淺談基于ＰＬＣ的普通車床數控改造

戚耀亮

一、機床數控改造的優勢

1.節省資金

機床數控改造同購置新機床相比，一般可節省60%左右的費用，大型及特殊設備尤為明顯。一般，大型機床改造只需花新機床購置費的1/3。即使將原機床的結構進行徹底改造升級，也只需花費購買新機床60%的費用，并可以利用現有地基。

2.性能穩定可靠

原機床各基礎件經過長期時效，幾乎不會產生應力變形而影響精度。

3.提高生產效率

機床經數控改造后即可實現加工自動化，效率可比傳統機床提高 3～5倍。對復雜零件而言，難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節約了費用，而且可以縮短生產準備周期。

二、數控化改造設計

1.改造的總方案

（1）改造后具有直線插補、圓弧插補以及螺紋插補的功能。

（2）改造后屬經濟型數控機床，在保證一定加工精度的前提下，進給伺服系統采用步進電機的開環控制系統，降低成本。

（3）簡化電路，提高抗干擾能力，采用PLC為數控系統的CPU。

（4）為達到加工的速度和精度要求，縱橫向進給傳動采用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并且應有預緊機構。

2.具體各部分的改造

（1）主軸系統改造。保留原主軸電機，拆除主軸變速箱。采用“變頻器＋主軸電機＋同步皮帶＋主軸”。主軸速度是有級調速，速度可以從40 r/min到1200 r/min，每一檔的速度可以根據需要通過設置變頻器來實現。利用變頻器的五個端子，可以用數字量控制電機的正、反轉，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。考慮到機床能加工的最大螺紋導程是24 mm，Z向脈沖當量取 0.01 mm/脈沖，編碼器每轉應輸出脈沖數不少于24 mm/(0.01 mm/脈沖)＝2400脈沖。還需輸出每轉一個的零位脈沖Z。

（2）進給系統改造。考慮到該數控系統是開環控制，沒有位置反饋，故進給系統要盡可能地減少中間傳動環節。拆掉車床X，Z兩軸原來進給系統的中間傳動環節，直接采用“步進電機＋剛性聯軸器＋滾珠絲桿”的傳動方案。拆除原來的絲桿，增加少量的機械附件，就可安裝步進電機及滾珠絲桿螺母副。步進電機的扭矩控制在5 N?m。驅動步進電機脈沖信號由編程產生。Z向脈沖當量取 0.01 mm/脈沖，X向脈沖當量取0.005 mm/脈沖。選用晶體管輸出型的PLC，通過程序產生不同的頻率脈沖實現變速。為實現高精度、低驅動力矩、微進給、高絲杠剛性，應將普通絲杠換成滾珠絲杠。

（3）PLC系統設計。

① PLC輸入、輸出（I/O）點數確定。所設計的車床操作為：起點總停，Z，X向快進，工進，快退；刀架正，反轉；手動，自動，單步，車螺紋轉換。因此，輸入需14點。根據圖1，數控系統原理圖的輸出需9點。以歐姆龍CPM1A為例的I/O連接圖如圖2所示。

② 驅動程序（梯形圖）設計。

a. 總程序結構設計。手動、自動、單步、車螺紋程序的選擇采用跳轉指令實現。圖3是總程序結構框圖。若合上0100（0101，0102，0103斷開），其常開閉合，執行手動程序；若0100斷開，0101合上，程序跳過手動程序，執行自動程序。

b. 手動程序梯形圖設計。這里以X向快進、工進、快退的動作為例加以說明。其梯形圖如圖4所示。

在執行手動程序狀態下，按00.00，200.00接通，做好起動準備。接通10.00，程序進入手動模塊。當按下00.05，輔助繼電器200.01接通。通過T01計時及10.05觸點組合，產生頻率為100/2i的脈沖信號（i為計時時間，根據需要設定，單位為s），驅動X向快進。當按下00.06時，200.010斷開，200.03接通，200.03與定時器T02組合使10.05產生頻率為 100/2j的脈沖（j>i），由10.05輸出，實現工進。按下00.07時，200.01，10.06同時接通，電機快速反轉，實現快退。在這個手動模塊中也應包括Z向的快進，工進，快退，應與X向類似，程序中未編入。其他程序應根據具體的工件編制。

三、機床數控化的意義

大量實踐證明，普通機床數控化改造具有經濟性、實用性和穩定性的特點。其改造涉及機械、電氣、計算機等領域，在進行數控改造時，應該做好改造前的技術準備。改造過程中，機械修理與電氣改造相結合，先易后難、先局部后全局。以前車床數控化改造，用的是Z80，8031 芯片作為數控系統的核心部件，其價格較貴且系統較復雜。用PLC作為車床的數控系統，有成本低、系統簡單、調整方便等優點，必將得到廣泛應用。

（作者單位：浙江省桐廬縣杭州技師學院）