毕业设计CAK6150普通车床的数控化改造PLC系统的改造说明书Word文档格式.docx

1、为追求加工效率和加工质量方面的智能化；为提高驱动性能及使用连接方便等方面的智能化；简化编程、简化操作方面的智能化；还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面等，以及智能诊断、智能监控等方面的内容，方便系统的诊断及维修。柔性化、集成化 当今世界上的数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术

2、。2）个性化是市场适应性发展趋势 当今的市场，国际合作的格局逐渐形成，产品竞争日趋激烈，高效率、高精度加工手段的需求在不断升级，用户的个性化要求日趋强烈，专业化、专用化、高科技的机床越来越得到用户的青睐。3）开放性是体系结构的发展趋势 新一代数控系统的开发核心是开放性。开放性有软件平台和硬件平台的开放式系统，采用模块化，层次化的结构，并通过形式向外提供统一的应用程序接口。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究， 数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以

3、及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年的一个新的焦点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机。1.2数控改造的必要性1.2.1机床数控化改造的必要性1） 微观看改造的必要性微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。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。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动

4、量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管

5、多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。2）宏观看改造的必要性宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以

6、及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。1.2.2数控化改造的特点1）减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省60%80%的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床

7、尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节省投资50%左右。2）机械性能稳定可靠，结构受限所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。3）熟悉了解设备、便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培

8、训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。4）可充分利用现有的条件可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。5）可以采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改。1.2.3、数控系统的选择数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。1）、步进电机拖动的开环系统（满足大部分机床的改造需要，价格便宜。）该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制

9、指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。2）、异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统3）、交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如SIEMENS公司、FANUC公司；国内著名公司如仁和公司（经济实用型）和沈阳高档数控国家工程研究中心等。选择数控系统时主要是

10、根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。1.2.4数控改造中主要机械部件改装探讨一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。1）、滑动导轨副对数控车床来说，导轨除导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，并要有合理的导轨防护和润滑。2）、齿轮副一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱

11、中。为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。3）、滑动丝杠与滚珠丝杠丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。4）、安全防护高效必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在

12、纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。2 数控车床总体改造方案及机械部分设计2.1设计要求2.1.1 设计基本思路改造CAK6150车床的基本思路是把原来的机床进行大修，只保留机床的主轴 溜板 尾座等部件，其余的全部撤掉。带之以滚珠丝杠和步进电机，用单片机系统来驱动各轴的运动。经过严密的计算和论证，选择丝杠和驱动电机，根据使用要求，选择系统配置和设计控制电路。2.1.2总体方案设计保护机床和维修方便，PLC有显示和检测机床故障能力。一旦发生故障，维修人员就能机床故障显示号去确定故障类别，予以排除。但实际加工过程中，我们

13、发现PLC同时显示几个故障，它们是由某一个故障引起连锁故障，排初始引发故障，其它故障报警就消失了。从机床PLC显示所有报警故障中，维修人员并不知道哪个故障是初始引发故障，维修人员只能逐个故障去查，这就增加了维修难度，造成人力物力浪费。几个故障同时显示时，处理问题关键是解决初始故障，准确判断并检测到初始故障对机床维修工作是非常重要。我们设计了一种机床PLC初始故障诊断功能，PLC程序，准确判断出初始故障报警号。维修中，首先排除初始故障，其它引发故障自行消失，这样就极大方便了机床维修，提高了机床维修快速性和准确性。2.1.3初始故障诊断原理 我们设计PLC程序不单单是把各个故障都能检测和显示出来，

14、还能把最关键初始故障自动判断出来，PLC初始故障判断程序如附图所示。下面举例说明初始故障诊断原理。以3个故障为例，其中设置了3个故障检测位，分别为R500.0、R510.0、R520.0；3个初始故障检测位为R500.2、R510.2、R520.2；F149.1为系统复位信号。初始状态时，无报警出现，故障检测位都为“0”，初始故障检测位也都为“0”，复位信号F149.1为“0”。3个故障中首先发生第二个故障。程序扫描第一个周期内，其对应故障检测位R510.0变为“1”，R500.2、R520.2、F149.1初始值为“0”，初始故障检测位R510.2变为“1”，自锁保持为“1”，直到故障被排除

15、，系统复位信号发出后“1”状态才被解除。程序扫描第二个周期内，R510.2保持为“1”，实现了对R500.1、R520.1封锁，此时另外某一个故障检测位为“1”，能导致其初始故障检测位变为“1”。此PLC程序控制，就能从同时发生众多故障里准确判断出初始故障。应用实例 实例1我们维修北京机床研究所生产CAK6150数控机床时，遇到了多个故障同时发生问题，如换刀报警和液压报警同时出现。维修时，我们一般从故障根源查起，先检查液压控制部分，然后才能确认故障出换刀过程中。检查后我们才知道换刀动力由液压驱动来提供。PLC控制程序设计中，当遇到换刀故障时，为防止更大意外发生，报警同时也断开了液压控制，换刀故

16、障发生时出现了两个报警信息。为遵循原机床设计思路，而又能准确发出报警信息，我们给JCS018数控机床增加了对初始故障检查功能。前面程序分析，换刀和液压故障检测位分别为R500.0和R510.0，初始故障可从初始故障检测位R500.2和R510.2读出。当该机床再发生类似故障时，就能很快判断出初始故障。实例2我们维修一台钻铣加工中心时，也遇到类似现象。该机床配有一个刀具容量为40把刀刀库，可以自动完成多道工序钻铣操作。机床主轴电动机为三相异步电动机，主轴电动机一种转速，而主轴齿轮变速实现12级有级变速。自动执行某段程序时，程序中辅助功能既有换档功能S代码，又有找刀功能T代码，有一个代码指令没有执

17、行完，辅助功能完了信号则不能发出，即认为此段程序中辅助功能没有完成，不能继续执行下一个程序段。换档功能出现故障时，首先发出换档报警信号，辅助功能完了信号不能发出，超过一定时间后，又发出找刀报警信号，则会认为找刀动作也未完成。加上初始故障判断功能，就会使维修人员准确检查出故障原因，及时解决问题。2.2改造方案的确定改造的可行性分析通过以后，就可以针对CAK6150机床的现况确定改造方案，一般包括： 机械修理与电气改造相结合一般来说，需进行电气改造的机床，都需进行机械修理。要确定修理的要求、范围、内容；也要确定因电气改造而需进行机械结构改造的要求、内容；还要确定电气改造与机械修理、改造之间的交错时

18、间要求。机械性能的完好是电气改造成功的基础。 先易后难、先局部后全局确定改造步骤时，应把整个电气部分改造先分成若干个子系统进行，如数控系统、测量系统、主轴、进给系统、面板控制与强电部分等，待各系统基本成型后再互联完成全系统工作。这样可使改造工作减少遗漏和差错。在每个子系统工作中，应先做技术性较低的、工作量较大的工作，然后做技术性高的、要求精细的工作，使人的注意力能集中到关键地方。 根据使用条件选择系统针对某台或某几台机床，确定它的环境、温度、湿度、灰尘、电源、光线，甚至有否鼠害等外界使用条件，这对选择电气系统的防护性能、抗干扰性能、自冷却性能、空气过滤性能等可提供正确的依据，使改造后的电气系统

19、有了可靠的使用保证。当然，电气系统的选择必须考虑成熟产品，性能合理、实用，有备件及维修支持，功能满足当前和今后若干年内的发展要求等。 落实参与改造人员和责任改造是一个系统工程，人员配备十分重要。除了人员的素质条件外，根据项目的大小，合理地确定人数与分工是关键。人员太少不利于开展工作，人员太多也容易引起混乱。根据各个划分开的子系统，确定人员职责，有主有次，便于组织与协调。如果项目采用对外合作形式，更需在目标明确的前提下，界定分工，确定技术协调人。 改造范围与周期的确定有时数控机床电气系统改造，并不一定包含该机床全部电气系统，应根据科学的测定和分析决定其改造范围。停机改造的周期，根据各企业的实际情

20、况确定，考虑因素有生产紧张程度、人员技术水平、准备工作充分程度、新系统大小与复杂程度，甚至还包括天气情况等。切忌好大喜功，急于求成，匆忙上阵，但也要合理安排，防止拖拖拉拉。 改造的技术准备改造前的技术准备充分与否，很大程度上决定着改造能否取得成功。技术准备包括：a. 机械部分准备 为配合电气改造而需进行的机械大修改造的测量、计算、设计、绘图、零件制作等应先期完成。同时对停机后需拆、改、加工的部分等应事先规划完毕，提出明确要求，与整个改造工作衔接得当。b. 新系统电气资料消化 新系统有许多新功能、新要求、新技术，因此改造前应熟悉技术资料，包括系统原理说明、线路图、PLC梯形图及文本、安装调试说明

21、、使用手册、编程手册等。要有充裕的时间来对上述资料进行翻译（进口系统）、消化、整理、核对，做到思路清晰，层次分明。c. 新旧系统接口的转换设计 根据每台设备改造范围不同，需事先设计接口部分转换，若全部改造的，应设计机电转换接口、操作面板控制与配置、互联部分接点、参数测量点、维修位置等，要求操作与维修方便、合理，线路走向通顺、中小连接点少，强弱电干扰最小，备有适当裕量等。局部改造的，还需要考虑新旧系统的性能匹配、电压极性与大小变换、安装位置、数模转换等，必要时需自行制作转换接口。d. 操作、编程人员的技术培训 机床电气系统改造后，必然对操作、编程人员带来新的要求。因此提前对操作人员和编程人员进行

22、新系统知识培训十分重要，否则将影响改造后的机床迅速投入生产。培训内容一般应包括新的操作面板配置、功能、指示含义；新系统的功能范围、使用方法及与旧系统的差别；维护保养要求；编程标准与自动化编程等等。重点是弄懂、弄通操作说明书和编程说明书。e. 调试步骤与验收标准的确定 新的电气系统改造完以后，怎样进行调试以及确定合理的验收标准，也是技术准备工作的重要一环。调试工作涉及机械、液压、电气、控制、传感等，因此必须由项目负责人进行，其它人员配合。调试步骤可从简到繁，从小到大，从外到里进行，也可先局部后全局，先子系统后整系统进行。验收标准是对新系统的考核，制定时必须实事求是，过高或过低的标准都会对改造工作

23、产生负面影响。标准一旦确定下来，不能轻易修改，因为它牵涉到整个改造工作的各个环节。2.3改造的实施准备工作就绪后，即可进入改造的实施阶段。实施阶段内容按时间顺序分为：a. 原机床的全面保养 机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。其次，应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。这样既可对改造工作起指导参考作用，又可在改造结束时作对比分析用。b. 保留的电气部分最佳化调整 若对电气系统作局部改造，则应对保留电气部分进行保养和最佳化调整。如强电部分的零件更换，电机的保养，变压器的烘干绝缘，污染的清洁，通风冷却装置的清洗，伺服驱动装置

24、的最佳化调整，老化电线电缆的更新，连接件的紧固等等。只有对保留的电气部分做好过细的最佳化调整工作，才能保证改造后的机床有较低的故障率。c. 原系统拆除 原系统的拆除必须对照原图纸，仔细进行，及时在图纸上作出标记，防止遗漏或过拆（局部改造情况下）。在拆的过程中也会发现一些新系统设计中的欠缺之处，应及时补充与修正，拆下的系统及零件应分门别类，妥善保管，以备万一改造不成功或局部失败时恢复使用。还有一定使用价值的，可作其他机床备件用。切忌大手大脚，乱扔乱放。d. 合理安排新系统位置及布线 根据新系统设计图纸，合理进行新系统配置，包括箱体固定、面板安放、线路走向和固定、调整元器件位置、密封及必要装饰等。

25、连线工作必须分工明确，有人复查检验，以确保连线工艺规范、线径合适、正确无误、可靠美观。e. 调试 调试必须按事先确定的步骤和要求进行。调试人员应头脑冷静，随时记录，以便发现和解决问题。调试中首先试安全保护系统灵敏度，防止人身、设备事故发生。调试现场必须清理干净，无多余物品；各运动坐标拖板处于全行程中心位置；能空载试验的，先空载后加载；能模拟试验的，先模拟后实动；能手动的，先手动后自动。2.4验收及后期工作验收工作应聘请有关的人员共同参加，并按已制定的验收标准进行。改造的后期工作也很重要，它有利于项目技术水平的提高和使设备尽早投产。验收及后期工作包括：a. 机床机械性能验收 经过机械修理和改造以

26、及全面保养，机床的各项机械性能应达到要求，几何精度应在规定的范围内。b. 电气控制功能和控制精度验收 电气控制的各项功能必须达到动作正常，灵敏可靠。控制精度应用系统本身的功能（如步进尺寸等）与标准计量器具（如激光干涉仪、坐标测量仪等）对照检查，达到精度范围之内。同时还应与改造前机床的各项功能和精度作出对比，获得量化的指标差。c. 试件切削验收 可以参照国内外有关数控机床切削试件标准，在有资格的操作工、编程人员配合下进行试切削。试件切削可验收机床刚度、切削力、噪声、运动轨迹、关联动作等，一般不宜采用产品零件作试件使用。d. 图纸、资料验收机床改造完后，应及时将图纸 （包括原理图、配置图、接线图、

27、梯形图等资料）（包括各类说明书）、改造档案（包括改造前、后的各种记录）汇总、整理、移交入档。保持资料的完整、有效、连续，这对该设备的今后稳定运行是十分重要的。e. 总结、提高，每次改造结束后应及时总结，既有利于提高技术人员的业务水平，也有利于整个企业的技术进步。3车床的PLC数控系统控制原理设计3.1 车床的操作要求车床一般加工回转表面、螺纹等。 要求其动作一般是X、Z向快进、工进、快退。加工过程中能进行自动、手动、车外圆与车螺纹等转换；并且能进行单步操作。3.2 PLC数控系统需解决的问题图3.1 数控系统原理图1）如何产生驱动伺服机构的信号及X、Z向动作的协调；2）如何改变进给系统速度；3

28、）车螺纹如何实现内联系传动及螺纹导程的变化。将PLC及其控制模块和相应的执行元件组合，这些问题是可以解决的。3.3 数控系统的控制原理普通车床数控化改造工作就是将刀架、X、Z向进给改为数控控制。根据改造特点，伺服元件采用步进电机，实行开环控制系统就能满足要求。Z向脉冲当量取 0.01mm，X向脉冲当量取0.005mm。选用晶体管输出型的PLC。驱动步进电机脉冲信号由编程产生，通过程序产生不同频率脉冲实现变速。X、Z向动作可通过输入手动操作或程序自动控制。车螺纹的脉冲信号由主轴脉冲发生器产生，通过与门电路接入PLC输入端，经PLC程序变频得到所需导程的脉冲。刀架转位、车刀进、退可由手动或自动程序控制。图1为数控系统原理图。13 PLC输入、输出（I/O）点数确定所设计的车床操作为：起点总停、Z、X向快进、工进、快退；刀架正、反转；手动、自动、单步、车螺纹转换。因此，输入需14点。根据图1得输出需9点。I/O连接图如图2所示（以三菱F1S-30MT）为例。图3.2 I/O连接图3.4 总程序结构设计手动、自动、单步、车螺纹程序的选择采用跳转指令实现。图3是总程序结构框图。若合上X12（X13、X14、X15断开），其常闭断开，执行手动程序；若X12断开，X13全上，程序跳过手动程序，指针到P0处，执行自动程序。图3.3 总程序框图3.5手动程序梯形图设计手动