郑州工业安全职业学院
毕业论文（设计）
题 目 浅析普通车床的数控化改造
姓 名____ 王 飞 _____
系 别____ 机 电 工 程 系___
专 业____ 数 控 技 术 __
年 级_____ 08 – 5 ______
指导教师___ _ _
2011年 5 月 20
日
毕业论文（设计）成绩评定表
目录
摘 要 .............................................................. 1
第一章 绪 论 ............................................................................................................................... 2
第一节 数控机床的优越性 ........................................ 2
第二节 数控机床在我国的发展现状 ................................ 2
第三节 机床数控化改造的必要性 .................................. 2
第二章 机床数控技术 ............................................................................................................... 4
第一节 机床数控技术的基本概念 .................................. 4
第二节 数控机床的组成和分类 .................................... 5
第三章 车床总体改造与设计 ................................................................................................. 8
第一节 车床数控改造的总体构思与技术方案 ........................ 8
第二节 机床的主要结构及参数 .................................... 8
第三节 传动系统的分析 ......................................... 10
第四节 数控系统的选择 ......................................... 11
第五节 进给轴的改造 ........................................... 13
第六节 主轴部分的改造 ......................................... 15
第七节 刀架部分的改造 ......................................... 16
第八节 润滑部分的改造 ......................................... 16
第九节 机床防护 ............................................... 16
第四章 可编程控制器PLC的控制及设计......................................................................... 17
第一节 PLC的基本结构及工作原理................................ 17
第二节 PLC与CNC机床的联接方式................................ 18
第三节 CNC加工代码在PLC上的实现方法.......................... 19
第四节 PLC程序的模块化设计.................................... 20
第五节 变量说明 ............................................... 21
第六节 梯形图程序实例 ......................................... 21
第五章 数控机床的改造现状及意义 .................................................................................. 24
第一节 车床数控改造的现状 ..................................... 24
第二节 车床数控改造的必要性与可行性 ........................... 25
第三节 机床数控改造的意义 ..................................... 26 总结 ............................................................................................................................................... 27 参考文献 ...................................................................................................................................... 28 致 谢 ........................................................................................................................................... 29
摘 要
随着我国市场经济的发展，国内、国际市场竞争日益激烈，产品更新更为迅速，中、小批量的生产越来越多。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需更换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。对于机械制造企业，单纯靠购买新的数控机床，所需投资大。为了节约资金，降低成本，利用原来的部分普通机床进行数控化改造，提高机械设备的数控化率，是一种有效的途径。
通过对CA6140普通车床的数控改造，使其加工精度明显提高，定位准确可靠，操作方便，性能价格比高。这种方法对中小企业设备的数控改造有一定的借鉴与推广作用。本次改造主要针对车床的主轴系统、刀架系统、进给系统、反馈环节、电器控制柜及数控系统进行了改造，改造方法简单、改造操作步骤便于实施。
关键词：车床 数控 改造 进给系统 主轴 传动系统
第一章 绪 论
第一节 数控机床的优越性
数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物,是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比,其优越性是显而易见的,不仅零件加工精度高,产品质量稳定,且自动化程度极高,可减轻工人的体力劳动强度,大大提高了生产效率,特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工,因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。
第二节 数控机床在我国的发展现状
我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势,一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求,而另一方面却有不少国产机床滞销积压,国外机床产品充斥市场。90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达15%左右,而95年已达77%。严重影响我国数控机床自主发展的势头。
这种现象的出现,除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外,一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进,新产品(包括基型、变型和专用机床)的开发周期长,从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。
第三节 机床数控化改造的必要性
我国现在拥有数量多达300多万台的通用机床，其中大部分机床的加工精度、生产率和自动化程度与先进设备相比不高，要想在几年内大量地用数控机床来更新，无论在资金上还是技术力量上都是难以实现的。但如果利用数控技术根据需要对现有机床加以改造，不仅能实现机床的自动化，提高机床的加工精度，而且投资少、见效快，适合我国的生产力水平。因此，利用数控技术改造旧设备已成为我国推广全功能数控机床的过渡手段。
经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以 企业带来可观的
第二章 机床数控技术
第一节 机床数控技术的基本概念
（一）数控技术概述
数控技术，简称数控。它是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。
数控系统包括：数控装置、可编程序控制器、主轴驱动及进给装置等部分。 要实现对机床的控制，需要用几何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数，如：进给速度、主轴转速、主轴正反转、换刀、冷却液的开关等。这些信息按一定的格式形成加工程序，通过数控系统的译码，从而使机床准确地动作和加工出优质的零件。
（二）数控机床的工作流程
数控机床工作时根据所输入的数控加工程序，由数控装里控制机床部件的运动零件加工轮廓，从而满足零件形状的要求。
数控加工程序的编制：在零件加工前，首先根据被加工零件图样所规定的零件形状、尺寸、材料及技术要求等，确定零件的工艺过程、工艺参数、几何参数以及切削用量等，然后根据数控机床编程手册规定的代码和程序格式编写零件加工程序。对于比较简单的零件，通常采用手工编程；对于形状复杂的零件，则在编程机上进行自动编程，或者在计算机上用CAD/CAM软件自动生成零件加工程序。
译码：数控装置接受程序，译码程序按照一定的语法规则将信息解释成计算机能够识别的数据形式。
刀具补偿：零件加工程序通常是按零件轮廓轨迹编制的。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹运动加工出所要求的零件轮廓。
插补：插补的目的是控制加工运动，使刀具相对于工件作出符合零件轮廓轨迹的相对运动。
位置控制和机床加工：位置控制的任务是在每个采样周期内，将插补计算出的指令位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电机，电动机使机床的运动部件带动刀具相对于工件按规定的轨迹和速度进行加工。
第二节 数控机床的组成和分类
（一） 数控机床的组成
数控机床一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成，
图2-2 数控机床外形结构图
(1)输入输出设备
输入输出设备主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印 。
(2)数控装置
数控装置是数控机床的核心。它接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。
(3)伺服系统
伺服系统是接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驭动部件。它包括伺服电路和伺服电机组成。一般来说，数控机床的伺服驱动要求有好的快速响应性能，能灵敏而准确地跟踪由数控装置发出的指令信号。
(4)测量反馈装置
该装置由测量部件和响应的测量电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。
(5)机床本体
机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。
（二） 数控机床的分类
按伺服系统的控制原理可分为：开环控制的数控机床、半闭环控制的数控机床和闭环控制的数控机床。
(1)开环控制的数控机床
这类数控机床不带有位置检测装置，数控装置将零件程序处理后，输出数字信号给伺服系统.驱动机床运动。指令信号的流程是单向的。
(2)闭环控制的数控机床
这类机床带有检测装置。它随时接受在工作台端测得的实际位置反馈信号，将其与数控装置发来的指令位置信号相比较，由其差值控制进给轴运动，直到差值为零，进给轴停止运动。
闭环控制可以消除包括工作台传动链带在内的误差，从而定位精度高、速度调节快，但由于工作台惯量大，给系统的设计和调整带来很大的困难，主要是系统的稳定性受到不利影响。
(3)半闭环控制的数控机床
半闭环控制的数控机床与闭环控制得到数控机床的区别在于检测反馈信号不是来自工作台。而是来自电动机端或丝杠端连接的测量元件。
实际位置的反馈是通过间接测得的伺服电动机的角位移算出来的，因而控制精度没有闭环高，但机床工作的稳定性却由于大惯盆工作台被排除在控制环外，调试方便，因而广泛用于数控机床中。
（三） 数控机床的特点
(1)加工零件的适应性强，灵活性好。
(2)加工精度高，产品质量稳定。
(3)生产率高。
(4)减少工人的劳动强度。
(5)生产管理水平高。
第三章 车床总体改造与设计
普通机床的数控改造，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。
第一节 车床数控改造的总体构思与技术方案
本次改造的普通车床型号为CA6140，长度750毫米。数控改造主要包括传
动系统的机械改造和数控装置的设计。由于对经济型数控机床的加工精度要求不
高，为简化结构、降低成本，拟采用步进电机开环控制系统。通过控制纵、横进
给系统，保证改造后的车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停等功能。为实
现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠；为保证一定的传
动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。
第二节 机床的主要结构及参数
（一） CA6140车床数控改造技术参数
最大工件直径/mm 400
最大工件长度/mm 1500
溜板及刀架重力/N 纵向（z轴）800；横向（x轴）600
刀架快速移动速度/m/min 纵向2.4；横向1.2
最大进给速度/m/min 纵向0.6；横向0.3
定位精度/mm ±0.015
主电动机功率/KW 7.5
启动加速时间/ms 30
（二） CA6140型普通车床的主要组成部件
CA6140型普通车床的主要组成部件有：主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾
架、光杠、丝杠和床身。
图3-2 CA6140外形结构图
1、11．床腿 2.进给箱 3.主轴箱 4.床鞍 5.中滑板 6.刀架
7．回转盘 8.小滑板 9.尾座 10.床身 12.光杠 13.丝杠 14.溜板箱
（三） 组成部件功能
主轴箱：又称床头箱，它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经过一系列
的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速，同时主轴箱分出部分动
力将运动传给进给箱。
进给箱：又称走刀箱，进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其变速机构，
可得到所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。
丝杠与光杠：用以联接进给箱与溜板箱，
并把进给箱的运动和动力传给溜板
箱，使溜板箱获得纵向直线运动。丝杠是专门用来车削各种螺纹而设置的，在进
行工件的其他表面车削时，只用光杠，不用丝杠。
溜板箱：是车床进给运动的操纵箱，内装有将光杠和丝杠的旋转运动变成刀
架直线运动的机构，通过光杠传动实现刀架的纵向进给运动、横向进给运动和快
速移动，通过丝杠带动刀架作纵向直线运动，以便车削螺纹。
第三节 传动系统的分析
该机床的传动系统可以分解为主运动传动链和进给运动传动链。进给运动传
动链又可分解为螺纹进给传动链、纵向机动相横向机动进给传动链，同时还有刀
架的快速移动传动链。
（1）主运动传动链
① 传动路线 CA6140型卧式车床主运动，是由主电动机经三角皮带传至
主轴箱中的轴I，轴I上装有一个双向多片式摩擦离合器M1，用以控制主轴的启
动停止和换向。轴I的运动经离合器M1和轴II--III间变速齿轮传至轴III，然
后分两路传递给主轴。
a高速传动路线 主轴VI上的滑移齿轮Z50处于左边位置，运动经齿轮副
直接传给主轴。
b中低速传动路线 主轴VI上的滑移齿轮Z50处于右边位置，且使齿式离
合器M2接合，运动经轴III-IV-V间的背轮机构和齿轮副传给主轴。
② 主轴的转速级数与转速计算 根据传动系统图和传动路线表达式，主
轴正转可获得23(221)23=24级不同转速。同理，主轴反转12级。
（2）螺纹进给运动传动链
CA6140型卧式车床螺纹进给运动传动链，可以保证机床车削公制、英制、
模数制和径节制四种标准螺纹。此外，还可以车削大导程、非标准和较精密的螺
纹。不同标准的螺纹用不同的参数表示其螺距。无论车削哪一种螺纹，都必须在
加工中保证主轴每转一转，刀具准确地移动被加工螺纹一个导程的距离。
（3）机动进给传动链
实现一般车削时刀架机动进给的纵向和横向进给传动链，由主轴至进给箱中
轴XVII的传动路线与车公制或英制常用螺纹的传动路线相同，其后运动经齿轮
副传至光杠XIX（此时离合器M5脱开，齿轮Z28与轴XIX 齿轮Z56 啮合)，再由光
杠经溜板箱中的传动机构，分别传至光杠齿轮齿条机构和横向进给丝杠XXVII。 溜板箱中的双向牙嵌式离合器M8、M9和齿轮传副组成的两个换向机构，分别用于
变换纵向和横向进给运动的方向。利用进给箱中的基本螺距机构和增倍机构，以
及进给传动链的不同传动路线，可获得纵向和横向进给量各64种。
（4）刀架的快速移动传动路线
刀架的快速移动是使刀具机动地快速退离或接近加工部位，以减轻工人的劳
动强度和缩短辅助时间。当需要快速移动时，可按下快速移动按钮，装在溜板箱
中的快速电动机（0.25kW，2800r/min）的运动便经齿轮副传至轴XX，然后再经
溜板箱中与机动进给相同的传动路线传至刀架，实现纵向和横向的快速移动。
第四节 数控系统的选择
（一） FANUC 系统
机床数控系统(CNC系统)是数控机床的控制核心，随着机床数控技术的不断
发展与进步，提高了数控机床的整体性能，尤其是它的加工精度和生产效率提高
得更为显著，现在，数控机床已在机械工业生产中得到广泛应用。
目前市场上流行的数控系统，如FANUC、西门子、GSK980TD等都配置有车床
数控系统，能够胜任车、削加工的大部分工作，并具有价格低廉、可靠性强、功
能强大等特点。在对多家数控系统进行比较后!我们选择了FANUC型数控系统。
数控机床应能长期连续加工，其数控系统必须能够长期无故降连续运行。为保证
机床长期可靠地运行，数控系统必须有抵抗恶劣环境的高可靠运行特性。
图3-4 FANUC操作面板 图
（二） CNC功能
系统软件的开放性和友好界面，帮助性的编程方式。定义的固定循环并使用户很方便地根据其加工特性进行编写自己的固定循环，用户集成的G代码功能。M功能和PLC功能的调用子程序，E参数(用户可以通过E参数来读取或改变CNC的数值)。
强大的通讯功能 ，边加工边传输功能。提高了计算机的CAD/CAM程序的加工能力。
完善的丝杠螺距补偿。FANUC的螺距补偿为线性补偿，补偿中仅把相应的拐点坐标值输入即可。并且没有固定的距离和补偿值的限制。
（三） PLC功能
梯形图的PLC程序，多任务的PLC程序的编程结构，提高了PLC程序的编写和可读性。梯形图PLC程序在屏幕上的动态显示，方便了最终用户的维修。丰富的PLC和CNC交换信息量, PLC图形界面的管理。
（四） 强大的编程软件
FANUC软件。Windows环境下并运行在PC计算机上，PLC程序的编写工具，方便的机床程序管理。简便的通讯能力(PCIONC间为主从关系，所有操作均在PC侧完成)，动态的PLC程序显示(PC侧)。
FANUC软件Windows环境并运行在PC计算机。调整NC的机床参数和伺服系统，图形的动态响应，强大的优化功能，方便地调整系统参数。
第五节 进给轴的改造
普车床的X轴和Z轴均由同一电机驱动，走刀运动经走刀箱传动丝杠及溜板箱，获得不同的工件螺距即Z轴运动；走刀运动经走刀箱传动光杆及溜板箱，获得不同的进刀量即X轴运动。普通车床数控化改造时一般都去掉走刀箱及溜板箱，改用进给伺服（或步进）传动链分别代替，具体体现为：
Z轴：纵向电机→减速箱（或联轴器）→纵向滚珠丝杠→大拖板，纵向按数控指令获得不同的走刀量和螺距。
X轴：横向电机→减速箱（或联轴器）→横向滚珠丝杠→横滑板，横向按数控指令获得不同的走刀量。
改造后整个传动链的传动精度在保证机床刚性的前提下，与滚珠丝杠副的选择和布置结构形式、机床导轨的精度情况等有很大的关系。
（一）滚珠丝杠副的选择和布置结构形式
普通车床大多采用的是T型丝杠等滑动丝杠副，与滚珠丝杠副相比摩
擦阻力大、传动效率低，不能适应于高速运动。另外由于磨损快，造成其精度保持性和寿命低等等，在进行普通机床数控化改造时往往都将其更换为滚珠丝杠副。滚珠丝杠副有以下一些特点：摩擦损失小，传动效率高，可达0.90～0.96；若使用的丝杠螺母预紧后，可以完全消除间隙，提高传动刚度；摩擦阻力小，几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象；
磨损小、寿命长、精度保持性好。但应注意，由于滚珠丝杠副不能自锁，有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，或将直线运动转换为旋转运动，因此丝杠立式和倾斜使用时，应增加制动装置或平衡装置。
滚珠丝杠副根据其滚珠的回转方式可以分为外循环和内循环两种，根据螺母的结构形式又可以分为双螺母和单螺母。在进行改造时应根据具体情况和结构形式来定，由于外循环式丝杠副螺母回珠器在螺母外边，所以很容易损坏而出现卡死现象，而内循环式的回珠器在螺母副内部，不存在卡死和脱落现象。由于双螺母不仅装配、预紧调整等比单螺母方便，而且其传动刚性比单螺母也好，所以只要结构和机床空间满足要求，在普通机床数控化改造中多选内循环式双螺母结构。
改造时各轴滚珠丝杠的直径一般都是与原T型丝杠直径相近，对有特殊要
求的机床还应根据杆系的稳定性计算其临界转速，最终确定滚珠丝杠的直径。丝杠导程在满足机床改造后性能的前提下越小，对机床的传动精度越有利。机床的传动精度在保证机床刚性的情况下，与丝杠副本身的精度和轴承布置形式有很大的关系，一般在普通机床改造中丝杠副选P4级即可满足要求，特殊精密机床选P3级甚至更高。丝杠副轴承常见的布置形式根据不同的需要可以分为以下几种
①.一端固定，一端悬空的布置方式。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适应于短丝杠，如数控机床的调整环节或升降台式数控铣床的垂直坐标中。
②.一端固定，一端支承的布置方式。这种安装方式多在丝杠较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承得数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。
两端固定的布置方式丝杠副得支承刚性最好，通过轴承的预紧力预拉伸丝杠，以减少丝杠热变形的影响。这种方式多用在丝杠长度不大得情况，但设计时要注意提高平面球轴承的承载能力、支承刚度以及丝杠装配时的预拉伸量，否则会影响轴承寿命，同时也会因为预加负载得不易控制而增加电机的附加扭矩。
（二） 机床导轨
普通车床导轨大多采用的是滑动导轨，其动、静摩擦系数大，在使用一段时间后都会有不同程度的磨损，对机床传动精度和其保持性带来很大的影响。因此在对其进行数控化改造的同时必须针对机床导轨状况进行必要的检修处理，对于
磨损较严重的更要进行大修，即进行磨削、淬火、贴塑、配刮等处理，同时采用合理的润滑，充分保证其精度。
（三） 电机与丝杠的联接
在满足机床要求的前提下，为减少中间环节带来的传动误差，我们多将电机与丝杠副通过联轴器直接联接，这要根据改造中实际情况来定。一般对于大型车床如CA6140，床身长5米的车床，由于丝杠较长，直径较大，除了要考虑传动力的问题，还要考虑其低速性能及加减速惯量匹配的问题，往往电机都要通过几级减速来传动。无论是采用齿轮还是同步带论来传动，其传动间隙的消除是比较关键的。齿轮传动中常用的方法有错齿消隙法、偏心轴调整法等等，同步带论传动中多采用调整中心距或张紧轮消隙法。
第六节 主轴部分的改造
车床主轴带动工件以不同转速旋转是车削加工中的主运动，消耗机床大部分动力。普通车床由主电动机经皮带传动，经主轴变速箱带动主轴旋转，主轴箱经手动或自动变速获得（9～24）级转速，通过电磁或液压离合器操纵主轴的变速和正反转；而数控车床主轴箱由电主轴或传统机械主轴单元加变频电机和变频器组成。普通车床在数控化改造时大部分情况下保留原主轴箱，不做改动或少做改动。如需改动则要注意以下几点：
如原主轴含液压操纵主轴的变速、正反转和润滑功能，则需对其增装单独普通电机加以驱动，避免液压系统受到主电机正反转或转速变换而失灵。
如不需要原有机械变速换挡时，则需将主轴箱内齿轮组固定在一恒定的速度链上，摩擦片也应焊死以免因为误操作出现事故
机床能否进行螺纹加工是主轴部分数控化改造的另一重要部分，传统车床加工螺纹时往往是通过挂轮组来完成，加工不同的螺纹则需不同的挂轮组，操作起来十分麻烦。改造时，我们通常在主轴末端或挂轮架处增装一光电编码器，其转速与主轴转速一致，主轴转一周，光电码盘转一转，通过反馈给系统控制进给轴与主轴的同步性，从而加工出理想螺距的螺纹。根据其编码方式的不同，光电码盘可分为增量式光电码盘和绝对式光电码盘，目前国内常用的为增量式光电码盘。根据光电码盘上刻线条数可分为1024线、2048线等，我们常用的为1024线即
可满足要求。
第七节 刀架部分的改造
目前数控车床刀架基本为电动刀架，其特点是定位更准确、迅速。老式传统车床刀架多为手动、液压驱动或少部分的电动，改造时可以根据需要对其加以更换。
电动刀架可分为卧式转塔刀架（一般安装8～12把刀）和立式电动刀架，立式电动刀架有四工位（或六工位），其中每一种刀架又有抬刀刀架（两端齿盘）和免抬刀刀架（三端齿盘）之分。卧式转塔刀架价格相对较贵，改造中常用立式四工位电动刀架。
第八节 润滑部分的改造
老式传统车床除主轴箱外，导轨、丝杠副、光杆等多用油枪定期注油润滑和油脂润滑，这对机床的导轨、丝杠副等的精度保持很不利，在同等驱动下机床运动的稳定性、灵活性也差一些。 在对这些机床改造时一般都要对其润滑部分进行相应的改动，采用稀油集中定量、定时供油润滑的方式，可分为手控润滑和编程自动润化两种，在机床导轨、丝杠副布置好油路后可根据需要任选一种。 丝杠支承轴承一般采用油脂润滑，如特殊需要和供油充分的条件下也可采用稀油润滑。
第九节 机床防护
机床改造后整个防护分局部防护、半防护和全防护三种。
局部防护只对丝杠副、电机、走线等采取防护措施。半防护是在局部防护的基础上增加切削的保护，即增加挡屑装置。全防护即在局部防护的基础上对整个机床加以封闭，此种防护最难处理，考虑的因素也很多如安装位、防水、美观等。实际操作起来以前两种最多，也最易操作。
第四章 可编程控制器PLC的控制及设计
第一节 PLC的基本结构及工作原理
PLC采用的是典型的计算机结构，主要包括CPU,RAM,ROM和输入、输出接口电路等。其内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。如果把PLC看作一个系统，该系统由输入变量->PLC->输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入变量:它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子，他们是PLC的输出变量。由这些输出变量对外围设备进行各种控制。这里可将PLC看作一个中间处理器或变换器，以将输入变量变换为输出变量。
（一） PLC控制系统组成
(1)输入部分:如按钮开关、限位开关等，直接与PLC输入端子相连接，用以产生输入控制信号，这些信号来自操作台上的人工指令。
(2)控制部分Z反复执行根据被控对象的实际控制要求所编制的用户程序，并产生各种输出控制信号。
(3)输出部分z如接触器、电磁阀等，它们直接与PLC输出端子相连接，用以控制被控对象的动作。
（二）PLC工作过程
(1)输入处理:PLC以重复扫描方式执行用户程序，在执行程序前首先按地址编码顺序将所有输入端子的通断状态(输入信号)读入输入映象寄存器中，然后开始执行用户程序，在执行过程中，即使输入信号发生变化，输入映象寄存器的内容也不变，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才重新读取输入状态。
(2)程序控制:在程序执行阶段，PLC顺序扫描用户程序，每执行一条程序所需要的信息都从输入映象寄存器和其他内部寄存器中读出并参与计算，然后将执
行结果写入有关物出映象寄存器中。
(3 )输出处理:当全部指令执行完毕后，将输出映象寄存器中的状态全部传送到输出锁存寄存器中，构成PLC的实际物出并有输出端子送出。
第二节 PLC与CNC机床的联接方式
CNC数控系统的控制信号有两类:一类是高速信号,主要用于各个坐标轴的插补运动;另一类是低速信号，主要用于控制主轴电机的正、反运转、接触器、电磁阀的通断等开关t，低速信号的控制对象主要一些商电压或大电流的强电设备，其控制采用可编程序控制器，具有可靠性高，柔性好等特点，而且随粉可编程控制器本身性能价格比不断提高，在现代CNC, FMS系统中的应用有不断上升的趋势。目前，数控机床PLC的形式有两种:一种是采用单独的CPU完成PLC功能，即配有
专门的PLC, PLC在CPU外部，称为外装型PLC;第二种是采用数控氛统与PLC合用一个CPU的方法.PLC在CPU内部，称为内装型PLC. FANUC数控系统采用内装型PLC。
可编程控制器与CNC机床的联接方式本质上是外电路联接方法，系统I/0口发出控制指令，使可编程控制器输入端无触点开关通断，通过CNC数控完成可编程控制器对机床强电的逻辑控制。CNC机床的被控对象有带动主轴旋转的主电机、大量开关量、伺服电机等，可编程控制器与CNC机床的强电、CNC数控装里1/0口的联接可归纳为三部分。
（一） PLC输入输出端与机床面板信号联接
FANUC机床操作面板有多达39个自定义键。面板与系统采用光纤连接。结合该机床控制操作的自身特点要求，在机床面板上定义了一些操作键，完全满足了机床控制的要求。
CNC数控机床操作面板上有按钮、旋钮开关、波段开关和指示灯等.按钮、旋钮开关和波段开关直接与可编程控制器的愉入端接线柱相连，指示灯接线直按与PLC输出端接线柱相连，指示灯的亮暗取决于相应的PLC输入端的开关状态
及固化在PCROM卡中的梯形圈程序。
（二） PLC输出端与机床强电信号联接
PLC在CNC机床中的主要作用是控制强电部分.如:主控电源、伺服电源、刀架电机正反转、主轴风扇、润滑电机势。由于流过强电电路的电流很大，在PLC输出瑞都接有保护用继电器。在每一个交流缘圈两侧并联阻容电路以吸收由于线圈通断时产生的浪涌电流.为了提商电机运行的可非性，在接触移线翻电路中加有互锁
保护触点。同理，每个电机的运行程序控制逻辑都固化在PCROM卡中，受机床操作面板开关和数控系统软件的控制。
（三） PLC输入端与CNC机床数控装盆I/O接口的联接
可编程控制器物出端的通断是由其物入端通断状态及梯形图程序决定的，CNC机床数控装I与可编程控制器的联接是通过软开关直接控制PLC粕入端的通断.以决定PLC输出端的状态.从数控装置I/0口的信息流向分析，可以分为两种情况:一是数控装!从1/0口输出指令，控制PLC完成相应的动作;另一种是检测PLC输入口的开关状态，数控装里的I/0口是输入信号，数控装登根据输入信号的性质做出相应的控制。
第三节 CNC加工代码在PLC上的实现方法
目前，数控机床程序中，有关机床坐标系约定、准备功能、辅助功能、刀具功能及程序格式等方面已趋于统一，形成了统一的标准，即所谓的CNC机床ISO代码，在一个加工程序中包含许多程序段，每个段又由若干字组成，每I个字表示一种功能，归纳起来有4种:一种是准备功能，即所谓的O代码;第二种是辅助功能，即所谓的M代码:第三种是刀具功能，即所谓的T代码:第四种是转速功能即所谓的S代码。根据数控机床性能的不同能执行这4种功能多少的程度也不同。在数控机床内部4种功能中，O功能主要与联动坐标轴驱动有关，是通过CPU控制数控装置的I/0接口实现;M功能主要控制机床强电部分，包括主轴换向、冷却液开关等功能;T功能与刀具的选择和补偿有关。
（一） T功能代码的实现方法
T功能代码包含两部分，一是刀具选择;二是刀具位里补偿.在PLC上实现的是第1部分功能:刀具选择。换刀过程如下:运行数控程序，发出某个刀具号的换刀指令，对应的数控装里I/0口变为商电平，使PLC输入端的软开关接通，换刀电机正转，当在刀架上的干赞管触点开关接通后换刀电机反转，使刀架下落压紧，当压紧力足够大时，徽动开关接通，换刀电机停止运转。
（二） M功能代码实现方法
ISO数控加工代码标准中辅助功能很多，对于不同的数控机床，所能实现的辅助功能也不尽相同，但是各种数控机床都具有一些荃本的辅助功能，如M00程序停止)，M03(主轴正转)，M05(主轴停止)等，M功能的一部分是由数控系统本身的硬件和软件实现，还有一部分需要数控装2与PLC相结合来完成，如主轴的正转与停止功能，M功能的实现与T功能的实现方法类似，同样是数控装21/0接口发出指令，由PLC输入端状态和PLC内部ROM中的梯形图程序决定PLC愉出端的状态.进而完成M功能，
第四节 P LC程序的模块化设计
（一） 模块的划分
一个应用程序包括一套在PLCTOOL编程工具下产生的模块。把它装入NC去控制相应的系统，本次设计中，我们利用PLCTOOL软件，综合管子车床的特点，开发了该机床的PLC控制程序。将PLC程序划分为5个模块，即公共信号模块、荃本控制模块、刀架模块、主轴模块、报警模块。
(1)公共信号模块:主要处理PLC与NC之间的接口信号。
(2)基本控制模块:主要用来处理紧急停止、润滑、冷却、方式选择、手动进给、程序启停等信号。
(3)刀架模块:用于对转塔刀架的选刀、定位等过程进行逻辑控制。
(4)主制模块:对主轴正反转、主轴定向、主轴变速等动作过程进行控制。模
块中包括伺服主轴和变频主轴两种控制逻辑，可通过修改PLC参数进行切换。
(5)等级模块:对机床故陈误操作等状态进行监测并触发相应的报誉文本信息同时产生各种安全互锁信号，防止对机床或人身造成伤害。以上5个模块的功能可通过1个主程序和12个子程序完成，主程序主要完成系统初始化工作，然后调用子程序，实现对机床的各种控制。
（二） 模块的构成
每个模块都分为输入部分、主体逻辑部分和输出部分，输入部分将输入信号的物理地址转化为PLC的中可逻辑地址，以保持主体逻辑部分相对于翰入地址的独立性，主体逻辑部分是模块的主要构成部分，完成控制过程的逻辑和算术运算。并将运算结果暂存于中间逻辑地址。输出部分有两个作用:一是将主体逻辑部分的运算结果传送给输出信号的物理地址，实现机床各功能部件的动作，并保持主体逻辑部分相对于输出地址的独立性;二是向其它模块提供接口信号，以实现各种顺序或连锁控制功能。
第五节 变量说明
交换规则 :自动控制功能和NC功能之间的交换是通过一个双方功能指令都能存取的存储器空间作为数据交换区来实现的。数据的交换不需要经过输入输出卡，而是在自动控制功能直接进行的。这里所说的输入和输出是相对于自动控制功能定义的，输入是由自动控制功能读的一个变t，而输出是由自动控制功能写的一个变量。
变量可分为:内部变量、端子板输入输出变量、配置和诊断变量、CNC接口变量、公共字变量以及局部变量。
第六节 梯形图程序实例
（一） 主程序TSO-模块1
主程序主要完成一组进给授权、一组使能、选择轴、读入进给倍率及主轴倍
率、从CNC中读出主轴参考速度等系统初始化工作，然后调用子程序，实现对机床的各种控制。
（二） 程序启停子程序SP12-模块2
当按下CYCLE START键，且三轴(X,Z ,C )使能都加上时，发出循环脉冲，CYCLE=1,当循环灯没亮，且循环在进行时，CYCLE START灯亮。
当按下CYCLE STOP键，且三轴(X,Z ,C )使能都加上时，则发出加工停
请求，CARVS=1;当循环停显示，则循环停止。
（三）自动换刀控制程序SP10-模块3
刀架有刀架电机驱动，刀具盘上有4个均匀分布的刀具位，程序完成对刀架正、反转及换刀)等控制。
（四） 报誉控制程序SP24-模块4
报警等控制程序主要有CNC状态报警、一般故障报警、低油位报警、伺服报警、主轴报警等
（五） 主轴控制程序SP6-模块5
主轴控制主要包括对主轴正反转、主轴风扇、主轴使能等的控制
G代码表
指令名
G00
G01 功 能 定位（快速移动） 直线插补（切削进
给）
顺时针圆弧插补
（后刀座）
逆时针圆弧插补
指令名 G70 G71 功 能 精加工循环 内外圆粗车复合循环 G02 G03 G72 G73 端面粗车复合循环 封闭切削复合循环
（后刀座）
G04 暂停、准停
G28 返回机械零点
G32 螺纹切削
G33 攻丝循环
G34 变螺距螺纹切削
G40 取消刀尖半径补偿
G41 刀尖半径左补偿
（后刀座）
G42 刀尖半径右补偿
（后刀座）
G50 坐标系设定
G65 宏指令 G74 轴向切槽循环 G75 径向切槽循环 G76 螺纹切削复合循环 G90 内外圆切削循环 G92 螺纹切削循环 G94 端面切削循环 G96 恒线速控制 G97 恒转速控制 G98 每分进给 G99 每转进给
第五章 数控机床的改造现状及意义
第一节 车床数控改造的现状
(1)我国现有的、数以万计的陈旧、落后的机床是机床大修与数控化改造行
业产生的现实基础我国是一个发展中国家，由于长期自身机制的不适应性，经济实力过低、技术落后、设备陈旧，极大地制约着国民经济的发展。为尽快改变我国机械制造业的落后状态，近二十多年来，我们在艰难地发展民族机床制造业的同时，积极地引进了世界先进技术与设备。一方面与世界先进机床制造厂合作，不断生产出具有世界先进水平的各类机床；另一方面直接购进了大量的各类机床。这一切都为我国国民经济的快速发展起到了巨大的作用。但是，机床长期运转甚至超负荷使用，同时又缺少认真的维修与保养，造成机床严重磨损，丧失了精度；有些机床则由于企业人员及产品结构的改变，或由于技术力量不足而被长期闲置，需要使用时却发现早已锈迹斑斑，电控系统不能起动； 由于新产品制造的需要，原有机床性能已不能满足使用要求，急需更新升级改造；由于世界计算机及网络技术的飞速发展，造成数控系统、驱动系统厂的产品更新加快，原有产品过早停产，给备件更换与维修带来一定困难；况且数控系统的使用寿命一般在5～10年，而我国大多数机床都在超期服役。这些诸多因素都需要对机床进行大修及数控化升级改造。
(2)新进的大批二手机床成为机床大修及数控化改造行业的催化剂自改革开
放以来，许多企业引进了一大批国外淘汰的旧机床，虽然有一部分尚能满足使用要求，但是多数由于缺少经验、技术、资料及备件等因素，造成虽廉价购进但却不能继续发挥作用而闲置的尴尬局面。其中不乏有为改造后投入使用而引进的旧机床和生产线。这里多数的二手机床只要再有适当的资金投入，经过大修改造即可发挥作用。
(3)显著的经济效益是机床大修及数控化改造行业的发展动力 对于机床拥
有者来说，只需花费购买相同新机床30%以下的费用即可获得相同的使用效果。根据国际该行业的记载，即使将原机床的结构性能进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60%左右的价格。对于机床大修改造业内公司来说，这不仅为他们
的服务企业产生巨大社会经济效益，而且也是他们自身生存和发展的根本动力。
(4)机床大修及数控化改造的优势是该行业生存与发展的有利条件 旧机床
的大修、翻新、升级改造与购买新机床相比，具有下列优势：
① 交货期短。尤其是大型机床和特殊专用机床优势更加明显。
② 性能更稳定。各基础件经长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度；
各功能部件经长期磨合。功能稳定性可靠性好。
③ 设计风险小。新机床设计中带来的技术、方案风险在大修改造中几乎不
存在。
④ 可以更充分地体现用户的意愿。用户与维修人员可以依照实际需要和机
床长期使用情况，在大修改造中提出对机床性能、操作与维修等方面的改进(包括增、改)意见，有权选择机械零部件、数控系统等电气设备的规格、型号、性能等。
⑤ 更有利于使用与维护。由于用户、维修人员不仅可以直接参与改造方案
的制定，而且可以参与改造的全过程，可以直接获取各种技术信息，更深入地掌握机床的结构及性能特点，从而增强使用与维修的主动能力。
⑥ 可以更快地获取最新的更实用的备件。
⑦节省大量投资。
⑧降低投资风险。
(5)社会化、专业化趋势是机床大修及数控化改造行业的必由之路 旧机床的
数控化改造和翻新不仅仅是当前经济转轨时期必要和重要的行为，而且是一个企业长期发展的战略措施。
第二节 车床数控改造的必要性与可行性
数控技术是先进制造技术的核心技术，它的整体水平标志着一个国家工业
现代化的水平和综合国力的强弱，具有超越其经济价值的战略物资地位。目前我国企业机械制造整体水平与发达国家相比还有很大的差距。由于我国企业大部分
数控机床和数控系统依赖进口，企业承受不了巨额购置费，且易受国外的控制，另外数控机械设备维修力量薄弱，进口的备件维修成本高，设备完好率低，大部分进口机床数控系统已经崩溃，有的甚至在进口后还没使用就已因为各方面原因不能使用等等。因此目前我国企业机床数控化比例极低，不到5%，各企业使用的绝大部分为传统老式机床，很难满足企业高技术产品的生产需求和生产效率。为节约成本，进一步发挥老式传统机床的功效和潜在价值，将大批传统老式机床改造为数控机床是一种必然性和趋势。
第三节 机床数控改造的意义
1）节省资金。 机床的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。因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的自动化效率可比传统机床提高 3至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。
总结
经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。其改造涉及到机械、电气、计算机等领域，是一项理论深、实践强的系统工程。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。
机床改造完毕后，还应该对其进行安装调试及验收。一般来说，应特别注意安装的位置和基础，使机床处于良好稳定的工作环境。其次是全面检查各器件、插件的连接情况以及各油路、电路的情况，再进行数控系统的连接。当完成数控系统的调整，具备了机床联机通电试车的条件，可切断数控系统的电源，连接电动机的动力线，恢复报警设定，准备通电试车。试车的目的是考核机床的安装是否稳固，各传动、操纵、控制、润滑、液压、气动等系统是否正常和灵敏可靠。改造后的数控机床的验收是和安装调试工作同步进行的。一台机床数控改造完好后的检测验收工作是一项复杂的工作，其试验检测手段及技术要求也很高，它需要使用各种高精度的仪器，对机床的机、电、液、气各部分及整机进行单项性能综合性能检测，包括运行刚度和热变形等一系列试验，其中应特别注意机床数控功能的检验，最后得出该机床的综合评价。
目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3％。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。
在设计过程中，我们也学到了很多东西，我们通过查阅大量的资料，把所学的知识应用到设计中，这样既温故了我们在大学期间所学的专业知识，又培养了我们一种独立思考问题、解决问题的能力，对今后的工作必将产生深远的影响。
参考文献
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[14] 吴天生主编，机械制图，高等教育出版社，2003.
[15] 李宏胜主编，机床数控技术及应用，高等教育出版社，2001.
致 谢
经过一个多月的时间，在各位老师的帮助下，在我的不断努力下，我的毕业论文设计终于要完成了。从设计中我学到许多知识，也理解了做任何事都要细心的道理。知识的积累是一点一滴的，在设计中我也感受颇深。在此我要真诚的感谢赵老师给予我的指导，在设计过程中老师严格督促我的毕业设计速度，及时的帮我解决我在设计中遇到的各种问题和困难，在设计中一直对我严格要求，在整个毕业设计过程中都给我耐心的指导和讲解，并主动为我提供各种相关技术资料，在指导老师的帮助和指导下我顺利完成了本次毕业设计，也让我在这次毕业设计中受益匪浅，在此谨向指导老师致以深切的谢意！
在大学生活即将话上句号时,在我们即将告别这个白衣飘飘的年代的时刻,告别我们与樱花相伴的青春岁月时,我内心是如此的激动不已,如此的依依不舍,在这里我感谢几年来培养我的母校,感谢任课老师,感谢所有的爱我的人和我爱的人。祝愿老师和同学们身体健康，工作顺利。共同祝愿母校明天更美好！
郑州工业安全职业学院
毕业论文（设计）
题 目 浅析普通车床的数控化改造
姓 名____ 王 飞 _____
系 别____ 机 电 工 程 系___
专 业____ 数 控 技 术 __
年 级_____ 08 – 5 ______
指导教师___ _ _
2011年 5 月 20
日
毕业论文（设计）成绩评定表
目录
摘 要 .............................................................. 1
第一章 绪 论 ............................................................................................................................... 2
第一节 数控机床的优越性 ........................................ 2
第二节 数控机床在我国的发展现状 ................................ 2
第三节 机床数控化改造的必要性 .................................. 2
第二章 机床数控技术 ............................................................................................................... 4
第一节 机床数控技术的基本概念 .................................. 4
第二节 数控机床的组成和分类 .................................... 5
第三章 车床总体改造与设计 ................................................................................................. 8
第一节 车床数控改造的总体构思与技术方案 ........................ 8
第二节 机床的主要结构及参数 .................................... 8
第三节 传动系统的分析 ......................................... 10
第四节 数控系统的选择 ......................................... 11
第五节 进给轴的改造 ........................................... 13
第六节 主轴部分的改造 ......................................... 15
第七节 刀架部分的改造 ......................................... 16
第八节 润滑部分的改造 ......................................... 16
第九节 机床防护 ............................................... 16
第四章 可编程控制器PLC的控制及设计......................................................................... 17
第一节 PLC的基本结构及工作原理................................ 17
第二节 PLC与CNC机床的联接方式................................ 18
第三节 CNC加工代码在PLC上的实现方法.......................... 19
第四节 PLC程序的模块化设计.................................... 20
第五节 变量说明 ............................................... 21
第六节 梯形图程序实例 ......................................... 21
第五章 数控机床的改造现状及意义 .................................................................................. 24
第一节 车床数控改造的现状 ..................................... 24
第二节 车床数控改造的必要性与可行性 ........................... 25
第三节 机床数控改造的意义 ..................................... 26 总结 ............................................................................................................................................... 27 参考文献 ...................................................................................................................................... 28 致 谢 ........................................................................................................................................... 29
摘 要
随着我国市场经济的发展，国内、国际市场竞争日益激烈，产品更新更为迅速，中、小批量的生产越来越多。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需更换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。对于机械制造企业，单纯靠购买新的数控机床，所需投资大。为了节约资金，降低成本，利用原来的部分普通机床进行数控化改造，提高机械设备的数控化率，是一种有效的途径。
通过对CA6140普通车床的数控改造，使其加工精度明显提高，定位准确可靠，操作方便，性能价格比高。这种方法对中小企业设备的数控改造有一定的借鉴与推广作用。本次改造主要针对车床的主轴系统、刀架系统、进给系统、反馈环节、电器控制柜及数控系统进行了改造，改造方法简单、改造操作步骤便于实施。
关键词：车床 数控 改造 进给系统 主轴 传动系统
第一章 绪 论
第一节 数控机床的优越性
数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物,是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比,其优越性是显而易见的,不仅零件加工精度高,产品质量稳定,且自动化程度极高,可减轻工人的体力劳动强度,大大提高了生产效率,特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工,因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。
第二节 数控机床在我国的发展现状
我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势,一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求,而另一方面却有不少国产机床滞销积压,国外机床产品充斥市场。90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达15%左右,而95年已达77%。严重影响我国数控机床自主发展的势头。
这种现象的出现,除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外,一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进,新产品(包括基型、变型和专用机床)的开发周期长,从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。
第三节 机床数控化改造的必要性
我国现在拥有数量多达300多万台的通用机床，其中大部分机床的加工精度、生产率和自动化程度与先进设备相比不高，要想在几年内大量地用数控机床来更新，无论在资金上还是技术力量上都是难以实现的。但如果利用数控技术根据需要对现有机床加以改造，不仅能实现机床的自动化，提高机床的加工精度，而且投资少、见效快，适合我国的生产力水平。因此，利用数控技术改造旧设备已成为我国推广全功能数控机床的过渡手段。
经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以 企业带来可观的
第二章 机床数控技术
第一节 机床数控技术的基本概念
（一）数控技术概述
数控技术，简称数控。它是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。
数控系统包括：数控装置、可编程序控制器、主轴驱动及进给装置等部分。 要实现对机床的控制，需要用几何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数，如：进给速度、主轴转速、主轴正反转、换刀、冷却液的开关等。这些信息按一定的格式形成加工程序，通过数控系统的译码，从而使机床准确地动作和加工出优质的零件。
（二）数控机床的工作流程
数控机床工作时根据所输入的数控加工程序，由数控装里控制机床部件的运动零件加工轮廓，从而满足零件形状的要求。
数控加工程序的编制：在零件加工前，首先根据被加工零件图样所规定的零件形状、尺寸、材料及技术要求等，确定零件的工艺过程、工艺参数、几何参数以及切削用量等，然后根据数控机床编程手册规定的代码和程序格式编写零件加工程序。对于比较简单的零件，通常采用手工编程；对于形状复杂的零件，则在编程机上进行自动编程，或者在计算机上用CAD/CAM软件自动生成零件加工程序。
译码：数控装置接受程序，译码程序按照一定的语法规则将信息解释成计算机能够识别的数据形式。
刀具补偿：零件加工程序通常是按零件轮廓轨迹编制的。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹运动加工出所要求的零件轮廓。
插补：插补的目的是控制加工运动，使刀具相对于工件作出符合零件轮廓轨迹的相对运动。
位置控制和机床加工：位置控制的任务是在每个采样周期内，将插补计算出的指令位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电机，电动机使机床的运动部件带动刀具相对于工件按规定的轨迹和速度进行加工。
第二节 数控机床的组成和分类
（一） 数控机床的组成
数控机床一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成，
图2-2 数控机床外形结构图
(1)输入输出设备
输入输出设备主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印 。
(2)数控装置
数控装置是数控机床的核心。它接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。
(3)伺服系统
伺服系统是接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驭动部件。它包括伺服电路和伺服电机组成。一般来说，数控机床的伺服驱动要求有好的快速响应性能，能灵敏而准确地跟踪由数控装置发出的指令信号。
(4)测量反馈装置
该装置由测量部件和响应的测量电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。
(5)机床本体
机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。
（二） 数控机床的分类
按伺服系统的控制原理可分为：开环控制的数控机床、半闭环控制的数控机床和闭环控制的数控机床。
(1)开环控制的数控机床
这类数控机床不带有位置检测装置，数控装置将零件程序处理后，输出数字信号给伺服系统.驱动机床运动。指令信号的流程是单向的。
(2)闭环控制的数控机床
这类机床带有检测装置。它随时接受在工作台端测得的实际位置反馈信号，将其与数控装置发来的指令位置信号相比较，由其差值控制进给轴运动，直到差值为零，进给轴停止运动。
闭环控制可以消除包括工作台传动链带在内的误差，从而定位精度高、速度调节快，但由于工作台惯量大，给系统的设计和调整带来很大的困难，主要是系统的稳定性受到不利影响。
(3)半闭环控制的数控机床
半闭环控制的数控机床与闭环控制得到数控机床的区别在于检测反馈信号不是来自工作台。而是来自电动机端或丝杠端连接的测量元件。
实际位置的反馈是通过间接测得的伺服电动机的角位移算出来的，因而控制精度没有闭环高，但机床工作的稳定性却由于大惯盆工作台被排除在控制环外，调试方便，因而广泛用于数控机床中。
（三） 数控机床的特点
(1)加工零件的适应性强，灵活性好。
(2)加工精度高，产品质量稳定。
(3)生产率高。
(4)减少工人的劳动强度。
(5)生产管理水平高。
第三章 车床总体改造与设计
普通机床的数控改造，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。
第一节 车床数控改造的总体构思与技术方案
本次改造的普通车床型号为CA6140，长度750毫米。数控改造主要包括传
动系统的机械改造和数控装置的设计。由于对经济型数控机床的加工精度要求不
高，为简化结构、降低成本，拟采用步进电机开环控制系统。通过控制纵、横进
给系统，保证改造后的车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停等功能。为实
现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠；为保证一定的传
动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。
第二节 机床的主要结构及参数
（一） CA6140车床数控改造技术参数
最大工件直径/mm 400
最大工件长度/mm 1500
溜板及刀架重力/N 纵向（z轴）800；横向（x轴）600
刀架快速移动速度/m/min 纵向2.4；横向1.2
最大进给速度/m/min 纵向0.6；横向0.3
定位精度/mm ±0.015
主电动机功率/KW 7.5
启动加速时间/ms 30
（二） CA6140型普通车床的主要组成部件
CA6140型普通车床的主要组成部件有：主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾
架、光杠、丝杠和床身。
图3-2 CA6140外形结构图
1、11．床腿 2.进给箱 3.主轴箱 4.床鞍 5.中滑板 6.刀架
7．回转盘 8.小滑板 9.尾座 10.床身 12.光杠 13.丝杠 14.溜板箱
（三） 组成部件功能
主轴箱：又称床头箱，它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经过一系列
的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速，同时主轴箱分出部分动
力将运动传给进给箱。
进给箱：又称走刀箱，进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其变速机构，
可得到所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。
丝杠与光杠：用以联接进给箱与溜板箱，
并把进给箱的运动和动力传给溜板
箱，使溜板箱获得纵向直线运动。丝杠是专门用来车削各种螺纹而设置的，在进
行工件的其他表面车削时，只用光杠，不用丝杠。
溜板箱：是车床进给运动的操纵箱，内装有将光杠和丝杠的旋转运动变成刀
架直线运动的机构，通过光杠传动实现刀架的纵向进给运动、横向进给运动和快
速移动，通过丝杠带动刀架作纵向直线运动，以便车削螺纹。
第三节 传动系统的分析
该机床的传动系统可以分解为主运动传动链和进给运动传动链。进给运动传
动链又可分解为螺纹进给传动链、纵向机动相横向机动进给传动链，同时还有刀
架的快速移动传动链。
（1）主运动传动链
① 传动路线 CA6140型卧式车床主运动，是由主电动机经三角皮带传至
主轴箱中的轴I，轴I上装有一个双向多片式摩擦离合器M1，用以控制主轴的启
动停止和换向。轴I的运动经离合器M1和轴II--III间变速齿轮传至轴III，然
后分两路传递给主轴。
a高速传动路线 主轴VI上的滑移齿轮Z50处于左边位置，运动经齿轮副
直接传给主轴。
b中低速传动路线 主轴VI上的滑移齿轮Z50处于右边位置，且使齿式离
合器M2接合，运动经轴III-IV-V间的背轮机构和齿轮副传给主轴。
② 主轴的转速级数与转速计算 根据传动系统图和传动路线表达式，主
轴正转可获得23(221)23=24级不同转速。同理，主轴反转12级。
（2）螺纹进给运动传动链
CA6140型卧式车床螺纹进给运动传动链，可以保证机床车削公制、英制、
模数制和径节制四种标准螺纹。此外，还可以车削大导程、非标准和较精密的螺
纹。不同标准的螺纹用不同的参数表示其螺距。无论车削哪一种螺纹，都必须在
加工中保证主轴每转一转，刀具准确地移动被加工螺纹一个导程的距离。
（3）机动进给传动链
实现一般车削时刀架机动进给的纵向和横向进给传动链，由主轴至进给箱中
轴XVII的传动路线与车公制或英制常用螺纹的传动路线相同，其后运动经齿轮
副传至光杠XIX（此时离合器M5脱开，齿轮Z28与轴XIX 齿轮Z56 啮合)，再由光
杠经溜板箱中的传动机构，分别传至光杠齿轮齿条机构和横向进给丝杠XXVII。 溜板箱中的双向牙嵌式离合器M8、M9和齿轮传副组成的两个换向机构，分别用于
变换纵向和横向进给运动的方向。利用进给箱中的基本螺距机构和增倍机构，以
及进给传动链的不同传动路线，可获得纵向和横向进给量各64种。
（4）刀架的快速移动传动路线
刀架的快速移动是使刀具机动地快速退离或接近加工部位，以减轻工人的劳
动强度和缩短辅助时间。当需要快速移动时，可按下快速移动按钮，装在溜板箱
中的快速电动机（0.25kW，2800r/min）的运动便经齿轮副传至轴XX，然后再经
溜板箱中与机动进给相同的传动路线传至刀架，实现纵向和横向的快速移动。
第四节 数控系统的选择
（一） FANUC 系统
机床数控系统(CNC系统)是数控机床的控制核心，随着机床数控技术的不断
发展与进步，提高了数控机床的整体性能，尤其是它的加工精度和生产效率提高
得更为显著，现在，数控机床已在机械工业生产中得到广泛应用。
目前市场上流行的数控系统，如FANUC、西门子、GSK980TD等都配置有车床
数控系统，能够胜任车、削加工的大部分工作，并具有价格低廉、可靠性强、功
能强大等特点。在对多家数控系统进行比较后!我们选择了FANUC型数控系统。
数控机床应能长期连续加工，其数控系统必须能够长期无故降连续运行。为保证
机床长期可靠地运行，数控系统必须有抵抗恶劣环境的高可靠运行特性。
图3-4 FANUC操作面板 图
（二） CNC功能
系统软件的开放性和友好界面，帮助性的编程方式。定义的固定循环并使用户很方便地根据其加工特性进行编写自己的固定循环，用户集成的G代码功能。M功能和PLC功能的调用子程序，E参数(用户可以通过E参数来读取或改变CNC的数值)。
强大的通讯功能 ，边加工边传输功能。提高了计算机的CAD/CAM程序的加工能力。
完善的丝杠螺距补偿。FANUC的螺距补偿为线性补偿，补偿中仅把相应的拐点坐标值输入即可。并且没有固定的距离和补偿值的限制。
（三） PLC功能
梯形图的PLC程序，多任务的PLC程序的编程结构，提高了PLC程序的编写和可读性。梯形图PLC程序在屏幕上的动态显示，方便了最终用户的维修。丰富的PLC和CNC交换信息量, PLC图形界面的管理。
（四） 强大的编程软件
FANUC软件。Windows环境下并运行在PC计算机上，PLC程序的编写工具，方便的机床程序管理。简便的通讯能力(PCIONC间为主从关系，所有操作均在PC侧完成)，动态的PLC程序显示(PC侧)。
FANUC软件Windows环境并运行在PC计算机。调整NC的机床参数和伺服系统，图形的动态响应，强大的优化功能，方便地调整系统参数。
第五节 进给轴的改造
普车床的X轴和Z轴均由同一电机驱动，走刀运动经走刀箱传动丝杠及溜板箱，获得不同的工件螺距即Z轴运动；走刀运动经走刀箱传动光杆及溜板箱，获得不同的进刀量即X轴运动。普通车床数控化改造时一般都去掉走刀箱及溜板箱，改用进给伺服（或步进）传动链分别代替，具体体现为：
Z轴：纵向电机→减速箱（或联轴器）→纵向滚珠丝杠→大拖板，纵向按数控指令获得不同的走刀量和螺距。
X轴：横向电机→减速箱（或联轴器）→横向滚珠丝杠→横滑板，横向按数控指令获得不同的走刀量。
改造后整个传动链的传动精度在保证机床刚性的前提下，与滚珠丝杠副的选择和布置结构形式、机床导轨的精度情况等有很大的关系。
（一）滚珠丝杠副的选择和布置结构形式
普通车床大多采用的是T型丝杠等滑动丝杠副，与滚珠丝杠副相比摩
擦阻力大、传动效率低，不能适应于高速运动。另外由于磨损快，造成其精度保持性和寿命低等等，在进行普通机床数控化改造时往往都将其更换为滚珠丝杠副。滚珠丝杠副有以下一些特点：摩擦损失小，传动效率高，可达0.90～0.96；若使用的丝杠螺母预紧后，可以完全消除间隙，提高传动刚度；摩擦阻力小，几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象；
磨损小、寿命长、精度保持性好。但应注意，由于滚珠丝杠副不能自锁，有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，或将直线运动转换为旋转运动，因此丝杠立式和倾斜使用时，应增加制动装置或平衡装置。
滚珠丝杠副根据其滚珠的回转方式可以分为外循环和内循环两种，根据螺母的结构形式又可以分为双螺母和单螺母。在进行改造时应根据具体情况和结构形式来定，由于外循环式丝杠副螺母回珠器在螺母外边，所以很容易损坏而出现卡死现象，而内循环式的回珠器在螺母副内部，不存在卡死和脱落现象。由于双螺母不仅装配、预紧调整等比单螺母方便，而且其传动刚性比单螺母也好，所以只要结构和机床空间满足要求，在普通机床数控化改造中多选内循环式双螺母结构。
改造时各轴滚珠丝杠的直径一般都是与原T型丝杠直径相近，对有特殊要
求的机床还应根据杆系的稳定性计算其临界转速，最终确定滚珠丝杠的直径。丝杠导程在满足机床改造后性能的前提下越小，对机床的传动精度越有利。机床的传动精度在保证机床刚性的情况下，与丝杠副本身的精度和轴承布置形式有很大的关系，一般在普通机床改造中丝杠副选P4级即可满足要求，特殊精密机床选P3级甚至更高。丝杠副轴承常见的布置形式根据不同的需要可以分为以下几种
①.一端固定，一端悬空的布置方式。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适应于短丝杠，如数控机床的调整环节或升降台式数控铣床的垂直坐标中。
②.一端固定，一端支承的布置方式。这种安装方式多在丝杠较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承得数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。
两端固定的布置方式丝杠副得支承刚性最好，通过轴承的预紧力预拉伸丝杠，以减少丝杠热变形的影响。这种方式多用在丝杠长度不大得情况，但设计时要注意提高平面球轴承的承载能力、支承刚度以及丝杠装配时的预拉伸量，否则会影响轴承寿命，同时也会因为预加负载得不易控制而增加电机的附加扭矩。
（二） 机床导轨
普通车床导轨大多采用的是滑动导轨，其动、静摩擦系数大，在使用一段时间后都会有不同程度的磨损，对机床传动精度和其保持性带来很大的影响。因此在对其进行数控化改造的同时必须针对机床导轨状况进行必要的检修处理，对于
磨损较严重的更要进行大修，即进行磨削、淬火、贴塑、配刮等处理，同时采用合理的润滑，充分保证其精度。
（三） 电机与丝杠的联接
在满足机床要求的前提下，为减少中间环节带来的传动误差，我们多将电机与丝杠副通过联轴器直接联接，这要根据改造中实际情况来定。一般对于大型车床如CA6140，床身长5米的车床，由于丝杠较长，直径较大，除了要考虑传动力的问题，还要考虑其低速性能及加减速惯量匹配的问题，往往电机都要通过几级减速来传动。无论是采用齿轮还是同步带论来传动，其传动间隙的消除是比较关键的。齿轮传动中常用的方法有错齿消隙法、偏心轴调整法等等，同步带论传动中多采用调整中心距或张紧轮消隙法。
第六节 主轴部分的改造
车床主轴带动工件以不同转速旋转是车削加工中的主运动，消耗机床大部分动力。普通车床由主电动机经皮带传动，经主轴变速箱带动主轴旋转，主轴箱经手动或自动变速获得（9～24）级转速，通过电磁或液压离合器操纵主轴的变速和正反转；而数控车床主轴箱由电主轴或传统机械主轴单元加变频电机和变频器组成。普通车床在数控化改造时大部分情况下保留原主轴箱，不做改动或少做改动。如需改动则要注意以下几点：
如原主轴含液压操纵主轴的变速、正反转和润滑功能，则需对其增装单独普通电机加以驱动，避免液压系统受到主电机正反转或转速变换而失灵。
如不需要原有机械变速换挡时，则需将主轴箱内齿轮组固定在一恒定的速度链上，摩擦片也应焊死以免因为误操作出现事故
机床能否进行螺纹加工是主轴部分数控化改造的另一重要部分，传统车床加工螺纹时往往是通过挂轮组来完成，加工不同的螺纹则需不同的挂轮组，操作起来十分麻烦。改造时，我们通常在主轴末端或挂轮架处增装一光电编码器，其转速与主轴转速一致，主轴转一周，光电码盘转一转，通过反馈给系统控制进给轴与主轴的同步性，从而加工出理想螺距的螺纹。根据其编码方式的不同，光电码盘可分为增量式光电码盘和绝对式光电码盘，目前国内常用的为增量式光电码盘。根据光电码盘上刻线条数可分为1024线、2048线等，我们常用的为1024线即
可满足要求。
第七节 刀架部分的改造
目前数控车床刀架基本为电动刀架，其特点是定位更准确、迅速。老式传统车床刀架多为手动、液压驱动或少部分的电动，改造时可以根据需要对其加以更换。
电动刀架可分为卧式转塔刀架（一般安装8～12把刀）和立式电动刀架，立式电动刀架有四工位（或六工位），其中每一种刀架又有抬刀刀架（两端齿盘）和免抬刀刀架（三端齿盘）之分。卧式转塔刀架价格相对较贵，改造中常用立式四工位电动刀架。
第八节 润滑部分的改造
老式传统车床除主轴箱外，导轨、丝杠副、光杆等多用油枪定期注油润滑和油脂润滑，这对机床的导轨、丝杠副等的精度保持很不利，在同等驱动下机床运动的稳定性、灵活性也差一些。 在对这些机床改造时一般都要对其润滑部分进行相应的改动，采用稀油集中定量、定时供油润滑的方式，可分为手控润滑和编程自动润化两种，在机床导轨、丝杠副布置好油路后可根据需要任选一种。 丝杠支承轴承一般采用油脂润滑，如特殊需要和供油充分的条件下也可采用稀油润滑。
第九节 机床防护
机床改造后整个防护分局部防护、半防护和全防护三种。
局部防护只对丝杠副、电机、走线等采取防护措施。半防护是在局部防护的基础上增加切削的保护，即增加挡屑装置。全防护即在局部防护的基础上对整个机床加以封闭，此种防护最难处理，考虑的因素也很多如安装位、防水、美观等。实际操作起来以前两种最多，也最易操作。
第四章 可编程控制器PLC的控制及设计
第一节 PLC的基本结构及工作原理
PLC采用的是典型的计算机结构，主要包括CPU,RAM,ROM和输入、输出接口电路等。其内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。如果把PLC看作一个系统，该系统由输入变量->PLC->输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入变量:它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子，他们是PLC的输出变量。由这些输出变量对外围设备进行各种控制。这里可将PLC看作一个中间处理器或变换器，以将输入变量变换为输出变量。
（一） PLC控制系统组成
(1)输入部分:如按钮开关、限位开关等，直接与PLC输入端子相连接，用以产生输入控制信号，这些信号来自操作台上的人工指令。
(2)控制部分Z反复执行根据被控对象的实际控制要求所编制的用户程序，并产生各种输出控制信号。
(3)输出部分z如接触器、电磁阀等，它们直接与PLC输出端子相连接，用以控制被控对象的动作。
（二）PLC工作过程
(1)输入处理:PLC以重复扫描方式执行用户程序，在执行程序前首先按地址编码顺序将所有输入端子的通断状态(输入信号)读入输入映象寄存器中，然后开始执行用户程序，在执行过程中，即使输入信号发生变化，输入映象寄存器的内容也不变，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才重新读取输入状态。
(2)程序控制:在程序执行阶段，PLC顺序扫描用户程序，每执行一条程序所需要的信息都从输入映象寄存器和其他内部寄存器中读出并参与计算，然后将执
行结果写入有关物出映象寄存器中。
(3 )输出处理:当全部指令执行完毕后，将输出映象寄存器中的状态全部传送到输出锁存寄存器中，构成PLC的实际物出并有输出端子送出。
第二节 PLC与CNC机床的联接方式
CNC数控系统的控制信号有两类:一类是高速信号,主要用于各个坐标轴的插补运动;另一类是低速信号，主要用于控制主轴电机的正、反运转、接触器、电磁阀的通断等开关t，低速信号的控制对象主要一些商电压或大电流的强电设备，其控制采用可编程序控制器，具有可靠性高，柔性好等特点，而且随粉可编程控制器本身性能价格比不断提高，在现代CNC, FMS系统中的应用有不断上升的趋势。目前，数控机床PLC的形式有两种:一种是采用单独的CPU完成PLC功能，即配有
专门的PLC, PLC在CPU外部，称为外装型PLC;第二种是采用数控氛统与PLC合用一个CPU的方法.PLC在CPU内部，称为内装型PLC. FANUC数控系统采用内装型PLC。
可编程控制器与CNC机床的联接方式本质上是外电路联接方法，系统I/0口发出控制指令，使可编程控制器输入端无触点开关通断，通过CNC数控完成可编程控制器对机床强电的逻辑控制。CNC机床的被控对象有带动主轴旋转的主电机、大量开关量、伺服电机等，可编程控制器与CNC机床的强电、CNC数控装里1/0口的联接可归纳为三部分。
（一） PLC输入输出端与机床面板信号联接
FANUC机床操作面板有多达39个自定义键。面板与系统采用光纤连接。结合该机床控制操作的自身特点要求，在机床面板上定义了一些操作键，完全满足了机床控制的要求。
CNC数控机床操作面板上有按钮、旋钮开关、波段开关和指示灯等.按钮、旋钮开关和波段开关直接与可编程控制器的愉入端接线柱相连，指示灯接线直按与PLC输出端接线柱相连，指示灯的亮暗取决于相应的PLC输入端的开关状态
及固化在PCROM卡中的梯形圈程序。
（二） PLC输出端与机床强电信号联接
PLC在CNC机床中的主要作用是控制强电部分.如:主控电源、伺服电源、刀架电机正反转、主轴风扇、润滑电机势。由于流过强电电路的电流很大，在PLC输出瑞都接有保护用继电器。在每一个交流缘圈两侧并联阻容电路以吸收由于线圈通断时产生的浪涌电流.为了提商电机运行的可非性，在接触移线翻电路中加有互锁
保护触点。同理，每个电机的运行程序控制逻辑都固化在PCROM卡中，受机床操作面板开关和数控系统软件的控制。
（三） PLC输入端与CNC机床数控装盆I/O接口的联接
可编程控制器物出端的通断是由其物入端通断状态及梯形图程序决定的，CNC机床数控装I与可编程控制器的联接是通过软开关直接控制PLC粕入端的通断.以决定PLC输出端的状态.从数控装置I/0口的信息流向分析，可以分为两种情况:一是数控装!从1/0口输出指令，控制PLC完成相应的动作;另一种是检测PLC输入口的开关状态，数控装里的I/0口是输入信号，数控装登根据输入信号的性质做出相应的控制。
第三节 CNC加工代码在PLC上的实现方法
目前，数控机床程序中，有关机床坐标系约定、准备功能、辅助功能、刀具功能及程序格式等方面已趋于统一，形成了统一的标准，即所谓的CNC机床ISO代码，在一个加工程序中包含许多程序段，每个段又由若干字组成，每I个字表示一种功能，归纳起来有4种:一种是准备功能，即所谓的O代码;第二种是辅助功能，即所谓的M代码:第三种是刀具功能，即所谓的T代码:第四种是转速功能即所谓的S代码。根据数控机床性能的不同能执行这4种功能多少的程度也不同。在数控机床内部4种功能中，O功能主要与联动坐标轴驱动有关，是通过CPU控制数控装置的I/0接口实现;M功能主要控制机床强电部分，包括主轴换向、冷却液开关等功能;T功能与刀具的选择和补偿有关。
（一） T功能代码的实现方法
T功能代码包含两部分，一是刀具选择;二是刀具位里补偿.在PLC上实现的是第1部分功能:刀具选择。换刀过程如下:运行数控程序，发出某个刀具号的换刀指令，对应的数控装里I/0口变为商电平，使PLC输入端的软开关接通，换刀电机正转，当在刀架上的干赞管触点开关接通后换刀电机反转，使刀架下落压紧，当压紧力足够大时，徽动开关接通，换刀电机停止运转。
（二） M功能代码实现方法
ISO数控加工代码标准中辅助功能很多，对于不同的数控机床，所能实现的辅助功能也不尽相同，但是各种数控机床都具有一些荃本的辅助功能，如M00程序停止)，M03(主轴正转)，M05(主轴停止)等，M功能的一部分是由数控系统本身的硬件和软件实现，还有一部分需要数控装2与PLC相结合来完成，如主轴的正转与停止功能，M功能的实现与T功能的实现方法类似，同样是数控装21/0接口发出指令，由PLC输入端状态和PLC内部ROM中的梯形图程序决定PLC愉出端的状态.进而完成M功能，
第四节 P LC程序的模块化设计
（一） 模块的划分
一个应用程序包括一套在PLCTOOL编程工具下产生的模块。把它装入NC去控制相应的系统，本次设计中，我们利用PLCTOOL软件，综合管子车床的特点，开发了该机床的PLC控制程序。将PLC程序划分为5个模块，即公共信号模块、荃本控制模块、刀架模块、主轴模块、报警模块。
(1)公共信号模块:主要处理PLC与NC之间的接口信号。
(2)基本控制模块:主要用来处理紧急停止、润滑、冷却、方式选择、手动进给、程序启停等信号。
(3)刀架模块:用于对转塔刀架的选刀、定位等过程进行逻辑控制。
(4)主制模块:对主轴正反转、主轴定向、主轴变速等动作过程进行控制。模
块中包括伺服主轴和变频主轴两种控制逻辑，可通过修改PLC参数进行切换。
(5)等级模块:对机床故陈误操作等状态进行监测并触发相应的报誉文本信息同时产生各种安全互锁信号，防止对机床或人身造成伤害。以上5个模块的功能可通过1个主程序和12个子程序完成，主程序主要完成系统初始化工作，然后调用子程序，实现对机床的各种控制。
（二） 模块的构成
每个模块都分为输入部分、主体逻辑部分和输出部分，输入部分将输入信号的物理地址转化为PLC的中可逻辑地址，以保持主体逻辑部分相对于翰入地址的独立性，主体逻辑部分是模块的主要构成部分，完成控制过程的逻辑和算术运算。并将运算结果暂存于中间逻辑地址。输出部分有两个作用:一是将主体逻辑部分的运算结果传送给输出信号的物理地址，实现机床各功能部件的动作，并保持主体逻辑部分相对于输出地址的独立性;二是向其它模块提供接口信号，以实现各种顺序或连锁控制功能。
第五节 变量说明
交换规则 :自动控制功能和NC功能之间的交换是通过一个双方功能指令都能存取的存储器空间作为数据交换区来实现的。数据的交换不需要经过输入输出卡，而是在自动控制功能直接进行的。这里所说的输入和输出是相对于自动控制功能定义的，输入是由自动控制功能读的一个变t，而输出是由自动控制功能写的一个变量。
变量可分为:内部变量、端子板输入输出变量、配置和诊断变量、CNC接口变量、公共字变量以及局部变量。
第六节 梯形图程序实例
（一） 主程序TSO-模块1
主程序主要完成一组进给授权、一组使能、选择轴、读入进给倍率及主轴倍
率、从CNC中读出主轴参考速度等系统初始化工作，然后调用子程序，实现对机床的各种控制。
（二） 程序启停子程序SP12-模块2
当按下CYCLE START键，且三轴(X,Z ,C )使能都加上时，发出循环脉冲，CYCLE=1,当循环灯没亮，且循环在进行时，CYCLE START灯亮。
当按下CYCLE STOP键，且三轴(X,Z ,C )使能都加上时，则发出加工停
请求，CARVS=1;当循环停显示，则循环停止。
（三）自动换刀控制程序SP10-模块3
刀架有刀架电机驱动，刀具盘上有4个均匀分布的刀具位，程序完成对刀架正、反转及换刀)等控制。
（四） 报誉控制程序SP24-模块4
报警等控制程序主要有CNC状态报警、一般故障报警、低油位报警、伺服报警、主轴报警等
（五） 主轴控制程序SP6-模块5
主轴控制主要包括对主轴正反转、主轴风扇、主轴使能等的控制
G代码表
指令名
G00
G01 功 能 定位（快速移动） 直线插补（切削进
给）
顺时针圆弧插补
（后刀座）
逆时针圆弧插补
指令名 G70 G71 功 能 精加工循环 内外圆粗车复合循环 G02 G03 G72 G73 端面粗车复合循环 封闭切削复合循环
（后刀座）
G04 暂停、准停
G28 返回机械零点
G32 螺纹切削
G33 攻丝循环
G34 变螺距螺纹切削
G40 取消刀尖半径补偿
G41 刀尖半径左补偿
（后刀座）
G42 刀尖半径右补偿
（后刀座）
G50 坐标系设定
G65 宏指令 G74 轴向切槽循环 G75 径向切槽循环 G76 螺纹切削复合循环 G90 内外圆切削循环 G92 螺纹切削循环 G94 端面切削循环 G96 恒线速控制 G97 恒转速控制 G98 每分进给 G99 每转进给
第五章 数控机床的改造现状及意义
第一节 车床数控改造的现状
(1)我国现有的、数以万计的陈旧、落后的机床是机床大修与数控化改造行
业产生的现实基础我国是一个发展中国家，由于长期自身机制的不适应性，经济实力过低、技术落后、设备陈旧，极大地制约着国民经济的发展。为尽快改变我国机械制造业的落后状态，近二十多年来，我们在艰难地发展民族机床制造业的同时，积极地引进了世界先进技术与设备。一方面与世界先进机床制造厂合作，不断生产出具有世界先进水平的各类机床；另一方面直接购进了大量的各类机床。这一切都为我国国民经济的快速发展起到了巨大的作用。但是，机床长期运转甚至超负荷使用，同时又缺少认真的维修与保养，造成机床严重磨损，丧失了精度；有些机床则由于企业人员及产品结构的改变，或由于技术力量不足而被长期闲置，需要使用时却发现早已锈迹斑斑，电控系统不能起动； 由于新产品制造的需要，原有机床性能已不能满足使用要求，急需更新升级改造；由于世界计算机及网络技术的飞速发展，造成数控系统、驱动系统厂的产品更新加快，原有产品过早停产，给备件更换与维修带来一定困难；况且数控系统的使用寿命一般在5～10年，而我国大多数机床都在超期服役。这些诸多因素都需要对机床进行大修及数控化升级改造。
(2)新进的大批二手机床成为机床大修及数控化改造行业的催化剂自改革开
放以来，许多企业引进了一大批国外淘汰的旧机床，虽然有一部分尚能满足使用要求，但是多数由于缺少经验、技术、资料及备件等因素，造成虽廉价购进但却不能继续发挥作用而闲置的尴尬局面。其中不乏有为改造后投入使用而引进的旧机床和生产线。这里多数的二手机床只要再有适当的资金投入，经过大修改造即可发挥作用。
(3)显著的经济效益是机床大修及数控化改造行业的发展动力 对于机床拥
有者来说，只需花费购买相同新机床30%以下的费用即可获得相同的使用效果。根据国际该行业的记载，即使将原机床的结构性能进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60%左右的价格。对于机床大修改造业内公司来说，这不仅为他们
的服务企业产生巨大社会经济效益，而且也是他们自身生存和发展的根本动力。
(4)机床大修及数控化改造的优势是该行业生存与发展的有利条件 旧机床
的大修、翻新、升级改造与购买新机床相比，具有下列优势：
① 交货期短。尤其是大型机床和特殊专用机床优势更加明显。
② 性能更稳定。各基础件经长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度；
各功能部件经长期磨合。功能稳定性可靠性好。
③ 设计风险小。新机床设计中带来的技术、方案风险在大修改造中几乎不
存在。
④ 可以更充分地体现用户的意愿。用户与维修人员可以依照实际需要和机
床长期使用情况，在大修改造中提出对机床性能、操作与维修等方面的改进(包括增、改)意见，有权选择机械零部件、数控系统等电气设备的规格、型号、性能等。
⑤ 更有利于使用与维护。由于用户、维修人员不仅可以直接参与改造方案
的制定，而且可以参与改造的全过程，可以直接获取各种技术信息，更深入地掌握机床的结构及性能特点，从而增强使用与维修的主动能力。
⑥ 可以更快地获取最新的更实用的备件。
⑦节省大量投资。
⑧降低投资风险。
(5)社会化、专业化趋势是机床大修及数控化改造行业的必由之路 旧机床的
数控化改造和翻新不仅仅是当前经济转轨时期必要和重要的行为，而且是一个企业长期发展的战略措施。
第二节 车床数控改造的必要性与可行性
数控技术是先进制造技术的核心技术，它的整体水平标志着一个国家工业
现代化的水平和综合国力的强弱，具有超越其经济价值的战略物资地位。目前我国企业机械制造整体水平与发达国家相比还有很大的差距。由于我国企业大部分
数控机床和数控系统依赖进口，企业承受不了巨额购置费，且易受国外的控制，另外数控机械设备维修力量薄弱，进口的备件维修成本高，设备完好率低，大部分进口机床数控系统已经崩溃，有的甚至在进口后还没使用就已因为各方面原因不能使用等等。因此目前我国企业机床数控化比例极低，不到5%，各企业使用的绝大部分为传统老式机床，很难满足企业高技术产品的生产需求和生产效率。为节约成本，进一步发挥老式传统机床的功效和潜在价值，将大批传统老式机床改造为数控机床是一种必然性和趋势。
第三节 机床数控改造的意义
1）节省资金。 机床的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。因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的自动化效率可比传统机床提高 3至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。
总结
经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。其改造涉及到机械、电气、计算机等领域，是一项理论深、实践强的系统工程。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。
机床改造完毕后，还应该对其进行安装调试及验收。一般来说，应特别注意安装的位置和基础，使机床处于良好稳定的工作环境。其次是全面检查各器件、插件的连接情况以及各油路、电路的情况，再进行数控系统的连接。当完成数控系统的调整，具备了机床联机通电试车的条件，可切断数控系统的电源，连接电动机的动力线，恢复报警设定，准备通电试车。试车的目的是考核机床的安装是否稳固，各传动、操纵、控制、润滑、液压、气动等系统是否正常和灵敏可靠。改造后的数控机床的验收是和安装调试工作同步进行的。一台机床数控改造完好后的检测验收工作是一项复杂的工作，其试验检测手段及技术要求也很高，它需要使用各种高精度的仪器，对机床的机、电、液、气各部分及整机进行单项性能综合性能检测，包括运行刚度和热变形等一系列试验，其中应特别注意机床数控功能的检验，最后得出该机床的综合评价。
目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3％。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。
在设计过程中，我们也学到了很多东西，我们通过查阅大量的资料，把所学的知识应用到设计中，这样既温故了我们在大学期间所学的专业知识，又培养了我们一种独立思考问题、解决问题的能力，对今后的工作必将产生深远的影响。
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致 谢
经过一个多月的时间，在各位老师的帮助下，在我的不断努力下，我的毕业论文设计终于要完成了。从设计中我学到许多知识，也理解了做任何事都要细心的道理。知识的积累是一点一滴的，在设计中我也感受颇深。在此我要真诚的感谢赵老师给予我的指导，在设计过程中老师严格督促我的毕业设计速度，及时的帮我解决我在设计中遇到的各种问题和困难，在设计中一直对我严格要求，在整个毕业设计过程中都给我耐心的指导和讲解，并主动为我提供各种相关技术资料，在指导老师的帮助和指导下我顺利完成了本次毕业设计，也让我在这次毕业设计中受益匪浅，在此谨向指导老师致以深切的谢意！
在大学生活即将话上句号时,在我们即将告别这个白衣飘飘的年代的时刻,告别我们与樱花相伴的青春岁月时,我内心是如此的激动不已,如此的依依不舍,在这里我感谢几年来培养我的母校,感谢任课老师,感谢所有的爱我的人和我爱的人。祝愿老师和同学们身体健康，工作顺利。共同祝愿母校明天更美好！