淺談基于ＰＬＣ的普通車床數(shù)控改造

戚耀亮

一、機(jī)床數(shù)控改造的優(yōu)勢(shì)

1.節(jié)省資金

機(jī)床數(shù)控改造同購置新機(jī)床相比，一般可節(jié)省60%左右的費(fèi)用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般，大型機(jī)床改造只需花新機(jī)床購置費(fèi)的1/3。即使將原機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底改造升級(jí)，也只需花費(fèi)購買新機(jī)床60%的費(fèi)用，并可以利用現(xiàn)有地基。

2.性能穩(wěn)定可靠

原機(jī)床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時(shí)效，幾乎不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。

3.提高生產(chǎn)效率

機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化，效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3～5倍。對(duì)復(fù)雜零件而言，難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費(fèi)用，而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。

二、數(shù)控化改造設(shè)計(jì)

1.改造的總方案

（1）改造后具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以及螺紋插補(bǔ)的功能。

（2）改造后屬經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)，降低成本。

（3）簡(jiǎn)化電路，提高抗干擾能力，采用PLC為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。

（4）為達(dá)到加工的速度和精度要求，縱橫向進(jìn)給傳動(dòng)采用摩擦力小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副，并且應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)。

2.具體各部分的改造

（1）主軸系統(tǒng)改造。保留原主軸電機(jī)，拆除主軸變速箱。采用“變頻器＋主軸電機(jī)＋同步皮帶＋主軸”。主軸速度是有級(jí)調(diào)速，速度可以從40 r/min到1200 r/min，每一檔的速度可以根據(jù)需要通過設(shè)置變頻器來實(shí)現(xiàn)。利用變頻器的五個(gè)端子，可以用數(shù)字量控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，停止及各檔速度。螺紋編碼器采用同軸安裝，裝在主軸后端，也可采用異軸安裝，安裝在用1:1同步齒形帶與主軸連接的軸上。考慮到機(jī)床能加工的最大螺紋導(dǎo)程是24 mm，Z向脈沖當(dāng)量取 0.01 mm/脈沖，編碼器每轉(zhuǎn)應(yīng)輸出脈沖數(shù)不少于24 mm/(0.01 mm/脈沖)＝2400脈沖。還需輸出每轉(zhuǎn)一個(gè)的零位脈沖Z。

（2）進(jìn)給系統(tǒng)改造。考慮到該數(shù)控系統(tǒng)是開環(huán)控制，沒有位置反饋，故進(jìn)給系統(tǒng)要盡可能地減少中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)。拆掉車床X，Z兩軸原來進(jìn)給系統(tǒng)的中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，直接采用“步進(jìn)電機(jī)＋剛性聯(lián)軸器＋滾珠絲桿”的傳動(dòng)方案。拆除原來的絲桿，增加少量的機(jī)械附件，就可安裝步進(jìn)電機(jī)及滾珠絲桿螺母副。步進(jìn)電機(jī)的扭矩控制在5 N?m。驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)由編程產(chǎn)生。Z向脈沖當(dāng)量取 0.01 mm/脈沖，X向脈沖當(dāng)量取0.005 mm/脈沖。選用晶體管輸出型的PLC，通過程序產(chǎn)生不同的頻率脈沖實(shí)現(xiàn)變速。為實(shí)現(xiàn)高精度、低驅(qū)動(dòng)力矩、微進(jìn)給、高絲杠剛性，應(yīng)將普通絲杠換成滾珠絲杠。

（3）PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

① PLC輸入、輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)確定。所設(shè)計(jì)的車床操作為：起點(diǎn)總停，Z，X向快進(jìn)，工進(jìn)，快退；刀架正，反轉(zhuǎn)；手動(dòng)，自動(dòng)，單步，車螺紋轉(zhuǎn)換。因此，輸入需14點(diǎn)。根據(jù)圖1，數(shù)控系統(tǒng)原理圖的輸出需9點(diǎn)。以歐姆龍CPM1A為例的I/O連接圖如圖2所示。

② 驅(qū)動(dòng)程序（梯形圖）設(shè)計(jì)。

a. 總程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。手動(dòng)、自動(dòng)、單步、車螺紋程序的選擇采用跳轉(zhuǎn)指令實(shí)現(xiàn)。圖3是總程序結(jié)構(gòu)框圖。若合上0100（0101，0102，0103斷開），其常開閉合，執(zhí)行手動(dòng)程序；若0100斷開，0101合上，程序跳過手動(dòng)程序，執(zhí)行自動(dòng)程序。

b. 手動(dòng)程序梯形圖設(shè)計(jì)。這里以X向快進(jìn)、工進(jìn)、快退的動(dòng)作為例加以說明。其梯形圖如圖4所示。

在執(zhí)行手動(dòng)程序狀態(tài)下，按00.00，200.00接通，做好起動(dòng)準(zhǔn)備。接通10.00，程序進(jìn)入手動(dòng)模塊。當(dāng)按下00.05，輔助繼電器200.01接通。通過T01計(jì)時(shí)及10.05觸點(diǎn)組合，產(chǎn)生頻率為100/2i的脈沖信號(hào)（i為計(jì)時(shí)時(shí)間，根據(jù)需要設(shè)定，單位為s），驅(qū)動(dòng)X向快進(jìn)。當(dāng)按下00.06時(shí)，200.010斷開，200.03接通，200.03與定時(shí)器T02組合使10.05產(chǎn)生頻率為 100/2j的脈沖（j>i），由10.05輸出，實(shí)現(xiàn)工進(jìn)。按下00.07時(shí)，200.01，10.06同時(shí)接通，電機(jī)快速反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)快退。在這個(gè)手動(dòng)模塊中也應(yīng)包括Z向的快進(jìn)，工進(jìn)，快退，應(yīng)與X向類似，程序中未編入。其他程序應(yīng)根據(jù)具體的工件編制。

三、機(jī)床數(shù)控化的意義

大量實(shí)踐證明，普通機(jī)床數(shù)控化改造具有經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和穩(wěn)定性的特點(diǎn)。其改造涉及機(jī)械、電氣、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域，在進(jìn)行數(shù)控改造時(shí)，應(yīng)該做好改造前的技術(shù)準(zhǔn)備。改造過程中，機(jī)械修理與電氣改造相結(jié)合，先易后難、先局部后全局。以前車床數(shù)控化改造，用的是Z80，8031 芯片作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，其價(jià)格較貴且系統(tǒng)較復(fù)雜。用PLC作為車床的數(shù)控系統(tǒng)，有成本低、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，必將得到廣泛應(yīng)用。

（作者單位：浙江省桐廬縣杭州技師學(xué)院）