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編號(hào)
無錫太湖學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
相關(guān)資料
題目： CA6140機(jī)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)
信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)
學(xué) 號(hào)： 0923173
學(xué)生姓名： 杭曉梁
指導(dǎo)教師： 黃敏 （職稱：副教授 ）
2013年5月25日
目 錄
一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文資料翻譯及原文
三、學(xué)生“畢業(yè)論文（論文）計(jì)劃、進(jìn)度、檢查及落實(shí)表”
四、實(shí)習(xí)鑒定表
無錫太湖學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
開題報(bào)告
題目： CA6140機(jī)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)
信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)
學(xué) 號(hào)： 0923173
學(xué)生姓名： 杭曉梁
指導(dǎo)教師： 黃敏 （職稱：副教授 ）
2012年11月25日
課題來源
自擬題目
科學(xué)依據(jù)（包括課題的科學(xué)意義；國(guó)內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢(shì)；應(yīng)用前景等）
（1）課題科學(xué)意義
在過去的幾十年，雖然金屬切削的基本原理變化不大，但隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，要求制造業(yè)向自動(dòng)化和精密化方向發(fā)展，而刀具材料和電子技術(shù)的幾部，特別是微電子技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，運(yùn)用到控制系統(tǒng)中，技能幫助機(jī)床的自動(dòng)化又能提高加工精度，這些都要求對(duì)舊機(jī)床進(jìn)行改造。
通常完成數(shù)控化改造后的機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有很多的突出優(yōu)點(diǎn)。由于數(shù)控機(jī)床的計(jì)算機(jī)有很高的運(yùn)算能力，可以準(zhǔn)確的計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)量，加工出較復(fù)雜的曲面和曲線。而且計(jì)算機(jī)有很強(qiáng)的記憶和儲(chǔ)存能力，可以將輸入的程序記憶和儲(chǔ)存下來，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序就可以實(shí)現(xiàn)另一工件的加工，從而實(shí)現(xiàn)“柔性自動(dòng)化”。改造后的機(jī)床不像新購買的機(jī)床不了解加工精度，而改造的機(jī)床可以精確的計(jì)算出加工能力。降低操作者接觸危險(xiǎn)部位的可能性;操作系統(tǒng)和操作界面越來越符合人機(jī)工程學(xué)的要求，可有效減少操作者的失誤率，減少因失誤產(chǎn)生的事故。而且通常機(jī)床數(shù)控化改造與置辦新機(jī)床比較，特別是大型、特別機(jī)床特別顯著。通常大型機(jī)床改造，只需新機(jī)床置辦費(fèi)用的1/3。在節(jié)約本錢的一起，數(shù)控化改造還能夠節(jié)約因悉數(shù)更新而形成相應(yīng)的能源消耗和污染排放。
（2）數(shù)控化改造的研究狀況及其發(fā)展前景
目前，我國(guó)是生產(chǎn)和使用機(jī)床最多國(guó)家之一,現(xiàn)有金屬切削機(jī)床400萬臺(tái)左右，但現(xiàn)有的機(jī)床大多數(shù)服役年限較長(zhǎng),設(shè)備陳舊落后,功能嚴(yán)重不足,運(yùn)用不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，安全問題成為制約其發(fā)展的一大阻礙。增加安全性能，提高機(jī)床本質(zhì)安全水平，解決數(shù)控化程度較低、人員傷害事故頻發(fā)、安全水平較低、生產(chǎn)效率不高的問題。
從國(guó)外成熟經(jīng)驗(yàn)來看，再制造是數(shù)控機(jī)床再次利用的最有效辦法。數(shù)控機(jī)床改造就是運(yùn)用技術(shù)創(chuàng)新與技術(shù)改造相結(jié)合，改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，突出重點(diǎn)與全面提升相結(jié)合，并將促進(jìn)安全生產(chǎn)作為技術(shù)改造的重點(diǎn)任務(wù)。1984年，我國(guó)開始生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機(jī)床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。可以預(yù)料，今后機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。
研究?jī)?nèi)容
① 了解數(shù)控機(jī)床的工作原理，國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀；
② 完成CA6140機(jī)床的主拖動(dòng)系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)改造；并利用PLC完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
③ 完成有關(guān)零部件的選型計(jì)算；PLC程序設(shè)計(jì)；
④ 熟練掌握有關(guān)計(jì)算機(jī)繪圖軟件，并提供電氣原理圖，接線圖等設(shè)計(jì)圖紙；
⑤ 完成設(shè)計(jì)說明書的撰寫，并翻譯外文資料1篇。
擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)方案及可行性分析
對(duì)CA6140普通機(jī)床進(jìn)行了解后，對(duì)主拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，并利用PLC的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。然后對(duì)關(guān)鍵的零部件進(jìn)行選型計(jì)算，并用得出的結(jié)論進(jìn)行選型。還要繪制電氣原理圖，接線圖，流程圖，梯形圖等。
研究計(jì)劃及預(yù)期成果
研究計(jì)劃：
2012年11月12日-2013年1月20日：按照任務(wù)書要求查閱論文相關(guān)參考資料，填
畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告書，學(xué)習(xí)并翻譯一篇與畢業(yè)
設(shè)計(jì)相關(guān)的英文材料。
2013年1月21日-2013年3月15日：擬好論文框架，寫好第一章緒論，并構(gòu)思所需要
的圖紙。
2013年3月16日-2013年3月22日：按照要求修改畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告。
2013年3月23日-2013年4月20日：完成CA6140機(jī)床的主拖動(dòng)系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)改
造，并利用PLC完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大致完成所
需圖紙。
2013年4月21日-2013年5月3日：完成有關(guān)零部件的選型計(jì)算；PLC程序設(shè)計(jì)，并
校驗(yàn)圖紙。
2010年5月6日-2010年5月20日：畢業(yè)論文撰寫和修改工作。
預(yù)期成果：
達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)論：利用PLC完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成有關(guān)零部件的選型計(jì)算，完成論文撰寫。
特色或創(chuàng)新之處
① 對(duì)機(jī)床進(jìn)行改造后能延長(zhǎng)機(jī)床使用壽命，并且加強(qiáng)機(jī)床的功能和精度。
② 對(duì)機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造后能進(jìn)一步保證造作工人的人身安全。
已具備的條件和尚需解決的問題
① 現(xiàn)已查閱到數(shù)控化改造的相關(guān)資料。
② 需要查閱課本和相關(guān)資料，熟悉PLC編程。
指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
教研室（學(xué)科組、研究所）意見
教研室主任簽名：
年 月 日
系意見
主管領(lǐng)導(dǎo)簽名：
年 月 日
存檔編碼 無錫太湖學(xué)院 2013 屆畢業(yè)作業(yè)周次進(jìn)度計(jì)劃 檢查落實(shí)表 系別 信機(jī)系 班級(jí) 機(jī)械94 學(xué)生姓名 杭曉梁 課題 設(shè)計(jì) 名稱 CA6140機(jī)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 開始日期 2012年11月12日 周 次 起止日期 工作計(jì)劃 進(jìn)度 每周主要完成內(nèi)容 存在問題 改進(jìn)方法 指導(dǎo)教師意見并簽字 備 注 1 3 2012年11月12日 2012年12月2日 教師下達(dá)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù) 學(xué)生初步閱讀資料 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告 按照任務(wù)書要求查閱論文相關(guān)參考資料 填寫畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告書 存在問題 對(duì)課題理解程度不夠 對(duì)其難點(diǎn)分析不夠 分析 能力欠缺 改進(jìn)方法 在指導(dǎo)老師的幫助下 對(duì)課題有較深的了解 4 10 2012年12月3日 2013年1月20日 指導(dǎo)專業(yè)實(shí)訓(xùn) PLC控制綜合實(shí)訓(xùn) PLC編程實(shí)例設(shè)計(jì) 存在問題 PLC知識(shí)不夠 編程困難 缺少經(jīng)驗(yàn) 改進(jìn)方法 參看電氣控制與PLC應(yīng)用教科書 并上網(wǎng)了解 PLC設(shè)計(jì)的詳細(xì)過程 11 122013年1月21日 3月1日 指導(dǎo)畢業(yè)實(shí)習(xí) 相關(guān)機(jī)械制造廠實(shí)習(xí) 了解本專業(yè)的實(shí)踐知識(shí) 存在問題 沒有實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)的經(jīng)驗(yàn) 無法將課本知融會(huì)貫通 改進(jìn)方法 認(rèn)真參與工作 虛心求教 13 2013年3月4日 3月8日 查閱參考資料 查閱與設(shè)計(jì)有關(guān)的參考資料不少于10篇 其中外文不少于5篇 存在問題 查閱資料相關(guān)度小 無法滿足要求 改進(jìn)方法 利用空余時(shí)間 去圖書館查找相關(guān)資料 在網(wǎng)上 查找相關(guān)文獻(xiàn) 14 2013年3月11日 3月15日 翻譯外文資料 翻譯自動(dòng)控制方面的外文資料 存在問題 專業(yè)英文水平較低 無法正確翻譯專業(yè)詞匯 改進(jìn)方法 借助一些翻譯軟件 專業(yè)字典幫助翻譯提高翻譯 準(zhǔn)確性性 15 2013年3月18日 3月22日 CA6140車床數(shù)控化改造總體方案 分析各種需要改造的部分 查閱相關(guān)資料 根據(jù)實(shí)際選擇 存在問題 缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn) 邏輯順序不合理 改進(jìn)方法 重新確立合理的總體方案 16 2013年3月25日 3月29日 對(duì)原機(jī)床進(jìn)行分析 根據(jù)總體方案 先對(duì)主軸進(jìn)行改造 了解主軸需要完成的動(dòng)作 根據(jù)這些動(dòng)作完成主軸電路的設(shè)計(jì) 變頻器的選型 存在問題 沒有接觸過變頻器 對(duì)變頻器的功能和如何用變 頻器控制主軸的知識(shí)存在誤解 改進(jìn)方法 認(rèn)真查閱各方面資料 對(duì)變頻調(diào)速多做了解 17 2013年4月1日 4月5日 對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)主電路進(jìn)行設(shè)計(jì) 分析原來機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)如何運(yùn)動(dòng) 再根據(jù) 改造后進(jìn)給系統(tǒng)所要完成的動(dòng)作做出改造 設(shè)計(jì) 存在問題 一開始只考慮到了一個(gè)方向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 考 慮不全面 改進(jìn)方法 參考資料 從兩個(gè)方向?qū)M(jìn)給系統(tǒng)主電路進(jìn)行設(shè) 計(jì) 18 2013年4月8日 4月12日 對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì) 參照教科書 對(duì)如何控制主電路完成動(dòng)作進(jìn)行設(shè)計(jì)控制電路 存在問題 沒有考慮到限位開關(guān)的接入 改進(jìn)方法 重新考慮限位開關(guān)的接入方法 并修改控制電路 圖 周 次 起止日期 工作計(jì)劃 進(jìn)度 每周主要完成內(nèi)容 存在問題 改進(jìn)方法 指導(dǎo)教師意見并簽字 備 注 19 2013年4月15日 4月20日 選擇合適的數(shù)控系統(tǒng) 并根據(jù)需求統(tǒng)計(jì) 所要的I O端口 并制出I O分配表和I O 接線圖 參看資料 選擇具有自己了解的PLC系統(tǒng)的 數(shù)控系統(tǒng) 用編程軟件編寫PLC程序 存在問題 對(duì)梯形圖了解不夠 編程存在錯(cuò)誤 改進(jìn)方法 老師輔導(dǎo) 上網(wǎng)查找相關(guān)資料 20 2013年4月22日 4月27日 PLC編程 翻閱教科書和上網(wǎng)查資料 完成梯形圖的繪制 存在問題 對(duì)變頻器控制的編程存在誤解改進(jìn)方法 老師輔導(dǎo) 參看變頻器說明書 21 2013年4月29日 5月3日 對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的所需要的滾珠絲杠和步進(jìn)電機(jī)做出選型和校核 通過相關(guān)計(jì)算 選擇合適的電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠 存在問題 對(duì)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠具體型號(hào)了解不夠 改進(jìn)方法 網(wǎng)上查找相關(guān)廠家的產(chǎn)品手冊(cè) 22 2013年5月6日 5月10日 設(shè)計(jì)說明書 論文 摘要和小結(jié)編寫 完成設(shè)計(jì)說明書 論文 摘要和小結(jié) 存在問題 說明書的格式不規(guī)范 摘要不合理要求等 改進(jìn)方法 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)的規(guī)范要求更改 重新按要求編寫 摘要 23 242013年5月13日 5月20日 修改設(shè)計(jì)說明書 論文 格式上交資料 準(zhǔn)備答辯 修改設(shè)計(jì)說明書開題報(bào)告格式 存在問題 附錄格式不規(guī)范 摘要英文不合理要求等 改進(jìn)方法 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)的規(guī)范要求更改 說明 1 工作計(jì)劃 進(jìn)度 指導(dǎo)教師意見并簽字 由指導(dǎo)教師填寫 每周主要完成內(nèi)容 存在問題 改進(jìn)方法 由學(xué)生填寫 2 本表由各系妥善歸檔 保存?zhèn)洳?
編號(hào)
無錫太湖學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目： CA6140機(jī)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)
信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)
學(xué) 號(hào)： 0923173
學(xué)生姓名： 杭曉梁
指導(dǎo)教師： 黃敏 （職稱：副教授 ）
2013年5月25日
III
無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
誠(chéng) 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CA6140數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。
班 級(jí)： 機(jī)械94
學(xué) 號(hào)： 0923173
作者姓名：
2013 年 5 月 25 日
無錫太湖學(xué)院
信 機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書
一、題目及專題：
1、題目 CA6140機(jī)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)
2、專題
二、課題來源及選題依據(jù)
在我國(guó)目前擁有大量超期服役和技術(shù)陳舊的機(jī)床急待更新的情況下，由于數(shù)控機(jī)床的加工能力和資金受限，對(duì)機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造是一條節(jié)約資金、快速上馬的有效途徑。
機(jī)床完成數(shù)控化改造后，可大幅進(jìn)步機(jī)床的加工功率和自動(dòng)化、智能化程度。下降了操作者觸摸風(fēng)險(xiǎn)部位的可能性;操作系統(tǒng)和操作界面越來越契合人機(jī)工程學(xué)的需求，可有用削減操作者的失誤率，削減因失誤發(fā)生的事端，將帶來宏大的安全效益。
三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：
① 了解數(shù)控機(jī)床的工作原理，國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀；
② 完成CA6140機(jī)床的主拖動(dòng)系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)改造；并利用PLC完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
③ 完成有關(guān)零部件的選型計(jì)算；PLC程序設(shè)計(jì)；
④ 熟練掌握有關(guān)計(jì)算機(jī)繪圖軟件，并提供電氣原理圖，接線圖等設(shè)計(jì)圖紙；
⑤ 完成設(shè)計(jì)說明書的撰寫，并翻譯外文資料1篇。
四、接受任務(wù)學(xué)生：
機(jī)械94 班 姓名 杭曉梁
五、開始及完成日期：
自2012年11月12日 至2013年5月25日
六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問）：
指導(dǎo)教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學(xué)科組組長(zhǎng)研究所所長(zhǎng)〕 簽名
系主任 簽名
2012年11月12日
摘 要
在機(jī)電液氣一體化設(shè)備中，數(shù)控機(jī)床是一種經(jīng)典的設(shè)備。在機(jī)械制造中，生產(chǎn)零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要求高精度、產(chǎn)品的批量生產(chǎn)、零件外形多變的問題，用數(shù)控機(jī)床都能得到很好的解決，并且數(shù)控機(jī)床還具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量，生產(chǎn)效率水平高的優(yōu)點(diǎn)。
作為一條提升企業(yè)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的有效途徑——購買新的數(shù)控機(jī)床具有高成本的缺點(diǎn)，許多企業(yè)都因資金不足而望而卻步，這大大拖慢了企業(yè)換代舊設(shè)備的進(jìn)度。所以對(duì)于普通或者舊機(jī)床的數(shù)控化改造，是一條降低成本，但同時(shí)又能增加產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的方便路徑，通過數(shù)控化改造能增加企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，在我國(guó)制造業(yè)飛速發(fā)展的道路上，數(shù)控化改造是一個(gè)重要方面。
第一章 闡述了課題的研究?jī)?nèi)容和意義以及數(shù)控化改造的研究現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外的發(fā)展史；
第二章 主要闡述了車床數(shù)控化改造的總體方案；
第三章 主要論述了SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)，PLC設(shè)計(jì)；
第四章 主要對(duì)機(jī)床電氣部分進(jìn)行了改造，設(shè)計(jì)了機(jī)床的主電路和控制電路
第五章 對(duì)機(jī)床機(jī)械部分進(jìn)行了改造，對(duì)滾珠絲杠和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)以及選型。
關(guān)鍵詞：數(shù)控化改造；PLC；控制
Abstract
As a representative products of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining.
Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises’ equipment updating step are counteracted seriously. So General lathe's numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises’ competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country.
The first chapter describes the content and significance of research projects, the transformation of NC Research and the history of the development at home and abroad;
The second chapter give an explanation the overall program of the NC lathe;
The third chapter focuses on the SINUMERIK 802D CNC system features and PLC design;
The fourth chapter transforms electrical part of the machine, design the main circuit and control circuit.
The fifth chapter transforms the machine mechanical part, the ball screw and stepper motor designing and selection.
Key words: Transformation of NC; Programmable Logic Controller ; control
目 錄
摘 要 III
ABSTRACT IV
目 錄 V
1緒論 1
1.1 本課題的研究?jī)?nèi)容和意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況 1
1.2.1國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況 1
1.2.2國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床改造概況 2
1.3 本章小結(jié) 4
2 CA6140普通車床數(shù)控改造總體方案的設(shè)計(jì) 5
2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 5
2.2 原機(jī)床簡(jiǎn)介 5
2.2.1 原機(jī)床功能 5
2.2.2 原機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng) 5
2.2.3 原機(jī)床電氣控制 5
2.3 總體改造方案 7
2.3.1 實(shí)現(xiàn)主軸變頻調(diào)速 7
2.3.2 進(jìn)給系統(tǒng)的改造 7
2.3.3 數(shù)控系統(tǒng)選擇 7
2.4 本章小結(jié) 7
3 數(shù)控車床電氣控制設(shè)計(jì) 8
3.1 CA6140車床電氣控制 8
3.1.1 CA6140車床運(yùn)動(dòng)形式 8
3.1.2 電力拖動(dòng)特點(diǎn)和控制電路 8
3.2 數(shù)控化改造的電氣控制設(shè)計(jì) 8
3.2.1 數(shù)控車床主電路設(shè)計(jì) 8
3.2.2 數(shù)控車床控制電路設(shè)計(jì) 10
3.3 本章小結(jié) 10
4 CA6140車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng) 11
4.1數(shù)控改造的控制方式選擇 11
4.2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 12
4.3 PLC輸入/輸出 12
4.3.1 輸入接口 12
4.3.2 輸出接口 12
4.3.3 電源 13
4.3.4 輸入/輸出（I/O）點(diǎn)的統(tǒng)計(jì) 13
4.4 主拖動(dòng)系統(tǒng)變頻調(diào)速改造 15
4.4.1 CA6140車床主拖動(dòng)系統(tǒng) 15
4.4.2 主軸變頻控制的基本原理 16
4.4.3 變頻器的選用 16
4.5 梯形圖編程 17
4.6 本章小結(jié) 22
5 進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 23
5.1 縱向（Z向）進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 23
5.1.1 縱車外圓切削力的計(jì)算 23
5.1.2 縱向（Z向）滾珠絲杠的計(jì)算和選型 23
5.1.3 縱向（Z向）步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 25
5.2 橫向（X向）進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 26
5.2.1 橫切端面切削力的計(jì)算 26
5.2.2 橫向（X向）滾珠絲杠的計(jì)算和選型 26
5.2.3 橫向（X向）步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 28
5.3 本章小結(jié) 29
6 總結(jié)與展望 30
6.1 論文總結(jié) 30
6.2 展望 30
致謝 31
參考文獻(xiàn) 32
31
CA6140機(jī)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)
1緒論
1.1 本課題的研究?jī)?nèi)容和意義
本課題研究的內(nèi)容是：了解數(shù)控機(jī)床的工作原理，完成CA6140機(jī)床的主拖動(dòng)系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)改造；并利用PLC完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成有關(guān)零部件的選型計(jì)算；PLC程序設(shè)計(jì)，并提供電氣原理圖，接線圖等設(shè)計(jì)圖紙。
本課題研究的意義是：伴隨著科學(xué)技術(shù)的提升，普通機(jī)床的生產(chǎn)力越來越不能滿足市場(chǎng)的需求，而且普通機(jī)床需要高強(qiáng)度的勞動(dòng)力，還伴隨著高危險(xiǎn)性，并且如今眾多產(chǎn)品所需要的批量生產(chǎn)也得不到滿足。所以普及數(shù)控化機(jī)床成為越來越多企業(yè)所追求的“潮流”。但是許多企業(yè)“心有余而力不足”，他們所使用的機(jī)床大多還是陳舊的普通機(jī)床，如果大批量引進(jìn)全新的數(shù)控化機(jī)床必將“傷筋動(dòng)骨”。在如此的宏觀局面下，數(shù)控化改造是有效提高工廠數(shù)控化率，控制經(jīng)濟(jì)成本的捷徑。本文以CA6140普通車床為例，預(yù)計(jì)數(shù)控化改造后能具備的優(yōu)點(diǎn)：
（1）改造后的機(jī)床延長(zhǎng)了服役時(shí)間，提高了精度，提升了自動(dòng)化能力，具有較強(qiáng)的針對(duì)性，能滿足生產(chǎn)的需求。在改造前，根據(jù)原老舊機(jī)床所存在的問題可以得出改造方案，需要改的部分，如何修改，最終能改造成什么狀態(tài)都可以做出預(yù)估，最終能將科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為有效生產(chǎn)力。
（2）原機(jī)床的絕大部分在改造中還可以保留使用，所需要的材料和資金都可以節(jié)省許多，而且能縮短生產(chǎn)周期，可滿足生產(chǎn)急需。因?yàn)楦脑旌蟮臋C(jī)床上大部分零件，組件，甚至有些傳動(dòng)部分都不需要更換，縮短了工期，節(jié)約了成本。
（3）改造后的機(jī)床具有穩(wěn)定的性能，能適應(yīng)多種形狀零件的小批量生產(chǎn)。數(shù)控化改造不需要更換機(jī)床上的大型結(jié)構(gòu)件，而機(jī)床上的大型結(jié)構(gòu)件一般都是鑄鐵制成，隨著時(shí)間的積累，其精度比新鑄件更加穩(wěn)定。完成改造的機(jī)床不僅能保留原有功能，而且能擴(kuò)展出新的功能，能加工各類復(fù)雜型面類的零件。
（4）根據(jù)生產(chǎn)的需求，改造可以預(yù)先定義改造后機(jī)床的精度和效率。改造后的機(jī)床跟全新數(shù)控化機(jī)床相比，更貼近企業(yè)對(duì)生產(chǎn)發(fā)展的需求；跟普通機(jī)床相比，其具有較高的自動(dòng)化水平和效率，而且能較好地保證操作人員的安全?？傊瑢?duì)機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造具有較高的性價(jià)比。
（5）在數(shù)控化改造期間，企業(yè)中的技術(shù)人員能清楚地了解原機(jī)床的結(jié)構(gòu)與性能；各工科院校的學(xué)生在改造中也能提升自己的技術(shù)能力，更好地掌握科學(xué)技術(shù)。如若是相關(guān)學(xué)員，通過對(duì)機(jī)床的改造能縮短培訓(xùn)周期，更快得投入生產(chǎn)工作[1]。
1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況
1.2.1國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況
20世紀(jì)中期，有史以來第一臺(tái)“電腦”在美國(guó)發(fā)明，沒過多少時(shí)間，又是在美國(guó)，誕生了世界第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床——數(shù)控三軸鏜銑床，自此，跟隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展潮流，數(shù)控機(jī)床技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，在近半個(gè)世紀(jì)以來，數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷過了兩個(gè)階段，六個(gè)時(shí)代的發(fā)展。邏輯數(shù)字控制(NC)是數(shù)控機(jī)床經(jīng)歷的第一個(gè)階段，第一階段分為三個(gè)時(shí)期；電子管、晶體管和小規(guī)模集成電路；計(jì)算機(jī)數(shù)字邏輯控制(CNC)是數(shù)控機(jī)床的第二段歷程，從小型計(jì)算機(jī)發(fā)展到微處理器，最后到PC機(jī)。如今，世界上數(shù)控機(jī)床的更新周期是2-3年，處于數(shù)控機(jī)床研發(fā)技術(shù)第一梯隊(duì)的是日本、美國(guó)、德國(guó)、西班牙等國(guó)家，在業(yè)界得到普遍認(rèn)可的品牌有德國(guó)西門子、日本發(fā)那科、西班牙發(fā)格、法國(guó)NUM，這些品牌的產(chǎn)品不僅功能卓越，而且表現(xiàn)穩(wěn)定，所以在全世界都有可觀的市場(chǎng)。自從1980年之后，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致了產(chǎn)品更迭周期越來越短，產(chǎn)品的批量生產(chǎn)發(fā)展勢(shì)頭迅猛。再者伴隨著輕工業(yè)、汽車工業(yè)甚至航空工業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品需求趨向復(fù)雜化，高精度化，一切的發(fā)展推進(jìn)著普通機(jī)床向高性能數(shù)控機(jī)床發(fā)展以適應(yīng)各種零件的批量生產(chǎn)，在生產(chǎn)中數(shù)控機(jī)床的地位愈發(fā)重要，甚至能用數(shù)控機(jī)床的占有量來權(quán)衡一個(gè)國(guó)家的工業(yè)水平。因此，各個(gè)國(guó)家都在支持自動(dòng)化機(jī)械制造技術(shù)的研發(fā)。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，美國(guó)通用公司的數(shù)控機(jī)床占有了七成的市場(chǎng)。另據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自20世紀(jì)80年代以后，日本數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)量占所有機(jī)床生產(chǎn)量的八成，而且數(shù)控機(jī)床普遍都是高檔機(jī)床[2]。
我國(guó)在近20世紀(jì)60年代起研發(fā)數(shù)控機(jī)床技術(shù)，研發(fā)的主要任務(wù)是對(duì)國(guó)外先進(jìn)數(shù)控機(jī)床的拆解，研究，最終仿制。1975年左右，國(guó)內(nèi)的零件制造水平低，電子元件質(zhì)量不過關(guān)，導(dǎo)致不穩(wěn)定，不可靠的國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床始終得不到技術(shù)的突破。而且，價(jià)格也超出了一般企業(yè)的承受范圍，沒能普及開來。進(jìn)入1980年以后，我國(guó)重新拾起數(shù)控機(jī)床技術(shù)的研發(fā)。到20世紀(jì)90年代初產(chǎn)量已經(jīng)翻了幾千倍，數(shù)控化產(chǎn)值從原先的不足百分之一上升到一成以上。數(shù)控機(jī)床上的生產(chǎn)已經(jīng)形成一定規(guī)模，北京機(jī)床研究所作為領(lǐng)頭羊，陸續(xù)涌現(xiàn)出一些數(shù)控機(jī)床研發(fā)的機(jī)床廠。其主要數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品型號(hào)有BF7、BF3、MTC—l等。隨后許多機(jī)床廠家又研發(fā)出經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，如：武漢華中數(shù)控有限公司、沈陽第一機(jī)床廠、西安微電子研究所等。數(shù)控機(jī)床正逐漸發(fā)展為兩個(gè)分支：一個(gè)向大型、高性能發(fā)展，一個(gè)向經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床發(fā)展。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床就是指用戶能快速了解其操作流程，而且售價(jià)上低于同類產(chǎn)品，對(duì)于我國(guó)來說，符合生產(chǎn)需求，具有較高性價(jià)比的自動(dòng)化機(jī)床。
由上文可知，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床發(fā)展在各方面都遠(yuǎn)落后于世界一流數(shù)控機(jī)床制造水平，而也我國(guó)工業(yè)水平發(fā)展落后也有很大一部分原因是數(shù)控機(jī)床制造技術(shù)的落后。
1.2.2國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床改造概況
隨著數(shù)控機(jī)床占領(lǐng)市場(chǎng)，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格日漸便宜，這無疑增加了普通機(jī)床數(shù)控化改造的優(yōu)勢(shì)，許多機(jī)械加工廠也確實(shí)逐漸把數(shù)控化改造當(dāng)成一個(gè)新的擴(kuò)展經(jīng)營(yíng)項(xiàng)目。各種品牌的機(jī)床翻新改造公司像雨后春筍般在包括很多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在內(nèi)的各個(gè)國(guó)家成立，接受普通或者舊機(jī)床的改造業(yè)務(wù)，甚至一些大型和重型機(jī)床也不在話下。
在20世紀(jì)80年代初的德國(guó)希斯公司成功把一臺(tái)曾是世界上最大的機(jī)床，超重型立式車床改裝成數(shù)控機(jī)床。改裝列表有，工作臺(tái)導(dǎo)軌，主傳動(dòng)系統(tǒng)，刀架導(dǎo)軌，重量感應(yīng)器以及數(shù)控裝置等。而成功改造后的機(jī)床總花費(fèi)僅相當(dāng)于重新購買一臺(tái)新機(jī)床價(jià)格的三成，而且其中機(jī)床維修費(fèi)外加一個(gè)新的數(shù)控裝置費(fèi)用就占了總費(fèi)用的近30%。這家公司還有另外的光榮事跡——改造了一臺(tái)稍小的超重型車床，而這次的總花費(fèi)才相當(dāng)于購買一臺(tái)同規(guī)格新機(jī)床價(jià)格的兩成不到[3]。
放眼我國(guó)，作為各國(guó)公認(rèn)的培訓(xùn)機(jī)床制造業(yè)技術(shù)人員的模范，香港理工大學(xué)的工業(yè)中心擁有的數(shù)控機(jī)床占其所有機(jī)床總量的七成以上，而這些數(shù)控機(jī)床中大概有一成是從舊的普通機(jī)床經(jīng)過數(shù)控化改造改造成的。而從這些設(shè)備的改造費(fèi)用和改造后的成果來看，結(jié)果是叫人滿意的。
我國(guó)浙江捷運(yùn)柴油機(jī)股份公司改造過一臺(tái)銑床，比新買一臺(tái)機(jī)床節(jié)約了近300萬的成本費(fèi)用。改造完成后，這臺(tái)機(jī)床用來加工鑄模，在短短的兩個(gè)多月里面，完成的工作量是以前五個(gè)月都不一定能完成的量。后來這家公司又陸續(xù)改造了十多臺(tái)加工中心，這些數(shù)控化改造的機(jī)床投入生產(chǎn)后的產(chǎn)值已超過了千萬元。經(jīng)濟(jì)收益可見一斑[4]。
失敗乃成功之母，既然有成功，那肯定也有過失敗。在上世紀(jì)1983年一家國(guó)營(yíng)企業(yè)曾對(duì)一臺(tái)七十年代的C620-1型舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造。最終因?yàn)楫?dāng)時(shí)的數(shù)控化改造技術(shù)以及制造工藝不成熟，選用的數(shù)控系統(tǒng)沒有達(dá)到預(yù)期效果等等意外因素，改造沒有成功。
自1980年以后我國(guó)致力于研究和普及機(jī)床數(shù)控化改造技術(shù)，已經(jīng)積累了三十年的經(jīng)驗(yàn)。雖然有過失敗的慘痛經(jīng)歷，但是在遠(yuǎn)的將來，這項(xiàng)技術(shù)一定會(huì)被國(guó)人所熟練掌握。而目前來說，數(shù)控化改造技術(shù)以及制造工藝依然是豎立在眼前的一堵墻，阻礙了我國(guó)數(shù)控化改造技術(shù)在大型，超重型機(jī)床上的應(yīng)用。
這幾年來，機(jī)床行業(yè)在我國(guó)飛速發(fā)展，而我國(guó)的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量也正穩(wěn)步提升。但是我國(guó)各類普通機(jī)床的基數(shù)仍然龐大，其中有近三成是已經(jīng)使用了近四十年，這些機(jī)床都已過于陳舊，不適宜數(shù)控化改造這些機(jī)床，要更新?lián)Q代。但余下70%的機(jī)床還是具有數(shù)控化改造的價(jià)值。而這些普通舊機(jī)床的維修與數(shù)控化改造有巨大的潛在市場(chǎng)需求，對(duì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有很大的幫助。
現(xiàn)階段，普通機(jī)床還是占有我國(guó)機(jī)床市場(chǎng)的大流。而對(duì)于基礎(chǔ)龐大的普通機(jī)場(chǎng)，其中存在的安全隱患是不可忽視的。所以，我國(guó)機(jī)床市場(chǎng)擴(kuò)大規(guī)模的一個(gè)重要制約因素就是安全隱患。我們要著力于機(jī)床安全性的提升，著力于最本質(zhì)的機(jī)床安全水平的提升，著力于提升機(jī)床的數(shù)控化水平、著力于減少機(jī)床的事故發(fā)生率、提高安全水準(zhǔn)、提升生產(chǎn)效率的問題。
我們發(fā)現(xiàn)，普通的機(jī)床在接受了一系列的數(shù)控化改造之后，機(jī)床的智能化，生產(chǎn)效率，安全程度都會(huì)得到不同的提升。這樣就降低了機(jī)床作業(yè)者的危險(xiǎn)系數(shù)；機(jī)床的人機(jī)交互界面也越來越得到人們的肯定，而且可以有效地降低作業(yè)者的操作錯(cuò)誤率，大大的降低因?yàn)椴僮鲉栴}引發(fā)的安全問題的概率。我們發(fā)現(xiàn)接受了數(shù)控化改造后的普通機(jī)床，它的安全系數(shù)得到了非常明顯的提升，而且機(jī)床的事故發(fā)生也得到了遏制，這將為企業(yè)帶來很多效益和無形的升值。
接受了數(shù)控化改造后的普通機(jī)床，相對(duì)于直接購買的數(shù)控機(jī)床，尤其是相對(duì)于一些特殊的、大型機(jī)床來說，改變是顯而易見的。我們數(shù)控化改造普通機(jī)床，相對(duì)于直接購買數(shù)控機(jī)床，不但可以降低三分之一的成本，而且還可以降低直接更換新的數(shù)控機(jī)床所帶來的污染和浪費(fèi)，實(shí)在是事半功倍。
按照我們以往的數(shù)控化改造經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過數(shù)控化改造后的一般機(jī)床，它的生產(chǎn)效率得到了顯著地提升。本來一個(gè)操作工只能控制一臺(tái)普通機(jī)床的，現(xiàn)在可以同時(shí)控制兩臺(tái)經(jīng)過了數(shù)控化改造后的機(jī)床。而且，數(shù)控化改造也大大的提升了機(jī)床的生產(chǎn)精度，本來由于人工操作造成的產(chǎn)品良品率不高的問題得到了有效地解決。甚至，工人們的工作也會(huì)輕松許多，工作明顯省力，節(jié)省了試制新產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間和提升了新產(chǎn)品的生產(chǎn)速度，把工廠的效益一下子提升了很大一個(gè)臺(tái)階。
按照外國(guó)的先進(jìn)技術(shù)，數(shù)控化改造是一種非常值得推廣的技術(shù)。機(jī)床的數(shù)控化改造實(shí)際就是新技術(shù)與新思想的碰撞結(jié)果，糅合了古典工業(yè)與新型工業(yè)，強(qiáng)調(diào)了性價(jià)比這一重點(diǎn)，并且十分輕松地就提升了安全生產(chǎn)效率。進(jìn)入新世紀(jì)，數(shù)控化機(jī)床改造技術(shù)的市場(chǎng)在中國(guó)可謂是無比巨大，我們非?？春眠@一技術(shù)。
歸根究底，從普通機(jī)床反面來說，我國(guó)的機(jī)床技術(shù)和世界先進(jìn)技術(shù)相比仍然有著非常巨大的差距：不但高檔的國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在質(zhì)量數(shù)量上都不能達(dá)到國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，其中加工中心高端車床基本上全部從國(guó)外引進(jìn)；而且機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)和一些高端的生產(chǎn)部件也無法自主生產(chǎn)，這些問題都制約了我國(guó)的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的自主發(fā)展；更為關(guān)鍵的是我國(guó)機(jī)床制造廠技術(shù)水平不高，生產(chǎn)反面和管理方面還有售后服務(wù)方面都不能和國(guó)外同日而語；另外老舊的設(shè)備在我國(guó)的企業(yè)設(shè)備中依然占了很大一部分，但是更換資金缺口依舊很大。
1.3 本章小結(jié)
本章介紹了通過改造后，機(jī)床能達(dá)到的預(yù)期效果，闡述了數(shù)控機(jī)床，數(shù)控化改造的國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷史。根據(jù)本章中介紹的改造后的預(yù)期效果，下文將具體做出改造設(shè)計(jì)方案。
2 CA6140普通車床數(shù)控改造總體方案的設(shè)計(jì)
本章概述：本章主要對(duì)原機(jī)床的功能，傳動(dòng)系統(tǒng)，電氣控制方面進(jìn)行了簡(jiǎn)介，并根據(jù)課題需求做出了總體改造方案。
2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)
對(duì)CA6140普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造，能使老舊的車床再次投入生產(chǎn)，而且數(shù)控化改造能提高機(jī)床的加工質(zhì)量和精度，并且在生產(chǎn)效率和安全性方面使改造后的車床超越改造前普通車床出廠時(shí)的水平。
2.2 原機(jī)床簡(jiǎn)介
2.2.1 原機(jī)床功能
CA6140 ——C代表車床，A可理解為這種型號(hào)車床在結(jié)構(gòu)上區(qū)別于C6140，6表示該車床屬于落地及臥式車床組，1說明該車床屬于臥式車床系，40是說該車床的最大車削直徑為400mm。CA6140車床具有全面的實(shí)用性，可以對(duì)各種軸類、套筒類零件進(jìn)行加工，甚至盤類零件上的回轉(zhuǎn)表面也能適用，對(duì)于車削端面和各種常用螺紋的加工輕而易舉，在這些零件上還能進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、滾花等加工。
2.2.2 原機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)
原CA6140機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)有兩大部分構(gòu)成。（1）主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈。主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈的作用是將能量源(電動(dòng)機(jī))的動(dòng)力傳遞給主軸，讓工件跟主軸一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)。（2）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈的作用是帶動(dòng)刀架的縱向和橫向移動(dòng)及車螺紋運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力是從電動(dòng)機(jī)傳遞給進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈、溜板傳再傳至刀架，實(shí)現(xiàn)刀架運(yùn)動(dòng)。
2.2.3 原機(jī)床電氣控制
圖2.1(a) CA6140車床電氣圖（主電路圖）
圖2.1(b) CA6140電氣圖（控制電路圖）
（1）主電路分析
如圖2.1(a)所示：
接觸器KM1和KM2分別控制主軸電動(dòng)機(jī)M1的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，熱繼電器FR1為主軸電動(dòng)機(jī)M1提供過載保護(hù)。
接觸器KM3控制冷卻泵電機(jī)M2的啟動(dòng)，F(xiàn)R2是為冷卻泵電機(jī)M2提供過載保護(hù)的熱繼電器。
接觸器KM4控制刀架快速移動(dòng)，因?yàn)榭焖僖苿?dòng)電機(jī)M3是短期工作，所以可以不加過載保護(hù)。
（2） 控制電路分析
如圖2.1(b)所示：
主軸電動(dòng)機(jī)M1的控制。按下起動(dòng)按鈕開關(guān)SB2，線圈KM1通電，接觸器KM1閉合，控制主軸電動(dòng)機(jī)M1正轉(zhuǎn)，按下起動(dòng)按鈕開關(guān)SB3，線圈KM2通電，接觸器KM2閉合，控制主軸電動(dòng)機(jī)M1反轉(zhuǎn)。按下停止按鈕開關(guān)SB1，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。
冷卻泵電動(dòng)機(jī)M2的控制。只有當(dāng)線圈KM1或者KM2獲電，然后觸點(diǎn)KM1或者KM2閉合，主軸電動(dòng)機(jī)M1啟動(dòng)后，再合上開關(guān)SA，使線圈KM3獲電，然后觸點(diǎn)KM3閉合，冷卻泵電動(dòng)機(jī)M2才能起動(dòng)。
刀架快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制。刀架快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)M3的啟動(dòng)，是由安裝在進(jìn)給操縱手柄頂端的按鈕開關(guān)SB4來控制，它與交流接觸器KM4組成電動(dòng)控制環(huán)節(jié)。將操縱手柄扳到所需的方向，壓下按鈕開關(guān)SB4，接觸器KM4獲電吸合，電動(dòng)機(jī)M3獲電起動(dòng)，刀架就向指定方向快速移動(dòng)。
圖中EL為機(jī)床的低照明燈，由開關(guān)QS控制，HL為電源信號(hào)燈。
2.3 總體改造方案
數(shù)控化改造設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)改造的經(jīng)濟(jì)性和簡(jiǎn)易性的原則，可以盡量利用原來車床上的零部件，來減少不必要的改動(dòng)量。特別是車床上相對(duì)大點(diǎn)的部件，比如床身、工作臺(tái)等，盡可能地利用原有的組件，這樣只需要做少量的維修加工改造，可以極大得降低成本，縮短改造的周期。
CA6140型普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能主要有[5]：控制主軸正反轉(zhuǎn)和實(shí)現(xiàn)主軸的變速以提供不同的切削速度；刀架能實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；主軸運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，冷卻泵電機(jī)也能啟動(dòng)，噴出冷卻液。對(duì)于以上功能的實(shí)現(xiàn)，可以初步制定總體改造方案：(1)舍棄原CA6140車床的光杠絲杠、溜板箱及掛輪箱中的齒輪，原裝的普通滑動(dòng)絲杠改換為滾珠絲杠，在原安裝滑動(dòng)絲杠的部位通過托架將選好的縱向滾珠絲杠安裝，安裝的縱橫向滾珠絲杠盡量用原來的固定與安裝方式；(2)主軸需要能變速并能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)；(3)刀架由兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，在床鞍的偏后位置安裝橫向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在離尾座較近的位置，機(jī)床的右部安裝縱向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
2.3.1 實(shí)現(xiàn)主軸變頻調(diào)速
CA6140車床的主軸變速是手動(dòng)變速。本課題中改造后的車床決定采用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過數(shù)控系統(tǒng)控制變頻器，變頻器驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)主軸變速，因?yàn)檫@樣可以使用原車床的電動(dòng)機(jī)，而不用對(duì)主軸電動(dòng)機(jī)重新選型。電源頻率f，電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)P以及轉(zhuǎn)差率S與交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速之間存在一定關(guān)系式，有公式可證：。原電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，轉(zhuǎn)差率，所以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與頻率f之間的關(guān)系為：。因此，改變電源的頻率即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻器能通過與數(shù)控系統(tǒng)連接，控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，停止和變速。
2.3.2 進(jìn)給系統(tǒng)的改造
CA6140車床只有一個(gè)快速移動(dòng)電機(jī)控制刀架運(yùn)動(dòng)，改造后的車床用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制刀架兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。另外，原來車床采用的滑動(dòng)絲杠，與滾珠絲杠相比摩擦阻力大。傳動(dòng)效率低，不能適應(yīng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。而且，由于磨損快，造成其精度保持性低，壽命低。滾珠絲杠磨損小，壽命長(zhǎng)，精度保持性好。所以需要將原來的滑動(dòng)絲杠改為滾珠絲杠。
2.3.3 數(shù)控系統(tǒng)選擇
由于本次改造基于經(jīng)濟(jì)，簡(jiǎn)易改造的原則，本課題選用開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)雖然精度不夠高，但是因?yàn)殚_環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)易懂，成本不高，方便改裝，所以在簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)中可以使用。
2.4 本章小結(jié)
本章分析了數(shù)控化改造后的車床所需要實(shí)現(xiàn)的功能，然后說明了車床數(shù)控化改造的總體方案。從經(jīng)濟(jì)性，簡(jiǎn)易性方面出發(fā)，主軸通過變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的方式來調(diào)速，車床上原裝的主軸電動(dòng)機(jī)能繼續(xù)使用。
3 數(shù)控車床電氣控制設(shè)計(jì)
本章概述：本章介紹了原CA6140車床的電氣控制，設(shè)計(jì)并說明了數(shù)控化改造所需的電路控制改造。
3.1 CA6140車床電氣控制
3.1.1 CA6140車床運(yùn)動(dòng)形式
主軸與工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)稱為車床的主運(yùn)動(dòng)，主軸電動(dòng)機(jī)通過V帶傳遞給主軸變速箱來改變速度稱為主軸變速。刀架與刀具的直線運(yùn)動(dòng)稱為車床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。車床的切削運(yùn)動(dòng)包括車床的主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。車床的輔助運(yùn)動(dòng)是車床上除切削運(yùn)動(dòng)以外的其它一切必需的運(yùn)動(dòng)。如尾架的縱向移動(dòng)，工件的夾緊與放松等。
3.1.2 電力拖動(dòng)特點(diǎn)和控制電路
很多時(shí)候都選三相籠型異步電動(dòng)機(jī)做車床的主拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)，不用電氣調(diào)速。采用齒輪箱進(jìn)行機(jī)械有級(jí)調(diào)速。主軸正反轉(zhuǎn)由控制主拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)調(diào)換相序?qū)崿F(xiàn)。設(shè)有啟動(dòng)與停止按鈕控制主拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與停止。在進(jìn)行車削加工時(shí)，刀具及工件溫度將過高，應(yīng)配有冷卻泵電動(dòng)機(jī)噴出切削液進(jìn)行冷卻，并且要求在主拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，方可決定冷卻泵啟不啟動(dòng)，而當(dāng)主拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)停止時(shí)，冷卻泵電動(dòng)機(jī)應(yīng)立即停止。必須有過載、短路、欠壓、失壓保護(hù)，還要具有安全的局部照明裝置[4]。
3.2 數(shù)控化改造的電氣控制設(shè)計(jì)
根據(jù)CA6140車床數(shù)控化改造方案，去掉現(xiàn)有車床進(jìn)給箱、溜板箱、刀架等，只保留主軸箱、床身導(dǎo)軌、溜板、尾座等。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)變?yōu)榭v向、橫向兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。因此需重新設(shè)計(jì)它的電氣控制電路。
3.2.1 數(shù)控車床主電路設(shè)計(jì)
由圖1-1可知，CA6140車床的主電路共有三臺(tái)電動(dòng)機(jī)：M1是主軸電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)；M2是冷卻泵電動(dòng)機(jī)，用來輸送切削液；M3是刀架快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)。CA6140 主軸的正反轉(zhuǎn)是由主控觸點(diǎn)KM1和KM2的閉合與斷開實(shí)現(xiàn)的，而改造后的數(shù)控機(jī)床是則由數(shù)控系統(tǒng)控制變頻器，由變頻器控制主軸電動(dòng)機(jī)M1實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。去掉原電動(dòng)機(jī)M3，刀架的移動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)M2，M3控制；冷卻泵電動(dòng)機(jī)M4由線圈KM5控制觸點(diǎn)KM5控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止[6]。
改造后主電路的工作原理是扳動(dòng)斷路器QF以及空氣開關(guān)，將三相電源引入。變頻器控制主軸電動(dòng)機(jī)M1，變頻器相應(yīng)的端口接收到由數(shù)控裝置發(fā)出的指令，然后變頻器驅(qū)動(dòng)主軸電動(dòng)機(jī)M1正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)；M2，M3這兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)是由各自的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)M2或者M(jìn)3要正轉(zhuǎn)時(shí)，數(shù)控裝置發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)器控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)M2或者M(jìn)3要反轉(zhuǎn)時(shí)，數(shù)控裝置發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)器控制電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。熱繼電器FR1～FR4作過載保護(hù)，熔斷器FU作短路保護(hù)。冷卻泵電動(dòng)機(jī)M4由繼電器KM1控制。
主電路可見下圖 3.1(a)和3.1(b)。
圖3.1(a) 改造后主電路（主軸）
圖3.1(b) 改造后主電路（進(jìn)給系統(tǒng)）
3.2.2 數(shù)控車床控制電路設(shè)計(jì)
控制電路的電源由控制變壓器TC1輸出110V電壓提供。正常工作時(shí)，斷路器QF合閘。刀架控制由數(shù)控裝置系統(tǒng)和電機(jī)組成?？刂谱儔浩鱐C2作為電源，輸出220V供數(shù)控裝置、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用。
以下是改造后的控制電路的具體分析：
（1）主軸電動(dòng)機(jī)M1的控制
主電路由數(shù)控裝置發(fā)指令給變頻器，由變頻器控制主軸電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及變頻調(diào)速。
（2） 進(jìn)給系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)M2和M3的控制
進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制刀架兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。由數(shù)控裝置發(fā)指令給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制兩臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。
（3）冷卻泵電動(dòng)機(jī)M4的控制
當(dāng)主軸電機(jī)M1啟動(dòng)后，數(shù)控裝置系統(tǒng)發(fā)出指令，冷卻泵電動(dòng)機(jī)才能起動(dòng)。當(dāng)M1停止運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)M4自動(dòng)停止。
（4） 報(bào)警燈和警鈴的控制
當(dāng)M1，M2，M3，M4電動(dòng)機(jī)電路中相應(yīng)熱繼電器斷開時(shí)，數(shù)控裝置輸出信號(hào)控制相應(yīng)的報(bào)警燈亮，警鈴響起。直到熱繼電器復(fù)位，報(bào)警燈熄滅，警鈴不響[7][8]。
3.3 本章小結(jié)
本章設(shè)計(jì)了改造后機(jī)床的主電路圖和控制電路圖，介紹了主電路的主電路中的電氣元件和主電路的工作原理，敘述了控制電路控制主電路的流程。
4 CA6140車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng)
本章概述：本章內(nèi)容主要選擇了數(shù)控系統(tǒng)控制的方式，并選擇了合適的數(shù)控系統(tǒng)，合適的變頻器。分配了數(shù)控系統(tǒng)中的輸入輸出點(diǎn)，并用STEP 7軟件編寫了梯形圖。
數(shù)控系統(tǒng)或數(shù)控裝置編譯事先自動(dòng)讀入載體的數(shù)字值，從而控制機(jī)床的動(dòng)作，進(jìn)行對(duì)零件的加工。圖4.1是數(shù)控機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)圖，由機(jī)床主機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置、輔助裝置、CNC裝置和編程裝置等組成。
圖4.1 數(shù)控機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)
4.1數(shù)控改造的控制方式選擇
數(shù)控改造的控制方式按伺服驅(qū)動(dòng)方式基本上分為開環(huán)控制、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制三種類型。
（1）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)：開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的主要伺服驅(qū)動(dòng)裝置是步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)等。從數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給指令，通過控制電路后，步進(jìn)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，執(zhí)行部件由滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)。只要控制指令，執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)的位移量、速度和運(yùn)動(dòng)方向就可以得到控制。因?yàn)樵撓到y(tǒng)的輸入端不會(huì)接收到測(cè)得的實(shí)際位置和速度反饋，所以這種系統(tǒng)被稱為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移精度、絲杠等傳動(dòng)元件的節(jié)距或者導(dǎo)程精度決定，因此系統(tǒng)的位移精度相對(duì)較低。但是這個(gè)系統(tǒng)具有調(diào)試簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)易懂，工作穩(wěn)定，維修方便，容易改裝成功，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。
（2）交／直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，光柵測(cè)量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)：該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)具有以下區(qū)別：實(shí)際位置由位置檢測(cè)裝置測(cè)得并發(fā)送反饋信號(hào)，隨時(shí)將給定值與測(cè)得值進(jìn)行比較，放大和變換兩者的差值，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，向著消除偏差的方向以給定的速度運(yùn)動(dòng)，當(dāng)給定位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于零時(shí)停止。閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)要復(fù)雜，成本也相對(duì)貴，并且嚴(yán)格要求了環(huán)境室溫。設(shè)計(jì)和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是與此同時(shí)得到的是比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，更大的驅(qū)動(dòng)功率。
（3）交／直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)：檢測(cè)元件安裝在半閉環(huán)系統(tǒng)的中間傳動(dòng)件上，間接測(cè)量執(zhí)行部件的位置。它只能補(bǔ)償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部分元件的誤差。所以，雖然它的結(jié)構(gòu)與調(diào)試都比閉環(huán)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，但它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低。
本課題決定采用開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。因?yàn)殚_環(huán)數(shù)控系統(tǒng)既便宜又易改造，同時(shí)也能滿足改造后的性能要求[9]。
4.2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇
依據(jù)機(jī)床數(shù)控化改造后車床所要達(dá)到的精度、性能等，選擇性價(jià)比高的，合適的數(shù)控系統(tǒng)，要考慮原車床的精度和改造的成本、周期、難易程度等各方面因素來避免選擇的數(shù)控系統(tǒng)性能過剩。在我國(guó)，雖然經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家眾多，而且價(jià)格上占有優(yōu)勢(shì)，但性能和穩(wěn)定性不是那么理想，所以本課題決定采用國(guó)外的數(shù)控系統(tǒng)。最終決定采用西門子SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)。
西門子數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 802D是一種將數(shù)控系統(tǒng)（NC，PLC，HMI）和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的所有部件集成在一起的操作控制系統(tǒng)。全數(shù)控鍵盤（垂直型或水平型）可直接連接。
（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高，系統(tǒng)軟件功能比較完善：
（2）有免維護(hù)性能的SINUMERIK802D，PCU (面板控制單元)是該數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，它將CNC、PLC、人機(jī)界面和通訊等功能集成于一體?？煽啃愿?、易于安裝；
（3）SINUMERIK802D能控制4個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)數(shù)字或模擬主軸。通過生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS將驅(qū)動(dòng)器、輸入輸出模塊連接起來；
（4）SINUMERIK802D集成了內(nèi)置PLC系統(tǒng)，可對(duì)機(jī)床采取邏輯控制。其控制邏輯設(shè)計(jì)使用標(biāo)準(zhǔn)的PLC的編程語言Micro/WIN，并且為了簡(jiǎn)化制造廠設(shè)計(jì)過程以及縮短設(shè)計(jì)周期，它隨機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)的PLC子程序庫和實(shí)例程序。
西門子SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的S7 200PLC。S7 200系列PLC可以滿足多種多樣的自動(dòng)化控制的需要。S7 200具有設(shè)計(jì)緊湊、擴(kuò)展性上佳、價(jià)格便宜以及強(qiáng)大的指令系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，所以它基本能完美地滿足小規(guī)模的控制要求。另外，因?yàn)榫哂卸喾NCPU類型和電壓等級(jí)，所以它在解決用戶的工業(yè)自動(dòng)化問題時(shí)，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和可選擇性。
4.3 PLC輸入/輸出
4.3.1 輸入接口
輸入接口接收和采集兩種類的輸入信號(hào)，一種是按鈕、行程開關(guān)、繼電器觸頭等開關(guān)量的輸入信號(hào)；另一種是電位器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和各種變頻器提供的連續(xù)變化的模擬量輸入信號(hào)。
4.3.2 輸出接口
輸出接口電路輸出控制信號(hào)給各個(gè)執(zhí)行元件。接觸器、電磁閥、調(diào)節(jié)閥（模擬量）、指示燈和報(bào)警裝置等是常用執(zhí)行元件。通常由微電腦輸出接口電路和功率放大電路組成輸出接口電路，與輸入接口電路相像，光電耦合器在輸出接口電路和內(nèi)部電路之間抗干擾電隔離。
通常，集成在芯片上的輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求邏輯電路組成微電腦輸出接口電路，輸出信號(hào)由CPU經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)捷敵鰯?shù)據(jù)寄存器中。
4.3.3 電源
PLC的電源作為支撐整個(gè)PLC的能源輸出部分，它能將由外部輸入的交流電變?yōu)镃PU、存儲(chǔ)器等所需的直流電。PLC電源甚至能供給外部24V直流穩(wěn)壓電源，供電給輸入接口上的電氣元件，所以外圍配置上可以不用設(shè)置電源，起到簡(jiǎn)化整體結(jié)構(gòu)的作用。
4.3.4 輸入/輸出（I/O）點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)
改造后的車床自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，主軸的正反轉(zhuǎn)和變速，兩個(gè)方向進(jìn)給系統(tǒng)的前進(jìn)，后退，限位動(dòng)作都由PLC控制，控制這些動(dòng)作的信號(hào)作為輸入信號(hào)。而PLC傳達(dá)給控制各電動(dòng)機(jī)的接觸器，變頻器的信號(hào)將作為輸出信號(hào)。根據(jù)要求，清算出PLC上所需要的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)。
表4-1 I/O端口統(tǒng)計(jì)表
輸入/輸出類型
輸入點(diǎn)數(shù)
輸出點(diǎn)數(shù)
信號(hào)類型
按鈕
限位開關(guān)
熱繼電器
變頻器
驅(qū)動(dòng)器
接觸器
數(shù)量
10
4
3
3
4
7
統(tǒng)計(jì)
17
14
總計(jì)
31
由上表得出結(jié)論：PLC需輸入點(diǎn)數(shù)17個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)14個(gè)。再留些余量，上文所介紹的西門子數(shù)控系統(tǒng)中的S7 200PLC能夠使用。CPU226型S7 200PLC具有24個(gè)輸入端口，16個(gè)輸出端口。
表4-2 I/O分配表
輸入信號(hào)
輸出信號(hào)
停止按鈕
I0.0
變頻器運(yùn)行頻率選擇
Q0.0
主軸停止按鈕
I0.1
變頻器運(yùn)行頻率選擇
Q0.1
主軸正轉(zhuǎn)按鈕
I0.2
變頻器控制正反轉(zhuǎn)
Q0.2
主軸反轉(zhuǎn)按鈕
I0.3
向縱向進(jìn)給電機(jī)輸出高速脈沖
Q0.3
縱向進(jìn)給系統(tǒng)電機(jī)停止按鈕
I0.4
驅(qū)動(dòng)器控制縱向進(jìn)給系統(tǒng)正反轉(zhuǎn)
Q0.4
表4-2續(xù) I/O分配表
縱向進(jìn)給系統(tǒng)電機(jī)正轉(zhuǎn)按鈕
I0.5
向橫向進(jìn)給電機(jī)輸出高速脈沖
Q0.5
縱向進(jìn)給系統(tǒng)電機(jī)反轉(zhuǎn)按鈕
I0.6
驅(qū)動(dòng)器控制橫向進(jìn)給系統(tǒng)正反轉(zhuǎn)
Q0.6
橫向進(jìn)給系統(tǒng)電機(jī)停止按鈕
I0.7
冷卻泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)線圈
Q0.7
橫向進(jìn)給系統(tǒng)電機(jī)正轉(zhuǎn)按鈕
I1.0
M1電動(dòng)機(jī)報(bào)警燈
Q1.0
橫向進(jìn)給系統(tǒng)電機(jī)反轉(zhuǎn)按鈕
I1.1
M1電動(dòng)機(jī)報(bào)警鈴
Q1.1
縱向進(jìn)給系統(tǒng)正轉(zhuǎn)限位開關(guān)
I1.2
M2電動(dòng)機(jī)報(bào)警燈
Q1.2
縱向進(jìn)給系統(tǒng)反轉(zhuǎn)限位開關(guān)
I1.3
M2電動(dòng)機(jī)報(bào)警鈴
Q1.3
橫向進(jìn)給系統(tǒng)正轉(zhuǎn)限位開關(guān)
I1.4
M3電動(dòng)機(jī)報(bào)警燈
Q1.4
橫向進(jìn)給系統(tǒng)反向限位開關(guān)
I1.5
M3電動(dòng)機(jī)報(bào)警鈴
Q1.5
熱繼電器FR1
I1.6
熱繼電器FR2
I1.7
熱繼電器FR3
I2.0
根據(jù)表4-2可以畫出相應(yīng)的I/O接線圖，具體見圖4.2。
圖4.2 I/O接線圖
4.4 主拖動(dòng)系統(tǒng)變頻調(diào)速改造
4.4.1 CA6140車床主拖動(dòng)系統(tǒng)
CA6140車床是由齒輪箱來傳動(dòng)和調(diào)速的。該車床具有以下特性：
（1）恒功率性質(zhì) 當(dāng)齒輪箱速度變化時(shí)，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩成反比，體現(xiàn)出恒功率的性質(zhì)。所以對(duì)同一切削用量而言，電動(dòng)機(jī)的輸出功率是不變的。如忽略齒輪箱的功率損耗不計(jì)，則在全調(diào)速范圍內(nèi)，都具有恒功率的特點(diǎn)。
（2）低速時(shí)過載能力強(qiáng) 在主拖動(dòng)系統(tǒng)以較低的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過降速后，最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)比拖動(dòng)系統(tǒng)的額定轉(zhuǎn)矩低。所以它過載的能力在很多情況下都很優(yōu)異。
4.4.2 主軸變頻控制的基本原理
由異步電機(jī)理論可知,主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為:
式中： —— 電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)；
—— 轉(zhuǎn)差率；
——供電電源的頻率
從式(4.1)可知，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法可分為以下三大類：
（1）變極調(diào)速方法
變極調(diào)速方法是改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)來進(jìn)行速度調(diào)整，而改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)是通過改變定子繞組的接線方式來改變的，而變極調(diào)速的缺點(diǎn)有以下幾個(gè)主要方面。
①一套繞組不管如何變化，最多只能有兩種磁極對(duì)數(shù)的變數(shù)，而一臺(tái)電動(dòng)機(jī)最多也只能存在兩套繞組，所以4檔速度的變數(shù)已經(jīng)是極限。
②不管是在Y型接法或者是星型接法下運(yùn)行，工作效率都將下降。
③因?yàn)椴煌艠O對(duì)數(shù)的“臨界轉(zhuǎn)矩”不一樣，所以帶負(fù)載能力也不一致。
④調(diào)速必須變換繞組接法方式才能進(jìn)行，因此具有繁瑣的控制電路。
（2）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速方法
實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速是要使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路的相關(guān)參數(shù)發(fā)生變化，這種方法只能運(yùn)用在繞線式異步電動(dòng)機(jī)。常用的有調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電組調(diào)速和電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速。這種調(diào)速的缺點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面。
①因?yàn)檎{(diào)速電阻在外部，為了使轉(zhuǎn)子電路和調(diào)速電阻之間建立聯(lián)系，繞線式異步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上加入了電刷和滑環(huán)等易損壞環(huán)節(jié)，故障率提高了。
②調(diào)速電阻消耗的電能較多。
③轉(zhuǎn)速的檔位不多。
④調(diào)速后的機(jī)械特性不夠理想。
（3）變頻調(diào)速方法
變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法。一般是對(duì)籠型異步電動(dòng)機(jī)采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，具有寬廣的調(diào)速范圍，較高的運(yùn)行效率，較好的靜態(tài)穩(wěn)定性，使用方便可靠，顯著的經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)。
為了使改造后的機(jī)床調(diào)速控制系統(tǒng)擁有得良好的控制性能，綜合上面所述的幾種調(diào)速控制方式，權(quán)衡各種調(diào)速控制方案的優(yōu)劣，最終選擇了PLC與變頻器相結(jié)合的變頻調(diào)速控制方案[9]。
4.4.3 變頻器的選用
伴隨電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)的前進(jìn)步伐，變頻器制造技術(shù)有了飛躍式的進(jìn)步，以變頻器為核心的交流電機(jī)調(diào)速已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，交流電機(jī)調(diào)速已經(jīng)取代傳統(tǒng)的直流調(diào)系統(tǒng)，而且技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得以飛躍性得提高。由變頻器控制用電比較厲害的風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備，可以使很多電能得以節(jié)省下來；將變頻器技術(shù)使用在各個(gè)領(lǐng)域都有重要地位的機(jī)械制造業(yè)中，可以讓電氣自動(dòng)化技術(shù)與機(jī)械制造技術(shù)相結(jié)合，使得傳統(tǒng)機(jī)械行業(yè)能再度騰飛；此外，在化纖、紡織塑料、化學(xué)、輕工等工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用變頻器技術(shù)。產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)的提升依仗于自動(dòng)化制造水平的發(fā)展，作為典型自動(dòng)化產(chǎn)品——變頻器在工業(yè)制造、交通等領(lǐng)域占有重要地位，而像空調(diào)等家用電器上也正逐漸普及變頻器的使用，這使得家用電器更省電、節(jié)能，也更智能化、人性化。隨著現(xiàn)代化的程度提高，變頻器的應(yīng)用會(huì)更加普及。
變頻器的選用
在數(shù)控車床上所選用的變頻器除要考慮正常的調(diào)速范圍、負(fù)載狀況、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩以外，如何控制變頻器也是一個(gè)重要方面。現(xiàn)如今，主要有標(biāo)量控制和矢量控制兩種控制方式來控制主軸變頻器。而標(biāo)量控制有在較低頻率時(shí)轉(zhuǎn)矩不足、速度不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，所以已經(jīng)很少在數(shù)控車床主軸上使用；為了讓鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)能有直流電動(dòng)機(jī)般的穩(wěn)定運(yùn)行能力和方便的操控性，用矢量控制方式控制變頻器，使變頻器產(chǎn)生足量的轉(zhuǎn)矩來維持電動(dòng)機(jī)預(yù)先制定好的磁通量。它具有優(yōu)異的控制特性，能適應(yīng)高速場(chǎng)合的調(diào)速(調(diào)速范圍1:100)，還可進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。所以矢量控制的變頻器正在逐漸推廣應(yīng)用。目前，西門子、東芝、LG、日立、三菱等廠家都有成熟的產(chǎn)品，可供各制造廠家選擇使用[10]。
本課題選用西門子變頻器，具體型號(hào)為MM420。
4.5 梯形圖編程
STEP 7-Micro/WIN32編程軟件是S7 200系列PLC使用的編程軟件，運(yùn)行在32位Windows操作系統(tǒng)下。它功能強(qiáng)大，為用戶開發(fā)、編輯和監(jiān)控自己的應(yīng)用程序提供了良好的編程環(huán)境。所以在開發(fā)過程中西門子S7 200具有不可替代的地位。
STEP 7-Micro/WIN32能協(xié)助用戶完成開發(fā)軟件的任務(wù)，如用戶程序的新建，原有用戶程序的改編。PLC的參數(shù)等也能通過設(shè)置軟件來實(shí)現(xiàn)。編輯過程中還具有簡(jiǎn)單語法檢查、用戶程序的文檔管理、加密和在線幫助等功能。在編程進(jìn)行的時(shí)候，有些語法或者數(shù)據(jù)類型錯(cuò)誤能夠被語法檢測(cè)功能識(shí)別出來。為了提醒用戶編寫程序過程中的一些基本錯(cuò)誤，在程序中，錯(cuò)誤的下方會(huì)出現(xiàn)紅色曲線（數(shù)據(jù)類型錯(cuò)誤）。
編程人員利用STEP 7-Micro/WIN32編程軟件要做的最基本的工作是編輯和修改控制程序。作為一款具有相對(duì)強(qiáng)大編輯能力的軟件，其不僅能夠變極梯形圖，而且還能編輯語句表以及功能塊圖。
下面用STEP 7編寫PLC梯形圖，改造后的車床的具體動(dòng)作流程見下圖4.3：
圖4.3 改造后機(jī)床總流程圖
（1）主軸電機(jī)正反轉(zhuǎn)
主軸電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)通過PLC控制變頻器實(shí)現(xiàn)。只要預(yù)先在變頻器相應(yīng)端口設(shè)置好參數(shù)，用PLC控制這個(gè)端口啟動(dòng)和停止，就能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。具體參數(shù)可見表4-3。
（2） 主軸電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)的變頻調(diào)速
變頻器數(shù)字輸入5、6端口通過P0701、P0702參數(shù)設(shè)為三段固定頻率控制端，每一頻段的頻率可分別由P1001、P1002和P1003參數(shù)設(shè)置。變頻器數(shù)字輸入7端口設(shè)為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行、停止、正反轉(zhuǎn)控制端，可由P0703參數(shù)設(shè)置。
當(dāng)PLC收到輸入點(diǎn)I0.5的信號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)以10HZ的頻率正轉(zhuǎn)，延時(shí)20S后又以20HZ的頻率正向運(yùn)行，再延時(shí)10s后電動(dòng)機(jī)以50Hz的頻率正向運(yùn)行；當(dāng)PLC收到輸入點(diǎn)I0.6的信號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)以10HZ的頻率反轉(zhuǎn)，延時(shí)20S后以20HZ的頻率繼續(xù)反向運(yùn)行，再延時(shí)10s后電動(dòng)機(jī)以50Hz的頻率反向運(yùn)行。
正轉(zhuǎn)時(shí)調(diào)頻變速：見圖4.4
圖4.4 PLC控制主軸電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)變頻調(diào)速
反轉(zhuǎn)時(shí)變頻：見圖4.5
圖4.5(a) PLC控制主軸電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)變頻調(diào)速
圖4.5(b) PLC控制主軸電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)變頻調(diào)速
表4-3 變頻器變速和正反轉(zhuǎn)控制參數(shù)設(shè)置表
參數(shù)號(hào)
設(shè)置值
說明
P0701
P0702
P0703
P1001
P1002
P1003
17
17
1
2
10
20
50
選擇固定頻率
選擇固定頻率
ON接通正轉(zhuǎn)，OFF停止
ON接通正轉(zhuǎn)，OFF停止
設(shè)置固定頻率1（Hz）
設(shè)置固定頻率2（Hz）
設(shè)置固定頻率3（Hz）
（3）進(jìn)給系統(tǒng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn) （只介紹電動(dòng)機(jī)M2）
電動(dòng)機(jī)的可逆運(yùn)行方向的切換是通過數(shù)控裝置輸出相應(yīng)信號(hào)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)的。
具體見下圖4.6
圖4.6(a) PLC控制縱向步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)
圖4.6(b) PLC控制縱向步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)
圖4.6(c) PLC控制縱向步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)
4.6 本章小結(jié)
本章論述了SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)，選擇了合適的變頻器，統(tǒng)計(jì)了所需的I/O點(diǎn)數(shù)，并據(jù)此設(shè)計(jì)了PLC I/O接線圖，給出了I/O分配表，寫出了PLC梯形圖。
5 進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)
本章概述：本章分別對(duì)兩個(gè)方向的進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果選出相應(yīng)的滾珠絲杠和步進(jìn)電機(jī)。
5.1 縱向（Z向）進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
5.1.1 縱車外圓切削力的計(jì)算
按原車床主電機(jī)的功率計(jì)算主切削力
式中 —— 主電機(jī)功率，5.5kw；
—— 切削功率，kw；
—— 主傳動(dòng)系統(tǒng)總功率，取0.7；
—— 進(jìn)給系統(tǒng)系數(shù)，取0.96；
—— 線切削速度，取100m/min=1.667m/s
由式（5.1）得
主切削力、進(jìn)給抗力和切深抗力的比值在很大范圍內(nèi)會(huì)根據(jù)切削條件的不同而變化。
由式（5.2）得
由式（5.3）得
5.