机械毕业设计（论文）-CA6140机床数控化改造设计【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： CA6140 机床数控化改造设计机床数控化改造设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 0923173 学生姓名： 杭晓梁 指导教师： 黄敏 （职称：副教授 ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） CA6140 数控 化改造设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成 果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表 示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、 集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 94 学 号： 0923173 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 II I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 CA6140 机床数控化改造设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 在我国目前拥有大量超期服役和技术陈旧的机床急待更新的情 况下，由于数控机床的加工能力和资金受限，对机床进行数控化改造 是一条节约资金、快速上马的有效途径。 机床完成数控化改造后，可大幅进步机床的加工功率和自动化、 智能化程度。下降了操作者触摸风险部位的可能性;操作系统和操作 界面越来越契合人机工程学的需求，可有用削减操作者的失误率，削 减因失误发生的事端，将带来宏大的安全效益。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 了解数控机床的工作原理，国内外的研究发展现状； 完成 CA6140 机床的主拖动系统变频调速系统改造；并利用 PLC 完成控制系统设计； 完成有关零部件的选型计算；PLC 程序设计； 熟练掌握有关计算机绘图软件，并提供电气原理图，接线图等设 II 计图纸； 完成设计说明书的撰写，并翻译外文资料 1 篇。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 94 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 在机电液气一体化设备中，数控机床是一种经典的设备。在机械制造中，生产零件 结构复杂、要求高精度、产品的批量生产、零件外形多变的问题，用数控机床都能得到 很好的解决，并且数控机床还具有稳定的加工质量，生产效率水平高的优点。 作为一条提升企业生产效率和生产质量的有效途径购买新的数控机床具有高成 本的缺点，许多企业都因资金不足而望而却步，这大大拖慢了企业换代旧设备的进度。 所以对于普通或者旧机床的数控化改造，是一条降低成本，但同时又能增加产品质量及 生产效率的方便路径，通过数控化改造能增加企业竞争力，在我国制造业飞速发展的道 路上，数控化改造是一个重要方面。 第一章 阐述了课题的研究内容和意义以及数控化改造的研究现状，国内外的发展史； 第二章 主要阐述了车床数控化改造的总体方案； 第三章 主要论述了SINUMERIK 802D数控系统特点，PLC设计； 第四章 主要对机床电气部分进行了改造，设计了机床的主电路和控制电路 第五章 对机床机械部分进行了改造，对滚珠丝杠和步进电机进行了设计以及选型。 关键词：关键词：数控化改造；PLC；控制 IV 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 lathes 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 V 目目 录录 摘 要 .III ABSTRACT IV 目 录.V 1 绪论 1 1.1 本课题的研究内容和意义 1 1.2 国内外的发展概况 1 1.2.1 国内外数控机床的发展概况 1 1.2.2 国内外数控机床改造概况 2 1.3 本章小结 4 2 CA6140 普通车床数控改造总体方案的设计5 2.1 设计任务 5 2.2 原机床简介 5 2.2.1 原机床功能 .5 2.2.2 原机床传动系统 .5 2.2.3 原机床电气控制 .5 2.3 总体改造方案 7 2.3.1 实现主轴变频调速 .7 2.3.2 进给系统的改造 .7 2.3.3 数控系统选择 .7 2.4 本章小结 7 3 数控车床电气控制设计 .8 3.1 CA6140 车床电气控制.8 3.1.1 CA6140 车床运动形式8 3.1.2 电力拖动特点和控制电路 .8 3.2 数控化改造的电气控制设计 8 3.2.1 数控车床主电路设计 .8 3.2.2 数控车床控制电路设计 .10 3.3 本章小结 10 4 CA6140 车床数控化改造的数控系统11 4.1 数控改造的控制方式选择 .11 4.2 数控系统的选择 12 4.3 PLC 输入/输出12 4.3.1 输入接口 .12 4.3.2 输出接口 .12 4.3.3 电源 .13 4.3.4 输入/输出（I/O）点的统计.13 4.4 主拖动系统变频调速改造 15 VI 4.4.1 CA6140 车床主拖动系统15 4.4.2 主轴变频控制的基本原理 .16 4.4.3 变频器的选用 .16 4.5 梯形图编程 17 4.6 本章小结 22 5 进给系统的改造设计 .23 5.1 纵向（Z 向）进给系统的设计与计算.23 5.1.1 纵车外圆切削力的计算 .23 5.1.2 纵向（Z 向）滚珠丝杠的计算和选型23 5.1.3 纵向（Z 向）步进电机的计算和选型25 5.2 横向（X 向）进给系统的设计与计算.26 5.2.1 横切端面切削力的计算 .26 5.2.2 横向（X 向）滚珠丝杠的计算和选型26 5.2.3 横向（X 向）步进电机的计算和选型28 5.3 本章小结 29 6 总结与展望 .30 6.1 论文总结 30 6.2 展望 30 致谢 .31 参考文献 .32 CA6140 机床数控化改造设计 1 1 绪论绪论 1.1 本课题的研究内容和意义本课题的研究内容和意义 本课题研究的内容是：了解数控机床的工作原理，完成CA6140机床的主拖动系统变 频调速系统改造；并利用PLC完成控制系统设计，完成有关零部件的选型计算；PLC程序 设计，并提供电气原理图，接线图等设计图纸。 本课题研究的意义是：伴随着科学技术的提升，普通机床的生产力越来越不能满足 市场的需求，而且普通机床需要高强度的劳动力，还伴随着高危险性，并且如今众多产 品所需要的批量生产也得不到满足。所以普及数控化机床成为越来越多企业所追求的 “潮流”。但是许多企业“心有余而力不足”，他们所使用的机床大多还是陈旧的普通 机床，如果大批量引进全新的数控化机床必将“伤筋动骨”。在如此的宏观局面下，数 控化改造是有效提高工厂数控化率，控制经济成本的捷径。本文以CA6140普通车床为例， 预计数控化改造后能具备的优点： （1）改造后的机床延长了服役时间，提高了精度，提升了自动化能力，具有较强的 针对性，能满足生产的需求。在改造前，根据原老旧机床所存在的问题可以得出改造方 案，需要改的部分，如何修改，最终能改造成什么状态都可以做出预估，最终能将科学 技术转化为有效生产力。 （2）原机床的绝大部分在改造中还可以保留使用，所需要的材料和资金都可以节省 许多，而且能缩短生产周期，可满足生产急需。因为改造后的机床上大部分零件，组件， 甚至有些传动部分都不需要更换，缩短了工期，节约了成本。 （3）改造后的机床具有稳定的性能，能适应多种形状零件的小批量生产。数控化改 造不需要更换机床上的大型结构件，而机床上的大型结构件一般都是铸铁制成，随着时 间的积累，其精度比新铸件更加稳定。完成改造的机床不仅能保留原有功能，而且能扩 展出新的功能，能加工各类复杂型面类的零件。 （4）根据生产的需求，改造可以预先定义改造后机床的精度和效率。改造后的机床 跟全新数控化机床相比，更贴近企业对生产发展的需求；跟普通机床相比，其具有较高 的自动化水平和效率，而且能较好地保证操作人员的安全。总之，对机床进行数控化改 造具有较高的性价比。 （5）在数控化改造期间，企业中的技术人员能清楚地了解原机床的结构与性能；各 工科院校的学生在改造中也能提升自己的技术能力，更好地掌握科学技术。如若是相关 学员，通过对机床的改造能缩短培训周期，更快得投入生产工作1。 1.2 国内外的发展概况国内外的发展概况 1.2.1 国内外数控机床的发展概况国内外数控机床的发展概况 20世纪中期，有史以来第一台“电脑”在美国发明，没过多少时间，又是在美国， 诞生了世界第一台数控机床数控三轴镗铣床，自此，跟随着微电子技术和计算机技 术的发展潮流，数控机床技术得到了长足发展，在近半个世纪以来，数控机床的数控系 统经历过了两个阶段，六个时代的发展。逻辑数字控制(NC)是数控机床经历的第一个阶 段，第一阶段分为三个时期；电子管、晶体管和小规模集成电路；计算机数字逻辑控制 无锡太湖学院学士学位论文 2 (CNC)是数控机床的第二段历程，从小型计算机发展到微处理器，最后到PC机。如今，世 界上数控机床的更新周期是2-3年，处于数控机床研发技术第一梯队的是日本、美国、德 国、西班牙等国家，在业界得到普遍认可的品牌有德国西门子、日本发那科、西班牙发 格、法国NUM，这些品牌的产品不仅功能卓越，而且表现稳定，所以在全世界都有可观 的市场。自从1980年之后，激烈的市场竞争导致了产品更迭周期越来越短，产品的批量 生产发展势头迅猛。再者伴随着轻工业、汽车工业甚至航空工业的不断发展，产品需求 趋向复杂化，高精度化，一切的发展推进着普通机床向高性能数控机床发展以适应各种 零件的批量生产，在生产中数控机床的地位愈发重要，甚至能用数控机床的占有量来权 衡一个国家的工业水平。因此，各个国家都在支持自动化机械制造技术的研发。相关数 据表明，美国通用公司的数控机床占有了七成的市场。另据不完全统计，自20世纪80年 代以后，日本数控机床的生产量占所有机床生产量的八成，而且数控机床普遍都是高档 机床2。 我国在近20世纪60年代起研发数控机床技术，研发的主要任务是对国外先进数控机 床的拆解，研究，最终仿制。1975年左右，国内的零件制造水平低，电子元件质量不过 关，导致不稳定，不可靠的国产数控机床始终得不到技术的突破。而且，价格也超出了 一般企业的承受范围，没能普及开来。进入1980年以后，我国重新拾起数控机床技术的 研发。到20世纪90年代初产量已经翻了几千倍，数控化产值从原先的不足百分之一上升 到一成以上。数控机床上的生产已经形成一定规模，北京机床研究所作为领头羊，陆续 涌现出一些数控机床研发的机床厂。其主要数控系统产品型号有BF7、BF3、MTCl等。 随后许多机床厂家又研发出经济型数控系统，如：武汉华中数控有限公司、沈阳第一机 床厂、西安微电子研究所等。数控机床正逐渐发展为两个分支：一个向大型、高性能发 展，一个向经济型数控机床发展。经济型数控机床就是指用户能快速了解其操作流程， 而且售价上低于同类产品，对于我国来说，符合生产需求，具有较高性价比的自动化机 床。 由上文可知，我国的数控机床发展在各方面都远落后于世界一流数控机床制造水平， 而也我国工业水平发展落后也有很大一部分原因是数控机床制造技术的落后。 1.2.2 国内外数控机床改造概况国内外数控机床改造概况 随着数控机床占领市场，数控系统的价格日渐便宜，这无疑增加了普通机床数控化 改造的优势，许多机械加工厂也确实逐渐把数控化改造当成一个新的扩展经营项目。各 种品牌的机床翻新改造公司像雨后春笋般在包括很多工业发达国家在内的各个国家成立， 接受普通或者旧机床的改造业务，甚至一些大型和重型机床也不在话下。 在20世纪80年代初的德国希斯公司成功把一台曾是世界上最大的机床，超重型立式 车床改装成数控机床。改装列表有，工作台导轨，主传动系统，刀架导轨，重量感应器 以及数控装置等。而成功改造后的机床总花费仅相当于重新购买一台新机床价格的三成， 而且其中机床维修费外加一个新的数控装置费用就占了总费用的近30%。这家公司还有另 外的光荣事迹改造了一台稍小的超重型车床，而这次的总花费才相当于购买一台同 规格新机床价格的两成不到3。 放眼我国，作为各国公认的培训机床制造业技术人员的模范，香港理工大学的工业 CA6140 机床数控化改造设计 3 中心拥有的数控机床占其所有机床总量的七成以上，而这些数控机床中大概有一成是从 旧的普通机床经过数控化改造改造成的。而从这些设备的改造费用和改造后的成果来看， 结果是叫人满意的。 我国浙江捷运柴油机股份公司改造过一台铣床，比新买一台机床节约了近300万的成 本费用。改造完成后，这台机床用来加工铸模，在短短的两个多月里面，完成的工作量 是以前五个月都不一定能完成的量。后来这家公司又陆续改造了十多台加工中心，这些 数控化改造的机床投入生产后的产值已超过了千万元。经济收益可见一斑4。 失败乃成功之母，既然有成功，那肯定也有过失败。在上世纪1983年一家国营企业 曾对一台七十年代的C620-1型旧机床进行数控化改造。最终因为当时的数控化改造技术 以及制造工艺不成熟，选用的数控系统没有达到预期效果等等意外因素，改造没有成功。 自1980年以后我国致力于研究和普及机床数控化改造技术，已经积累了三十年的经 验。虽然有过失败的惨痛经历，但是在远的将来，这项技术一定会被国人所熟练掌握。 而目前来说，数控化改造技术以及制造工艺依然是竖立在眼前的一堵墙，阻碍了我国数 控化改造技术在大型，超重型机床上的应用。 这几年来，机床行业在我国飞速发展，而我国的数控机床产量也正稳步提升。但是 我国各类普通机床的基数仍然庞大，其中有近三成是已经使用了近四十年，这些机床都 已过于陈旧，不适宜数控化改造这些机床，要更新换代。但余下70%的机床还是具有数控 化改造的价值。而这些普通旧机床的维修与数控化改造有巨大的潜在市场需求，对经济 的可持续发展有很大的帮助。 现阶段，普通机床还是占有我国机床市场的大流。而对于基础庞大的普通机场，其 中存在的安全隐患是不可忽视的。所以，我国机床市场扩大规模的一个重要制约因素就 是安全隐患。我们要着力于机床安全性的提升，着力于最本质的机床安全水平的提升， 着力于提升机床的数控化水平、着力于减少机床的事故发生率、提高安全水准、提升生 产效率的问题。 我们发现，普通的机床在接受了一系列的数控化改造之后，机床的智能化，生产效 率，安全程度都会得到不同的提升。这样就降低了机床作业者的危险系数；机床的人机 交互界面也越来越得到人们的肯定，而且可以有效地降低作业者的操作错误率，大大的 降低因为操作问题引发的安全问题的概率。我们发现接受了数控化改造后的普通机床， 它的安全系数得到了非常明显的提升，而且机床的事故发生也得到了遏制，这将为企业 带来很多效益和无形的升值。 接受了数控化改造后的普通机床，相对于直接购买的数控机床，尤其是相对于一些 特殊的、大型机床来说，改变是显而易见的。我们数控化改造普通机床，相对于直接购 买数控机床，不但可以降低三分之一的成本，而且还可以降低直接更换新的数控机床所 带来的污染和浪费，实在是事半功倍。 按照我们以往的数控化改造经验，经过数控化改造后的一般机床，它的生产效率得 到了显著地提升。本来一个操作工只能控制一台普通机床的，现在可以同时控制两台经 过了数控化改造后的机床。而且，数控化改造也大大的提升了机床的生产精度，本来由 无锡太湖学院学士学位论文 4 于人工操作造成的产品良品率不高的问题得到了有效地解决。甚至，工人们的工作也会 轻松许多，工作明显省力，节省了试制新产品的研发时间和提升了新产品的生产速度， 把工厂的效益一下子提升了很大一个台阶。 按照外国的先进技术，数控化改造是一种非常值得推广的技术。机床的数控化改造 实际就是新技术与新思想的碰撞结果，糅合了古典工业与新型工业，强调了性价比这一 重点，并且十分轻松地就提升了安全生产效率。进入新世纪，数控化机床改造技术的市 场在中国可谓是无比巨大，我们非常看好这一技术。 归根究底，从普通机床反面来说，我国的机床技术和世界先进技术相比仍然有着非 常巨大的差距：不但高档的国产数控机床在质量数量上都不能达到国内市场的需求，其 中加工中心高端车床基本上全部从国外引进；而且机床的数控系统和一些高端的生产部 件也无法自主生产，这些问题都制约了我国的数控机床产业的自主发展；更为关键的是 我国机床制造厂技术水平不高，生产反面和管理方面还有售后服务方面都不能和国外同 日而语；另外老旧的设备在我国的企业设备中依然占了很大一部分，但是更换资金缺口 依旧很大。 1.3 本章小结本章小结 本章介绍了通过改造后，机床能达到的预期效果，阐述了数控机床，数控化改造的 国内外发展历史。根据本章中介绍的改造后的预期效果，下文将具体做出改造设计方案。 CA6140 机床数控化改造设计 5 2 CA6140 普通车床数控改造总体方案的设计普通车床数控改造总体方案的设计 本章概述：本章主要对原机床的功能，传动系统，电气控制方面进行了简介，并根 据课题需求做出了总体改造方案。 2.1 设计任务设计任务 对 CA6140 普通车床进行数控化改造，能使老旧的车床再次投入生产，而且数控化改 造能提高机床的加工质量和精度，并且在生产效率和安全性方面使改造后的车床超越改 造前普通车床出厂时的水平。 2.2 原机床简介原机床简介 2.2.1 原机床功能原机床功能 CA6140 C 代表车床，A 可理解为这种型号车床在结构上区别于 C6140，6 表示 该车床属于落地及卧式车床组，1 说明该车床属于卧式车床系，40 是说该车床的最大车 削直径为 400mm。CA6140 车床具有全面的实用性，可以对各种轴类、套筒类零件进行加 工，甚至盘类零件上的回转表面也能适用，对于车削端面和各种常用螺纹的加工轻而易 举，在这些零件上还能进行钻孔、扩孔、铰孔、滚花等加工。 2.2.2 原机床传动系统原机床传动系统 原 CA6140 机床的传动系统有两大部分构成。 （1）主运动传动链。主运动传动链的作 用是将能量源(电动机)的动力传递给主轴，让工件跟主轴一起做旋转运动，从而实现机床 的主运动。 （2）进给运动传动链，进给运动传动链的作用是带动刀架的纵向和横向移动 及车螺纹运动。动力是从电动机传递给进给运动传动链、溜板传再传至刀架，实现刀架 运动。 无锡太湖学院学士学位论文 6 2.2.3 原机床电气控制原机床电气控制 图 2.1(a) CA6140 车床电气图（主电路图） 图 2.1(b) CA6140 电气图（控制电路图） CA6140 机床数控化改造设计 7 （1）主电路分析 如图 2.1(a)所示： 接触器 KM1 和 KM2 分别控制主轴电动机 M1 的正转和反转，热继电器 FR1 为主轴 电动机 M1 提供过载保护。 接触器 KM3 控制冷却泵电机 M2 的启动，FR2 是为冷却泵电机 M2 提供过载保护的 热继电器。 接触器 KM4 控制刀架快速移动，因为快速移动电机 M3 是短期工作，所以可以不加 过载保护。 （2）控制电路分析 如图 2.1(b)所示： 主轴电动机 M1 的控制。按下起动按钮开关 SB2，线圈 KM1 通电，接触器 KM1 闭 合，控制主轴电动机 M1 正转，按下起动按钮开关 SB3，线圈 KM2 通电，接触器 KM2 闭合，控制主轴电动机 M1 反转。按下停止按钮开关 SB1，电动机停转。 冷却泵电动机 M2 的控制。只有当线圈 KM1 或者 KM2 获电，然后触点 KM1 或者 KM2 闭合，主轴电动机 M1 启动后，再合上开关 SA，使线圈 KM3 获电，然后触点 KM3 闭合，冷却泵电动机 M2 才能起动。 刀架快速移动电动机的控制。刀架快速移动电动机 M3 的启动，是由安装在进给操纵 手柄顶端的按钮开关 SB4 来控制，它与交流接触器 KM4 组成电动控制环节。将操纵手柄 扳到所需的方向，压下按钮开关 SB4，接触器 KM4 获电吸合，电动机 M3 获电起动，刀 架就向指定方向快速移动。 图中 EL 为机床的低照明灯，由开关 QS 控制，HL 为电源信号灯。 2.3 总体改造方案总体改造方案 数控化改造设计时，根据改造的经济性和简易性的原则，可以尽量利用原来车床上 的零部件，来减少不必要的改动量。特别是车床上相对大点的部件，比如床身、工作台 等，尽可能地利用原有的组件，这样只需要做少量的维修加工改造，可以极大得降低成 本，缩短改造的周期。 CA6140 型普通车床数控化改造后应实现的功能主要有5：控制主轴正反转和实现主 轴的变速以提供不同的切削速度；刀架能实现纵向和横向的进给运动；主轴运动的同时， 冷却泵电机也能启动，喷出冷却液。对于以上功能的实现，可以初步制定总体改造方案： (1)舍弃原 CA6140 车床的光杠丝杠、溜板箱及挂轮箱中的齿轮，原装的普通滑动丝杠改 换为滚珠丝杠，在原安装滑动丝杠的部位通过托架将选好的纵向滚珠丝杠安装，安装的 纵横向滚珠丝杠尽量用原来的固定与安装方式；(2)主轴需要能变速并能实现正反转；(3) 刀架由两台步进电机带动，在床鞍的偏后位置安装横向步进电动机，在离尾座较近的位 置，机床的右部安装纵向步进电动机。 2.3.1 实现主轴实现主轴变频调速变频调速 CA6140 车床的主轴变速是手动变速。本课题中改造后的车床决定采用变频器驱动电 机，通过数控系统控制变频器，变频器驱动三相异步电动机实现主轴变速，因为这样可 以使用原车床的电动机，而不用对主轴电动机重新选型。电源频率 f，电动机磁极对数 P 无锡太湖学院学士学位论文 8 以及转差率 S 与交流异步电动机的转速之间存在一定关系式，有公式可证： 。原电机的磁极对数，转差率，所以电动机转速 n 与频率60/(1)nfps2p 0.035S f 之间的关系为：。因此，改变电源的频率即可改变电动机的转速。变频器31.1nffn 能通过与数控系统连接，控制电动机的正转，反转，停止和变速。 2.3.2 进给系统的改造进给系统的改造 CA6140 车床只有一个快速移动电机控制刀架运动，改造后的车床用两个步进电机控 制刀架两个方向的运动。另外，原来车床采用的滑动丝杠，与滚珠丝杠相比摩擦阻力大。 传动效率低，不能适应高速运转。而且，由于磨损快，造成其精度保持性低，寿命低。 滚珠丝杠磨损小，寿命长，精度保持性好。所以需要将原来的滑动丝杠改为滚珠丝杠。 2.3.3 数控系统选择数控系统选择 由于本次改造基于经济，简易改造的原则，本课题选用开环数控系统。开环系统虽 然精度不够高，但是因为开环系统的结构易懂，成本不高，方便改装，所以在简易数控 系统中可以使用。 2.4 本章小结本章小结 本章分析了数控化改造后的车床所需要实现的功能，然后说明了车床数控化改造的 总体方案。从经济性，简易性方面出发，主轴通过变频器驱动电动机的方式来调速，车 床上原装的主轴电动机能继续使用。 3 数控车床电气控制设计数控车床电气控制设计 本章概述：本章介绍了原 CA6140 车床的电气控制，设计并说明了数控化改造所需的 电路控制改造。 3.1 CA6140 车床电气控制车床电气控制 3.1.1 CA6140 车床运动形式车床运动形式 主轴与工件的旋转运动称为车床的主运动，主轴电动机通过 V 带传递给主轴变速箱 来改变速度称为主轴变速。刀架与刀具的直线运动称为车床的进给运动。车床的切削运 动包括车床的主运动和进给运动。车床的辅助运动是车床上除切削运动以外的其它一切 必需的运动。如尾架的纵向移动，工件的夹紧与放松等。 3.1.2 电力拖动特点和控制电路电力拖动特点和控制电路 很多时候都选三相笼型异步电动机做车床的主拖动电动机，不用电气调速。采用齿 轮箱进行机械有级调速。主轴正反转由控制主拖动电动机调换相序实现。设有启动与停 止按钮控制主拖动电动机的起动与停止。在进行车削加工时，刀具及工件温度将过高， 应配有冷却泵电动机喷出切削液进行冷却，并且要求在主拖动电动机起动后，方可决定 冷却泵启不启动，而当主拖动电动机停止时，冷却泵电动机应立即停止。必须有过载、 短路、欠压、失压保护，还要具有安全的局部照明装置4。 3.2 数控化改造的电气控制设计数控化改造的电气控制设计 根据 CA6140 车床数控化改造方案，去掉现有车床进给箱、溜板箱、刀架等，只保留 主轴箱、床身导轨、溜板、尾座等。进给运动变为纵向、横向两台步进电机驱动。因此 CA6140 机床数控化改造设计 9 需重新设计它的电气控制电路。 3.2.1 数控车床主电路设计数控车床主电路设计 由图 1-1 可知，CA6140 车床的主电路共有三台电动机：M1 是主轴电动机，带动主 轴旋转；M2 是冷却泵电动机，用来输送切削液；M3 是刀架快速移动电动机。CA6140 主轴的正反转是由主控触点 KM1 和 KM2 的闭合与断开实现的，而改造后的数控机床是 则由数控系统控制变频器，由变频器控制主轴电动机 M1 实现正反转。去掉原电动机 M3，刀架的移动由步进电机 M2，M3 控制；冷却泵电动机 M4 由线圈 KM5 控制触点 KM5 控制电机的启动和停止6。 改造后主电路的工作原理是扳动断路器 QF 以及空气开关，将三相电源引入。变频器 控制主轴电动机 M1，变频器相应的端口接收到由数控装置发出的指令，然后变频器驱动 主轴电动机 M1 正转或者反转；M2，M3 这两台电动机的正反转是由各自的步进电机驱动 器实现的，当 M2 或者 M3 要正转时，数控装置发出指令，驱动器控制电动机正转；当 M2 或者 M3 要反转时，数控装置发出指令，驱动器控制电动机反转。热继电器 FR1FR4 作过载保护，熔断器 FU 作短路保护。冷却泵电动机 M4 由继电器 KM1 控制。 主电路可见下图 3.1(a)和 3.1(b)。 图 3.1(a) 改造后主电路（主轴） 无锡太湖学院学士学位论文 10 图 3.1(b) 改造后主电路（进给系统） 3.2.2 数控车床控制电路设计数控车床控制电路设计 控制电路的电源由控制变压器 TC1 输出 110V 电压提供。正常工作时，断路器 QF 合 闸。刀架控制由数控装置系统和电机组成。控制变压器 TC2 作为电源，输出 220V 供数 控装置、步进电机驱动器使用。 以下是改造后的控制电路的具体分析： （1）主轴电动机 M1 的控制 主电路由数控装置发指令给变频器，由变频器控制主轴电动机的正反转以及变频调 速。 （2）进给系统电动机 M2 和 M3 的控制 进给运动是由两个步进电动机控制刀架两个方向上的运动实现的。由数控装置发指 令给步进电机驱动器，由步进电机驱动器控制两台步进电动机的正反转。 （3）冷却泵电动机 M4 的控制 当主轴电机 M1 启动后，数控装置系统发出指令，冷却泵电动机才能起动。当 M1 停 止运行时，电动机 M4 自动停止。 （4）报警灯和警铃的控制 当 M1，M2，M3，M4 电动机电路中相应热继电器断开时，数控装置输出信号控制相应 的报警灯亮，警铃响起。直到热继电器复位，报警灯熄灭，警铃不响78。 3.3 本章小结本章小结 本章设计了改造后机床的主电路图和控制电路图，介绍了主电路的主电路中的电气 元件和主电路的工作原理，叙述了控制电路控制主电路的流程。 CA6140 机床数控化改造设计 11 4 CA6140 车床数控化改造的数控系统车床数控化改造的数控系统 本章概述：本章内容主要选择了数控系统控制的方式，并选择了合适的数控系统， 合适的变频器。分配了数控系统中的输入输出点，并用 STEP 7 软件编写了梯形图。 数控系统或数控装置编译事先自动读入载体的数字值，从而控制机床的动作，进行 对零件的加工。图 4.1 是数控机床的主要结构图，由机床主机、驱动装置、辅助装置、 CNC 装置和编程装置等组成。 图4.1 数控机床的主要结构 无锡太湖学院学士学位论文 12 4.1 数控改造的控制方式选择数控改造的控制方式选择 数控改造的控制方式按伺服驱动方式基本上分为开环控制、半闭环控制和闭环控制 三种类型。 （1）步进电机驱动的开环数控系统：开环数控系统的主要伺服驱动装置是步进电机、 功率步进电机等。从数控系统发出的进给指令，通过控制电路后，步进电机开始转动， 执行部件由滚珠丝杠驱动。只要控制指令，执行部件运动的位移量、速度和运动方向就 可以得到控制。因为该系统的输入端不会接收到测得的实际位置和速度反馈，所以这种 系统被称为开环系统，该系统的位移精度由步进电动机的角位移精度、丝杠等传动元件 的节距或者导程精度决定，因此系统的位移精度相对较低。但是这个系统具有调试简单， 结构易懂，工作稳定，维修方便，容易改装成功，成本低廉的优点。 （2）交直流伺服电机驱动，光栅测量反馈的闭环数控系统：该系统与开环系统具 有以下区别：实际位置由位置检测装置测得并发送反馈信号，随时将给定值与测得值进 行比较，放大和变换两者的差值，驱动执行机构，向着消除偏差的方向以给定的速度运 动，当给定位置与反馈的实际位置的差值等于零时停止。闭环进给系统在结构上比开环 进给系统要复杂，成本也相对贵，并且严格要求了环境室温。设计和调试都比开环系统 难。但是与此同时得到的是比开环进给系统更高的精度，更快的速度，更大的驱动功率。 （3）交直流伺服电机驱动，编码器反馈的半闭环数控系统：检测元件安装在半闭 环系统的中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部分元件的 误差。所以，虽然它的结构与调试都比闭环系统相对简单，但它的精度比闭环系统的精 度低。 本课题决定采用开环数控系统。因为开环数控系统既便宜又易改造，同时也能满足 改造后的性能要求9。 4.2 数控系统的选择数控系统的选择 依据机床数控化改造后车床所要达到的精度、性能等，选择性价比高的，合适的数 控系统，要考虑原车床的精度和改造的成本、周期、难易程度等各方面因素来避免选择 的数控系统性能过剩。在我国，虽然经济型数控系统生产厂家众多，而且价格上占有优 势，但性能和稳定性不是那么理想，所以本课题决定采用国外的数控系统。最终决定采 用西门子 SINUMERIK 802D 数控系统。 西门子数控系统 SINUMERIK 802D 是一种将数控系统（NC，PLC，HMI）和驱动控 制系统的所有部件集成在一起的操作控制系统。全数控键盘（垂直型或水平型）可直接 连接。 （1）结构简单、体积小、可靠性高，系统软件功能比较完善： （2）有免维护性能的 SINUMERIK802D，PCU (面板控制单元)是该数控系统的核心 部件，它将 CNC、PLC、人机界面和通讯等功能集成于一体。可靠性高、易于安装； （3）SINUMERIK802D 能控制 4 个进给轴和一个数字或模拟主轴。通过生产现场总 线 PROFIBUS 将驱动器、输入输出模块连接起来； （4）SINUMERIK802D 集成了内置 PLC 系统，可对机床采取逻辑控制。其控制逻辑 CA6140 机床数控化改造设计 13 设计使用标准的 PLC 的编程语言 Micro/WIN，并且为了简化制造厂设计过程以及缩短设 计周期，它随机提供标准的 PLC 子程序库和实例程序。 西门子 SINUMERIK 802D 数控系统采用标准的 S7 200PLC。S7 200 系列 PLC 可以满 足多种多样的自动化控制的需要。S7 200 具有设计紧凑、扩展性上佳、价格便宜以及强 大的指令系统等优点，所以它基本能完美地满足小规模的控制要求。另外，因为具有多 种 CPU 类型和电压等级，所以它在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性和 可选择性。 4.3 PLC 输入输入/输出输出 4.3.1 输入接口输入接口 输入接口接收和采集两种类的输入信号，一种是按钮、行程开关、继电器触头等开 关量的输入信号；另一种是电位器、测速发电机和各种变频器提供的连续变化的模拟量 输入信号。 4.3.2 输出接口输出接口 输出接口电路输出控制信号给各个执行元件。接触器、电磁阀、调节阀（模拟量） 、 指示灯和报警装置等是常用执行元件。通常由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成 输出接口电路，与输入接口电路相像，光电耦合器在输出接口电路和内部电路之间抗干 扰电隔离。 通常，集成在芯片上的输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路组成微电脑 输出接口电路，输出信号由 CPU 经数据总线传输到输出数据寄存器中。 4.3.3 电源电源 PLC 的电源作为支撑整个 PLC 的能源输出部分，它能将由外部输入的交流电变为 CPU、存储器等所需的直流电。PLC 电源甚至能供给外部 24V 直流稳压电源，供电给输 入接口上的电气元件，所以外围配置上可以不用设置电源，起到简化整体结构的作用。 4.3.4 输入输入/输出（输出（I/O）点的统计）点的统计 改造后的车床自动运行时，主轴的正反转和变速，两个方向进给系统的前进，后退， 限位动作都由 PLC 控制，控制这些动作的信号作为输入信号。而 PLC 传达给控制各电动 机的接触器，变频器的信号将作为输出信号。根据要求，清算出 PLC 上所需要的输入/输 出点数。 表 4-1 I/O 端口统计表 输入/输出类型输入点数输出点数 信号类型按钮限位开关热继电器变频器驱动器接触器 数量1043347 统计1714 总计31 由上表得出结论：PLC 需输入点数 17 个，输出点数 14 个。再留些余量，上文所介 绍的西门子数控系统中的 S7 200PLC 能够使用。CPU226 型 S7 200PLC 具有 24 个输入端 口，16 个输出端口。 无锡太湖学院学士学位论文 14 表 4-2 I/O 分配表 输入信号输出信号 停止按钮I0.0变频器运行频率选择Q0.0 主轴停止按钮I0.1变频器运行频率选择Q0.1 主轴正转按钮I0.2变频器控制正反转Q0.2 主轴反转按钮I0.3向纵向进给电机输出高速脉冲Q0.3 纵向进给系统电机停止按钮I0.4驱动器控制纵向进给系统正反转Q0.4 表 4-2 续 I/O 分配表 纵向进给系统电机正转按钮I0.5向横向进给电机输出高速脉冲Q0.5 纵向进给系统电机反转按钮I0.6驱动器控制横向进给系统正反转Q0.6 横向进给系统电机停止按钮I0.7冷却泵电动机启动线圈Q0.7 横向进给系统电机正转按钮I1.0M1 电动机报警灯Q1.0 横向进给系统电机反转按钮I1.1M1 电动机报警铃Q1.1 纵向进给系统正转限位开关I1.2M2 电动机报警灯Q1.2 纵向进给系统反转限位开关I1.3M2 电动机报警铃Q1.3 横向进给系统正转限位开关I1.4M3 电动机报警灯Q1.4 横向进给系统反向限位开关I1.5M3 电动机报警铃Q1.5 热继电器 FR1 I1.6 热继电器 FR2I1.7 热继电器 FR3I2.0 CA6140 机床数控化改造设计 15 根据表 4-2 可以画出相应的 I/O 接线图，具体见图 4.2。 图 4.2 I/O 接线图 4.4 主拖动系统变频调速改造主拖动系统变频调速改造 4.4.1 CA6140 车床主拖动系统车床主拖动系统 CA6140 车床是由齿轮箱来传动和调速的。该车床具有以下特性： （1）恒功率性质 当齿轮箱速度变化时，转速和转矩成反比，体现出恒功率的性质。 所以对同一切削用量而言，电动机的输出功率是不变的。如忽略齿轮箱的功率损耗不计， 则在全调速范围内，都具有恒功率的特点。 无锡太湖学院学士学位论文 16 （2）低速时过载能力强 在主拖动系统以较低的速度运动时，通过降速后，最大负 载转矩远远比拖动系统的额定转矩低。所以它过载的能力在很多情况下都很优异。 4.4.2 主轴变频控制的基本原理主轴变频控制的基本原理 由异步电机理论可知,主轴电机的转速公式为: 1 60 (1) f n ps (4.1) 式中： 电动机的极对数；p 转差率；s 供电电源的频率 1 f 从式(4.1)可知，异步电动机调速方法可分为以下三大类： （1）变极调速方法 变极调速方法是改变电动机的磁极对数来进行速度调整，而改变电动机的磁极对数 是通过改变定子绕组的接线方式来改变的，而变极调速的缺点有以下几个主要方面。 一套绕组不管如何变化，最多只能有两种磁极对数的变数，而一台电动机最多也 只能存在两套绕组，所以 4 档速度的变数已经是极限。 不管是在 Y 型接法或者是星型接法下运行，工作效率都将下降。 因为不同磁极对数的“临界转矩”不一样，所以带负载能力也不一致。 调速必须变换绕组接法方式才能进行，因此具有繁琐的控制电路。 （2）变转差率调速方法 实现变转差率调速是要使电动机转子电路的相关参数发生变化，这种方法只能运用 在绕线式异步电动机。常用的有调压调速、串级调速、转子串电组调速和电磁转差离合 器调速。这种调速的缺点主要有以下几个方面。 因为调速电阻在外部，为了使转子电路和调速电阻之间建立联系，绕线式异步电 动机在结构上加入了电刷和滑环等易损坏环节，故障率提高了。 调速电阻消耗的电能较多。 转速的档位不多。 调速后的机械特性不够理想。 （3）变频调速方法 变频调速是改变电动机定子电源的频率来实现调速的方法。一般是对笼型异步电动 机采用变频器进行调速，具有宽广的调速范围，较高的运行效率，较好的静态稳定性， 使用方便可靠，显著的经济效益等优点。 为了使改造后的机床调速控制系统拥有得良好的控制性能，综合上面所述的几种调 速控制方式，权衡各种调速控制方案的优劣，最终选择了 PLC 与变频器相结合的变频调 速控制方案9。 4.4.3 变频器的选用变频器的选用 伴随电力电子技术、计算机控制技术和自动化控制技术的前进步伐，变频器制造技 术有了飞跃式的进步，以变频器为核心的交流电机调速已广泛应用于各种领域，在工业 CA6140 机床数控化改造设计 17 自动化领域，交流电机调速已经取代传统的直流调系统，而且技术经济指标得以飞跃性 得提高。由变频器控制用电比较厉害的风机、泵类等设备，可以使很多电能得以节省下 来；将变频器技术使用在各个领域都有重要地位的机械制造业中，可以让电气自动化技 术与机械制造技术相结合，使得传统机械行业能再度腾飞；此外，在化纤、纺织塑料、 化学、轻工等工业领域，应用变频器技术。产品产量和品质的提升依仗于自动化制造水 平的发展，作为典型自动化产品变频器在工业制造、交通等领域占有重要地位，而 像空调等家用电器上也正逐渐普及变频器的使用，这使得家用电器更省电、节能，也更 智能化、人性化。随着现代化的程度提高，变频器的应用会更加普及。 变频器的选用 在数控车床上所选用的变频器除要考虑正常的调速范围、负载状况、启动转矩以外， 如何控制变频器也是一个重要方面。现如今，主要有标量控制和矢量控制两种控制方式 来控制主轴变频器。而标量控制有在较低频率时转矩不足、速度不稳定等缺点，所以已 经很少在数控车床主轴上使用；为了让鼠笼式异步电动机能有直流电动机般的稳定运行 能力和方便的操控性，用矢量控制方式控制变频器，使变频器产生足量的转矩来维持电 动机预先制定好的磁通量。它具有优异的控制特性，能适应高速场合的调速(调速范围 1:100)，还可进行转矩控制。所以矢量控制的变频器正在逐渐推广应用。目前，西门子、 东芝、LG、日立、三菱等厂家都有成熟的产品，可供各制造厂家选择使用10。 本课题选用西门子变频器，具体型号为 MM420。 4.5 梯形图编程梯形图编程 STEP 7-Micro/WIN32编程软件是S7 200系列PLC使用的编程软件，运行在32位 Windows操作系统下。它功能强大，为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好 的编程环境。所以在开发过程中西门子S7 200具有不可替代的地位。 STEP 7-Micro/WIN32能协助用户完成开发软件的任务，如用户程序的新建，原有用 户程序的改编。PLC的参数等也能通过设置软件来实现。编辑过程中还具有简单语法检查、 用户程序的文档管理、加密和在线帮助等功能。在编程进行的时候，有些语法或者数据 类型错误能够被语法检测功能识别出来。为了提醒用户编写程序过程中的一些基本错误， 在程序中，错误的下方会出现红色曲线（数据类型错误） 。 编程人员利用STEP 7-Micro/WIN32编程软件要做的最基本的工作是编辑和修改控制 程序。作为一款具有相对强大编辑能力的软件，其不仅能够变极梯形图，而且还能编辑 语句表以及功能块图。 下面用STEP 7编写PLC梯形图，改造后的车床的具体动作流程见下图4.3： 无锡太湖学院学士学位论文 18 图 4.3 改造后机床总流程图 （1）主轴电机正反转 主轴电动机正反转通过 PLC 控制变频器实现。只要预先在变频器相应端口设置好参 数，用 PLC 控制这个端口启动和停止，就能实现电动机的正反转。具体参数可见表 4-3。 （2）主轴电动机正反转时的变频调速 变频器数字输入 5、6 端口通过 P0701、P0702 参数设为三段固定频率控制端，每一 频段的频率可分别由 P1001、P1002 和 P1003 参数设置。变频器数字输入 7 端口设为电动 机运行、停止、正反转控制端，可由 P0703 参数设置。 当 PLC 收到输入点 I0.5 的信号时，电动机以 10HZ 的频率正转，延时 20S 后又以 20HZ 的频率正向运行，再延时 10s 后电动机以 50Hz 的频率正向运行；当 PLC 收到输入 点 I0.6 的信号时，电动机以 10HZ 的频率反转，延时 20S 后以 20HZ 的频率继续反向运行， 再延时 10s 后电动机以 50Hz 的频率反向运行。 正转时调频变速：见图 4.4 CA6140 机床数控化改造设计 19 图 4.4 PLC 控制主轴电机正转时变频调速 反转时变频：见图 4.5 图 4.5(a) PLC 控制主轴电机正转时变频调速 无锡太湖学院学士学位论文 20 图 4.5(b) PLC 控制主轴电机正转时变频调速 表 4-3 变频器变速和正反转控制参数设置表 参数号设置值说明 P0701 P0702 P0703 P1001 P1002 P1003 17 17 1 2 10 20 50 选择固定频率 选择固定频率 ON 接通正转，OFF 停止 ON 接通正转，OFF 停止 设置固定频率 1（Hz） 设置固定频率 2（Hz） 设置固定频率 3（Hz） （3）进给系统电机的正反转 （只介绍电动机 M2） 电动机的可逆运行方向的切换是通过数控装置输出相应信号给步进电动机驱动器来 实现的。 具体见下图4.6 图4.6(a) PLC控制纵向步进电机正反转 CA6140 机床数控化改造设计 21 图4.6(b) PLC控制纵向步进电机正反转 无锡太湖学院学士学位论文 22 图4.6(c) PLC控制纵向步进电机正反转 4.6 本章小结本章小结 本章论述了 SINUMERIK 802D 数控系统特点，选择了合适的变频器，统计了所需的 I/O 点数，并据此设计了 PLC I/O 接线图，给出了 I/O 分配表，写出了 PLC 梯形图。 CA6140 机床数控化改造设计 23 5 进给系统的改造设计进给系统的改造设计 本章概述：本章分别对两个方向的进给系统进行了设计与计算，并根据计算结果选 出相应的滚珠丝杠和步进电机。 5.1 纵向（纵向（Z 向）进给系统的设计与计算向）进给系统的设计与计算 5.1.1 纵车外圆切削力的计算纵车外圆切削力的计算 按原车床主电机的功率计算主切削力 33 1010 cm z cc PPK F VV (5.1) 式中 主电机功率，5.5kw； m P 切削功率，kw； c P 主传