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1、CA6140 型普通车床数控化改造 袁剑梅（陕理工机械工程学院机械制造及其自动化专业机自专062班，陕西 汉中723003）摘 要以 C6140 型普通车床为例，从机械和电气方面详细阐述了数控化改造的方法。改造后的车床投入使用后运行稳定，加工精度明显提高，取得了极大的经济效益。关键词 普通车床；数控化改造；SINUMERIK802S base line Numerical Control Transformation of C6140 Common Lathe Yuan Jianmei（Grade 06,Class 2,Major machine design manufacture and
2、autormation，School of Mechanical Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shaanxi）Tutor:Chen Jiangang Abstract：Takes CA6140 type common lathe as an example,has explained the NC transformation method from machinery and electric two respects in detail.After transforming,the new lat
3、he runs steadily,the machining accuracy is obviously improved,has made the great technological economic benefits.Key words：common lathe;NC transformation;SINUMERIK802S base line目 录 引 言.第一章 概述.第二章?总体方案的设计.2.1 设计任务.2.2 总体方案的论证.2.3 总体方案的确定.2.4 数控系统的选择.第三章 机械部分改造.3.1 机械传动方式.3.2 数控机床进给伺服系统的设计计算.3.2.1 选择脉
4、冲当量:.3.2.2 算切削力:.3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型横向进给丝杠:.3.3.1 计算进给牵引力 Fm(N).3.3.2 计算最大动负载 C：.3.3.3 选择滚珠丝杠螺母副：.3.3.4 传动效率计算：.3.3.5 刚度验算.3.3.6 校核.3.4 齿轮传动比计算：.3.5 步进电机的计算和选型：.3.5.1 等效转动惯量计算：.3.5.2 电机力矩的计算机：.3.5.3 步进电机空载启动频率和切削时的工作频率：.3.6 纵向进给系统.3.6.1 设计参数.3.6.2 齿轮传动比计算.3.6.3 滚珠丝杠的计算及选择.3.6.4 校核.3.7 机械部分改造.3.8 主轴脉冲编
5、码器的安装.第四章 数控系统选择.4.1 西门子数控系统的优点.4.2 数控连线图.4.3 步进电动机的控制.4.3.1 步进电动机的开环控制.4.3.2 步进电动机传动控制.4.3.3 步进电动机的 PLC 传动控制.4.4 PLC 数控系统需解决的问题.4.5 PLC 输入、输出（I/O）点数确定.4.6 驱动程序（梯形图）设计.4.6.1 总程序结构设计.4.6.2 手动程序梯形图设计.4.7 电气部分改造.结 论.致 谢.参考文献.引 言 制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能
6、力及机械制造装备的竞争。随着机械制造生产模式的演变,对机械制造装备提出了不同的要求.在 50 年代“刚性”生产模式下，通过提高效率，自动化程度,进行单一或少品种的大批量生产，以“规模经济”实现降低成本和提高质量的目的。从 90 年代开始，为了对世界生产进行快速响应，逐步实现社会制造资源的快速集成，要求机械制造装备的柔性化程度更高,采用拟实制造和快速成形制造技术1。工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备
7、中的比重还非常低，导致“刚性”强,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“一个工人，一把刀，一台机床”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重1。通过这次毕业设计，可以达到以下目的：1，培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力；2，强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力；3，使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机、使用文献资和手册
8、、文字表达等各方面的能力；4，培养正确的设计思想和工程经济观点，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。第一章 概述 数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批及多变零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，但是数控机床的应用也受到其他条件的限制。首先，数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有余而力不足；目前，各企业都有大量的普通机床。完全用数控机床替换根本不可能，而且被替代下的机床闲置起来又会造成浪费；在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；要较好地解决上述问题，应走普通机床数控改造之路。低成本普通车床数控化改造是一项适合我
9、国实际情况的先进适用技术，也是一项提升我国机床数控化率的有效途径。在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。1.1 机床数控化改造的必要性 从提高资本效率出发，改造闲置设备，能发挥机床的原有功能和改造后的新增功能，从而提高机床的使用价值；适用于多品种、小批量零件生产；数控改造费用低，减少了投资额，经济性好。数控改造费用仅为新购一台数控机床的1525，同购置新机床相比，一般可以节省7585的费用。力学性能稳定可靠，结构受限。所利用的床身、立柱等基
10、础件都是重而坚固的铸造，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，应此数控化改造使原有的机械结构更为简单；熟悉了解设备、便于操作维修，降低了操作者的技术要求，更易提高管理水平；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地基；可以采用最新的控制技术；交货期短，可满足生产急需。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。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计
11、算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先驱。数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。?1.2 普通机床数控改造的主要优点 1.适应性强，适合加工单件
12、或小批量的复杂工件；?在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。?2.加工精度高；?3.生产效率高；?4.减轻劳动强度，改善劳动条件；?5.良好的经济效益；?6.有利于生产管理的现代化。?数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。?我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的 1/10 左右，差
13、距太大，急待改造。?旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。?随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC 技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。?1984 年，我
14、国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。第二章?总体方案的设计 2.1 设计任务?本设计任务是对 CA6140 普通车床工作台进行数控改造 熟悉普通车床 6140 的工作台基本传动机构（横向和纵向）。利用微型计算机改造现有的普通车床，主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给和手动控制的刀架转位，进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给的自动加工机床，即经济型数控车床。利用 PLC 对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（Z 向）脉冲当量为 0.
15、01mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为 0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。2.2 总体方案的论证 对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。?（1）数控系统运动方式的确定?：数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。由于要求 CA6140 车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。?（2）伺服进给系统的改造设计：数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。?因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好
16、、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。?（3）数控系统的硬件电路设计?：任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。2.3 总体方案的确定?经总体设计方案的论证后，数控化改造设计时,在满足车床总体布局的前提下要尽可能利用原来的零部件,因此确定总体改造方案如下：(1)拆除原车床的纵向和横向丝杠及光杠、溜板箱及挂轮箱中的齿轮，用滚珠丝杠替换原有普通滑动丝杠，将选取的纵向滚珠丝杠副通过托架安装在原溜板箱与床鞍连接的部位上，纵横向滚珠丝杠两端尽可能利用原固定和支承方式。为便
17、于安装滚珠丝杠副，丝杠采用分体式，用套筒联轴器实刚性联接；(2)横向驱动电机及齿轮减速器安装在床鞍的后部(相对操作者)，纵向驱动电机及齿轮减速 装置安装在机床的右端，靠近尾座的位置；(3)要实现自动换刀，需拆除原手动刀架，在小拖板上安装数控转位刀架；(4)为了使改造后的车床能够加工螺纹，需要加装主轴脉冲编码器，以实现对主轴转速的同步检测，编码器安装在挂轮箱内；(5)为使加工过程中不超程，纵横向要安装行程限位开关；(6)为实现回参考点的动作，必须在纵横向安装接近开关；(7)纵、横向齿轮箱和丝杠全部加防护罩，以防脏物、油污和切屑等进入，机床整体也要加装防护罩，以防止加工过程中的切屑飞溅伤人；(8)
18、考虑到改造的成本，尽可能采用可靠性高的经济型数控系统。图 1为总体改造示意图 图1 总体改造示意图 1.横向滚珠丝杠副 2.横向电机 3.横向减速器 4.尾座 5.纵向 减速器 6.纵向电机 7.支架 8.纵向滚珠丝杠副 9.数控转位刀 架 10.主轴脉冲编码器 2.4 数控系统的选择 选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、各种性能等选择性价比合适的系统,避免系统功能过剩,同时考虑到原车床的精度和改造成本、周期和难易程度等各方面因素,决定采用步进电机作为驱动元件、开环控制的经济型数控系统。SINUMERIK 802S base line 是西门子公司专门为中国数控机床市场开发
19、的经济型CNC 控制系统。其结构紧凑,具有高度集成于一体的数控单元、机床操作面板和输入输出单元,机床调试配置数据少,容易改造成功。最终决定采用西门子经济型数控系统SINUMERIK 802S base line。第三章 机械部分改造 3.1 机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也采用消除齿侧间隙的结构。横向进给系统改造 横向滚珠丝杠也采用一端固定，一端浮动，三点支承的形式，也通过双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，如图5 所
20、示。横向步进电机1 及减速器2 安装在床鞍的后部。靠近操作者一端，布置一根支撑短轴11，通过套筒联轴器10 与滚珠丝杠7 连接起来。右端仍利用原支承横向进给丝杠的滑动轴承支座作为径向支承，并对原支承处作适当改造，布置一对推力球轴承12,以承受双向轴向力。左端则将原车床的悬空结构改为支承结构，用一个联轴套4 和一根连接短轴6 把滚珠丝杠7 与减速器输出轴3 连接起来，并通过一对圆螺母5 实现对整个丝杠的预拉伸和锁紧，以提高其轴向刚度。螺母通过螺母座9 直接固定在中拖板8 上。3.2 数控机床进给伺服系统的设计计算 3.2.1 选择脉冲当量:根据机床精度要求选择脉冲当量，纵向：0.01/mm 步，
21、横向：0.005/mm 步。3.2.2 算切削力:纵车外圆时主切削力Fz（N）按经验公式估算：Fz=0.67Dmax5.1=0.674005.1=5360N 横切端面时主切削力Fz（N）可取纵向主切削力的1/2：Fz=0.5Fz=2680N 按切削力各分力比例：Fz：Fy：Fx=1：0.25：0.4 Fx=26800.4=1072；Fy=26800.25=670N；3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型横向进给丝杠:3.3.1 计算进给牵引力Fm(N)横向导轨为燕尾形，计算：Fm=1.4Fy+F（Fz+2Fx+G）其中：F为滑动导轨摩擦系数：0.15-0.18取0.16 G为溜板及刀架重力：G=6
22、00N Fm=1.4670+0.16（2860+21072+600）1806（N）3.3.2 计算最大动负载C：C=3LfwFm，其中：L=61060Tn；n=01000LVs 以上式中：L0为滚珠丝杠导程，初选：L0=5mm；Vs为最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的：1/2-1/3，取1/2；fw为运转系数，按一般运转取：fw=1.2-1.5；取1.3；L为寿命，106转为41单位。n=01000LVs=55.03.01000=30 L=61060Tn=610150003060=27 C=3LfwFm=704318063.1273N 3.3.3 选择滚珠丝杠螺母副：根据机械设计师手册
23、（机械工业出版社出版发行）第一版 上册，CDM 2005-2.5外循环管式垫片预紧导珠管埋入型滚珠丝杠副的额定动载荷为8541N可满足要求，选定精度为3 级 3.3.4 传动效率计算：10334334tgtgtgtg=0.965 式中：螺旋升角（CDM 2005-2.5），334 摩擦角，10 3.3.5 刚度验算 3.6.4 校核 （1）临界压缩负荷 轴向固定的长丝杠在承受压缩负荷时，应验算其压杆稳定性。临界压缩负荷按公式(3.7)(3.8)计算：丝杠螺纹部分长度650 12540815uLmm，取 850uLmm 支承跨距 11000Lmm，丝杠全长 1100Lmm 可见crF远大于max
24、F，临界压缩负荷满足要求。（2）临界转速 由公式(3.9)取 11cLLm，满足要求。（3）丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率 由公式(3.10)(3.11)(3.12)：已知：轴承的接触刚度760/BKNm，丝杠螺母的接触刚度556.25/CKNm，丝杠的最小拉压刚度min102.5/sKNm（见后面计算）。螺母座刚度1000/HKNm。丝杠系统轴向拉压振动的固有频率：显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min，能满足要求。（4）丝杠扭转刚度 丝杠的扭转刚度由公式(3.13)计算：由文献7,8得：平移物体的转动惯量为 丝杠转动惯量：扭转振动的固有频率按公式(3.14)计算:显然，
25、丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min，可以满足要求。（5）传动精度计算 导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L 值分别为 650mm 和 100mm。由公式(3.15)，最大与最小机械传动刚度：最大和最小机械传动刚度：由于机械传动装置引起的定位误差据公式(3.16)对于 3 级滚珠丝杠，其任意 300mm 导程公差为 12 m，机床定位精度0.024/300mmmm，所以，24 1/54.8km，可以满足由于传动刚度变化所引起的定位误差小于（1/3:1/5）机床定位精度的要求。再加上闭环反馈系统的补偿，定位精度能进一步提高。（6）伺服电机计算 扭矩的计算 1)理论动
26、态预紧转矩 查表知 3 级滚珠丝杠 0.9，而 max/31335.6/3445.2()PFFN mg 由公式(3.17)230(/2)(1)/10PPhTF P 2)最大动态摩擦力矩 对于 3 级滚珠丝杠，40%P，由式(3.18)3)驱动最大负载所耗转矩 由公式(3.19)3max10/2ahTFP 4)支承轴承所需启动扭矩 查轴承表：对于20的轴承，其10.15bTN mg，则 120.150.150.3BbbTTTN mg。5)驱动滚珠丝杠副所需扭矩 6)电机的额定扭矩（7）电机的选择 根据以上计算的扭矩及文献12，选择电机型号为 SIEMENS 的 IFT5066，其额定转矩为6.7
27、N mg。3.7 机械部分改造(1)横向进给系统改造 横向滚珠丝杠也采用一端固定，一端浮动，三点支承的形式，也通过双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，如图5 所示。横向步进电机1 及减速器2 安装在床鞍的后部。靠近操作者一端，布置一根支撑短轴11，通过套筒联轴器10 与滚珠丝杠7 连接起来。右端仍利用原支承横向进给丝杠的滑动轴承支座作为径向支承，并对原支承处作适当改造，布置一对推力球轴承12,以承受双向轴向力。左端则将原车床的悬空结构改为支承结构，用一个联轴套4 和一根连接短轴6 把滚珠丝杠7 与减速器输出轴3 连接起来，并通过一对圆螺母5 实现对整个丝杠的预拉伸和锁紧，以提高其轴向刚度
28、。螺母通过螺母座9 直接固定在中拖板8 上。(2)纵向进给系统改造：纵向进给传动系统的改造如图2 所示。纵向步进电机1 通过一对减速齿轮2 把动力传递给纵向滚珠丝杠3,再由滚珠丝杠螺母副拖动工作台4 做往复移动。原车床的进给箱保留,滚珠丝杠左端仍然采用原固定支承结构，支撑轴6 通过套筒联轴器5与滚珠丝杠相连，这种联轴器用2 个互相垂直的锥销将支撑轴与丝杠联接起来，结构简单，径向尺寸小,可防止被连接轴的位移和偏斜带来的装配困难和附加应力。如图3 所示,滚珠丝杠右端仍利用原有的滑动轴承承座4,通过一对深沟球轴承1 实现径向支承，丝杠左端通过一对圆螺母(图中未画出)实现滚珠丝杠的预拉伸和锁紧。因此纵
29、向滚珠丝杠的支承形式为一端固定，一端浮动,三点支承。滚珠丝杠采用双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，调整方便。步进电机通过消隙齿轮2 减速，减速器输出轴用套筒联轴器6 与丝杠3(见图2)联接，固定销3 防止减速器转动。3.8 主轴脉冲编码器的安装 为了使改造后的车床能自动加工螺纹,必须配置主轴脉冲编码器作为车床主轴位置信号的反馈元件,其目的是用来检测主轴转角的位置,通过主轴脉冲编码器数控系统步进电机的信息转换系统,实现主轴转一转,刀架纵向移动一个导程的车螺纹运动。主轴脉冲编码器的安装,通常采用2 种方式:同轴安装;异轴安装。同轴安装的结构简单,缺点是安装后不能加工穿出车床主轴孔的零件,限
30、制了零件的加工长度,因此,宜采用异轴安装。主轴通过主轴箱中58P58 和33P33 两级齿轮(实现传动比1:1)把动力传递给挂轮轴X,主轴编码器1 通过支架2 固定,并通过联轴器3 与闷头4 相连,闷头4通过过盈配合与主轴箱内轴X连接,如图6 所示 第四章 数控系统选择 4.1 西门子数控系统的优点 西门子数控系统具有优越的性能，设计中选择 SINUMERIK 802D 型号。其控制器：具有免维护性能的 SINUMERIK 802D，其核心部件-PCU（面板控制单元）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；SINUMERIK802D 可控制4 个进给轴和一个数字或
31、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；模块化的驱动装置 SIMODRIVE611Ue 配套 1FK6 系列伺服电机，为机床提供了全数字化的动力。通过视窗化的调试工具软件，可以便捷地设置驱动参数，并对驱动器的控制参数进行动态优化；SINUMERIK802D 集成了内置 PLC 系统，对机床进行逻辑控制。采用标准的 PLC的编程语言 Micro/WIN 进行控制逻辑设计。并且随机提供标准的 PLC 子程序库和实例程序，简化了制造厂设计过程，缩短了设计周期。CNC 功能：控制车床、钻铣床；可控制 4 个进给轴和一个数字或模拟主轴；三轴联动，具有直线插补、平面圆
32、弧插补、螺旋线插补、空间圆弧（CIP）插补等控制方式；螺纹加工、变距螺纹加工；旋转轴控制；端面和柱面坐标转换（C 轴功能）；前馈控制、加速度突变限制；程序预读可达 35 段；刀具寿命监控；主轴准停，刚性攻丝、恒线速切削；FRAME 功能（坐标的平移、旋转、镜象、缩放）操作单元：单色 10.4 TFT 显示器，彩色为选件；全功能数控键盘具有水平安装方式，和垂直安装方式；标准机床控制面板（选件）；三个手轮接口；RS232 串行接口；生产现场总线接口；标准键盘接口；PC 卡插槽（用于数据备份和批量生产）操作与显示：带有 8 个水平软键和 8 个垂直软键的直观操作；对刀及刀具测量，工件坐标系测量，基本
33、坐标偏移；MDA 方式端面加工；程序段搜索运行；坐标轴锁定、快速空运行；后台编程；加工外部程序（通过串行接口）；示波器、袖珍计算器、和工件计数器；两种语言在线切换；16 种语言可选择安装；在线公英制切换；机床坐标系、工件坐标系、和相对坐标系显示；加工轨迹实时显示（可辨认快速和加工轨迹）；在线帮助；有效 G 功能和 M 功能显示；坐标位置、余程以及各轴速度显示 零件编程：标准 G 代码编程（DIN66025）和西门子高级语言编程；ISO 标准编程；车削、铣削工艺循环编程；蓝图编程；极坐标编程；程序存储器容量达 340K 字节 PLC：采用标准的 S7-200 编程语言 Micro/WIN；梯图编
34、程；梯图在线显示；PLC 远程诊断；完全汉化的 PLC 编程工具随机提供；随机提供 PLC 子程序和用于车床铣床的 PLC 应用程序实例；PLC 的处理速度是 6000 步/24 毫秒；40 个定时器，32 个计数器；数字输入输出为144/96。4.2 数控连线图 其连线图如图 2.1 所示。图 2.1 数控系统连线 4.3 步进电动机的控制 步进电动机的工作过程一般由控制器控制，控制器按照设计者的要求完成的一定控制过程，按照要求的规律驱动电动机运行。简单的控制过程可以用各种逻辑电路来实现，但其缺点是线路复杂，控制方案改变困难；自从微处理器问世以来，给步进电动机控制器设计开辟新的途径。各种单片
35、机的迅猛发展和普及应用，为设计功能很强而价格低廉的步进电动机控制器提供了先进的技术。4.3.1 步进电动机的开环控制 使用微机对步进电动机进行控制有串行和并行两种方式。1、串行控制 具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱动电源之间具有较少的连线。这种系统中，驱动电源必须含有环行分配器。这种控制方式的功能框图如图 325 所示。图 325 串行控制功能框图 2、开环控制 用微机系统的数条端口线直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制。在电动机电源内，不包括环形分配器，而其功能必须由微机系统完成。由系统是想脉冲分配器的功能又有两种方法:一种是软件法，即全用编程来实现相序的分配，直接输
36、出各相导通或截止的控制信号，主要有寄存器移位法和查表法；第二种是软件、硬件结合的方法，有专门设计的编程器接口，计算机相接口输出简单形式的代码数据，而接口输出的是电动机各相导通或截止的控制信号。并控 制方案的功能框图如图 326 所示。326 并行控制功能框图 3、步进电动机速度控制 控制电动机的运行速度，实际上就是控制系统发出的脉冲频率或者换相的周期。系统可用两种方法来确定脉冲的周期：一种是软件延时，另一种是用定时器。软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法实现的，它占用 CPU 时间；定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实现的。4、步进电动机的加减速控制 对于步进电动机的点一位控制系统，
37、从起点至终点的运行速度都有一定要求。如果要求运行的速度小于系统极限起动频率，则系统可以按要求的速度直接起动，运行至终点后可直接停发脉冲串而令其停止。系统在这样的运行方式下速度可认为是恒定的。但在一般的情况下：系统的极限起动频率是比较低的，而要求的运行速度往往很高。如果系统以要求的速度直接起动，因为该速度已经超过极限起动频率而不能正常起动，可能发生丢步或根本不能运行起来之后，如果到达终点时突然停发脉冲串，令其立即停止，则因为系统的惯性原因，会发生冲过终点的现象，使点一位控制发生偏差。因此在点一位控制过程中，运行速度都需要有一个“加速一恒速一减速一低恒速一停止”的加减速过程，如图 327 所示。各
38、种系统在工作过程中，都要求加减速过程时间尽量短，而恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点至终点运行的时间要求最短，这就必须要求加速、减速的过程最短，而恒速时的速度最高。升速规律一般可有两种选择：一是按照直线规律升速；二是按指数规 速时加速度为恒定，因此要求步进电动机产生的转矩为恒值。从电动机席 转速不是很高的范围内，输出的转矩将有所下降，如按指数规律升速，加速 电动机输出转矩随转速变化的规律。用微机对步进电动机进行加减速控制，实际上就是改变输出脉冲的盱冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐疏稀。微机用定时器中断方式来控锒就是不断改变定时器装载值的大小。一般用离散方法来逼近理想的升降；计
39、算装载值的时间，系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化宅运行中用查表方法查出所需的装载值，从而大大减少占用 CPU 时间，提高系统在执行升降速的控制过程中，对加减速的控制还需准备下列数圭|升速过程的总步数；恒速运行总步数；减速运行的总步数。对升降速过程的控制有很多种方法，软件编程也十分灵活，技巧很多。集成电路也可实现升降速控制，但缺点是实现起来较复杂且不灵活。4.3.2 步进电动机传动控制 在进给伺服系统中，步进电动机需要完成两项任务：一是传递转矩，它应克服机床工作台与导轨间的摩擦力及切削阻力等负载转矩，通过滚珠丝杠带动工作台，按指令要求快速进退或切削加工是传递信息，即根据指令要求精确定
40、位，接收一个脉冲，步进电动机就转过一个固定的角度，经过传动机构驱动工作台，使之按规定方向移动一个脉冲当量的距离。因此指令脉冲总数也就决定机床的总位移量，而指令脉冲频率决定了工作台的移动速度。每台步进电动机可驱动一个坐标的伺服机构，利用两个或三个坐标轴连动就能加工出一定形状来。图 333 所示为数控铣床工作原理框图。在这种开环数控机床中，由于计算机的速度精度都很高，完全能满足数控机床高速度、高精度的要求；因而数控机床的精度好坏和速度快慢完全取决于步进电动机的伺服系统性能。只要步进电动机伺服系统的选择及应用 图 333 数控铣床工作原理框图 得当，可以满足一般数控铣床速度和精度的要求。下面介绍步进
41、电动机伺服系笔 控立式升降台铣床中的应用实例。(1)机床的功能及主要参数 XK5040 数控立式铣床，适用于加工各种复杂曲线的凸轮、样板、靠模、弧形槽等平面或立体零件。1)机床主要参数 工作台尺寸(长宽)：1 600 400 工作行程：纵向(x 坐标)900 横向(y 坐标)400 垂向(z 坐标)300 主轴速度：400200 r/min，18 级 工作台进给速度：101200 mm/min 快速进给速度：1200mm/min 定位精度：x、y 坐标 0.02/300 z 坐标 003/300 系统精度：x、y 坐标 0.01 坐标 0.015 加工精度及表面粗糙度：O.05，Ra2.5 2
42、)数控部分主要参数 伺服控制方式：开环 控制坐标数：三坐标(同时控制坐标)插补原理及方式：逐步比较法及直线圆弧插补 数字记忆方式：增量法 脉冲当量：0005 mm/步 最大指令值：圆弧 2 500 turn/程序数 直线 5 000 ram/程序数 刀具位置补偿装置：刀具半径范围 0。50 眦 n 反向间隙补偿：0075mm 输入代码：ISO 制，8 位纸带 50 行/s 伺服驱动电动机：功率步进电动机 自动升降频时问：r：130 111s(2)伺服驱动系统特点 1)本机主要特点是 x、y、z 三坐标均采用功率步进电动机，经过两对齿轮减速器直接驱动进给丝杠。x、y 坐标各选用一台 160BF6
43、15 一 IOOD 型步进电动机；z 坐标选用一台 16BF61.5300D 型步进电动机。2)三坐标功率步进电动机均采用 300/12 V 高频晶闸管驱动电源，通电方式为三相六拍。该驱动电源采用单脉冲定能量驱动，切换能力强，重复工作频率高，并有较好的起动性能和带负载能力。3)铣床在自动升降频过程中，可以切削加工。为了保证刀具移动的实际轨迹与指令一致，必须使联动各坐标的升降频时间严格相等。一般均采用数字式升降频电路。本系统采用了固定时间常数的指令型升降频电路。系统电路图从略。(3)应用效果 禾进给系统采用功率步进电动机开环驱动，达到了设计标准。经过实测，加工的 100 的圆度公差在 0.04
44、以内，加反向间隙补偿后可控制在 002 0.03 范围内。表面粗糙度 Ra2.5。2)采用了手动快速和 r=130ms 的自动升降频电路，切削进给速度可达 1.2 m/min；快速进给可达到 2 m/min，达到了数控铣床速度要求。4.3.3 步进电动机的 PLC 传动控制 步进电动机的传动控制完全可以用 PLC 的应用技术来实现。如 36BF02 型反应式步进电动机,其电压为 27 V，每相静态电流为 0.5 A，采用三相六拍通电方式，可用第 2 章介绍的 F1 系列 PLC 实现其转速控制、正反转控制和步数控制。(1)接线图和控制程序梯形图 按照 PLC 应用的设计步骤，根据三相步进电动机
45、传动控制的实际需要，设计出 PLC 控制系统的实际接线图，如图 334 所示。设计的 PLC 梯形图程序如图 335 所示。图 334 三相步进电动机 PLC 传动控制接线图(2)电动机运行控制 将图3.35 所示的三 相 步 进 电动 机 传动 控制梯形图程序转换为指令字程序写入PLC主机并模拟动作运行成功后，即可接人步进电动机，合上SA带负载运行。1)转速控制。接通快速开关S1，再接通起动开关 SO。脉冲控制器产生周期为0.1S的 脉冲，使位移产生六拍时序脉冲。通过三相六拍环行分配器使三个输出继电器 照单双六拍的通电方式接通，其接通顺序在电动机正转时为：(0.1s)(0.1s)(0.1s)
46、(0.1s)(0.1s)(0.1s)Y430Y430.Y431 Y431 Y43l.Y432 Y432 Y432.Y430430Y 步进电动机绕组的通电顺序为：(0.1s)UV、U(0.1s)V(0.1s)V、W(0.1s)W(0.1s)W、V(0.1s)U 断开输入开关S0、S1，接通慢速 1 开关 s2 后，再接通起动开关 S0。脉冲控制器产生周期为 10s 的控制脉冲，输出继电器 Y430、Y431、Y432 接通顺序不变，但间隔时间增长为 1s，步进电动机转速减慢。断开输入开关 S2、S0，接通慢速 2 开关 s3 后，再接通起动开关 S0。脉冲控制器产生周期为 10s 出继电器 Y4
47、30、Y431、Y432 接通顺序不变，但间隔时间增长为 10 s，步进电动机转速更慢。图 335 三相步进电动机 PLC 传动控制梯形图程序 2)反转控制。断开输入开关 S3、SO；接通正反转开关 S4 后，再次重复上述快速、慢速 1、慢速 2、的三个输出继电器 Y430、Y431、Y432 的顺序为：Y431Y430、Y430Y430Y430、Y432Y432Y432、Y431Y431 步进电动机绕组的通电顺序为：VV、UUU、WWW、VV 该通电顺序与前面介绍的正转时通电顺序正好相反，它对应于步进电动机的反转运行。3）歩数控制 将全部输入开关断开，然后接通步数开关(若选择 10 步控制，
48、则接通 S7；若选择 100 步控制，则接通 S6)；再接通起动开关 S0，使移动寄存器的数据输入端接通。设转速控制选择为速度 1，则接通 S2，起动脉冲控制器产生周期为 1s 的控制脉冲；六拍时序脉冲分配器开始工作；计数器同时开始计数。当走完预定步数时，计数器动作，其动断接点断开移位寄存器的移位输入端，六拍时序脉冲、三相六拍环形分配器及正反转驱动停止工作,步进电动机停转，锁存在最后一步的位置上。改变 PLC 的控制程序，可实现步进电动机灵活多变的运行方式。4.4 PLC 数控系统需解决的问题 车床的操作过程比较复杂，而 PLC 一般只适用于动作的顺序控制。要将 PLC 用于控制车床动作，必须
49、解决三个问题：1）如何产生驱动伺服机构的信号及 X、Z 向动作的协调；2）车螺纹如何实现内联系传动及螺纹导程的变化；3）如何改变进给系统数度。将 PIC 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。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
50、，通过与电路接入 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 。4.5 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。4.6 驱动程序（梯形图）设计 4.6.1 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