基于PLC的数控机床的应用设计

南京工程高等职业学校五年制高职毕业设计姓名：武陈学号：100109226系部：电子工程系专业：电气自动化技术设计题目：基于PLC的数控机床的应用设计指导教师：魏小林职称：副教授年月日摘要中国是一个机械制造大国，但由于技术和资金等方面限制其装备水平却较落后，在现有条件下用现代化技术对旧的设备进行技术改造和提升是我国制造业发展的一个方向。本文作者针对已报废的CA6140普通废旧车床进行数控化设计及实现，其意义在于寻找一种可行的、具有推广价值的设备改造方法，可解决目前设备老化所带来的问题。本文介绍了用广州数控系统对CA6140普通车床的改造设计方法，重点阐述了机械改造、机床电气设计、PLC控制及间隙补偿等几个方面的内容。利用广州数控系统对CA6140车床改造后，与以前相比，该机床的操作更加方便，大大降低了劳动者的劳动强度，提高了生产效率，并经测试，其各项技术指标均已达到工业标准，系统运行平稳。关键词：车床，数字化设计，机械改造目录第一章绪论………………………………………………………………………11.1本文选题背景及意义……………………………………………………11.2对机床的认识……………………………………………………………11.3机床改造意义……………………………………………………………21.4改造的总体方案设计……………………………………………………2第二章机床的机械结构改造…………………………………………………42.1主轴系统的改造……………………………………………………………42.2进给系统的改造……………………………………………………………42.3导轨的改造…………………………………………………………………72.4刀架的改造………………………………………………………………102.5安全防护装置……………………………………………………………11第三章机床的电气改造………………………………………………………123.1数控系统的选择…………………………………………………………123.2数控系统电气控制线的连接……………………………………………123.2.1系统的安装………………………………………………………123.2.2系统的连接…………………………………………………………143.3数控系统内部总线上数据信息的传输………………………………153.3.1与驱动器的连接…………………………………………………153.3.2与主轴编码器的连接……………………………………………173.3.3与手轮的连接……………………………………………………183.3.4与变频器的连接…………………………………………………193.3.5系统与PC机的连接………………………………………………203.3.6与电源接口的连接………………………………………………203.3.7I/O接口定义……………………………………………………213.4数控系统与进给控制模块间信息传输…………………………………233.5数控系统与输入输出模块间信息传输…………………………………233.5.1变频调速的特点及基本原理……………………………………243.5.2变频器……………………………………………………………25第四章PLC的控制原理及程序设计…………………………………………274.1PLC的基本结构及工作原理……………………………………………274.2PLC在数控机床控制中的应用…………………………………………284.3CNC加工代码在PLC上的实现方法……………………………………304.3.1T功能代码的实现方法……………………………………………314.3.2M功能代码的实现方法……………………………………………31第五章机床的加工精度检验及间隙补偿…………………………………325.1影响加工精度的因素……………………………………………………325.1.1静态误差……………………………………………………………325.1.2动态误差……………………………………………………………385.2加工精度的提高…………………………………………………………39第六章机床的验收与性能比较………………………………………………456.1引言………………………………………………………………………456.2外观检查………………………………………………………………456.3机床性能与数控功能的验收……………………………………………456.3.1机床性能的验收………………………………………………456.3.2数控功能的验收………………………………………………456.4改造后机床的精度验收…………………………………………………466.4.1机床几何精度的检验…………………………………………466.4.2机床定位精度的检验……………………………………………486.4.3机床切削精度的检验……………………………………………48第七章结论与展望………………………………………………………………507.1结论………………………………………………………………………507.2后续工作展望……………………………………………………………50参考文献…………………………………………………………………………51致谢…………………………………………………………………………531第一章绪论1.1本文选题背景及意义工业发达国家在上个世纪70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床，目前数控技术已经成为制造业自动化的核心技术，同时机床数控化也是推行CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)、CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。当前，衡量一个国家机械制造业现代化水平的一个重要指标是数控化机床的比重(数控率)。发达国家机床拥有量和数控化率有的己高达30%以上，我国仅为2.8%(包括以单板机和步进电机为特征的经济型数控机床)，和发达国家相比，差了一个数量级。如果我们要赶上国外对手，仅仅依靠添置新的数控机床，是我们发展中国家的财力所不能承受的。在美国、日本和德国等发达国家，机床的改造与翻新是近期发展起来的一个新兴产业，已经形成了一定的规模和市场。在美国，机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业，有Bertsche、ayton、Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团、US设备公司等；在日本，机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业，从事改造业的公司有大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。根据国际该行业的记载，即使将原机床的结构性能进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60%左右的价格，显著的经济效益是机床大修及数控化改造行业的发展动力。机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代，我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新行业。我国虽已跻身机床生产大国行列，但要实现“十一五”期末成为机床生产强国的目标仍任重道远。在我国，大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床，而且约有半数以上是役龄在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、供货期长等缺点，从而在国际、国内市场缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场和效益，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。然而，从目前企业面临的情况看，数控机床价格昂贵，一次性投资较大，使有些企业难以承担。为此投入少、收效大的机床数控化改造是提高机床数控化率的捷径和有效手段，符合中国的国情。1.2对机床的认识2CA6140车床是我国制造业使用比较普遍的机床，该机床加工范围宽，可以实现轴类、套类、圆锥面、成型面、螺纹和较复杂工件的加工，能适应较大的切削力，加工工件的精度也较高。但是该类机床在我国使用时间大多数已经超过十年，一些机床的精度及性能已远远达不到需要，有些甚至被闲置。重新大修后也达不到使用要求，而且操作者劳动强度比较大，生产效率低，不适合现代化生产的要求。1.3机床改造意义数控机床在机械制造业中日益被广泛应用，与普通机床相比具有以下优点：（l）加工适应性强，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，为多品种小批量的生产和新产品的研制提供了有利的条件。（2）加工精度高，质量好，加工质量稳定。（3）加工生产效率高、经济效益好。（4）工序集中，可实现一机多用。（5）可实现加工自动化，操作简单，减轻了操作者的劳动强度。（6）有利于生产管理的现代化。数控机床有着普通机床所没有的诸多优点，已逐步代替了普通机床在机械制造业的主导地位，为提高生产效率和保证零件加工质量提供了有利的保障。对机床进行数控改造还有助于促进工人去适应现代制造业的飞速发展。可以通过改造后的机床，了解数控机床的构成及工作原理，掌握数控加工方法。这对于提高工人素质，提高企业形象以及在市场中的竞争能力都起到积极作用。改造后的车床应达到以下基本要求:（1）提高原机床加工工件时所能达到的精度。（2）能实现工件加工的自动循环要求，缩短辅助时间，提高加工效率。（3）保持车床所具有的一切加工性能，即具有加工内、外圆柱面、曲面、端平面，内、外圆锥面及公制、英制螺纹等的能力及其他复杂型面的加工。（4）根据表面粗糙度的要求，允许机床在同一工作循环中采用高速精加工操作。（5）控制系统可靠，拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能。（6）车床总体造型要美观、大方。31.4改造的总体方案设计查看原车床及有关资料，并且参照数控车床的改造经验，确定总体方案为：①恢复机床原功能，对机床存在故障的部分进行诊断并恢复；②对机床的改造部位是：拆掉手动刀架和小拖板装上数控刀架；拆掉普通丝杠、光杠、进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；拆掉主轴箱并在主轴后端装上光电编码器，供加工螺纹使用。③数控系统选用国产广州数控系统。④驱动系统的设计，主轴系统采用交流伺服电机驱动，需要实现无级调速，且调速范围宽，并需要数控制动停车装置。进给系统由交流伺服电机驱动滚珠丝杠副实现进给运动，纵向（Z向）脉冲当量为0.001mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为0.0005mm/脉冲。改造后的机床应具有以下特点：①具有足够的刚度与强度；②可以实现各种复杂型面的加工；③有高的定位精度和重复定位精度；④生产效率高；⑤减轻劳动强度，改善劳动条件；⑥改造后的机床外形将类似于国产经济型数控车床，整体较美观、大方。4第二章机床的机械结构改造2.1主轴系统的改造将原主轴箱内的齿轮和离合器以及挂轮等拆除，主轴箱仅仅用于支撑主轴，因此主轴不会受到热量和动力传递因素的影响，主轴是机床的重要部件，它应满足传递精度高，刚性好、旋转精度高、热变形小、噪声低等要求。主轴部件改造后结构如图2-1，前支撑采用双列圆柱滚子轴承和60°角接触双列球轴承，后支撑采用成对安装的角接触轴承。这样配置可以使主轴的综合刚度得到大幅度的提高。图2-1主轴组件在主轴前端安装主轴脉冲编码器及编码器支架，通过同步带轮带动脉冲编码器与主轴同步运动。加工螺纹或丝杠时,为保证主轴每转一转,刀具准确移动一个导程,须配置主轴脉冲发生器作为主轴位置信号的反馈元件。主轴脉冲发生器安装时须注意:①小心轻放,不能有较大的冲击和振动,以防损坏光栅盘。②车床主轴的转速必须小于主轴脉冲发生器的最高允许转速,以免损坏编码器。2.2进给系统的改造一、数控机床对进给传动系统的要求有：51、摩擦阻力小；2、运动惯量小；3、无间隙传动，高的传动精度与定位精度；4、宽调速范围，响应速度要快；5、稳定性好，使用维护方便，寿命长。对CA6140车床的进给系统改造时应将机床的进给箱、溜板箱、丝杠、光杠、滑板及刀架全部拆除，只保留溜板。横、纵向进给由固定在床身上的交流伺服电机驱动，经联轴器与滚珠丝杠螺母副连接，带动溜板运动而实现进给运动。滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动相互转换的传动装置。滚珠丝杠螺母副的结构原理示意图如图2-2所示：图2-2滚珠丝杠螺母副的结构原理图1-螺母2-滚珠