基于PLC的机床数控系统改造

基于PLC的机床数控系统改造

发表时间：2017-06-29T10:47:05.530Z 来源：《电力技术》2017年第2期作者：姜浩然[导读] 机床数控是包含计算机技术，电子信息技术，自动化控制技术，传感测量，机械制造，是典型的机电一体化产品。

渤海大学锦州 121000

摘要：企业为了提高生产效率对旧的机床改造具有重要现实意义，设计了基于PLC的机床数控化改造的设计方案，经过改进，系统保证了设备的高可靠性，在降低系统故障率的同时为企业节约了大量的维修资金，提高了企业的生产效率。

关键词：机床数控；ＰＬＣ控制；系统改造。

一、前言

机床数控是包含计算机技术，电子信息技术，自动化控制技术，传感测量，机械制造，是典型的机电一体化产品。机床数控系统作为当今制造业的重要基础单元，其功能的强大与否和性能的好坏对当代制造业起到重要影响作用。为适应当下的制造过程，数控技术正在突飞猛进。在体系结构方面，数控系统已基本上实现由专用型封闭式结构模式向通用型开放式结构模式的转型，并向基于PLC的全数字化体系结构发展；在网络化基础上，数控系统可方便地与CAD/CAM集成为一体，数控机床的联网运行，使得车间网络化监控、维护与管理变成了现实；在数控系统的高速、高精、高效控制方面，也采取了很多措施，如高速下的平滑控制算法、提高系统的快速响应能力、提高反馈和控制环节的数据分辨率等，获得了不错的效果；在智能化控制方面，通过采样加工过程中影响产品加工质量的外部变量，实现了加工参数的自动修正、调节与补偿，有效提高了CNC的工作效率。

二、车床数控化改造的意义和原则

1、车床数控化改造的意义

我国的机床量目前约有400万台，但数控机床却只有20万台，数控化率由此可见。且大多数的机床是役龄在10年以上的旧机床，用这些机床加工出来的产品多数存在质量差、档次低等现象。而国外的数控化率在多年前就达到了20%以上，可见在与国际市场的竞争下，这直接影响了我国许多企业的发展，所以提高数控化率势在必行。

我国目前有大量的普通机床，如果完全改成数控的话就显得不显示，而且替换下来的旧机床的闲置等又会造成浪费，要解决这种问题，就应该走机床的数控改造之路。从国外起他国家的工业化进程看，机床的数控化改造之路也是不可或缺，但不同的是，相对于我国而言，他们目前的数控改造机床已占有不少的比例。例如在日本，大企业中已有26%的机床已经过数控改造，而中小型企业中更是占了74%，现在在美国有许多数控专业化公司在不间断地为世界各地提供机床数控化改造服务。所以，普通机床的数控化改造的方法不但可行，而且大有可为，尤其是对一些中小型企业更是如此。

利用现有闲置的旧机床，通过数控化改造，使其成为一台新高效、多功能的数控机床，其投资少，见效快，是一种盘活存量资产的有效方法，也是低成本实现自动化的有效方法，也是在短期内提高我国机床的数控化率的一条有效途径。我国目前仍然以生产普通机床为主，因此机床设备的数控化改造将会长期存在，据中国机电装备维修与改造技术协会有关统计数据表明，我国每年大约有10万台普通机床需要改造，维修改造的市场前景十分广阔。

2、车床数控化改造的原则

数控改造一般是指对普通机床某些部件作一定的改造，配上数控装置，从而使机床具有数控加工能力。

普通车床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜板、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要靠停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。

数控化改造后，省掉了挂轮，要提出合理的、先进的方法来解决进给与主轴旋转相配合的问题。要做到：主轴旋转一转，车刀精确移动一个螺距；螺纹加工不能一次切削完成，每次进刀的位置必须相同；切制多头螺纹时能正确分度。

对普通车床进行数控化改造，主要是将刀架改造成为能自动换刀的回转刀架；纵向和横向进给系统改造成为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动进行调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就能实现多工序自动车削，可以加工出各种形状复杂的回转零件，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。

数控化改造设计时，在满足车床总体布局的前提下要尽可能利用原来的零部件，尽量减少改动量。尤其是对车床上较大的部件，例如床身、床鞍、工作台等，尽量利用原来的部件，只做少量的加工改造，这样可以大大的降低成本，缩短制造周期。比如，普通车床经过数控化改造后对于多品种少批量零件加工的生产率会大大提高，改变加工零件对象只需调用对应的数控加工程序，省时省工。采用滚珠丝杠螺母副代替普通丝杠后，摩擦小，传动效率高。采用精密传动技术后，传动精度高，反向时无空程间隙。成本是指投入和产出效益的综合成本。核算和提高产品的价值效益，同时还要注意费用的投入在年内可望得到回报。

三、机床数控改造的优点

1、较大幅度节省企业生产成本

企业自己进行机床数控系统改造相比新买同类机床，据统计一般生产成本费用可以节省60%左右，特别大型企业、改造机场数量及特殊设备尤为明显。企业里一般大型机床改造费用要比新购买机床购置节生2/3。即使将原来的旧机床的结构进行全新改造升级，也只需花费购买新机床60%的费用，同时企业可以利用原来厂房，不用更换场地。

2、机床数控改造后性能稳定可靠

企业原有机床各基础件经过长期工作，不会产生应力变形而影响精度，导致企业的生产的产品不合格，给企业造成部分损失。改造后的机场数控，运行能更加稳定可靠，生产精度也有保障，生产出来的产品次品率低，无形中为企业减少了部分生产成本。

3、机床数控改造后企业可提高生产效率

企业通过少量投入对旧机床进行改造升级后可实现加工自动化，管理程序化，产品生产效率可比传统机床提高约400%。特别是对复杂零碎小件而言，难度越高功效提高得越多。同时可以不用或少用人工装饰，不仅节约了费用，而且可以缩短生产准备周期。

四、机床数控改造设计

1、机床数控改造的总原则

机床数控改造一般遵守以下几个原则：（1）机床数控改造后具有直线插补、半圆弧插补以及螺纹插补等更多实用功能。（2）机床数控改造后属经济型数控机床，在保证一定加工精密度的前提下，从而采用步进电机的开环控制系统，降低成本。（3）机床数控改造后需要简化电子电路，提高抗干扰能力，采用PLC为数控系统的CPU。（4）机床数控改造后为达到加工的速度和精度要求，纵横向进给传动采用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并且应有预紧机构。（5）控制主轴正反转和实现主轴的无级变速以提供不同的切削速度。（6）改造后的机床外型将类似于国产经济型数控车床，整体较美观、大方。

其中电气控制系统应满足：（1）应能满足生产机械的工艺要求，能按照工艺的顺序准确可靠的工作；（2）电路结构力求简单，尽量选用常用的且经过实际考验的电路；（3）操作、调速和检修简单；（4）具有各种必要的保护装置和联锁环节，即使在误操作时也不会发生重大事故；（5）工作稳定，案例可靠，符合使用环境条件。

2. 机床数控改造具体各部分的改造方案

（1）机床主轴系统改造。企业为了节约成本一般保留原机床主轴电机，仅拆除主轴变速箱。通常使用“机床变频器＋机床主轴电机＋机床同步皮带＋机床主轴”。机床主轴速度是可以调速的，速度可以从40转每分钟到1200 转每分钟，每一档的速度可以根据需要通过设置机床变频器来实现。利用机床变频器的五个端子，可以用数字量控制电机的正、反转，停止及各档速度。机床的螺纹编码器采用同轴安装，装在主轴后端，也可采用异轴安装，安装在用同比例同步齿形带与主轴连接的轴上。考虑到机床能加工的最大螺纹导程一般是24 毫米，Z向脉冲当量取 0.01毫米/脉冲，编码器每转应输出脉冲数不少于二千四百脉冲。还需输出每转一个的零位脉冲Z。

（2）机床进给系统改造。考虑到机床数控系统是开环控制，没有位置反馈，因此进给系统要尽可能地减少机床中间传动环节。拆掉车床X，Z两轴原来进给系统的中间传动环节，直接采用“步进电机＋刚性联轴器＋滚珠丝杆”的传动方案。拆除原来的丝杆，增加少量的机械附件，就可安装步进电机及滚珠丝杆螺母副。步进电机的扭矩控制在要求范围内。驱动步进电机脉冲信号由编程控制，Z向脉冲当量取0.01 毫米/脉冲，X向脉冲当量取0.005毫米/脉冲。选用晶体管输出型的PLC，通过程序产生不同的频率脉冲实现变速。为实现高精度、低驱动力矩、微进给、高丝杠刚性，应将普通丝杠换成滚珠丝杠。

（3）机床数控PLC系统设计。

① PLC输入、输出（I/O）点数确定。所设计的车床操作为：起点总停，Z，X向快进，工进，快退；刀架正，反转；手动，自动，单步，车螺纹转换。因此，输入需14点。

②机床数控驱动程序设计

a. 总程序结构设计。手动、自动、单步、车螺纹程序的选择采用跳转指令实现。若合上0100（0101，0102，0103断开），其常开闭合，执行手动程序；若0100断开，0101合上，程序跳过手动程序，执行自动程序。

b. 手动程序梯形图设计。这里以X向快进、工进、快退的动作为例加以说明。

在执行手动程序状态下，按00.00，200.00接通，做好起动准备。接通10.00，程序进入手动模块。当按下00.05，辅助继电器200.01接通。通过T01计时及10.05触点组合，产生频率为100/2i的脉冲信号（i为计时时间，根据需要设定，单位为s），驱动X向快进。当按下00.06时，200.010断开，200.03接通，200.03与定时器T02组合使10.05产生频率为 100/2j的脉冲（j>i），由10.05输出，实现工进。按下00.07时，200.01，10.06同时接通，电机快速反转，实现快退。在这个手动模块中也应包括Z向的快进，工进，快退，应与X向类似。其他程序应根据具体的工件进行编制。

五、结语

通过本文的论述可见，普通机床数控化改造具有经济性、实用性和稳定性的特点。其改造涉及机械、电气、计算机等领域，在进行数控改造时，应该做好改造前的技术准备。改造过程中，机械修理与电气改造相结合，先易后难、先局部后全局。同时机床数控技术是制造自动化的基础，是国家工业和国防工业现代化的重要手段，关系到国家战略地位，体现国家综合国力水平，其水平的高低和数控装备拥有量的多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志。中国的机床数控技术不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力发展自己的先进技术，加大技术创新与人才培训力度，提高企业综合服务能力，努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日实现数控机床产品从低端到高端、实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变。

参考文献

[1]杨密：电气与PLC控制技术科的一体化教学方法研究，新课程研究（中旬刊），2009/09。

[2]刘建：高职《PLC原理及应用》课程教学改革初探，中国成人教育，2009/14。

[3]李佳。数控机床机应用，清华大学出版社，2001。

[4]张万忠、刘明琴。电器与PLC控制技术，化学工业出版社，2008.

[5]王万新，姚俊红，冯瑞宁.机床改造中滚珠丝杠的选择研究[J].德州学院学报，2006，22（03）：96-99