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編號
無錫太湖學院
畢業(yè)設計（論文）
相關資料
題目： CA6140機床數(shù)控化改造設計
信機 系 機械工程及自動化專業(yè)
學 號： 0923173
學生姓名： 杭曉梁
指導教師： 黃敏 （職稱：副教授 ）
2013年5月25日
目 錄
一、畢業(yè)設計（論文）開題報告
二、畢業(yè)設計（論文）外文資料翻譯及原文
三、學生“畢業(yè)論文（論文）計劃、進度、檢查及落實表”
四、實習鑒定表
無錫太湖學院
畢業(yè)設計（論文）
開題報告
題目： CA6140機床數(shù)控化改造設計
信機 系 機械工程及自動化 專業(yè)
學 號： 0923173
學生姓名： 杭曉梁
指導教師： 黃敏 （職稱：副教授 ）
2012年11月25日
課題來源
自擬題目
科學依據(jù)（包括課題的科學意義；國內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢；應用前景等）
（1）課題科學意義
在過去的幾十年，雖然金屬切削的基本原理變化不大，但隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，要求制造業(yè)向自動化和精密化方向發(fā)展，而刀具材料和電子技術的幾部，特別是微電子技術、電子計算機技術的進步，運用到控制系統(tǒng)中，技能幫助機床的自動化又能提高加工精度，這些都要求對舊機床進行改造。
通常完成數(shù)控化改造后的機床比傳統(tǒng)機床有很多的突出優(yōu)點。由于數(shù)控機床的計算機有很高的運算能力，可以準確的計算出每個坐標軸的運動量，加工出較復雜的曲面和曲線。而且計算機有很強的記憶和儲存能力，可以將輸入的程序記憶和儲存下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序就可以實現(xiàn)另一工件的加工，從而實現(xiàn)“柔性自動化”。改造后的機床不像新購買的機床不了解加工精度，而改造的機床可以精確的計算出加工能力。降低操作者接觸危險部位的可能性;操作系統(tǒng)和操作界面越來越符合人機工程學的要求，可有效減少操作者的失誤率，減少因失誤產(chǎn)生的事故。而且通常機床數(shù)控化改造與置辦新機床比較，特別是大型、特別機床特別顯著。通常大型機床改造，只需新機床置辦費用的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，我國是生產(chǎn)和使用機床最多國家之一,現(xiàn)有金屬切削機床400萬臺左右，但現(xiàn)有的機床大多數(shù)服役年限較長,設備陳舊落后,功能嚴重不足,運用不能滿足現(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。
從國外成熟經(jīng)驗來看，再制造是數(shù)控機床再次利用的最有效辦法。數(shù)控機床改造就是運用技術創(chuàng)新與技術改造相結合，改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)相結合，突出重點與全面提升相結合，并將促進安全生產(chǎn)作為技術改造的重點任務。1984年，我國開始生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)?？梢灶A料，今后機床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。
研究內(nèi)容
① 了解數(shù)控機床的工作原理，國內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀；
② 完成CA6140機床的主拖動系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)改造；并利用PLC完成控制系統(tǒng)設計；
③ 完成有關零部件的選型計算；PLC程序設計；
④ 熟練掌握有關計算機繪圖軟件，并提供電氣原理圖，接線圖等設計圖紙；
⑤ 完成設計說明書的撰寫，并翻譯外文資料1篇。
擬采取的研究方法、技術路線、實驗方案及可行性分析
對CA6140普通機床進行了解后，對主拖動系統(tǒng)進行改造，并利用PLC的相關知識進行對控制系統(tǒng)的設計。然后對關鍵的零部件進行選型計算，并用得出的結論進行選型。還要繪制電氣原理圖，接線圖，流程圖，梯形圖等。
研究計劃及預期成果
研究計劃：
2012年11月12日-2013年1月20日：按照任務書要求查閱論文相關參考資料，填
畢業(yè)設計開題報告書，學習并翻譯一篇與畢業(yè)
設計相關的英文材料。
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)設計開題報告。
2013年3月23日-2013年4月20日：完成CA6140機床的主拖動系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)改
造，并利用PLC完成控制系統(tǒng)設計，大致完成所
需圖紙。
2013年4月21日-2013年5月3日：完成有關零部件的選型計算；PLC程序設計，并
校驗圖紙。
2010年5月6日-2010年5月20日：畢業(yè)論文撰寫和修改工作。
預期成果：
達到預期的實驗結論：利用PLC完成控制系統(tǒng)設計，完成有關零部件的選型計算，完成論文撰寫。
特色或創(chuàng)新之處
① 對機床進行改造后能延長機床使用壽命，并且加強機床的功能和精度。
② 對機床進行數(shù)控化改造后能進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)控化改造的相關資料。
② 需要查閱課本和相關資料，熟悉PLC編程。
指導教師意見
指導教師簽名：
年 月 日
教研室（學科組、研究所）意見
教研室主任簽名：
年 月 日
系意見
主管領導簽名：
年 月 日
存檔編碼 無錫太湖學院 2013 屆畢業(yè)作業(yè)周次進度計劃 檢查落實表 系別 信機系 班級 機械94 學生姓名 杭曉梁 課題 設計 名稱 CA6140機床數(shù)控化改造設計 開始日期 2012年11月12日 周 次 起止日期 工作計劃 進度 每周主要完成內(nèi)容 存在問題 改進方法 指導教師意見并簽字 備 注 1 3 2012年11月12日 2012年12月2日 教師下達畢業(yè)設計任務 學生初步閱讀資料 完成畢業(yè)設計開題報告 按照任務書要求查閱論文相關參考資料 填寫畢業(yè)設計開題報告書 存在問題 對課題理解程度不夠 對其難點分析不夠 分析 能力欠缺 改進方法 在指導老師的幫助下 對課題有較深的了解 4 10 2012年12月3日 2013年1月20日 指導專業(yè)實訓 PLC控制綜合實訓 PLC編程實例設計 存在問題 PLC知識不夠 編程困難 缺少經(jīng)驗 改進方法 參看電氣控制與PLC應用教科書 并上網(wǎng)了解 PLC設計的詳細過程 11 122013年1月21日 3月1日 指導畢業(yè)實習 相關機械制造廠實習 了解本專業(yè)的實踐知識 存在問題 沒有實習實訓的經(jīng)驗 無法將課本知融會貫通 改進方法 認真參與工作 虛心求教 13 2013年3月4日 3月8日 查閱參考資料 查閱與設計有關的參考資料不少于10篇 其中外文不少于5篇 存在問題 查閱資料相關度小 無法滿足要求 改進方法 利用空余時間 去圖書館查找相關資料 在網(wǎng)上 查找相關文獻 14 2013年3月11日 3月15日 翻譯外文資料 翻譯自動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 改進方法 借助一些翻譯軟件 專業(yè)字典幫助翻譯提高翻譯 準確性性 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 查閱相關資料 根據(jù)實際選擇 存在問題 缺乏設計經(jīng)驗 邏輯順序不合理 改進方法 重新確立合理的總體方案 16 2013年3月25日 3月29日 對原機床進行分析 根據(jù)總體方案 先對主軸進行改造 了解主軸需要完成的動作 根據(jù)這些動作完成主軸電路的設計 變頻器的選型 存在問題 沒有接觸過變頻器 對變頻器的功能和如何用變 頻器控制主軸的知識存在誤解 改進方法 認真查閱各方面資料 對變頻調(diào)速多做了解 17 2013年4月1日 4月5日 對進給系統(tǒng)主電路進行設計 分析原來機床進給系統(tǒng)如何運動 再根據(jù) 改造后進給系統(tǒng)所要完成的動作做出改造 設計 存在問題 一開始只考慮到了一個方向進給系統(tǒng)的設計 考 慮不全面 改進方法 參考資料 從兩個方向?qū)M給系統(tǒng)主電路進行設 計 18 2013年4月8日 4月12日 對進給系統(tǒng)控制電路進行設計 參照教科書 對如何控制主電路完成動作進行設計控制電路 存在問題 沒有考慮到限位開關的接入 改進方法 重新考慮限位開關的接入方法 并修改控制電路 圖 周 次 起止日期 工作計劃 進度 每周主要完成內(nèi)容 存在問題 改進方法 指導教師意見并簽字 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 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 對梯形圖了解不夠 編程存在錯誤 改進方法 老師輔導 上網(wǎng)查找相關資料 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 對變頻器控制的編程存在誤解改進方法 老師輔導 參看變頻器說明書 21 2013年4月29日 5月3日 對進給系統(tǒng)的所需要的滾珠絲杠和步進電機做出選型和校核 通過相關計算 選擇合適的電動機和滾珠絲杠 存在問題 對電動機和滾珠絲杠具體型號了解不夠 改進方法 網(wǎng)上查找相關廠家的產(chǎn)品手冊 22 2013年5月6日 5月10日 設計說明書 論文 摘要和小結編寫 完成設計說明書 論文 摘要和小結 存在問題 說明書的格式不規(guī)范 摘要不合理要求等 改進方法 根據(jù)畢業(yè)設計的規(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 修改設計說明書 論文 格式上交資料 準備答辯 修改設計說明書開題報告格式 存在問題 附錄格式不規(guī)范 摘要英文不合理要求等 改進方法 根據(jù)畢業(yè)設計的規(guī)范要求更改 說明 1 工作計劃 進度 指導教師意見并簽字 由指導教師填寫 每周主要完成內(nèi)容 存在問題 改進方法 由學生填寫 2 本表由各系妥善歸檔 保存?zhèn)洳?
編號
無錫太湖學院
畢業(yè)設計（論文）
題目： CA6140機床數(shù)控化改造設計
信機 系 機械工程及自動化 專業(yè)
學 號： 0923173
學生姓名： 杭曉梁
指導教師： 黃敏 （職稱：副教授 ）
2013年5月25日
III
無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文）
誠 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） CA6140數(shù)控化改造設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。
班 級： 機械94
學 號： 0923173
作者姓名：
2013 年 5 月 25 日
無錫太湖學院
信 機 系 機械工程及自動化 專業(yè)
畢 業(yè) 設 計論 文 任 務 書
一、題目及專題：
1、題目 CA6140機床數(shù)控化改造設計
2、專題
二、課題來源及選題依據(jù)
在我國目前擁有大量超期服役和技術陳舊的機床急待更新的情況下，由于數(shù)控機床的加工能力和資金受限，對機床進行數(shù)控化改造是一條節(jié)約資金、快速上馬的有效途徑。
機床完成數(shù)控化改造后，可大幅進步機床的加工功率和自動化、智能化程度。下降了操作者觸摸風險部位的可能性;操作系統(tǒng)和操作界面越來越契合人機工程學的需求，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、本設計（論文或其他）應達到的要求：
① 了解數(shù)控機床的工作原理，國內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀；
② 完成CA6140機床的主拖動系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)改造；并利用PLC完成控制系統(tǒng)設計；
③ 完成有關零部件的選型計算；PLC程序設計；
④ 熟練掌握有關計算機繪圖軟件，并提供電氣原理圖，接線圖等設計圖紙；
⑤ 完成設計說明書的撰寫，并翻譯外文資料1篇。
四、接受任務學生：
機械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、設計（論文）指導（或顧問）：
指導教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學科組組長研究所所長〕 簽名
系主任 簽名
2012年11月12日
摘 要
在機電液氣一體化設備中，數(shù)控機床是一種經(jīng)典的設備。在機械制造中，生產(chǎn)零件結構復雜、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)控機床都能得到很好的解決，并且數(shù)控機床還具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量，生產(chǎn)效率水平高的優(yōu)點。
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)控機床具有高成本的缺點，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)換代舊設備的進度。所以對于普通或者舊機床的數(shù)控化改造，是一條降低成本，但同時又能增加產(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)競爭力，在我國制造業(yè)飛速發(fā)展的道路上，數(shù)控化改造是一個重要方面。
第一章 闡述了課題的研究內(nèi)容和意義以及數(shù)控化改造的研究現(xiàn)狀，國內(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，PLC設計；
第四章 主要對機床電氣部分進行了改造，設計了機床的主電路和控制電路
第五章 對機床機械部分進行了改造，對滾珠絲杠和步進電機進行了設計以及選型。
關鍵詞：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 本課題的研究內(nèi)容和意義 1
1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 1
1.2.1國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展概況 1
1.2.2國內(nèi)外數(shù)控機床改造概況 2
1.3 本章小結 4
2 CA6140普通車床數(shù)控改造總體方案的設計 5
2.1 設計任務 5
2.2 原機床簡介 5
2.2.1 原機床功能 5
2.2.2 原機床傳動系統(tǒng) 5
2.2.3 原機床電氣控制 5
2.3 總體改造方案 7
2.3.1 實現(xiàn)主軸變頻調(diào)速 7
2.3.2 進給系統(tǒng)的改造 7
2.3.3 數(shù)控系統(tǒng)選擇 7
2.4 本章小結 7
3 數(shù)控車床電氣控制設計 8
3.1 CA6140車床電氣控制 8
3.1.1 CA6140車床運動形式 8
3.1.2 電力拖動特點和控制電路 8
3.2 數(shù)控化改造的電氣控制設計 8
3.2.1 數(shù)控車床主電路設計 8
3.2.2 數(shù)控車床控制電路設計 10
3.3 本章小結 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）點的統(tǒng)計 13
4.4 主拖動系統(tǒng)變頻調(diào)速改造 15
4.4.1 CA6140車床主拖動系統(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 22
5 進給系統(tǒng)的改造設計 23
5.1 縱向（Z向）進給系統(tǒng)的設計與計算 23
5.1.1 縱車外圓切削力的計算 23
5.1.2 縱向（Z向）滾珠絲杠的計算和選型 23
5.1.3 縱向（Z向）步進電機的計算和選型 25
5.2 橫向（X向）進給系統(tǒng)的設計與計算 26
5.2.1 橫切端面切削力的計算 26
5.2.2 橫向（X向）滾珠絲杠的計算和選型 26
5.2.3 橫向（X向）步進電機的計算和選型 28
5.3 本章小結 29
6 總結與展望 30
6.1 論文總結 30
6.2 展望 30
致謝 31
參考文獻 32
31
CA6140機床數(shù)控化改造設計
1緒論
1.1 本課題的研究內(nèi)容和意義
本課題研究的內(nèi)容是：了解數(shù)控機床的工作原理，完成CA6140機床的主拖動系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)改造；并利用PLC完成控制系統(tǒng)設計，完成有關零部件的選型計算；PLC程序設計，并提供電氣原理圖，接線圖等設計圖紙。
本課題研究的意義是：伴隨著科學技術的提升，普通機床的生產(chǎn)力越來越不能滿足市場的需求，而且普通機床需要高強度的勞動力，還伴隨著高危險性，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”，他們所使用的機床大多還是陳舊的普通機床，如果大批量引進全新的數(shù)控化機床必將“傷筋動骨”。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)濟成本的捷徑。本文以CA6140普通車床為例，預計數(shù)控化改造后能具備的優(yōu)點：
（1）改造后的機床延長了服役時間，提高了精度，提升了自動化能力，具有較強的針對性，能滿足生產(chǎn)的需求。在改造前，根據(jù)原老舊機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)都可以做出預估，最終能將科學技術轉化為有效生產(chǎn)力。
（2）原機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。因為改造后的機床上大部分零件，組件，甚至有些傳動部分都不需要更換，縮短了工期，節(jié)約了成本。
（3）改造后的機床具有穩(wěn)定的性能，能適應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床上的大型結構件，而機床上的大型結構件一般都是鑄鐵制成，隨著時間的積累，其精度比新鑄件更加穩(wěn)定。完成改造的機床不僅能保留原有功能，而且能擴展出新的功能，能加工各類復雜型面類的零件。
（4）根據(jù)生產(chǎn)的需求，改造可以預先定義改造后機床的精度和效率。改造后的機床跟全新數(shù)控化機床相比，更貼近企業(yè)對生產(chǎn)發(fā)展的需求；跟普通機床相比，其具有較高的自動化水平和效率，而且能較好地保證操作人員的安全。總之，對機床進行數(shù)控化改造具有較高的性價比。
（5）在數(shù)控化改造期間，企業(yè)中的技術人員能清楚地了解原機床的結構與性能；各工科院校的學生在改造中也能提升自己的技術能力，更好地掌握科學技術。如若是相關學員，通過對機床的改造能縮短培訓周期，更快得投入生產(chǎn)工作[1]。
1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況
1.2.1國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展概況
20世紀中期，有史以來第一臺“電腦”在美國發(fā)明，沒過多少時間，又是在美國，誕生了世界第一臺數(shù)控機床——數(shù)控三軸鏜銑床，自此，跟隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展潮流，數(shù)控機床技術得到了長足發(fā)展，在近半個世紀以來，數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷過了兩個階段，六個時代的發(fā)展。邏輯數(shù)字控制(NC)是數(shù)控機床經(jīng)歷的第一個階段，第一階段分為三個時期；電子管、晶體管和小規(guī)模集成電路；計算機數(shù)字邏輯控制(CNC)是數(shù)控機床的第二段歷程，從小型計算機發(fā)展到微處理器，最后到PC機。如今，世界上數(shù)控機床的更新周期是2-3年，處于數(shù)控機床研發(fā)技術第一梯隊的是日本、美國、德國、西班牙等國家，在業(yè)界得到普遍認可的品牌有德國西門子、日本發(fā)那科、西班牙發(fā)格、法國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。自從1980年之后，激烈的市場競爭導致了產(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)品需求趨向復雜化，高精度化，一切的發(fā)展推進著普通機床向高性能數(shù)控機床發(fā)展以適應各種零件的批量生產(chǎn)，在生產(chǎn)中數(shù)控機床的地位愈發(fā)重要，甚至能用數(shù)控機床的占有量來權衡一個國家的工業(yè)水平。因此，各個國家都在支持自動化機械制造技術的研發(fā)。相關數(shù)據(jù)表明，美國通用公司的數(shù)控機床占有了七成的市場。另據(jù)不完全統(tǒng)計，自20世紀80年代以后，日本數(shù)控機床的生產(chǎn)量占所有機床生產(chǎn)量的八成，而且數(shù)控機床普遍都是高檔機床[2]。
我國在近20世紀60年代起研發(fā)數(shù)控機床技術，研發(fā)的主要任務是對國外先進數(shù)控機床的拆解，研究，最終仿制。1975年左右，國內(nèi)的零件制造水平低，電子元件質(zhì)量不過關，導致不穩(wěn)定，不可靠的國產(chǎn)數(shù)控機床始終得不到技術的突破。而且，價格也超出了一般企業(yè)的承受范圍，沒能普及開來。進入1980年以后，我國重新拾起數(shù)控機床技術的研發(fā)。到20世紀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)控機床上的生產(chǎn)已經(jīng)形成一定規(guī)模，北京機床研究所作為領頭羊，陸續(xù)涌現(xiàn)出一些數(shù)控機床研發(fā)的機床廠。其主要數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品型號有BF7、BF3、MTC—l等。隨后許多機床廠家又研發(fā)出經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，如：武漢華中數(shù)控有限公司、沈陽第一機床廠、西安微電子研究所等。數(shù)控機床正逐漸發(fā)展為兩個分支：一個向大型、高性能發(fā)展，一個向經(jīng)濟型數(shù)控機床發(fā)展。經(jīng)濟型數(shù)控機床就是指用戶能快速了解其操作流程，而且售價上低于同類產(chǎn)品，對于我國來說，符合生產(chǎn)需求，具有較高性價比的自動化機床。
由上文可知，我國的數(shù)控機床發(fā)展在各方面都遠落后于世界一流數(shù)控機床制造水平，而也我國工業(yè)水平發(fā)展落后也有很大一部分原因是數(shù)控機床制造技術的落后。
1.2.2國內(nèi)外數(shù)控機床改造概況
隨著數(shù)控機床占領市場，數(shù)控系統(tǒng)的價格日漸便宜，這無疑增加了普通機床數(shù)控化改造的優(yōu)勢，許多機械加工廠也確實逐漸把數(shù)控化改造當成一個新的擴展經(jīng)營項目。各種品牌的機床翻新改造公司像雨后春筍般在包括很多工業(yè)發(fā)達國家在內(nèi)的各個國家成立，接受普通或者舊機床的改造業(yè)務，甚至一些大型和重型機床也不在話下。
在20世紀80年代初的德國希斯公司成功把一臺曾是世界上最大的機床，超重型立式車床改裝成數(shù)控機床。改裝列表有，工作臺導軌，主傳動系統(tǒng)，刀架導軌，重量感應器以及數(shù)控裝置等。而成功改造后的機床總花費僅相當于重新購買一臺新機床價格的三成，而且其中機床維修費外加一個新的數(shù)控裝置費用就占了總費用的近30%。這家公司還有另外的光榮事跡——改造了一臺稍小的超重型車床，而這次的總花費才相當于購買一臺同規(guī)格新機床價格的兩成不到[3]。
放眼我國，作為各國公認的培訓機床制造業(yè)技術人員的模范，香港理工大學的工業(yè)中心擁有的數(shù)控機床占其所有機床總量的七成以上，而這些數(shù)控機床中大概有一成是從舊的普通機床經(jīng)過數(shù)控化改造改造成的。而從這些設備的改造費用和改造后的成果來看，結果是叫人滿意的。
我國浙江捷運柴油機股份公司改造過一臺銑床，比新買一臺機床節(jié)約了近300萬的成本費用。改造完成后，這臺機床用來加工鑄模，在短短的兩個多月里面，完成的工作量是以前五個月都不一定能完成的量。后來這家公司又陸續(xù)改造了十多臺加工中心，這些數(shù)控化改造的機床投入生產(chǎn)后的產(chǎn)值已超過了千萬元。經(jīng)濟收益可見一斑[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1983年一家國營企業(yè)曾對一臺七十年代的C620-1型舊機床進行數(shù)控化改造。最終因為當時的數(shù)控化改造技術以及制造工藝不成熟，選用的數(shù)控系統(tǒng)沒有達到預期效果等等意外因素，改造沒有成功。
自1980年以后我國致力于研究和普及機床數(shù)控化改造技術，已經(jīng)積累了三十年的經(jīng)驗。雖然有過失敗的慘痛經(jīng)歷，但是在遠的將來，這項技術一定會被國人所熟練掌握。而目前來說，數(shù)控化改造技術以及制造工藝依然是豎立在眼前的一堵墻，阻礙了我國數(shù)控化改造技術在大型，超重型機床上的應用。
這幾年來，機床行業(yè)在我國飛速發(fā)展，而我國的數(shù)控機床產(chǎn)量也正穩(wěn)步提升。但是我國各類普通機床的基數(shù)仍然龐大，其中有近三成是已經(jīng)使用了近四十年，這些機床都已過于陳舊，不適宜數(shù)控化改造這些機床，要更新?lián)Q代。但余下70%的機床還是具有數(shù)控化改造的價值。而這些普通舊機床的維修與數(shù)控化改造有巨大的潛在市場需求，對經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展有很大的幫助。
現(xiàn)階段，普通機床還是占有我國機床市場的大流。而對于基礎龐大的普通機場，其中存在的安全隱患是不可忽視的。所以，我國機床市場擴大規(guī)模的一個重要制約因素就是安全隱患。我們要著力于機床安全性的提升，著力于最本質(zhì)的機床安全水平的提升，著力于提升機床的數(shù)控化水平、著力于減少機床的事故發(fā)生率、提高安全水準、提升生產(chǎn)效率的問題。
我們發(fā)現(xiàn)，普通的機床在接受了一系列的數(shù)控化改造之后，機床的智能化，生產(chǎn)效率，安全程度都會得到不同的提升。這樣就降低了機床作業(yè)者的危險系數(shù)；機床的人機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)者的操作錯誤率，大大的降低因為操作問題引發(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床，它的安全系數(shù)得到了非常明顯的提升，而且機床的事故發(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床，相對于直接購買的數(shù)控機床，尤其是相對于一些特殊的、大型機床來說，改變是顯而易見的。我們數(shù)控化改造普通機床，相對于直接購買數(shù)控機床，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)控機床所帶來的污染和浪費，實在是事半功倍。
按照我們以往的數(shù)控化改造經(jīng)驗，經(jīng)過數(shù)控化改造后的一般機床，它的生產(chǎn)效率得到了顯著地提升。本來一個操作工只能控制一臺普通機床的，現(xiàn)在可以同時控制兩臺經(jīng)過了數(shù)控化改造后的機床。而且，數(shù)控化改造也大大的提升了機床的生產(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臺階。
按照外國的先進技術，數(shù)控化改造是一種非常值得推廣的技術。機床的數(shù)控化改造實際就是新技術與新思想的碰撞結果，糅合了古典工業(yè)與新型工業(yè)，強調(diào)了性價比這一重點，并且十分輕松地就提升了安全生產(chǎn)效率。進入新世紀，數(shù)控化機床改造技術的市場在中國可謂是無比巨大，我們非常看好這一技術。
歸根究底，從普通機床反面來說，我國的機床技術和世界先進技術相比仍然有著非常巨大的差距：不但高檔的國產(chǎn)數(shù)控機床在質(zhì)量數(shù)量上都不能達到國內(nèi)市場的需求，其中加工中心高端車床基本上全部從國外引進；而且機床的數(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的數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的自主發(fā)展；更為關鍵的是我國機床制造廠技術水平不高，生產(chǎn)反面和管理方面還有售后服務方面都不能和國外同日而語；另外老舊的設備在我國的企業(yè)設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
本章介紹了通過改造后，機床能達到的預期效果，闡述了數(shù)控機床，數(shù)控化改造的國內(nèi)外發(fā)展歷史。根據(jù)本章中介紹的改造后的預期效果，下文將具體做出改造設計方案。
2 CA6140普通車床數(shù)控改造總體方案的設計
本章概述：本章主要對原機床的功能，傳動系統(tǒng)，電氣控制方面進行了簡介，并根據(jù)課題需求做出了總體改造方案。
2.1 設計任務
對CA6140普通車床進行數(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的水平。
2.2 原機床簡介
2.2.1 原機床功能
CA6140 ——C代表車床，A可理解為這種型號車床在結構上區(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車床具有全面的實用性，可以對各種軸類、套筒類零件進行加工，甚至盤類零件上的回轉表面也能適用，對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行鉆孔、擴孔、鉸孔、滾花等加工。
2.2.2 原機床傳動系統(tǒng)
原CA6140機床的傳動系統(tǒng)有兩大部分構成。（1）主運動傳動鏈。主運動傳動鏈的作用是將能量源(電動機)的動力傳遞給主軸，讓工件跟主軸一起做旋轉運動，從而實現(xiàn)機床的主運動。（2）進給運動傳動鏈，進給運動傳動鏈的作用是帶動刀架的縱向和橫向移動及車螺紋運動。動力是從電動機傳遞給進給運動傳動鏈、溜板傳再傳至刀架，實現(xiàn)刀架運動。
2.2.3 原機床電氣控制
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分別控制主軸電動機M1的正轉和反轉，熱繼電器FR1為主軸電動機M1提供過載保護。
接觸器KM3控制冷卻泵電機M2的啟動，F(xiàn)R2是為冷卻泵電機M2提供過載保護的熱繼電器。
接觸器KM4控制刀架快速移動，因為快速移動電機M3是短期工作，所以可以不加過載保護。
（2） 控制電路分析
如圖2.1(b)所示：
主軸電動機M1的控制。按下起動按鈕開關SB2，線圈KM1通電，接觸器KM1閉合，控制主軸電動機M1正轉，按下起動按鈕開關SB3，線圈KM2通電，接觸器KM2閉合，控制主軸電動機M1反轉。按下停止按鈕開關SB1，電動機停轉。
冷卻泵電動機M2的控制。只有當線圈KM1或者KM2獲電，然后觸點KM1或者KM2閉合，主軸電動機M1啟動后，再合上開關SA，使線圈KM3獲電，然后觸點KM3閉合，冷卻泵電動機M2才能起動。
刀架快速移動電動機的控制。刀架快速移動電動機M3的啟動，是由安裝在進給操縱手柄頂端的按鈕開關SB4來控制，它與交流接觸器KM4組成電動控制環(huán)節(jié)。將操縱手柄扳到所需的方向，壓下按鈕開關SB4，接觸器KM4獲電吸合，電動機M3獲電起動，刀架就向指定方向快速移動。
圖中EL為機床的低照明燈，由開關QS控制，HL為電源信號燈。
2.3 總體改造方案
數(shù)控化改造設計時，根據(jù)改造的經(jīng)濟性和簡易性的原則，可以盡量利用原來車床上的零部件，來減少不必要的改動量。特別是車床上相對大點的部件，比如床身、工作臺等，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)控化改造后應實現(xiàn)的功能主要有[5]：控制主軸正反轉和實現(xiàn)主軸的變速以提供不同的切削速度；刀架能實現(xiàn)縱向和橫向的進給運動；主軸運動的同時，冷卻泵電機也能啟動，噴出冷卻液。對于以上功能的實現(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，原裝的普通滑動絲杠改換為滾珠絲杠，在原安裝滑動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現(xiàn)正反轉；(3)刀架由兩臺步進電機帶動，在床鞍的偏后位置安裝橫向步進電動機，在離尾座較近的位置，機床的右部安裝縱向步進電動機。
2.3.1 實現(xiàn)主軸變頻調(diào)速
CA6140車床的主軸變速是手動變速。本課題中改造后的車床決定采用變頻器驅(qū)動電機，通過數(shù)控系統(tǒng)控制變頻器，變頻器驅(qū)動三相異步電動機實現(xiàn)主軸變速，因為這樣可以使用原車床的電動機，而不用對主軸電動機重新選型。電源頻率f，電動機磁極對數(shù)P以及轉差率S與交流異步電動機的轉速之間存在一定關系式，有公式可證：。原電機的磁極對數(shù)，轉差率，所以電動機轉速n與頻率f之間的關系為：。因此，改變電源的頻率即可改變電動機的轉速。變頻器能通過與數(shù)控系統(tǒng)連接，控制電動機的正轉，反轉，停止和變速。
2.3.2 進給系統(tǒng)的改造
CA6140車床只有一個快速移動電機控制刀架運動，改造后的車床用兩個步進電機控制刀架兩個方向的運動。另外，原來車床采用的滑動絲杠，與滾珠絲杠相比摩擦阻力大。傳動效率低，不能適應高速運轉。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，精度保持性好。所以需要將原來的滑動絲杠改為滾珠絲杠。
2.3.3 數(shù)控系統(tǒng)選擇
由于本次改造基于經(jīng)濟，簡易改造的原則，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，但是因為開環(huán)系統(tǒng)的結構易懂，成本不高，方便改裝，所以在簡易數(shù)控系統(tǒng)中可以使用。
2.4 本章小結
本章分析了數(shù)控化改造后的車床所需要實現(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)濟性，簡易性方面出發(fā)，主軸通過變頻器驅(qū)動電動機的方式來調(diào)速，車床上原裝的主軸電動機能繼續(xù)使用。
3 數(shù)控車床電氣控制設計
本章概述：本章介紹了原CA6140車床的電氣控制，設計并說明了數(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車床運動形式
主軸與工件的旋轉運動稱為車床的主運動，主軸電動機通過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動稱為車床的進給運動。車床的切削運動包括車床的主運動和進給運動。車床的輔助運動是車床上除切削運動以外的其它一切必需的運動。如尾架的縱向移動，工件的夾緊與放松等。
3.1.2 電力拖動特點和控制電路
很多時候都選三相籠型異步電動機做車床的主拖動電動機，不用電氣調(diào)速。采用齒輪箱進行機械有級調(diào)速。主軸正反轉由控制主拖動電動機調(diào)換相序?qū)崿F(xiàn)。設有啟動與停止按鈕控制主拖動電動機的起動與停止。在進行車削加工時，刀具及工件溫度將過高，應配有冷卻泵電動機噴出切削液進行冷卻，并且要求在主拖動電動機起動后，方可決定冷卻泵啟不啟動，而當主拖動電動機停止時，冷卻泵電動機應立即停止。必須有過載、短路、欠壓、失壓保護，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計
根據(jù)CA6140車床數(shù)控化改造方案，去掉現(xiàn)有車床進給箱、溜板箱、刀架等，只保留主軸箱、床身導軌、溜板、尾座等。進給運動變?yōu)榭v向、橫向兩臺步進電機驅(qū)動。因此需重新設計它的電氣控制電路。
3.2.1 數(shù)控車床主電路設計
由圖1-1可知，CA6140車床的主電路共有三臺電動機：M1是主軸電動機，帶動主軸旋轉；M2是冷卻泵電動機，用來輸送切削液；M3是刀架快速移動電動機。CA6140 主軸的正反轉是由主控觸點KM1和KM2的閉合與斷開實現(xiàn)的，而改造后的數(shù)控機床是則由數(shù)控系統(tǒng)控制變頻器，由變頻器控制主軸電動機M1實現(xiàn)正反轉。去掉原電動機M3，刀架的移動由步進電機M2，M3控制；冷卻泵電動機M4由線圈KM5控制觸點KM5控制電機的啟動和停止[6]。
改造后主電路的工作原理是扳動斷路器QF以及空氣開關，將三相電源引入。變頻器控制主軸電動機M1，變頻器相應的端口接收到由數(shù)控裝置發(fā)出的指令，然后變頻器驅(qū)動主軸電動機M1正轉或者反轉；M2，M3這兩臺電動機的正反轉是由各自的步進電機驅(qū)動器實現(xiàn)的，當M2或者M3要正轉時，數(shù)控裝置發(fā)出指令，驅(qū)動器控制電動機正轉；當M2或者M3要反轉時，數(shù)控裝置發(fā)出指令，驅(qū)動器控制電動機反轉。熱繼電器FR1～FR4作過載保護，熔斷器FU作短路保護。冷卻泵電動機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（進給系統(tǒng)）
3.2.2 數(shù)控車床控制電路設計
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，斷路器QF合閘。刀架控制由數(shù)控裝置系統(tǒng)和電機組成?？刂谱儔浩鱐C2作為電源，輸出220V供數(shù)控裝置、步進電機驅(qū)動器使用。
以下是改造后的控制電路的具體分析：
（1）主軸電動機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機的正反轉以及變頻調(diào)速。
（2） 進給系統(tǒng)電動機M2和M3的控制
進給運動是由兩個步進電動機控制刀架兩個方向上的運動實現(xiàn)的。由數(shù)控裝置發(fā)指令給步進電機驅(qū)動器，由步進電機驅(qū)動器控制兩臺步進電動機的正反轉。
（3）冷卻泵電動機M4的控制
當主軸電機M1啟動后，數(shù)控裝置系統(tǒng)發(fā)出指令，冷卻泵電動機才能起動。當M1停止運行時，電動機M4自動停止。
（4） 報警燈和警鈴的控制
當M1，M2，M3，M4電動機電路中相應熱繼電器斷開時，數(shù)控裝置輸出信號控制相應的報警燈亮，警鈴響起。直到熱繼電器復位，報警燈熄滅，警鈴不響[7][8]。
3.3 本章小結
本章設計了改造后機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，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讀入載體的數(shù)字值，從而控制機床的動作，進行對零件的加工。圖4.1是數(shù)控機床的主要結構圖，由機床主機、驅(qū)動裝置、輔助裝置、CNC裝置和編程裝置等組成。
圖4.1 數(shù)控機床的主要結構
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）步進電機驅(qū)動的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)：開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的主要伺服驅(qū)動裝置是步進電機、功率步進電機等。從數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進給指令，通過控制電路后，步進電機開始轉動，執(zhí)行部件由滾珠絲杠驅(qū)動。只要控制指令，執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向就可以得到控制。因為該系統(tǒng)的輸入端不會接收到測得的實際位置和速度反饋，所以這種系統(tǒng)被稱為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度由步進電動機的角位移精度、絲杠等傳動元件的節(jié)距或者導程精度決定，因此系統(tǒng)的位移精度相對較低。但是這個系統(tǒng)具有調(diào)試簡單，結構易懂，工作穩(wěn)定，維修方便，容易改裝成功，成本低廉的優(yōu)點。
（2）交／直流伺服電機驅(qū)動，光柵測量反饋的閉環(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：實際位置由位置檢測裝置測得并發(fā)送反饋信號，隨時將給定值與測得值進行比較，放大和變換兩者的差值，驅(qū)動執(zhí)行機構，向著消除偏差的方向以給定的速度運動，當給定位置與反饋的實際位置的差值等于零時停止。閉環(huán)進給系統(tǒng)在結構上比開環(huán)進給系統(tǒng)要復雜，成本也相對貴，并且嚴格要求了環(huán)境室溫。設計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是與此同時得到的是比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，更大的驅(qū)動功率。
（3）交／直流伺服電機驅(qū)動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)：檢測元件安裝在半閉環(huán)系統(tǒng)的中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。它只能補償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部分元件的誤差。所以，雖然它的結構與調(diào)試都比閉環(huán)系統(tǒng)相對簡單，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)。因為開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)既便宜又易改造，同時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)機床數(shù)控化改造后車床所要達到的精度、性能等，選擇性價比高的，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，雖然經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家眾多，而且價格上占有優(yōu)勢，但性能和穩(wěn)定性不是那么理想，所以本課題決定采用國外的數(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）結構簡單、體積小、可靠性高，系統(tǒng)軟件功能比較完善：
（2）有免維護性能的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個進給軸和一個數(shù)字或模擬主軸。通過生產(chǎn)現(xiàn)場總線PROFIBUS將驅(qū)動器、輸入輸出模塊連接起來；
（4）SINUMERIK802D集成了內(nèi)置PLC系統(tǒng)，可對機床采取邏輯控制。其控制邏輯設計使用標準的PLC的編程語言Micro/WIN，并且為了簡化制造廠設計過程以及縮短設計周期，它隨機提供標準的PLC子程序庫和實例程序。
西門子SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)采用標準的S7 200PLC。S7 200系列PLC可以滿足多種多樣的自動化控制的需要。S7 200具有設計緊湊、擴展性上佳、價格便宜以及強大的指令系統(tǒng)等優(yōu)點，所以它基本能完美地滿足小規(guī)模的控制要求。另外，因為具有多種CPU類型和電壓等級，所以它在解決用戶的工業(yè)自動化問題時，具有很強的適應性和可選擇性。
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，一種是按鈕、行程開關、繼電器觸頭等開關量的輸入信號；另一種是電位器、測速發(fā)電機和各種變頻器提供的連續(xù)變化的模擬量輸入信號。
4.3.2 輸出接口
輸出接口電路輸出控制信號給各個執(zhí)行元件。接觸器、電磁閥、調(diào)節(jié)閥（模擬量）、指示燈和報警裝置等是常用執(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、選通電路和中斷請求邏輯電路組成微電腦輸出接口電路，輸出信號由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置電源，起到簡化整體結構的作用。
4.3.4 輸入/輸出（I/O）點的統(tǒng)計
改造后的車床自動運行時，主軸的正反轉和變速，兩個方向進給系統(tǒng)的前進，后退，限位動作都由PLC控制，控制這些動作的信號作為輸入信號。而PLC傳達給控制各電動機的接觸器，變頻器的信號將作為輸出信號。根據(jù)要求，清算出PLC上所需要的輸入/輸出點數(shù)。
表4-1 I/O端口統(tǒng)計表
輸入/輸出類型
輸入點數(shù)
輸出點數(shù)
信號類型
按鈕
限位開關
熱繼電器
變頻器
驅(qū)動器
接觸器
數(shù)量
10
4
3
3
4
7
統(tǒng)計
17
14
總計
31
由上表得出結論：PLC需輸入點數(shù)17個，輸出點數(shù)14個。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個輸入端口，16個輸出端口。
表4-2 I/O分配表
輸入信號
輸出信號
停止按鈕
I0.0
變頻器運行頻率選擇
Q0.0
主軸停止按鈕
I0.1
變頻器運行頻率選擇
Q0.1
主軸正轉按鈕
I0.2
變頻器控制正反轉
Q0.2
主軸反轉按鈕
I0.3
向縱向進給電機輸出高速脈沖
Q0.3
縱向進給系統(tǒng)電機停止按鈕
I0.4
驅(qū)動器控制縱向進給系統(tǒng)正反轉
Q0.4
表4-2續(xù) I/O分配表
縱向進給系統(tǒng)電機正轉按鈕
I0.5
向橫向進給電機輸出高速脈沖
Q0.5
縱向進給系統(tǒng)電機反轉按鈕
I0.6
驅(qū)動器控制橫向進給系統(tǒng)正反轉
Q0.6
橫向進給系統(tǒng)電機停止按鈕
I0.7
冷卻泵電動機啟動線圈
Q0.7
橫向進給系統(tǒng)電機正轉按鈕
I1.0
M1電動機報警燈
Q1.0
橫向進給系統(tǒng)電機反轉按鈕
I1.1
M1電動機報警鈴
Q1.1
縱向進給系統(tǒng)正轉限位開關
I1.2
M2電動機報警燈
Q1.2
縱向進給系統(tǒng)反轉限位開關
I1.3
M2電動機報警鈴
Q1.3
橫向進給系統(tǒng)正轉限位開關
I1.4
M3電動機報警燈
Q1.4
橫向進給系統(tǒng)反向限位開關
I1.5
M3電動機報警鈴
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 主拖動系統(tǒng)變頻調(diào)速改造
4.4.1 CA6140車床主拖動系統(tǒng)
CA6140車床是由齒輪箱來傳動和調(diào)速的。該車床具有以下特性：
（1）恒功率性質(zhì) 當齒輪箱速度變化時，轉速和轉矩成反比，體現(xiàn)出恒功率的性質(zhì)。所以對同一切削用量而言，電動機的輸出功率是不變的。如忽略齒輪箱的功率損耗不計，則在全調(diào)速范圍內(nèi)，都具有恒功率的特點。
（2）低速時過載能力強 在主拖動系統(tǒng)以較低的速度運動時，通過降速后，最大負載轉矩遠遠比拖動系統(tǒng)的額定轉矩低。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
由異步電機理論可知,主軸電機的轉速公式為:
式中： —— 電動機的極對數(shù)；
—— 轉差率；
——供電電源的頻率
從式(4.1)可知，異步電動機調(diào)速方法可分為以下三大類：
（1）變極調(diào)速方法
變極調(diào)速方法是改變電動機的磁極對數(shù)來進行速度調(diào)整，而改變電動機的磁極對數(shù)是通過改變定子繞組的接線方式來改變的，而變極調(diào)速的缺點有以下幾個主要方面。
①一套繞組不管如何變化，最多只能有兩種磁極對數(shù)的變數(shù)，而一臺電動機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行，工作效率都將下降。
③因為不同磁極對數(shù)的“臨界轉矩”不一樣，所以帶負載能力也不一致。
④調(diào)速必須變換繞組接法方式才能進行，因此具有繁瑣的控制電路。
（2）變轉差率調(diào)速方法
實現(xiàn)變轉差率調(diào)速是要使電動機轉子電路的相關參數(shù)發(fā)生變化，這種方法只能運用在繞線式異步電動機。常用的有調(diào)壓調(diào)速、串級調(diào)速、轉子串電組調(diào)速和電磁轉差離合器調(diào)速。這種調(diào)速的缺點主要有以下幾個方面。
①因為調(diào)速電阻在外部，為了使轉子電路和調(diào)速電阻之間建立聯(lián)系，繞線式異步電動機在結構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轉速的檔位不多。
④調(diào)速后的機械特性不夠理想。
（3）變頻調(diào)速方法
變頻調(diào)速是改變電動機定子電源的頻率來實現(xiàn)調(diào)速的方法。一般是對籠型異步電動機采用變頻器進行調(diào)速，具有寬廣的調(diào)速范圍，較高的運行效率，較好的靜態(tài)穩(wěn)定性，使用方便可靠，顯著的經(jīng)濟效益等優(yōu)點。
為了使改造后的機床調(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、計算機控制技術和自動化控制技術的前進步伐，變頻器制造技術有了飛躍式的進步，以變頻器為核心的交流電機調(diào)速已廣泛應用于各種領域，在工業(yè)自動化領域，交流電機調(diào)速已經(jīng)取代傳統(tǒng)的直流調(diào)系統(tǒng)，而且技術經(jīng)濟指標得以飛躍性得提高。由變頻器控制用電比較厲害的風機、泵類等設備，可以使很多電能得以節(jié)省下來；將變頻器技術使用在各個領域都有重要地位的機械制造業(yè)中，可以讓電氣自動化技術與機械制造技術相結合，使得傳統(tǒng)機械行業(yè)能再度騰飛；此外，在化纖、紡織塑料、化學、輕工等工業(yè)領域，應用變頻器技術。產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)的提升依仗于自動化制造水平的發(fā)展，作為典型自動化產(chǎn)品——變頻器在工業(yè)制造、交通等領域占有重要地位，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，變頻器的應用會更加普及。
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、負載狀況、啟動轉矩以外，如何控制變頻器也是一個重要方面。現(xiàn)如今，主要有標量控制和矢量控制兩種控制方式來控制主軸變頻器。而標量控制有在較低頻率時轉矩不足、速度不穩(wěn)定等缺點，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機能有直流電動機般的穩(wěn)定運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)生足量的轉矩來維持電動機預先制定好的磁通量。它具有優(yōu)異的控制特性，能適應高速場合的調(diào)速(調(diào)速范圍1:100)，還可進行轉矩控制。所以矢量控制的變頻器正在逐漸推廣應用。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，運行在32位Windows操作系統(tǒng)下。它功能強大，為用戶開發(fā)、編輯和監(jiān)控自己的應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，如用戶程序的新建，原有用戶程序的改編。PLC的參數(shù)等也能通過設置軟件來實現(xiàn)。編輯過程中還具有簡單語法檢查、用戶程序的文檔管理、加密和在線幫助等功能。在編程進行的時候，有些語法或者數(shù)據(jù)類型錯誤能夠被語法檢測功能識別出來。為了提醒用戶編寫程序過程中的一些基本錯誤，在程序中，錯誤的下方會出現(xiàn)紅色曲線（數(shù)據(jù)類型錯誤）。
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。作為一款具有相對強大編輯能力的軟件，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作流程見下圖4.3：
圖4.3 改造后機床總流程圖
（1）主軸電機正反轉
主軸電動機正反轉通過PLC控制變頻器實現(xiàn)。只要預先在變頻器相應端口設置好參數(shù)，用PLC控制這個端口啟動和停止，就能實現(xiàn)電動機的正反轉。具體參數(shù)可見表4-3。
（2） 主軸電動機正反轉時的變頻調(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)設置。變頻器數(shù)字輸入7端口設為電動機運行、停止、正反轉控制端，可由P0703參數(shù)設置。
當PLC收到輸入點I0.5的信號時，電動機以10HZ的頻率正轉，延時20S后又以20HZ的頻率正向運行，再延時10s后電動機以50Hz的頻率正向運行；當PLC收到輸入點I0.6的信號時，電動機以10HZ的頻率反轉，延時20S后以20HZ的頻率繼續(xù)反向運行，再延時10s后電動機以50Hz的頻率反向運行。
正轉時調(diào)頻變速：見圖4.4
圖4.4 PLC控制主軸電機正轉時變頻調(diào)速
反轉時變頻：見圖4.5
圖4.5(a) PLC控制主軸電機正轉時變頻調(diào)速
圖4.5(b) PLC控制主軸電機正轉時變頻調(diào)速
表4-3 變頻器變速和正反轉控制參數(shù)設置表
參數(shù)號
設置值
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，OFF停止
ON接通正轉，OFF停止
設置固定頻率1（Hz）
設置固定頻率2（Hz）
設置固定頻率3（Hz）
（3）進給系統(tǒng)電機的正反轉 （只介紹電動機M2）
電動機的可逆運行方向的切換是通過數(shù)控裝置輸出相應信號給步進電動機驅(qū)動器來實現(xiàn)的。
具體見下圖4.6
圖4.6(a) PLC控制縱向步進電機正反轉
圖4.6(b) PLC控制縱向步進電機正反轉
圖4.6(c) PLC控制縱向步進電機正反轉
4.6 本章小結
本章論述了SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)特點，選擇了合適的變頻器，統(tǒng)計了所需的I/O點數(shù)，并據(jù)此設計了PLC I/O接線圖，給出了I/O分配表，寫出了PLC梯形圖。
5 進給系統(tǒng)的改造設計
本章概述：本章分別對兩個方向的進給系統(tǒng)進行了設計與計算，并根據(jù)計算結果選出相應的滾珠絲杠和步進電機。
5.1 縱向（Z向）進給系統(tǒng)的設計與計算
5.1.1 縱車外圓切削力的計算
按原車床主電機的功率計算主切削力
式中 —— 主電機功率，5.5kw；
—— 切削功率，kw；
—— 主傳動系統(tǒng)總功率，取0.7；
—— 進給系統(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、進給抗力和切深抗力的比值在很大范圍內(nèi)會根據(jù)切削條件的不同而變化。
由式（5.2）得
由式（5.3）得
5.