数调试整机电气参数调试12 6.1 准备工作12 6.2 配置轴参数12 6.3 引导系统12 6.4 设定传动系统的机械参数12 6.5 根据电动机设定相关的速度13 6.6 回参考点设置13 6.7 软件限位及反向间隙设置13 6.8 主轴参数设置13 6.9 坐标轴参数及驱动特性设置13 6.10 补偿14 6.11 调试结束14 结结 论论15 参考文献参考文献16 6 绪论绪论 制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国
8、家 或地区的经济实力、技术水平、生活水平、生活水准和国防实力。国际市场的 竞争归根到底是各国制造生产能力的竞争。当前世界已进入知识经济时代，知 识经济与以往经济形态的不同在于对知识，特别是对知识的创新与利用的直接 依赖。在知识经济时代，知识对经济增长的直接贡献率超过了其它生产要素 （如人力、物力、和财力等）贡献的总和，成为最主要的生产要素。因此，当 前提高制造生产的决定因素不再是劳动力和资本的密集积累，而是各项新技术 的迅速发展及其在制造领域中的广泛渗透、应用和衍生，它促进了制造技术的 蓬勃发展，改变了现代企业的产品结构、生产方式、生产工艺和生产组织结构。 机械制造业是制造业的核心，是制造如农
9、业机械、动力机械、运输机械、 矿山机械等机械产品的工业部门，也是为国民经济各部门提供如冶金机械、化 工设备和工作母机等装备的部门。机械制造业的生产能力和发展水平标志着一 个国家或地区国民经济现代化的程度，而机械制造业的生产能力主要取决于机 械制造装备的先进程度。 工业发达国家都非常注意机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备 制造业，机械装备制造工业得到优先发展。对比之下，我国目前机械制造业的 装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加 专用工艺装备，数控车床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性”强， 更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化
10、程度低，基 本上还是“一个工人、一把刀、一台机床” ，导致劳动生产率低下，产品质量不 稳定。 企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地 更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求 的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合 了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高 精度、形状复杂、 生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机 7 床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求 四川职业技术学院毕业设计 - 1 - 1 普通车床数控改造 机床的数控改造，主要是对
11、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
12、 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。现以 CA6140 车床为例， 说明车床数控改造的方法。 2 机械结构的改造 CA6140 普通车床的数控改造涉及三个方面的内容：一是机械传动链的改造； 二是电气控制系统的配置；三是系统参数的调试。 因数控机床的结构、性能、精度、速度、摩擦磨损等方面较普通机床有更 高的要求。所以我们必须对被改造机床的结构、性能、精度等技术现状作全面 分析。 机械机构的改造 2.1 主要任务确定 CA6140 车床主要用于
13、对中小型周磊、盘类以及螺纹零件的加工，其数控改 造后数控系统控制的对象主要有主轴正反转控制、主轴变速；刀架的纵向和横 向进给远动控制，刀具的选择控制，4 个刀位自动换刀控制；冷却泵、润滑泵 的起停控制；脉冲编码器的加装等。 四川职业技术学院毕业设计 - 2 - 主要任务：拆掉手动刀架，小托板装上数控刀架；拆掉普通丝杠、光杠进 给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；主轴后端增加一个光电编码器，光电编 码器与车床主轴之间用弹性元件连接，通常采用波纹管联轴器。 2.2 主传动系统的改造 对普通机床进行简易数控改造，为了使改装后的机床主传动和进给传动保 持必然的联系，在主轴内安装一个与主轴同步旋转的旋转编
14、码器。它可以保证 改造后的车床具备螺纹加工的功能。 2.3 进给传动系统的改造 对进给传动系统进行改造时，把原来的进给变速传动装置及操纵机构全部 拆除。每个方向的进给传动都改由各自独立的功率步进电动机，经减速齿轮直 接与带动滑板移动的丝杠连接，分别实现个坐标方向的运动，进行各坐标的控 制。 （一）.丝杠 丝杠是将回转运动转换为直线运动的传动装置。滚珠丝杠 螺母副具有如下优点： 传动效率高 滚珠摩擦的摩擦损失小，传动效率 =0.920.94，是普 通滑动丝杠的 34 倍（=0.200.40） 。 摩擦力小 因静、动摩擦因数小， 因而传动灵敏、运动平稳、低速不易爬行、随动精度和定位精度高。 可预
15、紧 经预紧后可消除轴向间隙。有助于定位精度和刚度提高，既使反向也没有 空行程，反向定位精度高，且传动平稳。 有可逆性 因摩擦因数小，所以 不仅可将旋转成直线运动，也可将直线运动转换为旋转运动，丝杠可螺母既可 作为主动件，也可作为从动件。 使用寿命长 滚珠丝杠副采用优质合金钢 制成，去滚道表面淬火硬度达 60-60HRC，表面粗糙度值小，而且是滚动摩擦， 故磨损很小、使用寿命长。 改造时为满足数控机床上较高精度零件加工，应用滚珠丝杠螺母副替换原 普通机床上的梯形丝杠螺母副。 （二）.纵向进给系统改造 纵向步进电动机通过一对减速齿轮把动力传递给滚珠丝杠，再由滚珠丝杠 螺母副拖动工作台做往复运动。原
16、车床的进给箱保留，滚珠丝杠左端仍然采用 四川职业技术学院毕业设计 - 3 - 固定支承结构，支撑轴通过套筒联轴器与滚珠丝杠相连，这种联轴器用两个互 相垂直的锥销将支撑轴与丝杠联接起来，结构简单，径向尺寸小，可防止被连 接轴的位移和偏斜带来的装配困难和附和应力。滚珠丝杠右端仍利用原有的滑 动轴承支撑座，通过一对深沟球轴承实现径向支承，丝杠左端通过一对圆螺母 实现滚珠丝杠的预拉伸和锁紧。因此纵向滚珠丝杠的支承形式为一端固定，一 端浮动，三点支撑。实现半闭环伺服控制系统。滚珠丝杠采用双螺母螺纹预紧 方式消除丝杠和螺母间的间隙，调整方便。步进电动机通过消隙齿轮减速，减 速器输出轴用套筒联轴器与丝杠联接，固定销防止减速器转动。 （三）.横向进给系统改造 横向滚珠丝杠的支承形式为一端固定，一端浮动，三点支撑，实现半闭环 伺服控制系统。也通过双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，横向步 进电动机及减速器安装在床鞍的后部，靠近操作者一端，
