基于PLC控制的雙頭車床專機設計

摘 要：本文根據生產實際需要，將PLC技術應用于CW61100普通車床改造成雙頭車專機項目中。闡述了新增數控刀塔設計方案，PLC控制系統功能，并對老機床進行了機械和電氣方面的改造。經過改造后的機床，在企業的實際生產中取得了較大的經濟效益。

關鍵詞：PLC；橋殼輪邊軸；安裝板

1 前言

橋殼輪邊軸是裝載機的主要部件，改進其加工工藝是降低裝載機生產成本的途徑之一。縱觀橋殼輪邊軸的加工工藝，生產線上的一臺CW61100普通車床成為加工橋殼輪邊軸安裝板的瓶頸，因為它不僅需要加工有安裝板的橋殼輪邊軸，還需要加工其它機型的橋殼。隨著年生產大綱的增加，橋殼輪邊軸產量不斷提升。該崗位產能嚴重不足，這道工序的瓶頸問題越來越嚴重，無法滿足現在的生產需求。要解決這個瓶頸問題有兩種方法：

（1）購買新的專用制造設備，重新布置生產線；（2）用現代先進技術對CW61100普通車床進行改造以提升產能。

如果選擇購買新的專用設備來解決問題，不止需要對車間生產線進行重新布置，增設一個作業人員，還需要花費180萬購買機床費用以及較多的人力、物力。

而對現有CW61100普通車床進行改造，不僅可以利用原有設備，不增加作業人員，還能在不需要對車間生產線進行更改的情況下，花費較低的成本來提升加工橋殼輪邊軸安裝板的產能。因此，數控改造無疑是一條可行之路。

2 改造前橋殼輪邊軸安裝板加工工藝分析

1.CW61100普通車床；2、5.安裝板加工面；3.刀架；4.橋殼輪邊軸

如圖1所示，對2、5兩處安裝板進行加工。由于橋殼輪邊軸中包回轉半徑大，車床的刀架無法從左端移向右端。現加工工步如下：兩頂尖定位-夾緊橋殼輪邊軸-對刀-加工左端安裝板-掉頭-重復上述工步。生產效率較低，故對此機床改造勢在必行。

3 改造方案概述

本次改造的主要目的是：在該機床上能夠同時加工橋殼輪邊軸兩端的安裝板，減少二次吊裝，二次加工時間。由此，我們有兩方面需要改進：一是機械系統方面，新增一個能夠自動加工安裝板的刀塔；二是電氣方面，增加數控系統，控制新刀塔和車床原來的刀架。

4 機械系統改造

4.1 刀塔設計方案

為了保證零件的加工精度，刀塔結構應具有足夠的靜動態剛度、運動副之間的摩擦系數小、傳動無間隙以及大功率、便于操作等特點。要達到這些要求，對新增的刀塔結構設計了兩種方案：

方案1：安裝在車床導軌上的刀塔（如圖2）

該方案是采用類似于車床床鞍總成結構。在原車床導軌上，安裝一個床鞍，線性導軌、刀架，依次裝配疊加起來，通過伺服電機控制絲桿，帶動刀架移動，實現切削性能。

方案2：獨立于車床外的刀塔（如圖3）

該方案特點在于刀塔獨立于車床外。在機床外，安裝一個平臺，平臺上安裝燕尾導軌，然后將刀架安裝在導軌上。通過伺服電機控制絲桿，帶動刀架移動，實現切削性能。

4.2 刀塔兩方案的對比

方案一

優點：該機械系統安裝在原導軌上，整個系統的剛性及傳動精度好，加工零件的精度會較高。

缺點：床鞍的加工比較困難，需要專用機床，生產周期較長；在原車床上裝配調整新刀塔需要兩周時間；改造后加工其他型號橋殼時的換模等待時間長。

方案二

優點：零件的加工制造方便容易，生產周期短；刀塔是獨立于機床外，需要原機床停機安裝的時間比較短， 1～2天即可；不影響其它機型橋殼輪邊軸的加工。

缺點：刀塔在機床外，所以刀桿的懸伸量較長，有可能出現剛性不足，在加工中出現震動現象。

4.3 刀塔方案選擇

通過以上兩種方案優缺點對比可知：從保證零件加工精度方面來說，方案一優于方案二。而從成產成本、生產周期以及往后加工零件的兼容性來說，方案二優于方案一。采用方案一需要機床停止作業兩周，而該道工序停止生產將會導致所有橋殼的生產停止，從而影響裝載機的生產，如此改造的成本將會無法預計。所以根據工廠實際情況，不能將機床停止作業兩周來影響整個生產線，故不采用方案一。

針對方案二中懸伸量過長可能出現剛性不足產生加工震動現象，我們進行了試驗：采用45#調質刀桿，刀桿尺寸為50mm*60m

m*450mm，刀桿上安裝目前加工所使用的硬質合金刀片，保持刀桿對刀架的懸伸量為260mm。之后在對橋殼輪邊軸的安裝板進行批量試驗加工后，檢測出所有安裝板的加工精度完全符合圖紙要求，故方案二中的懸伸量過長引起剛性不足問題得以解決。通過以上的分析，我們在此次改造中的刀塔設計采用方案二。

5 電氣系統改造

5.1 數控系統選擇

數控系統是機床改造的核心。在選擇數控系統時，要對其使用性能、經濟性及維修服務等方面綜合考慮。由于該專機僅對橋的安裝板平面進行加工，無需加工其它零件。因此其動作控制簡單，只需要數控系統驅動伺服電機，控制刀架在橫向的進給即可。

近年來，PLC在工業自動控制領域應用愈來愈廣，它在控制性能和硬件成本等方面所表現出的綜合優勢是其它工控產品難以比擬的。而且PLC定位功能精準，且程序的設計和調試相當方便，因此，從經濟性和使用性來說，可采用PLC系統控制。

5.2 PLC數控系統設計

PLC自動控制系統主要由輸入、輸出裝置、數控裝置、可編程控制器、伺服系統、檢測反饋裝置和機床主機等組成。PLC通過編程器輸入程序，達到控制目的。該系統主要通過PLC系統（如圖四）控制伺服電機，實現滾珠絲桿在手動、自動控制下的工進、工退、快進、快退、停止等功能。其控制速度以及行程可通過觸摸屏進行參數調節，而且還可以通過電子手輪來對絲桿的移動進行微調控制，同時還可以通過系統來控制原機床上的主軸電機，實現了加工的自動化。

6 改造效果

從生產實際需要出發，對CW6110普通車床的機械傳動及電氣系統進行改造和提升，將PLC技術應用于雙頭車專機（如圖5）。經過實際批量生產驗證，我們改造的CW61100雙頭車專機具有較高的穩定性，與改造前的機床相比，生產效率提高了73%，還節省了180萬的新設備投入。該車床改造，對企業通過對現有設備的改造、升級，解決生產線上的瓶頸，有較大的參考、推廣價值。

參考文獻

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