CA6140普通车床数控改造.docx
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CA6140普通车床数控改造
引言
当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状，在此基础上讨论了在我国加入WTO和对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性，并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。
马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。
制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。
当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。
此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。
总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。
1绪论
1.1问题提出
数控车床作为机电液气一体化的典型产品，是现代机械制造业中不可缺少的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。
企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展,就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣,制造周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。
购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,但是成本太高，很多工厂在短时间内都无法有那么多的资金，这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐；同时目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床，由于普通机床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。
而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径，不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量，提高生产效率的捷径，使企业提升竞争力，在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中，占有一席之地。
1.2国内外数控系统发展概况
机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床－数控机床的诞生和发展。
随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。
在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。
目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。
在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。
长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。
加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。
CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。
在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。
由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。
1.3数控技术发展趋势
（1）高速高精高效化
速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。
由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。
（2）柔性化
包含两方面：
数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。
（3）工艺复合性和多轴化
以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。
数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。
数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。
（4）实时智能化
早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。
而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。
科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。
在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：
自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。
例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。
2CA6140车床数控改造的总体方案
2.1总体方案
总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择
（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。
（2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。
（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。
在8位微机中，MCS—51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选MCS—51系列单片机扩展系统。
（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。
（5）设计自动回转刀架及其控制电路。
（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。
（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。
（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。
（9）原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本缩短改造周期。
（10）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。
2.2设计要求
将CA6140普通车床改造成数控车床。
要求该车床具有切削螺纹的功能，纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。
系统分辨率纵向：
0.01mm，横向：
0.005mm。
设计参数如下：
最大加工直径：
在床面上400mm
在床鞍上210mm
最大加工长度：
1000mm
快进速度
纵向2.4m/min
横行1.2m/min
最大切削进给速度
纵向0.5m/min
横行0.25m/min
代码制ISO
脉冲分配方式逐点比较法
输入方式增量值、绝对值通用
控制坐标数2
最小指令值
纵向0.01mm/pulse
横行0.005mm/pulse
刀具补偿量0~99.99mm
进给传动链间隙补偿量
纵向0.15mm
横行0.075mm
自动升降速性能有
2.3主传动系统和进给系统的改造
CA6140型普通车床的主传动系统和进给系统都由主轴电机控制，而改造后的车床则把主传动系统和进给系统的运动分离开。
分别由各自的步进电机来控制，但是为保证车床在车螺纹时主传动运动与进给运动之间的联系，所以在拆掉进给系统的同时，必须在主轴上安装一个脉冲发生器，来实现主轴传动和进给运动之间的联系。
同时，为了提高机床的精度和效率，用滚珠丝杠来代替原机床的光杠，并且采用单独的步进电机来控制。
这样不仅提高了机床的性能和精度，还提高了机床的使用性能。
1.机械部分的改造
首先拆去进给箱、溜板箱；还要对车床的床鞍进行部分的改造，拆去纵向小拖板、横向拖板，将丝杠换成滚珠丝杠，并且由一端驱动的步进电机来控制。
2.刀架的改造
CA6140普通车床的刀架不能满足数改后的车床的性能和精度的要求。
所以，必须要换成数控自动刀架。
2.4主轴脉冲发生器
为保持切削螺纹的功能，必须在主轴上安装脉冲发生器，采用脉冲发生器直接与主轴由无间隙传动联轴器连接，达到传动系统结构简化，传动链短，传动刚度提高。
主轴与脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：
每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及I/O接口送给数控装置（CNC），脉冲发生器及光栅编码器安装位置.
主轴脉冲发生器的结构及原理:
脉冲发生器的组成部分包括白炽灯、聚光镜、光栅盘、光阑板、光敏管及其光电整形放大电路组成。
光栅盘和光阑板都是玻璃材料制成，玻璃表面经过研磨抛光后用镀膜法镀上一层不透光的铬层，透光条及用照相腐蚀法制成。
在光栅盘上刻有明暗条纹，有单条和1024个条两组。
当平行光束经过光栅盘时，在光栅盘的另一面就产生明暗光带，这光带通过一个光阑狭缝，照在对应的光敏管上，从而产生光电脉冲信号，经斯密特电路整形后输出。
单条纹的一组产生同步脉冲，每转发一个脉冲；1024条纹的一组通过光栏上两个相位差
π/4间距的狭缝，产生两组每转1024个脉冲组相差为π/4的脉冲序列，供给微机处理，借以判断主轴正、反转，且可以从1024个脉冲中均匀地取出F个脉冲，作为中断信号控制插补速度，实现F进给控制的目的。
3普通车床电气控制的改造设计
3.1PLC程序的模块化设计
由于车床的操作过程复杂，机加工控制对象每一工作循环周期的控制关系比较复杂，因此，如果将各种控制程序“混合”在一起设计，则各程序间必然会相互“牵连”，从而使设计的难度成倍增大。
为此决定在PLC用户程序设计中，采用模块化设计思想，即对系统按照控制功能进行模块划分，将不同功能的程序放在不同的模块中设计，依次对各控制功能的模块设计梯形图。
这样，使得每一部分的程序都可以单独设计和修改，也就是说设计和修改某一部分程序时，不必担心会对另一部分程序造成影响。
程序结构清晰，便于调试，还可以根据需要灵活增加其他控制功能。
本次设计中，综合车床的特点，在开发该机床的PLC控制程序的过程中将PLC程序划分为7个模块，即公用程序模块、主轴模块、坐标轴控制模块、润滑控制模块、自动换刀模块、报警模块和冷却控制模块。
3.2输入输出分配
接下来就是编制I/O分配表。
I/O分配表是设计梯形图程序的基础资料之一，也是设计PLC控制系统时必须首先完成的工作，会给PLC系统软件设计和系统调试带来很多方便。
在编制I/O分配表时，同类型的输入点或输出点尽量集中在一起,连续分配。
本次程序开发所用I/O分配见表3-1所示
表3-1输入输出设备与PLC输入输出端子分配一览表
输入端输出端
输入设备输入端子号输出输出端子号
旋钮开关X0—X13循环启动Y0
循环启动按钮X14进给保持Y1
进给保持按钮X15单段Y2
单段按钮X16机床锁住Y3
机床锁住按钮X17快进Y4
主轴正转按钮X20主轴正转Y5
主轴反转按钮X21主轴反转Y6
主轴停按钮X22主轴停Y7
X向退按钮X23X向退Y10
X向进按钮X24X向进Y11
Z向退按钮X25Z向退Y12
Z向进按钮X26Z向进Y13
快进按钮X27NC报警Y14
急停按钮X30超程报警Y15
超程解除按钮X33X回参考点Y16
Z正向行程开关X34Z回参考点Y17
Z反向行程开关X35进行润滑Y20
X正向行程开关X36润滑故障报警Y21
X反向行程开关X37换刀完成Y22
冷却开按钮X40刀架正转Y23
冷却关按钮X41驱动指示Y24
润滑电机起动按钮X42冷却开Y25
润滑油路压力继电器X43X轴驱动使能Y26
1～4号刀到位X44—X47Z轴驱动使能Y27
换刀按钮X50
3.3梯形图程序设计
在本次程序开发过程中采用的是FXGP_WIN-C编程软件。
FXGP_WIN-C是在Windows操作系统下运行的FX系列PLC的专用编程软件，操作界面简单方便，在该软件中可通过梯形图、指令表及SFC符号来编写PLC程序。
创建的程序可在串行系统中与PLC进行通讯、文件传送、操作监控以及完成各种测试功能。
3.3.1梯形图总体框图
图3-2所示为该控制系统的PLC梯形图程序的总体结构，将程序分为公用程序、回原点程序、主轴控制程序、坐标轴控制程序、报警处理程序、定时润滑控制程序、冷却程序、自动换刀控制程序八个部分。
图3-2PLC程序总体结构
最大限度地满足被控对象的控制要求，是PLC应用程序设计的一大原则。
在构思出这个程序主体的框架后，接下来就是以它为主线，逐一编写各子程序。
3.3.2公用程序
公用程序如图3-3所示。
图3-3公用程序
3.3.3回原点程序
在正式进行数控加工之前，刀架应当先回零，回零之后刀架在机床坐标系中的位置就定下来了。
图3-4回原点控制梯形图
图3-4所示为刀架自动回原点的梯形图。
拨开回原点起动按钮X12，M14变为ON,刀架开始向X和Z两个方向退，退到X正向行程开关时X36为ON，刀架向Z方向退，到Z向限位处时，X34变为ON,Z方向也停止并将M14复位。
这时原点条件满足，M0为ON，在公用程序中，初始步M0被置位，为以后的工作做好了准备。
3.3.4主轴控制程序
数控机床主轴控制包括主轴正反转控制和主轴停转控制等。
图3-5主轴控制流程图
图3-6主轴控制梯形图
在梯形图中，主轴正、反转之间有逻辑互锁关系，以免控制功能切换时发生故障。
除此之外，必须采用PLC内部的时间继电器进行延时控制，否则会造成正、反转接触器同时接通而引起电源短路。
这是因为PLC执行程序的速度要比接触器动作速度快得多。
程序中用定时器T0和T1来完成5s的转换延时。
另外，还利用PLC内部的辅助继电器M03和M04作为正反转控制的辅助继电器。
3.3.5坐标轴控制程序
坐标轴控制设计的核心是围绕坐标轴驱动允许而展开的[10]。
它包括超程、驱动故障、坐标轴紧停、坐标轴正常停止等的控制。
一方面为PLC给出坐标轴可以运动的信号，另一方面又控制着电机运行。
对驱动器使能、监控硬限位和参考点碰块等的控制逻辑为：
限位开关超程
自保持
复位驱动故障驱动允许
超程驱动允许紧停轴停
图3-7坐标轴控制逻辑设计
图3-8坐标轴控制梯形图
图3-9一种可能的坐标轴运动流程图
3.3.6报警处理程序
在PLC控制系统发生事故、故障时都应发出报警信号,一般是声光报警信号。
此处用PLC基本逻辑指令实现报警功能,其梯形图如图3-10所示。
图3-10报警控制梯形图
当反向行程开关X35、X37被碰到时，继存器M13接通。
同时，特殊继存器M8013周期性的通断，与之相连的报警指示灯闪烁，当按下“超程解除”按钮X33，继存器M12接通，报警指示灯熄灭。
另外，当反向行程开关接通报警后，将会控制整个机床停止运动。
说明：
行程开关又称限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。
将行程开关安装在预先安排的位置，当运动部件上的挡块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。
3.3.7定时润滑控制程序
对于机床润滑系统的改造可加装润滑泵，通过设定润滑时间的方法进行，这样可降低手工润滑的劳动强度，提高设备可靠性。
正常情况下按规定的时间间隔周期性自动启动，每次按给定时间润滑。
润滑系统的控制过程如下：
在正常工作时，按下润滑电机起动按钮后，系统即开始进行润滑，运行10秒后停止，停止30分钟后重新开始进行润滑，如此循环往复下去。
同时，PLC还对润滑系统的状态进行监测。
PLC在润滑系统开始进行润滑后即通过润滑油路压力继电器检查润滑油路中润滑油的流动是否正常，若压力继电器一直闭合，说明油路有堵塞。
润滑的5秒定时时间到了之后，开始30分钟的间隔，此时如果油路中还有油，说明油路有泄露。
在这两种情况下，PLC都会报警，润滑就会停止。
定时润滑的控制流程如图3-11。
否
是
是
否
图3-11定时润滑控制流程图
使用FXGP_WIN-C软件编写的梯形图程序如图3-12。
图3-12润滑控制梯形图
3.3.8冷却程序
冷却是根据加工任务来选用的，通过操作面板上的冷却启动和停止按钮来进行控制。
在急停生效时，冷却输出禁止。
图3-13冷却控制梯形图
3.3.9自动换刀控制程序
数控机床要求能够准确、快速地换刀。
为提高换刀的效率和定位精度，满足在一次装夹下完成多工序加工的需要，采用电动刀架替换原有的手动刀架。
电动刀架可实现刀架的自动回转和自动换刀，因而可提高加工效率和刀具的重复定位精度。
此处选择结构简单、体积小、刚性好、价格便宜的四刀位电动刀架。
另外，采用电动刀架,也可使机械结构简单,省去大量液压管路。
选用自动转位电动刀架，刀架上同时安装四把不同的车刀，可在一个工序中依次用四把车刀自动完成几个表面的加工。
这对于加工形状复杂、加工表面较多、相对位置精度要求较高的零件是特别适宜的。
自动换刀的控制流程如图3-14。
是
否
是
否
图3-14自动换刀控制流程图
该控制的设计充分利用了PLC具有丰富的数据功能指令的优点，用数据指令来进行判断比较。
假设T0是实际刀号,T1为待换刀号。
数据寄存器D6存放实际刀号，D5存放待换刀号。
D7存放待换刀号与实际刀号的差值。
用比较指令CMP进行数据比较。
比较结果使M17，M18，M19中的一个接通。
当D5大于D6时，M17接通；D5等于D6时，M18接通；D5小于D6时，M19接通。
在程序中首先对D5和D6中存放的值进行比较，判断是否到位。
当D5＝D6时，表示刀号相符；当D5＞D6时，将D5－D6的值存放到D8中，当D5＜D6时，将D5－D6＋4的值存放到D8中。
D8中存放的是旋转刀位数，将它作为计数器的计数值，由计数器对转过的刀位进行计数，当计数值到，表示换刀结束。
图3-15自动换刀控制梯形图
3.3.10需要说明的问题
一般而言，PLC应用程序通常还应包括初始化程序，用来将计数器进行清零、对某些输出量置位或复位等，以防止系统发生误动作。
考虑到本控制系统中各模块之间差异较大，没有专门编制这一子程序，而是将这些内容穿插在相关的子程序中。
4普通车床的常见故障及维修方法
4.1．车削价工中的工件出现圆度误差：
1.主轴的轴承间隙过大，主轴旋转精度有径向跳动及轴向窜动，调整轴承间隙。
2.主轴承磨损，更换。
3.主轴承的外径或主轴箱体的轴孔呈椭圆形、或相互配合间隙过大，更换轴承外套或修正主轴箱轴孔。
4.卡盘后面的连接盘的内孔、螺纹配合松动，修配连接盘。
5.工件用两顶尖安装时，中心孔接触不良或后顶尖顶得不紧，使回转顶尖产生振动，工件在两顶尖间安装需松紧适当，发现回转顶尖产生扭动须及时修理或更换。
4.2车削时工件出现锥度：
1.用卡盘安装工件纵向进给车削时，产生锥度是由于主轴轴心线在水平面和垂直面上相对溜板移动导轨的平行度超差。
必须重新检查并调整主轴箱安装位置和刮研修正导轨。
2.车床床身导轨面严重磨损精度超差，即导轨平面内直线度超差，导轨在垂直面内的直线度超差，由于山形导轨和平导轨磨损量不等，使溜板移动时产生倾斜误差。
刮研导轨，可用导轨磨床磨削导轨，使其达到标准。
3.用一夹一顶或两顶尖安装工件时，由于后顶尖不在主轴的轴中心或前后顶尖不等高及前后偏移。
可调整尾座偏移量到标准。
4.主轴箱温升过高，导致车床主轴中心线升高及倾斜。
检查主轴箱箱内的热源，主要是主轴轴承问题，另外如润滑油质量等，应及时排除。
4.3、精车圆柱表面时出现波纹：
1.主轴的轴向游隙超差，可调整主轴后端的推力轴承的间隙。
2.主轴滚动轴承磨损或间隙过大，应调整或更换主轴的滚动轴承，加强润滑。
3.主轴的滚动轴承外环与主轴箱主轴孔的间隙过大，修复轴孔或更换轴承。
4.溜板的滑动表面之间间隙过大，调整床鞍、中滑板、小滑板的镶条和压板到合适的配合，使移动平稳、轻便。
5.进给箱、溜板箱、托架的三支承不同轴，转动时有卡阻现象，找正光杆丝杆与床身导轨的平行度，校正托架安装位置，调整进给箱、溜板箱、托架三支承的同轴度，使床鞍在移动时无卡阻现象。
4.4、精车端面工件时在直径上每隔一定距离重复出现波纹：
1.床鞍上导轨磨损，刮研配合导轨镶条至标准。
2.横向丝杆弯曲，校直丝杆。
3.中滑板的横向丝杆与螺母的间隙过大，中滑板下的横向丝杆与螺母由于磨损面间隙过大产生窜动，须予以调整。
4.5、车削螺纹时螺距不均匀及乱纹（小螺距螺纹）：
1.机床的丝杆磨损、弯曲，采用修正丝杆，配合螺母的方法来解决，并校正弯曲丝杆。
2.开合螺母磨损，因与丝杆不同轴而造成啮合不良，间隙过大，并因其燕尾导轨磨损面造成开合螺母闭合时不稳定，调节丝杆和开合螺母的间隙。
3.丝杆的轴向游隙（包括轴向窜动）过大，进行丝杆的轴向窜动测量并修复。
4.床鞍运动不稳定，如爬行、床
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