浅谈基于ＰＬＣ的普通车床数控改造

戚耀亮

一、机床数控改造的优势

1.节省资金

机床数控改造同购置新机床相比，一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般，大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。

2.性能稳定可靠

原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。

3.提高生产效率

机床经数控改造后即可实现加工自动化，效率可比传统机床提高 3～5倍。对复杂零件而言，难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用，而且可以缩短生产准备周期。

二、数控化改造设计

1.改造的总方案

（1）改造后具有直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。

（2）改造后属经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，进给伺服系统采用步进电机的开环控制系统，降低成本。

（3）简化电路，提高抗干扰能力，采用PLC为数控系统的CPU。

（4）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。

2.具体各部分的改造

（1）主轴系统改造。保留原主轴电机，拆除主轴变速箱。采用“变频器＋主轴电机＋同步皮带＋主轴”。主轴速度是有级调速，速度可以从40 r/min到1200 r/min，每一档的速度可以根据需要通过设置变频器来实现。利用变频器的五个端子，可以用数字量控制电机的正、反转，停止及各档速度。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1:1同步齒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是24 mm，Z向脉冲当量取 0.01 mm/脉冲，编码器每转应输出脉冲数不少于24 mm/(0.01 mm/脉冲)＝2400脉冲。还需输出每转一个的零位脉冲Z。

（2）进给系统改造。考虑到该数控系统是开环控制，没有位置反馈，故进给系统要尽可能地减少中间传动环节。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5 N•m。驱动步进电机脉冲信号由编程产生。Z向脉冲当量取 0.01 mm/脉冲，X向脉冲当量取0.005 mm/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）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。根据图1，数控系统原理图的输出需9点。以欧姆龙CPM1A为例的I/O连接图如图2所示。

② 驱动程序（梯形图）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。图3是总程序结构框图。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。其梯形图如图4所示。

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，程序中未编入。其他程序应根据具体的工件编制。

三、机床数控化的意义

大量实践证明，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。以前车床数控化改造，用的是Z80，8031 芯片作为数控系统的核心部件，其价格较贵且系统较复杂。用PLC作为车床的数控系统，有成本低、系统简单、调整方便等优点，必将得到广泛应用。

（作者单位：浙江省桐庐县杭州技师学院）