CA普通车床电路自动化改造.docx
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CA普通车床电路自动化改造
CA普通车床电路自动化改造
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车床车刀线速度恒定初探
摘要：
随着制造业的迅猛发展，企业要在激烈的市场竞争中生存和发展，就需要以最低的价格，最好的质量和最短的时间去生产满足市场的产品。
而工厂的现有加工设备直接影响着产品质量的优劣，制造周期的快慢，生产成本的高低。
因此，提高企业加工制造装备的数控化率则是主要途径。
但是，由于我国的大部分企业自身的资金问题，要进行大规模添置或更换新型的数控机床还比较困难。
加之替换下来的机床闲置会造成资源的浪费。
所以，普通机床的数控化改造便成为企业提高其数控化率的有效途径。
关键字：
PLC、车刀、线速度
第一章：
车床的介绍
一、选题意义
科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。
机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一，它不仅能够提高生产效率，降低生产成本，还能够大大改善工人的劳动条件。
全功能的数控系统虽然功能丰富，但成本高，我国一般的中小型企业购置困难，但是中小型企业为了发展生产，希望对原有机床进行改造，进行数控化、自动化改造，以提高生产效率。
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，而且替代下来的机床闲置起来又会造成浪费，要解决这些问题，应走普通机床的数控改造之路。
从美国、日本等国家工业化进程看，机床的数控改造也必不可少，数控改造机床占有较大比例。
如日本的大企业中有26%的机床经过数控改造，中小企业则是74%，在美国有许多数控专业化公司，为世界各地提供机床数控改造服务。
因此，普通机床的数控改造不但有存在的必要，而且大有可为，尤其对一些中小企业更是如此。
图1-1CA6140型普通车床实物图
数控改造一般是对普通机床某些部位做一定的改造，配上数控装置，从而使机床具有数控加工能力，其改造的目的有以下几点：
1、从提高资本效率出发，改造闲置设备，发挥机床的原有功能和改造后的新功能，提高机床的使用价值。
2、为了提高生产效率进行数控改造。
3、为了适应多品种，小批量零件生产而进行数控改造。
4、为了使技术等级较低的工人也能加工出高质量的产品零件和提高生产效率而进行数控改造。
5、为了减少整个设备投资计划而进行数控改造。
所有这些目的都围绕一点，即提高机床的性能价格比，用较少的价格得到较高的机床性能。
数控改造具有以下优点：
（1）易于对现有的机床实现自动化，而且专业性强，没有多余功能。
（2）减少辅助加工时间，提高机床的生产效率。
（3）降低对工人技术等级的要求。
（4）数控改造费用低，可充分利用原有机床设备。
（5）数控改造周期短，可满足生产急需。
二、普通车床的数控化改造设计的内涵
机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。
数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。
然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成（那些受资金等条件限制，而将传统机床改装成建议数控机床的另当别论）。
传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。
现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。
因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。
三、数控车床的性能和精度的选择
并不是所有的旧机床都可以进行数控改造，机床的改造主要应具备两个条件：
第一，机床基础件必须有足够的刚性。
第二，改造的费用要合适，经济性好。
在改装车床前，要对机床的性能指标做出决定。
改装后的车床能加工工件的最大回转直径以及最大长度、主电动机功率等一般都不会改变。
加工工件的平面度、直线度、圆柱度以及粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。
主要有下述性能和精度的选择需要在改装前确定。
具体方法如下：
（1）轴变速方法、级数、转速范围、功率以及是否需要数控制动停车等。
（2）进给运动：
进给速度：
Z向（通常为8～400mm/min）；X向（通常为2～100 mm/min）。
快速移动：
Z向（通常为1.2～4m/min）；X向（通常为1.2～3m/m轴变速方法、级数、转速范围、功率以及是否需要数控制动停车等。
（3）进给运动驱动方式（一般都选用步进电机驱动）。
（4） 给运动传动是否需要改装成滚珠丝杠传动。
（5）刀架是否需要配置自动转位刀架，若配置需要确定工位数。
（6）其他性能指标选择：
插补功能：
车床加工需具备直线和圆弧插补功能。
刀具补偿和间隙补偿：
为了保证一定的加工精度，一般需考虑设置刀补和间隙补偿功能。
四、车床数控改造方案的选择
当数控车床的性能和精度等内容基本选定后，可根据此来确定改造方案。
目前机床数控改造技术已经日趋成熟，专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能一般均能满足车床的常规加工要求。
因此，较典型的车床数控改造方案可选择为：
配置专用车床数控改造系统，更换进给运动的滑动丝杠传动为滚珠丝杠传动、采用步进电机驱动进给运动、配置脉冲发生器实现螺纹加工功能、配置自动转位刀架实现自动换刀功能。
图1-2CA6140型车床电气控制线路原理图
第二章：
变频器
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。
一、变频器的主要作用是：
1.调速：
普通的三相异步电动机，加装变频后可以实现调速功能。
即任意地改变电动机的转速，本公司的台宇变频器的频率范围是：
0-400HZ
2.节能：
变频器调速比传统的电磁调速可以节电25%-80%，具体节电的多少就要在看客户的设备的不同而不同；
3.软启动：
变频器启动对机械设备没有危害，而硬启动则反之。
二、变频器的特点
①采用多重化PWM方式控制，输出电压波形接近正弦波。
②整流电路的多重化，脉冲数多，功率因数高，输入谐波小。
③模块化设计，结构紧凑，维护方便，增强了产品的互换性。
④直接高压输出，无需输出变压器。
⑤极低的dv/dt输出，无需任何形式的滤波器。
⑥有的采用光纤通讯技术，提高了产品的抗干扰能力和可靠性。
⑦功率单元自动旁通电路，能够实现故障不停机功能。
图1-3三菱FR-E700型变频器实物图
随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技术革命。
交流调速取代直流调速，计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。
交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。
变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被公认为最有发展前途的调速方式。
近年来，发展起来的一些新型器件将改变这一现状，如IGBT、IGCT、SGCT等等。
由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变，甚至是PWM整流。
不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高。
三、变频器的选择
选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性。
大致分为三种类型:
恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载。
用户可以根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。
在选择变频器时因注意以下几点注意事项：
选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。
另外，应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏。
因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加10％而温升会增加20％左右。
所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。
图1-4变频器系统原理图
变频器驱动同步电动机时，与工频电源相比，会降低输出容量10％～20％，变频器的连续输出电流要大于同步电动机额定电流与同步牵入电流的标幺值的乘积。
对于压缩机、振动机等转矩波动大的负载和油压泵等有峰值负载情况下，如果按照电动机的额定电流或功率值选择变频器的话，有可能发生因峰值电流使过电流保护动作现象。
因此，应了解工频运行情况，选择比其最大电流更大的额定输出电流的变频器。
选择变频器时，一定要注意其防护等级是否与现场的情况相匹配。
否则现场的灰尘、水汽会影响变频器的长久运行。
第三章：
PLC模块
三菱PLC英文名又称：
MitsubishProgrammableLogicController，是三菱电机在大连生产的主力产品。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
三菱PLC在中国市场常见的有以下型号：
FR-FX1NFR-FX1SFR-FX2NFR-FX3UFR-FX2NCFR-AFR-Q）。
一、各部分作用
1、CPU运算和控制中心
起“心脏”作用。
组成：
CPU由控制器、运算器和寄存器组成。
这些电路集成在一个芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。
2、存储器
具有记忆功能的半导体电路。
分为系统程序存储器和用户存储器。
系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。
由只读存储器组成。
厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。
图1-5FX-2N32mt-d系列PLC实物图
3、输入/输出接口
（1）输入接口：
光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。
发光二级管：
在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。
光电三级管：
在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。
在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。
输入接口电路工作过程：
当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。
当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。
向内部电路输入信号。
也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。
（2）输出接口
PLC的继电器输出接口电路
工作过程：
当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。
当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。
也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。
4．编程器
编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。
我们实验室使用的就是手持编程器。
二种是通过PLC的RS232口。
与计算机相连。
然后敲击键盘。
通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。
二、PLC的基本工作原理
PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式：
1．每次扫描过程。
集中对输入信号进行采样。
集中对输出信号进行刷新。
2．输入刷新过程。
当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。
只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。
3．一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。
4．元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。
5．扫描周期的长短由三条决定。
（1）CPU执行指令的速度
（2）指令本身占有的时间（3）指令条数
6．由于采用集中采样。
集中输出的方式。
存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。
图1-6三菱PLC电器原理图
三、PLC的选型
因每种品牌配置不一样，所以它的选型方式也有所差异，下面着重介绍大家常用的大众品牌三菱plc的选型方法。
1、分析被控对象并提出控制要求
详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对三菱PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。
2、如何确定三菱plc的输入/输出设备
根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：
按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：
接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与三菱PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。
3、如何选择三菱PLC
三菱PLC选择包括对三菱PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。
4、三菱plc分配I/O点并设计三菱PLC外围硬件线路
（1）分配I/O点
画出PLC的I/O点与输入/输出设备的连接图或对应关系表，该部分也可在第2步中进行。
（2）设计PLC外围硬件线路
画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。
由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。
到此为止系统的硬件电气线路已经确定。
第四章、车床电路的PLC改造设计
一、工作任务
车床能够完成车削外圆、内圆、端面、螺纹，以及切断和割槽等加工操作，并可以装上钻头或铰刀进行钻孔和铰孔等加工，在机械加工中应用极为广泛，CA6140型车床是其中较为常见的一种。
CA6140型车床的控制可以采用继电器电路，也可以采用PLC电路。
本项目中将利用可编程序控制器改造CA6140型车床控制电路，完成CA6140型车床改造电路的设计、编程、接线与调试运行工作。
二、实践操作
（1）闭合电源开关QS———主轴电动机M1的绿色启动按钮SB2、SB3内的指示灯HL1、HL2（Y21）亮
（2）车床接通电源QS后，可利用车床工作照明灯EL1（Y10）上的开关SA（X10通断照明灯。
（3）按下主轴电动机启动按钮SB2或SB3，指示灯HL1、HL2灭，表示启动指令完成，主轴电动机已启动。
图1-7PLC外部接线示意图
（4）按下冷却泵启动按钮SB5，指示灯HL3灭，表示冷却泵电动机启动；当按下SB6，主轴电动机停止，冷却泵电动机随之停止。
（5）按下红色停止按钮SB4，主轴电动机M1停止。
（6）车床接通电源QS后，可利用快速移动电动机按钮SB7控制刀架快速移动电动机M3。
（7）加工完毕关闭电源开关QS。
三、根据设计思路编程
1、PLC输入和输出地址分配
输入地址表
编号
地址
说明
功能
1
X1
按钮SB1接入
急停
2
X2
按钮SB2接入
启动主轴电动机
3
X3
按钮SB3接入
启动主轴电动机
4
X4
按钮SB4接入
停止主轴电动机
5
X5
按钮SB5接入
启动冷却泵电动机
6
X6
按钮SB6接入停止冷却泵电动机
7
X7
按钮SB7接入启动快速电动机
8
X8
开关SQ1接入传动带护罩开关
输出地址表
编号
地址
说明
功能
1
Y1
接KM1接触器
主轴电动机启动
2
Y2
接KM1接触器
冷却泵电动机启动
3
Y3
接KM3接触器
快速电动机启动
4
Y4
接EL2
刻度照明
5
Y5
接HL1和HL2
主轴电动机准备启动指示灯
6
Y6
接HL3
冷却电动机准备启动指示灯
2、根据地址编制梯形图
3、安装
（1）根据原件明细表的参数和配电柜实际情况选择原件
（2）改造的原件安装位置如下所示
（3）根据PLC连接图和接线工艺要求用导线将线路进行连接，完成电路安装。
5、调试
（1）在编程软件上编制CA6140的控制电路的程序；
（2）接通PLC的电源，设置编程软件与PLC之间的通信端口；
（3）将PLC的RUN/STOP开关放在“STOP”位置，程序通过通信电缆输入PLC后将RUN/STOP开关放在“RUN”位置；
（4）打开监控界面，断开主回路电源，按下电路启动按钮；
（5）接通主回路电源，启动程序运行，观察主轴电动机、冷却泵电动机、快速移动电动机的启动与停止情况
四、总结
车床控制电路实行PLC改造后，车床优点可总结如下：
（1）易于对现有的机床实现自动化，而且专业性强，没有多余功能。
（2）减少辅助加工时间，提高机床的生产效率。
（3）降低对工人技术等级的要求。
（4）数控改造费用低，可充分利用原有机床设备。
（5）数控改造周期短，可满足生产急需。
从以上车床控制电路改造为PLC控制的实例可以看出，PLC改造后的CA6140型车床的工作原理与加工操作方法基本与原车床相同，但性能更加可靠，故障率低，抗干扰能力增强，使用寿命也更长。
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