21 可编程控制器技术(PLC) 企业案例：c620车床电气改造

一、硬件电路的设计1.普通车床的结构及转动原理普通车床的主要结构主要由床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、溜板与刀架、尾架、光杆和丝杆等部分组成。

如图1。

车床的运动包括切削运动和辅助运动。

切削运动主要有主运动和进给运动。

主运动是由主轴带动工件旋转的运动，消耗功率大。

进给运动是车刀的轴向直线运动，功率小。

主运动配合进给运动完成工件表面的成形运动。

其运动功能式为：W/CpZfXf/T。

运动功能图如图2。

2、电气控制系统的PLC改造PLC是20世纪70年代以来以微处理器为核心，综合计算机技术、自动化控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制。

PLC易于实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线控制。

因其有可靠性高，抗干扰性强，编程简易，功能完善，体积小，功耗低的特点被广泛应用于各个领域。

对普通车床电气控制系统的改造必需满足以下的要求：（1）原有的动作顺序及功能不变。

（2）各种联锁关系不变（3）增加应有的工作状态指示由于PLC的逻辑与顺序功能通继电器的工作原理相类似，因此PLC可以很好地替代电气控制系统的功能,满足以上三方面的要求。

普通车床结构原理简单，造价低廉，操作方便，目前仍然被极为广泛的应用于生产过程中。

目前普通车床的控制主要采用传统的继电器。

继电器系统的接线较为复杂，故障诊断排除比较困难，而且还存在触点的电弧烧伤、机械式的触点控制反映速度慢、功能单一、灵活性差。

但由于数控机床造价高，不易被广泛地应用于普通生产操作中。

因此通过对普通车床的电气控制进行PLC改造，将有助于提高企业的生产效益。

二、软件设计1．创建工程MCGS嵌入版中用“工程”来表示组态生成的应用系统，创建一个新工程就是创建一个新的用户应用系统，打开工程就是打开一个已经存在的应用系统。

工程文件的命名规则和Windows系统相同，MGCS嵌入版自动给工程文件名加上后缀“MCE”。

每个工程都对应一个组态结果数据库文件。

摘要针对现有常规C620普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。

本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了C620机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。

采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。

改造过程如下：（1）机械部分的改造，包括纵向进给方向的改造和横向进给方向的改造。

主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电机的计算选择及纵向、横向机构装配图方案的制定。

（2）电气控制部分的设计，主要包括MCS-51系列单片机及扩展芯片的选用和电气控制图的设计。

关键词：数控，单片机，步进电机，滚珠丝杠，改造ABSTRACTTo remedy the defects of ordinary lather C620, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machine’s usage, and to improve production rate。

This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。

We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal，and output the step pulse through the I/O interface。

机电及自动化学院《机电传动系统》课程报告姓名：学号：专业：机械制造届别：07 级课任老师：2010 年06 月C620普通车床的结构原理及电气控制改进摘要尽管数控车床在近几年发展十分迅速，但普通车床的应用仍极为广泛。

本文简单从普通车床的结构原理及C620-1型普通车床的电气控制系统，参考C650-2型车床电气控制系统对其改进，着重阐述C650-2型车床电气控制原理。

最后，根据PLC原理对机床的电气控制系统进行改进。

关键词：C620-1C650-2PLC（可编程控制器）1、引言普通车床结构原理简单，造价低廉，操作方便，目前仍然被极为广泛的应用于生产过程中。

目前普通车床的控制主要采用传统的继电器。

继电器系统的接线较为复杂，故障诊断排除比较困难，而且还存在触点的电弧烧伤、机械式的触点控制反映速度慢、功能单一、灵活性差。

但由于数控机床造价高，不易被广泛地应用于普通生产操作中。

因此通过对普通车床的电气控制进行PLC改造，将有助于提高企业的生产效益。

2、普通车床的结构及传动原理普通车床的主要结构主要由床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、溜板与刀架、尾架、光杆和丝杆等部分组成。

如图1。

车床的运动包括切削运动和辅助运动。

切削运动主要有主运动和进给运动。

主运动是由主轴带动工件旋转的运动，消耗功率大。

进给运动是车刀的轴向直线运动，功率小。

主运动配合进给运动完成工件表面的成形运动。

其运动功能式为：W/CpZfXf/T。

运动功能图如图2。

图1 普通车床的结构示意图图2 普通车床的运动功能图车床主轴的旋转运动是由主轴电动机通过皮带拖动的。

主轴通过卡盘或顶尖带动工件旋转完成主切削运动。

车床的进给运动是装有车刀的刀架的纵向或横向直线运动，其运动方式有手动和电动两种。

是由电动机通过主轴输出，再通过溜板箱的齿轮与床身上的齿条，或通过下刀架的丝杆与溜板箱的螺母，使溜板箱获得运动并带动溜板运动。

一般情况下车削加工只需要单方向旋转，只有在加工螺纹时，为避免乱扣，才用主轴反转来进行退刀，然后再进刀进行加工，因此要求主轴有正反转。

C620一1卧式车床的数控化改造1.前期准备(1)由于数控机床的精度比较高，而我们对选定的车床检查后发现，机床导轨精度不符合要求，车床主轴加工出的零件有微小的波纹。

于是按照GB／T 4020---1983(臣1'式车床精度检验》标准进行修复。

(2)更换了主轴前后轴承。

(3)用步进电机作拖动元件。

因为数控系统发出的指令仅使床鞍运动而没有位置检测和信号反馈，故实际移动值和系统指令如果有差别就会造成加工误差。

因此，除了床鞍及其配件精度要求较高外，还应采取以下措施来满足传动精度和灵敏度要求。

第一，在传动装置的布局上采用减速齿轮箱来提高传动扭矩和传动精度(分辨率为O．0I mm)。

传动比计算公式为：i=a·P／360。

艿，式中，Ot为步进电机步矩角，(o)；P为丝杠螺距，ram；6为脉冲当量(即分辨率)，mill。

第二，在齿轮传动中，为提高正、反传动精度必须尽可能地消除配对齿轮之间的传动问隙，其方法有两种，柔性调整法和刚性调整法。

柔性调整法是指调整之后的齿轮侧隙可以自动补偿的方法，在齿轮的齿厚和齿距有差异的情况下，仍可以始终保持无侧隙啮合，但将影响其传动平稳性，而且这种调整法的结构比较复杂，传动刚度低。

刚性调整法是指调整之后齿轮的侧隙不能自动补偿的调整方法。

它要求严格控制齿轮的齿厚及齿矩误差，否则传动的灵活性将受到影响。

但用这种方法调整的齿轮传动有较好的传动刚度，而且结构比较简单。

在设备改造中应用的配对齿轮侧隙方法是刚性调整法。

第三，采用滚珠丝杠代替原滑动丝杠，提高传动灵敏性和降低功率、步进电机力矩损失。

(4)经过综合分析，决定使用南京江南机床数控工程公司的JN--15T型数控系统。

该系统具有功能强、可靠性高、操作方便的优点。

2 改造阶段2．1 纵向进给系统的改造(1)拆除原有三杠、溜板箱，保留迸给箱作为滚珠丝杠左支承点，将步进电机装在三杠支架右侧，把滚珠丝杠的右侧通过连接套与步进电机输出轴连接。

实验九 C620车床电气控制通过对C620车床电气控制线路的实际安装接线，掌握由电气原理图变换成安装接线图的能力。

通过实验进一步理解车床电气控制的原理主轴电动机冷却泵电机图6-1为C620车床电气控制原理图。

C620普通车床由主电动机M1和冷却泵电动机M2及相关电气控制系统组成，两台电动机只要求单方向运转。

主电动机M1投入工作后，当需要用冷却油泵时，合手动开关Q2，冷却泵电动机M2投入工作，由于M2功率小，采用手动开关Q2进行直接起动，可省去接触器和按钮，比较经济，操作也方便。

当不需要冷却泵时，可单独关掉M2；如M2过载，使热继电器动作,则两电动机M1、M2同时断电，停止运行。

实验步骤三相鼠笼式异步电动机M1接成Δ接法，实验线路电源端接三相自耦调压器输出(U、V、W)，供电线电压为380V。

按图6-1接线。

如果只有一台电机，则可用灯组负载来模拟M2。

经指导教师检查后，方可进行通电操作。

1．开启控制屏电源总开关，按启动按钮，调节调压器输出，使输出线电压为380V。

2．按下SB1，接触器KM1线圈得电，主电路中的常开主触头KM1接通，主电动机M1起动运转。

3．合上开关Q2接通灯组负载开关，灯亮，表示冷却泵电动机M2工作。

4．若车床需提供照明灯，可合上开关Q3，模拟照明灯HL3点亮(以SB3的指示灯)。

5．按下SB2，KM1线圈断电，主电路中的主触头KM1断开，主电动机M1断电停止运转，同时灯组负载的亮灯熄灭，表示冷却泵电动机M2也停止运转。

6．去掉U相电源，使M2缺相过载，或者增加灯组负载的亮灯数，模拟冷却泵电动机M2缺相或过载，使热继电器FR动作，使控制电路的常闭触点FR 断开，KM1线圈断电，使主触头断开、主电动机M1和冷却泵电动机M2同时停止运转。

思考题1. 为什么冷却泵电机接在主触头KM1的下面？2. 为什么照明灯要接在主触头KM1的上面？3、分析C620车床电气控制线路具有什么保护？4、画出C620车床电气控制线路的工作原理流程图。

C620型车床的电气控制线路板制作典型工作任务：C620型车床的电气控制线路板制作应知知识点：1、了解生产机械电器控制线路的读图方法；2、掌握C620型车床的电气控制线路的分析方法和分析步骤、工作原理以及机械、液压与电气控制配合的关系。

组成电器线路的一般规律、保护环节以及电器控制线路的操作方法。

职业能力要点：1、具有典型设备的安装与调试的能力，能按图接线。

2、会用万用表对线路进行故障判断及排除，能做通电试验。

职业素质要求：工具摆放合理，操作完毕后及时清理工作台，并填写使用记录学习导引大家先看一下C620车床的电气控制过程，这是一个主电动机单向连续运行的控制电路，第二台电动机可根据需要随时起动和停止；两台电动机实现了顺序控制。

我们先来学习它的工作原理：4.1C620型车床的电气控制线路的读图方法1．阅读相关技术资料1）车床的用途车床是一种用途极广且很普遍的金属切削机床。

主要用来车削外圆、内圆、端面、螺纹、定型面，也可用钻头、铰刀等刀具来钻孔、镗孔、倒角、割槽和切断等。

2）车床的结构及运动形式1—进给箱；2—挂轮箱；3—主轴变速箱；4—拖板与刀架；5—溜板箱；6—尾架；7—丝杆；8—光杠；9—床身普通卧式车床外形图车床加工过程中有主运动、进给运动、辅助运动。

3）对电力拖动和控制的要求（1）主拖动电动机从经济性考虑一般选用笼型异步电动机，选用机械调速，主拖电动机与主轴间使用齿轮变速箱连接。

（2）在车削加工时，为防止因温度升高造成刀具的损坏，需要增加一台冷却泵。

它与主电动机在起动顺序上分先后。

应在主电动机起动后起动，并在冷却电动机不能提供冷却液时，不允许主电动机工作。

冷却电动机为单方向旋转。

（3）为了车削螺纹，主轴要求能正反转。

（4）主电动机可采用直接起动或Y-△起动，停车要求快速，以节省时间，一般可采用机械或电气制动。

（5）为实现溜板箱的快速移动，由单独的快速移动电动机拖动，采用点动控制。

（6）控制线路应有必要的保护措施与安全的局部照明电路。

绪论内容摘要(CAM中的数控技术)尽管数控机床是开发实用CAM系统的关键所在，但本文描述的数控机床不能应用基于制造系统的计算机中。

必须改进传统的数控机床及自动化机床，以使信息能在监控装置及以计算机就为主的控制系统中传输。

这种改进导致了源于数控概念的三个主要发展、计算机管理数控、群集概念、新形式的适用控制。

计算机管理数控是一个包括DNC（直接数控）和CNC(计算机数控)的一般性概念DNC和CNC是用来在控制性计算机和数控机床间分配编程和计算机职责的方式，两个系统都不改进数控机床控制之外的工艺数据和命令的通讯方法。

群集概念基本上是对多种机床的计算机管理的延伸。

一系列机床（如铣床钻床磨床等），通过送料系统连接起来。

需要时，输料系统能自动向各个机床送料。

这样两级监控就成为必要。

单独的机床用计算机管理数控来控制，群集本身由协调许多群集的生产产量的中央计算机进行管理，其中的分级安排也是显而易见的。

全套图纸，加153893706适应性数控系统是CAM环境中的一部分。

中央计算机获得工艺过程信息以便检测出异常情况（如刀具破损），并加以纠正保护。

另外，也可以把适应性反馈记录下来并加以分析以便实现某一操作的高效生产。

可以从自动化和集成的角度看待在以计算机为机场的制造系统中数控机床的使用。

四级制造自动化可被定义。

独立的NC机床本身实现一个自动化操作循环。

数控加工中心则使整个制造加工过程过程自动化。

外控机床的群集则实现一个完全自动化的制造任务。

最后，CAM系统本身把所有的自动化制造工艺中的低层方法集成起来。

CAM系统的组成计算机付账制造系统的成功与否取决于在所有信息流动中起作用的硬件与软件的集成。

CAM硬件包括数控机床、检测设备，数字计算机和相关设备。

CAM软件是用来监测、处理、以及最终监控制造信息流和CAM硬件的计算机编程系统的相互联系的网络，在这里，软件部分在信息流方面受到检验。

CAM数据库基于制造系统的计算机不仅依靠实时信息，而且还要依靠存储信息，实时数据比如自动控制反馈的信息通常被立即处理，除非要求被储存，一般可以认为是瞬变的信息。

0 引言随着我国工业水平的提升，各项机械设备的数量需求增加。

C620型普通车床具有刚性强、精度高等优点，在加工行业中运用较为广泛，但车床同时也是一种技术含量十分高的自动化设备，其结构复杂、组成元器件数量较多。

由于受到多种因素的影响，在实际工作过程中容易出现各种不同的故障，为了保障生产效率，如何快速找出故障并进行维修。

基于此，本文以C620型普通车床为例，详细介绍其工作原理及故障点。

1 车床电气控制原理图及（如图1）构成C620型普通车床电气原理图主要有主电路、控制电路和照明电路三大板块组成，其中主电路中主要由两台电动机组成，M1为主轴电动机，带动主轴旋转，属于长期工作制运行，M2为冷却电动机，为工件的加工提供冷却液，也属于长期工作制运行，其次还包括热继电器FR1、熔断器FU2和开关QS。

控制电路由热继电器、按钮和交流接触器线圈组成，通过控制按钮达到控制电机的工作。

照明电路由照明灯、变压器组成，为加工过程中提供照明。

为了保证安全，在电路中接入熔断器，起到短路保护的作用，同时电机和照明线路需接地。

2 工作过程分析在实际分析过程中，结合教学经验，总结出利用“流水法”的形式进行电路分析，即在电路中，涉及到手动电器的直接进行闭合分析处理，具体工作过程分析如下。

图1 C620型普通型车床电气原理图2.1 主电路分析主电路包含两个电动机，根据“流水法”经验分析，M1电机要得电，只需交流接触器KM 主触点闭合即可，根据低压电器工作原理分析，交流接触器此时线圈需得电，因此转换到控制电路分析。

2.2 控制电路分析根据主电路分析可知，要使整个工作过程启动，交流接触器线圈需要得电。

从控制电路可以看到，整个控制电路由do the troubleshooting and maintenance well after the fault occurs, to ensure the normal operation of the production line and to improve the efficiency. As an example, this paper analyzes the electrical principle and faults of a C620 general lathe on. At the same time, I hope to provide reference for the relevant staff.Keywords: C620 general lathe; fault; principle触器出现故障使其主触点未闭合；电动机自身原因等。

内容摘要:1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具.它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础.数控机床是综合计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产品，是典型的机电一体化产品.它的出现及所带来的巨大效益，引起世界各国科学家和工业界的普遍重视.发展数控机床是当前我国机械制造业技术改造的必由之路，是未来工厂自动化的基础.数控机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石，是保证高新技术产业发展和国防军工现代化的战略装备.目前，由于我国数控机床产业发展相对滞后，已经制约了整个装备制造业的发展，直接影响到国防军工产业安全.国内外装备制造业的发展表明，发展装备制造业，数控机床是基础.“十五”期间，我国机床连续几年快速发展.在现在节能减排的号召下，机床的数控化改造成为了热点.在本文中进行数控系统与伺服系统的改造.改装后的机床把主轴传动系统和进给系统分离成为两个互不相关的系统，溜板箱部分应拆去箱体、光杆及操纵杆，换成滚珠丝杆，并对滚珠丝杆进行强度校核，并进行减速齿轮的设计.另一任务是对车床的电气部分部分进行改造，采用伺服电机对滚珠丝杆进行闭环控制，用伺服电机驱动器对纵横两个伺服电机进行控制，再使用华中系统对步进电机驱动器进行控制，完伺服电机驱动器的选型工作，绘制连接电气图.关键词：数控改造刚度闭环控制系统伺服电机Abstract：Born in 1946 the world's first electronic computers, this suggests that mankind created may strengthen and part instead of mental labor tools. It and human in agriculture, industrial society to create those just enhance physical labor compared the tools, on a qualitative leap, in the information society for human beings to lay the foundation.Numerical control machine tool is integrated computer, automatic control, automatic detection and precision machinery and so on high-tech products, is typical of mechanicaland electrical products. It emerged and brings great benefits, cause the countries all over the world paid attention to scientists and industry. Development in China's current numerical control machine mechanical manufacturing technology reform way, that is the factory automation foundation.Numerical control machine tool is the equipment manufacturing industry machine tools, is to realize manufacturing technology and equipment modernization's cornerstone, is the guarantee of high and new technology industry development and national defense military modernization strategy equipment. At present, as our country's numerical control machine tool industry development is relatively slow, has restricted the development of the equipment manufacturing industry, directly affects the national defense military industry safety. The development of the equipment manufacturing industry at home and abroad show that, the development of the equipment manufacturing industry, numerical control machine tool is the foundation. In the tenth-five period, China machine rapid development for several years. Now in the energy conservation and emissions reduction under the call, numerical control machine tool converted into a hot spot.In this paper the CNC servo system with the reform. Modified machine tool spindle drive system and the system into separate into two irrelevant system, walk the board box part should tear down the body and light pestle and joysticks, change of ball screw, ball screw to check intensity, and the reduction gear design. Another task is to part of the lathe electrical transformed, servo motor ball screw for closed loop control, with servo motor drive to globetrotting two servo motor control, to use the central China system of the stepping motor drive control, the selection of the servo motor drive, draw connection electrical diagrams.Key words：digital modification stiffness closed-loop closed-cycle cyclil control system Servo motor1. 绪论1.1问题的提出1.1.1国外数控机床的发展状况数控机床出现至今已有近60年历史，在这60年中，随着科技、特别是微电子、计算机技术的进步，数控机床得到了广泛的发展.它已经成为现代化企业发展进程中一支凸显业绩的生力军，代表着未来机器制造业的发展方向.目前以美国、德国、日本在数控机床的科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多，他们政府重视机床工业，并且重视科研和创新，使他们三国的数控技术处于世界领先地位.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封闭控制模式发展.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、模糊控制和神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精度、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节和补偿各项数据，实现了在线诊断和智能化故障处理;在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成一体，机床联网，实现了中央集中控制群的加工.1.1.2国内数控机床的现状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.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.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.1.1.3数控未来发展的趋势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.1.2 机床数控化改造的必要性应用科学的发展观，我们可以从微观和宏观两个不同的角度看待数字控制技术在当今工业发展中的必要性.1.2.1 微观看改造的必要性从微观上看，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.1.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量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面.2.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3～7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”.3.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”.4.可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运.5.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.6.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.1.2.2 宏观看改造的必要性从宏观上看，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、FM S外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以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.1.3研究意义1.3.1机床数控化改造的意义1.节省资金.机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用大型及特殊设备尤为明显.一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3.即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有车床.2.性能稳定可靠.因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度.3.提高生产效率.机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至5倍.对复杂零件而言难度越高功效提高得越多.且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期.在国内，目前各企业有大量普通机床，完全用数控机床替换根本不现实，而且替代又造成很大的浪费，数控改造一次性投入少，而且对机床又增加很多性能.以上几点可以看出，普通机床应走数控改造之路，因此普通机床的数控改造，不但要有必要，而且大有可为，尤其是对一些中小型企业更是如此.机床的数控改造具有很好的理论意义和实际应用价值：1.改造费低，在发挥原有机床的功能同时提高加工精度.2.改造后机床自动化程度提高，减少辅助时间，提高生产效率3.降低工人水平要求，改善劳动条件，有利于身体健康4.改造闲置设、传统设备，提高机床功能和使用价值，减少设备投入.5.改造后可以加工复杂、异形零件，能完成普通机床难以加工或根本不可能加工的复杂曲线、曲面等零件.6.计算机控制，消除人为误差，加工零件精度高、一致性好、尺寸分散度小，使装配容易，无需修配.7.具有柔性化的特点，只需编制零件程序就能加工新零件，可以实现多品种、变批量、高性能加工，不仅能适应中小批量，也适合大批量生产.8.计算机具有记忆与储存功能，可以将输入的程序记住和储存下来，数控机床只要更换一个程序，就可以实现另一个零件的加工自动化，从而使单件和小批量生产得以自动化.9.能适应信息化发展的需要，通过网络可以实现信息通信，具有远程监控、补偿、诊断和自动报警等多种功能，可实现无人看管加工，降低了劳动强度，操作者有空闲时间照料其他操作.1.3.2机床数控化改造的迫切性经济的全球化、市场的国际化，促进了竞争，为求得生存与发展，各企业不仅要提高产品质量，而且必须频繁的改型，缩短生产周期，以满足市场上不断变化的需求.经过数控改造的机床的高精度、高效率、高度柔性化及适合加工精度高以及复杂的零部件，满足当今市场快速多变、竞争激烈和工艺发展的需要.可以说，数控改造技术的应用是机械制造行业现代化的标志，在很大程度上决定了企业在市场竞争中的成败.2. C620机床运动分析2.1传动链分析 电动机带轮床头箱主轴挂论丝杆光杆溜板箱刀架进给箱工件车刀图2-1 C620车床传动系统图图所示为C620型机床传动系统图，传动系统包括主传动链和进给传动链两部分.2.2主传动链主传动链两端是电动机与主轴.它的作用是把动力源（电动机）的运动与动力传给主轴，使主轴带动工件旋转，并使主轴获得变速和转向.2.3进给箱传动链进给箱传动链包括纵向进给与横向进给传动链3. 车床改造的总体方案3.1 C620型普通车床的简易数控改装的设计任务要点1.改装后能实现车削圆弧面、外圆面、端面等回转表面.2.改装后纵向进给精度士0. 0lmm，横向进给精度士0. 005mm，空载快速进给速=2m/min，主切削力P Z=2303N，横向拖板刀架质量W1=465. 5N，大拖板刀架质度V快量W2=1039N.3.改动后不要求保留手动操作功能.4.控制部分要求运动可靠，抗干扰，维修方便.5.改造成本低.3.2总体方案的确定改装后的数控车床应把主轴传动系统和进给系统分离成为两个互不相关的系统，为了便于编程，保证加工精度，要求车床纵向脉冲当量为0.01mm，横向脉冲当量为0.005mm，车床需要改装的部分有:1.挂轮架系统全部拆去.2.进给齿轮箱箱体内的零件全部拆去.3.溜板箱部分应拆去箱体、光杆及操纵杆，并增加支承支架，安装滚珠丝杆.4.纵向导轨选用贴塑的矩形和三角形组合导轨，横向导轨选用贴塑的燕尾形导轨，贴塑为聚四氟乙烯.5.横向溜板上应安装伺服电机，并通过传动齿轮将电机轴与横向滚珠丝杆联接6.刀架体应加装纵、横微调装置以供校刀使用.7.纵向丝杆挂脚应安装伺服电机，并通过传动齿轮与纵向滚珠丝杆联接.伺服电机与丝杆的联接方式要求联接可靠，传动无间隙，无噪音.对于电气部分，采用华中数控对纵、横两个伺服电机进行闭环控制，系统中有时钟电路模块，复位电路，数码显示器接口电路，光电藕合器等.采用内置驱动模块将伺服电机进行驱动，将整个控制系统放在控制柜中，由电缆把控制系统和伺服电机联系起来.4. 纵向进给装置的改造4.1纵向滚珠丝杆的最大轴向载荷的设计计算4.1.1 纵向丝杆的最大轴向载荷因为主切削力P z =2303N =235kgf , 所以纵向进给力为P x =0.5P z=0.5⨯2303=1151.5 N纵向丝杆的最大轴向载荷：P a =KP X +f (P Z +W 2)=1.14⨯1151.5+0.11⨯(2303+1039)=1312.71+367.62=1680.33N=171.5kgk ---系数，k =1.14f ---贴塑导轨摩擦系数，f =0.11W 2---纵向托板重量，W 2=1039N =106kgf4.1.2丝杆最高转速n maxn max ==t v62000=333 r /minv ---空载快速进给速度，v =2m /min =2000mm /mint ---丝杆导程，初设t =6mm4.1.3丝杆寿命（以 106 转为单位1）L =6max1060n T ⋅⋅ =6101500033360⨯⨯=300T ---丝杠使用寿命，T =15000小时n ma ---丝杆最高转速，n ma =333r /min一般考虑运转中有冲击，以及丝杆材料硬度对寿命的影响，则最大动负荷Q 为:Q =h w a f f P L ⋅⋅⋅3 =0.14.15.1713003⨯⨯⨯=1607kgfL ---丝杆寿命，L =300P a ---纵向丝杆的最大轴向载荷，P a =171.5kgff w ---运转系数，f w =1.4f h ---硬度系数，f h =1.04.1.4选择滚珠丝杠副按最大动负载荷Q 选用滚珠丝杆副，使 Q ≤CC ---滚珠丝杆的额定动负荷选用城L 3506型的单螺母滚珠丝杆副，其尺寸如表4-1所示:4.1.5确定丝杆副工作长度LL ≥431l l H l +++1l ---控制系统中需要的行程，l 1 =900 mmH ---螺母安装高度，H =111 mm3l ---由丝杆副防护结构确定的长度，取3l =115 mm4l ---由丝杆副支承所需的长度，取心4l =80L ≥431l l H l +++≥900+111+115+80≥1206滚珠丝杆副的总长度总L ,总L 为丝杆副工作长度L 加上结构长度，取结构长度为165mm ,则: 总L =L +165=1206+165=1371mm滚珠丝杆的长度应满足刚度要求，即:0D l 总=9.32351371=≤45 Do ---滚珠丝杆副的名义直径，Do =35 mm故丝杆副长度可以满足刚度要求.表4-1 滚珠丝杆副的尺寸规格序号 名称 代号 尺寸 单位1 滚珠丝杆副型号 W 1L35062 名义直径 D 0 35 mm3 螺距 t 6 mm4 螺旋升角 λ ＇7305 滚珠直径 d 0 3.969 mm6 滚道半径 R 2.064 mm7 偏心距 e 0.056 mm8 丝杆外径 d 34 mm9 螺母凸缘外径 D 3 72 mm10 螺母配合外径 D 55 mm11 圆螺母尺寸 M M52×1.5 mm12 二个圆螺母厚度 L 2 20 mm13 螺母座键槽厚度 t 2 58.2 mm14 平键尺寸 b×h×l 6×6×45 mm15 螺母装配总长度 L 111 mm16 额定动负载荷3.5圈1列C 1940 kgf17 额定动负载荷3.5圈1列 C0 7110 kgf4.1.6滚珠丝杆副几何参数的计算丝杆内径1d 为:1d = D 0＋2e －2R=35＋2×0.056－2×2.064=30.984=3.0984CMD 0---滚珠丝杆副的名义直径，D 0=35mme ---滚珠丝杆副的偏心距，e =0.056 mmR ---滚珠丝杆副的滚道半径，R =2.064mm丝杆接触直径z d 为:z d = D 0－d 0·cos β=35－3.969×cos 045=32.193mm=3.2193cmD 0---滚珠丝杆副的名义直径，D 0=35mmd 0---滚珠丝杆副的滚珠直径，d 0=3.969mmβ---接触角，β=0454.1.7计算传动效率0η0η=()ϕλλ+tan tan=()()''0'0107373+tg tg=0.949=94.9%λ---螺旋升角，λ=＇730ϕ---摩擦角，滚珠丝杆副的滚动摩擦系数f =0.003~0.004，其摩擦角ϕ≈'104.2纵向滚珠丝杆副的刚度验算滚珠丝杆受工作载荷P a 的作用而引起螺距t 的变化量∆t 1，其值可按下式计算:∆t 1=F E tp a ⋅⋅P a ---工作载荷，P a =1680Nt ---滚珠丝杆的螺距，t =6mm =0.6cmF ---滚珠丝杆的截面积F =421d ⋅π=40984.314.32⨯=7.536cm 21d ---丝杆内径，1d =3.0984cmE ---弹性模数，对钢E =20.6×106N / cm 2∆t 1=F E tp a ⋅⋅ =536.7106.206.016806⨯⨯⨯=6.49×610-cm滚珠丝杆因受扭矩作用而引起的导程变化量∆2t 为∆2t =πϕ2⋅tt ---在滚珠丝杆的螺距，t =6mm =0.6cmϕ---在扭矩M 作用下，滚珠丝杆每一螺距长度两截面上的相对扭转角ϕ=cJ G tM ⋅⋅G ---扭转弹性模数，对钢G =82.4×105N / cm 2M ---滚珠丝杆上的扭矩M =()λtg d P z a ⋅⋅21 =()'0732193.3168021tg ⨯⨯⨯ =147N ·cmP a ---工作载荷，P a =1680Nz d ---丝杆接触直径，z d =3.2193cmλ---螺旋升角，λ=＇730J c ---滚珠丝杆截面积的惯性拒J c =4132d π=40984.33214.3⨯ =9.04cm 41d ---丝杆内径，1d =3.0984cmϕ=cG t M ⋅⋅ =04.9104.826.01475⨯⨯⨯ =1.19×106-∆2t =πϕ2⋅t =14.321019.16.06÷⨯⨯- =0.113×106-因此滚珠丝杆在工作载荷P a 扭矩M 共同作用下，所引起每一个螺距变形量∆t 为∆t =∆t 1＋∆2t=6.49×106-＋0.113×106-=6.603×106-cm如果滚珠丝杠长度为1000mm ，其上共有100/t 个螺距，它的螺距变形总误差∆为∆=⋅t100∆t =610603.66.0100-⨯⨯ =11.005μm /m因为选滚珠丝杆精度等级为E 级，计算的总变形误差∆=11.005μm /cm ，小于E 级精度误差15μm /m ，所以刚度合适4.3支承方式及轴承的选择4.3.1支承方式的确定如果螺母座、丝杆的轴承及其支架等刚度不足，将严重影响滚珠丝杆副的传动刚度，因此螺母应有加强筋，以减小受力后的变形，螺母座与床身的接触面积宜大，其联接螺钉的刚度也应高一些，定位销要紧密配合，不能松动.由于丝杆主要承受轴向力，大多采用推力轴承作支撑，这里采用左右各一个推力轴承的支承方式.如下图所示:图4-1 滚珠丝杆支承方式其中最左端与最右端为推力轴承，中间两个为深沟球轴承这种支承方式可以对丝杆进行预拉伸安装，预紧拉伸安装可以诚少或俏除因丝杆自重而产生的弯曲变形，在推力轴承预紧力不小于丝杆最大轴向载荷1/3的条件下，丝杆的拉伸压缩刚度可提高4倍，丝杆不会因温升而升长，温升只能减小预拉伸力，另外，丝杆不承受压力，由于只承受拉力，因而没有压杆稳定性问题.但是预拉伸安装将使轴承发热和摩擦扭矩有所增加.4.3.2轴承选择由于进给丝杆主要承受较大轴向力和较小径向力，所以只需计算推力轴承的额定动载荷C :C =n h f f ×P a P a ---工作载荷，P a =1680Nf n ---速度系数f n =33333100⨯ =0.464n t ---轴承计算转速，n t =n max =333r /minf h ---寿命系数f h =3500T =350015000 =3.107T ---使用寿命，T =15000hC =nh f f ×P a =464.0107.3×1680 =11249.5N参照工具书查找到8106推力轴承，其额定负载为12.5×103N ≥11249.5N ，能满足要求，同时选用深沟球轴承型号为60064.3.3确定滚珠丝杠副的预紧力F P为了消除轴向间隙，增加丝杆副的刚性和定位精度，在丝杆螺母间加以预紧力F P ，然而过大的预紧力将会引起滚珠丝杆的寿命下降以及摩擦力的增大，而预紧力偏小，会在产生的轴向载荷左用下出现间隙，影响定位精度，因此，一般取：F P =5.9Q=5.96.15748 =1658NQ ---最大动负荷，Q =1607kgf =15748.6N取F P =1658N4.3.4确定滚珠丝杆轴的预紧拉伸力F pl为了消除丝杆自重而产生的弯曲变形，补偿因工作温度升高而引起的丝杆伸长，保证滚珠丝杆在正常使用时的定位精度和提高滚珠丝杆的系统刚性，对有快速驱动并有定位精度要求的滚珠丝杆副，其丝杆轴需进行预加拉伸力，决定拉伸力时还应考虑到丝杆两端支承轴承允许的预紧力的大小，一般情况下取:F pl =a p 31=5.17131⨯ =57.2kgfP a =171.5kgf4.4机械传动刚度的计算与校核在忽略支承座和螺母座刚度的情况下，机械传动部的刚度主要为:丝杆轴的支承刚度K k ，滚珠丝杆副的接触刚度K N 和轴承的轴向接触刚度K B ，则机械传动的综合拉压刚度为:∑K =BN K K K K 1111++4.4.1计算丝杆轴的支承刚度K K丝杆轴的支承方式及支承长度如图4-2所示:由于丝杆两端采用推力轴承和深沟球轴承，并且丝杆两端轴向固定支承，丝杆轴的支承刚度K K 的计算公式为:K K =32010114-⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⋅K K L L L E D πN /μm D 0---滚珠丝杆副的名义直径，D 0=35mmE ---弹性模数，对钢E =2.06×105N /mm 2L ---丝杆工作长度，取L =1206mmL K ---丝杆作用长度mm丝杆作用长度L K 在这里有两种情况，当工作台处于最做端时，此时L K =96mm ，有最大的拉压刚度K kmax ：K kmax =32010114-⨯⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+⋅KK L L L E D π=⎪⎭⎫⎝⎛-+⨯⨯⨯⨯961006196141006.23514.352×103-=2379.52N /μm当工作台处于中间位置时，此时L K =603mm ，则有最小的拉压刚度K Kmin ：K kmin =32010114-⨯⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+⋅K K L L L E D π=420E D π×⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+K K L L L 11×310-=⎪⎭⎫⎝⎛-+⨯⨯⨯⨯60312061603141006.23514.352=657N /μm电机961206图4-2 滚珠丝杆支撑方式4.4.2计算滚珠丝杆与螺母副间的接触刚度K nK n =0.77×320∑⨯⨯Z d F P ( N /μm )F P ----预紧力，F P =1658Nd 0---滚珠丝杆副的滚珠直径，d 0=3.969mmZ ∑---滚珠数量Z ∑=Z ×圈数×列数Z ---一圈的滚珠数Z =00d D π=969.33514.3⨯=27.69D 0---滚珠丝杆副的名义直径，D 0=35mmd 0---滚珠丝杆副的滚珠直径，d 0=3.969mmZ ∑=27.69×3.5×1=96.9K N =0.77×329.96969.31658⨯⨯=304 N /μm4.4.3计算轴承的轴向接触刚度K B推力轴承的轴向变形c δ为：c δ=2.4×322Z d P a*θP a ---工作载荷，P a =171.5kgfZ ---推力轴承的滚动体直径，d θ=5.556c δ=2.4×32218556.55.171⨯=6.09μm由于对轴承施加了预紧力，其变形量减少了一半计算：。

目录引言 (5)1 概述 (6)1.1 毕业设计的目的 (6)1.2 设计任务 (7)1.3 设计的必要性 (7)1.3.1 数控改造目的 (7)1.3.2 数控改造的优点 (7)2总体方案设计 (7)2.1 系统的运动方式与伺服系统的选择 (7)2.2 计算机系统 (8)2.3 机械传动方式 (8)2.3.1纵向滚珠丝杠 (8)2.3.2横向滚珠丝杠 (8)2.3.3总体方案 (9)3进给伺服系统设计 (9)3.1纵向进给伺服系统 (10)3.1.1 计算进给牵引力F(N) (10)m3.1.2 计算最大动载荷C (11)3.1.3 滚珠丝杠螺母副的传动效率计算 (11)3.1.4 刚度验算 (12)3.1.5 稳定性校核 (13)3.2横向进给伺服系统 (13)F (13)3.2.1 计算进给牵引力m3.2.2 计算最大动负载C (13)3.2.3选择滚动丝杠螺母副 (14)3.2.4传动效率计算 (14)3.2.5 刚度验算 (14)3.2.6稳定性校核 (16)3.3齿轮传动比计算 (18)3.3.1 纵向进给齿轮箱传动比计算 (18)3.3.2横向进给齿轮箱传动比计算 (19)3.4步进电机的选型 (19)3.4.1纵向进给步进电机 (19)3.4.2横向步进电机 (23)3.4.3 计算步进电机空载启动频率和工作时的频率 (25)4 数控系统硬件电路设置 (26)4.1 数控系统基本硬件组成 (26)4.2 选择 CPU 的类型 (27)4.3 74LS138 CPU 和存储器 (27)4.4 I/O接口电路 (28)4.5 软件环行分配器 (28)4.6 控制系统 (28)4.7 其它辅助电路 (29)参考书目 (30)致谢 (31)图纸简介 .......................................... 错误！未定义书签。

摘要这次毕业设计主要是将一台C620型普通车床进行经济型数控改造设计，由于定位精度高，所以纵、横向导轨均采用贴塑导轨，传动系统采用滚珠丝杠，同时，为提高传动刚度和消除间隙，对丝杠进行预拉伸，传动齿轮采用双片错齿消隙齿轮，驱动元件采用步进电机。