I摘要CB3463-1 半自動轉塔車床是一種生產(chǎn)效率比較高的設備。它可以完成產(chǎn)品的鉆孔、擴孔、挖內(nèi)槽以及車削內(nèi)、外圓等多道工序,頗受人們的歡迎。但該機床也有一點美中不足之處,即當使用轉塔刀架工作時,特別是進行鉆孔和擴孔,在刀具剛剛穿透工件的一瞬間,由于轉塔刀架工作負荷驟減,在壓力油的作用下,整個轉塔刀架產(chǎn)生沖擊。沖擊對產(chǎn)品質(zhì)量大有影響,經(jīng)常把刀具刃口折斷,增加刀具的損耗。另外,該機床的床鞍在快退復位時,由于慣性作用,也會產(chǎn)生明顯的沖擊現(xiàn)象,給機床的精度產(chǎn)生一定的影響。介紹半制動轉塔車床的數(shù)控化改造方法及其基本結構，主要改造了轉塔刀架和前刀架，改造其傳動機構，使其實現(xiàn)更好的數(shù)控化能力，轉塔刀架主要利用感應同步器實現(xiàn)傳動機構的簡單化，利用控制系統(tǒng)來實現(xiàn)機械系統(tǒng)的功能，是結構簡單，操作方便，精度高，是現(xiàn)代發(fā)展的方向，是科技發(fā)展的必然結果，通過對半制動轉塔刀架的數(shù)控化改造使機械加工有很好的發(fā)展。關鍵詞： 前刀架 改裝 感應同步器 轉塔刀架II目錄摘要 I目錄 II第 1 章 緒論 .11.1 轉塔車床簡介 .11.2 機床主要技術參數(shù)和連接尺寸 11.3 機床在安裝調(diào)整試車前的注意事項 31.3.1 機床安裝水平的找正方法 3第二章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案設計 .62.1 設計方案的論證 62.1.1 數(shù)控改造方案的確定 72.1.2 伺服系統(tǒng)的改造設計 72.1.3 系統(tǒng)的硬件電路改造 82.1.4 系統(tǒng)的硬件電路改造 .92.2 總體設計方案的確定 .10第 3 章 主傳動系統(tǒng)及進給系統(tǒng)的設計 .113.1 主傳動系統(tǒng) .113.2 進給系統(tǒng) 11第四章 檢測系統(tǒng) .124.1 檢測 元件的要求與分類 12第 5 章 數(shù)控機床用可編程控制器 .135.1 可編程控制器在工業(yè)中應用 135.2 plc 在數(shù)控機床中的應用 145.2.1 PLC 在機床數(shù)控系統(tǒng)中所起的作用 145.2.2 數(shù)控機床用 plc 的分類 .155.2.3 plc 在數(shù)控機床中的接口信號及其配置方式 .165.3 plc 的規(guī)模 175.4 plc 的基本工作原理 .175.4.1 plc 的組成 .17III5.4.2 plc 的工作原理 20第六章 經(jīng)濟分析 .22第七章 感應同步器 .237.1 感應同步器的簡單介紹 237.1.1 相位工作狀態(tài) .267.1.2 幅值工作狀態(tài) .277.2 設計要點 287.2.1 基本要求 .287.2.2 直線式感應同步器的設計要點 .287.3 感應同步器的特點 297.3.1 精度較高 .297.3.2 受環(huán)境溫度 濕度變化的影響小 .307.3.3 使用壽命長，維護方便 .307.3.4 可按需要拼接成各種測量長度 .307.3.5 抗干擾能力強 .317.3.6 工藝性好，成本低，便于復制和成批生產(chǎn) .317.4 感應同步器的結構與分類 317.4.1 標準型 .317.4.2 窄長行 .327.4.3 帶式感應同步器 .327.4.4 三速式感應同步器 .32結論 .331第 1 章 緒論1.1 轉塔車床簡介1、節(jié)省資金：機床改造同購置新機床相比一般可節(jié)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(xiàn)有地基。 2、性能穩(wěn)定可靠：因原機床各基礎件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應力變形而影響精度。 1.2 機床主要技術參數(shù)和連接尺寸1.2.1 機床的主要參數(shù)（1）卡盤直徑 m320?（2）主軸孔徑 7（3）最大的直徑 32?（4）最大加工棒料直徑 m6（5）主軸中心距山導軌平面 260mm （6）中心高：主軸中心距平導軌平面 275mm 1.2.2 允許裝卡零件的旋徑：2（1）前后刀架體上最大回轉直徑 m320?（2）前刀架滑板上最大回轉直徑 1（3）后刀架滑板上最大回轉直徑 0?（4）床身導軌上最大旋徑 m61.2.3 刀架運動參數(shù)：（1）前刀架（水平位置）橫向最大行程 160mm 縱向最大行程 100mm軸端面最大距離 420mm內(nèi)切運動最大行程 65mm （2）后刀架橫向運動最大行程 420mm 寸動讓刀行程 0—5mm 縱向移動調(diào)整行程 160mm 上滑板左側距主軸前端面最大距離 355mm （3）轉塔刀架：工具孔數(shù) 最大縱向行程 450mm 轉塔刀架端面距主軸端面最大距離 900mm 轉塔刀架縱向距主軸端面最小距離 450mm 軸向最大切削抗力 kgPZ150?1.2.4 速度參數(shù)：（1）主軸轉數(shù)：轉數(shù)范圍 35 54 72 110 148 229 308 46579 120 165 250 337 510 700 1058 轉/分自動變換轉數(shù)種數(shù) 8 種（2）前后刀架進給速度范圍，采用液壓節(jié)流閥實現(xiàn)無級調(diào)速，經(jīng)預選手動3調(diào)好后，只有一種進給量。其最小最大流量為 0.05—25 升/分。后刀架的快速移動為 5—7 米/分。（3）轉塔刀架進給速度范圍，采用三個并聯(lián)節(jié)流閥來實現(xiàn)進給范圍的無級調(diào)速。根據(jù)需要一次手動調(diào)整后實現(xiàn)自動變換三種進給量，其最小最大流量為0.02—10 升/分，為達到進給速度的穩(wěn)定，在精走刀時選擇的節(jié)流閥有溫度補償裝置。轉塔刀架的快速移動為 4—5 米/分。1.2.5 動力參數(shù)、液壓系統(tǒng)：主電機：功率 N=8—10KW轉數(shù) 1000/1500 轉/分油泵電機功率 N=3KW轉數(shù) n=15000 轉/分冷卻泵電機：功率 N=0.125KW轉數(shù) 2790 轉/分液壓系統(tǒng)：雙聯(lián)變量油泵：壓力 流量 Q=40 升/分2/63cmkgP?油箱容積： V=330 升1.2.6 機床輪廓尺寸、機床凈重長 X 寬 X 高 2962X1420X1530機床凈重 3800kg1.3 機床在安裝調(diào)整試車前的注意事項1.3.1 機床安裝水平的找正方法機床安裝水平找正正確與否，直接影響本機床的加工精度及其使用壽命，如機床水平找的不對，既對加工零件精度不能保證，長期不合理使用使床身產(chǎn)生永久變形，導軌磨損不均勻造成機床無法修復的地步，由此機床安裝前首先打好地基，安裝時，首先對機床進行調(diào)水平。機床水平找正方法：機床水平找正時應將水平儀放在轉塔刀臺上，垂直于4導軌方向使轉塔刀架在床身全長上移動三點求得水平儀三點六個讀數(shù)不超過精度合格證上所規(guī)定的公差范圍，而后將水平儀水平于導軌方向，使轉塔刀架在床身全長上移動三點。同樣有六個讀數(shù)不超精度合格證，這時認為機床的水平線找好了。在一般情況下就可以滿足加工要求了，但由于六角車床刀具的布置在 范圍內(nèi)，如圖 1—1 所示：009??圖 1--1 精度合格驗證因此，有時水平雖然合格，但加工零件可能出現(xiàn)錐度，所以機床安裝水平找正后，可以用棒料進行試切合格的話水平大致合格。下面介紹一下在試切過程中進一步校正機床水平的方法：（1）轉塔刀架垂直試切法：零件有外大內(nèi)小的錐度：這種情況是導軌在垂直方向凸起不夠而造成的，調(diào)整方法如圖 1—2 所示：5圖 1--2 調(diào)整方法示意圖將 3、4、5、6、號墊鐵適當墊起來或將 1、2、7、8、地腳螺釘適當?shù)穆湎?，使機床導軌中間凸起，加干校準。反之零件出現(xiàn)內(nèi)大、外小錐度時，調(diào)正方法則相反。（2）轉塔刀架水平裝刀試切，零件有外大內(nèi)小的錐度：這種情況是由于導軌扭曲而造成的，其扭曲方向見圖 1--3。調(diào)整方法可按上圖 1、3、6、8 地腳螺釘適當落下或將 2、4、5、7 號墊鐵適當墊起即可。反之如出現(xiàn)外大內(nèi)小的錐度則調(diào)整方法相反。垂直裝刀及水平裝刀時零件加工精度達到 2 級精度這時認為機床水平調(diào)好。61.3.2 一致性電源電壓電流要與機床標牌規(guī)定一致，檢查機床接地和線路的安全。1.3.3 油量按機床油標準線將主軸箱、油箱、油池注滿，規(guī)定用 20 錠子油，或液壓系統(tǒng)用油。并注各種潤滑用油杯。1.3.4 調(diào)壓調(diào)節(jié)油路系統(tǒng)油壓穩(wěn)定在 ，調(diào)節(jié)時緩慢上升壓力，如系統(tǒng)油壓2/0cmkg大于 ，可調(diào)葉片泵調(diào)壓螺釘，如調(diào)壓螺釘已調(diào)至最小油壓還沒有下2/0cmkg來，就得將葉片泵調(diào)壓螺釘擰出，取出彈簧磨去半圓再裝入調(diào)整壓力。1.3.5 試運行、測試開動主電機以點動方式，主軸用抵擋低轉樹試車，當潤滑油上來后再進行正常運轉，防止磨損。調(diào)試每一個刀架的各種運動軌跡，并測試各開閉行程多次，求得穩(wěn)定。第二章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案設計CB3463-1 型轉塔式車床是一種加工效率高，自動化程度較高的機床，這種車床的改造，很容易實現(xiàn)自動化控制，是種較為實用的改造技術。能夠得到較好的經(jīng)濟效果。72.1 設計方案的論證對機床進行數(shù)控改造，利用微機對車床的縱向、橫向進給系統(tǒng)進行數(shù)字控制，并要達到縱向行最小運動單元為（0.05 升/分） 10mm/min，橫向最小運動單元為（0.02 升/分）2.5mm/min ，刀架本身就可以實現(xiàn)自動轉位換刀的功能，對于普通機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造，在考慮總體設計方案時，應遵守的基本原則是：在滿足設計要求的前提下，對機床的改動應盡可能少，以降低成本。82.1.1 數(shù)控改造方案的確定數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)（輪廓）控制系統(tǒng)。由于 CB3463-1 型車床加工復雜輪廓的盤類件，所以控制系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。2.1.2 伺服系統(tǒng)的改造設計數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)有開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。采用直流或交流伺服電機驅動的閉環(huán)控制。方案的優(yōu)點是可以達到很好的機床精度，能補償機械傳動中的各種誤差，消除間隙、干擾等對加工精度的影響。但它的結構復雜、技術難度大、調(diào)試和維修困難、造價高。采用直流或交流伺服電機驅動的開環(huán)控制。方案優(yōu)點結構簡單、容易調(diào)整；但其系統(tǒng)精度較差，速度有一定的限制。但在速度、精度要求不太高的場合下仍得到應用。采用直流或交流伺服電機驅動的半閉環(huán)控制是介于開環(huán)控制和閉環(huán)控制之間的，其性能介于兩者之間。由速度調(diào)整范圍寬、過載能力強，又采用反饋控制，因此性能遠優(yōu)于以步進電機驅動的開環(huán)控制，比閉環(huán)容易實現(xiàn)。由于 CB3463-1 型車床加工精度要求不太高，但是不能選用開環(huán)控制，而閉環(huán)系統(tǒng)，調(diào)試、安裝困難、結構復雜，并且成本較高在本機床上應用也是一種浪費，在此也不采用，本次改造選用半閉環(huán)控制即可達到加工精度要求，可滿足生產(chǎn)、工藝要求，造價也較低，調(diào)試、使用也較為方便，結構簡單，安裝、維護方便。CB3463-1 型數(shù)控車床的重點在于電氣改裝，機械改裝占的比例較之略少。在電氣改裝時機械改裝也同等重要在本次改造主要對刀架進行電氣、機械改造。只有在確定必要時，才考慮對主軸箱等其它部分進行適當改裝。1.轉塔刀架的改造轉塔刀架的改造可以把它的液壓部分拆去，換為滾珠絲杠，并且與此同時還要在主軸上安裝脈沖發(fā)生器。拆除液壓部分后由于液壓缸在兩導軌中間位置對轉塔刀架的受力平衡影響較少，但在安裝絲杠時要考慮是在刀架外側安裝還9是在內(nèi)側安裝，在外側安裝絲杠時，整個刀架的受力情況發(fā)生變化，并且還要對刀架結構進行一定的改造才能達到預定的效果，而這樣絲杠在安裝后又會與前刀架的導軌發(fā)生干涉；如果安裝絲杠安裝在原液壓缸位置時就不會發(fā)生這種情況但此時絲杠的防護工作就較困難而且對刀架的整體也得有所改動，而且在安裝、調(diào)試也較為困難。經(jīng)過分析，采用以下方法：在刀架上將原有行程控制部分拆去后安裝上感應同步器，因原行程控制部分采用手調(diào)，而且調(diào)試起來較困難。這樣安裝感應同步器只要將其行程控制部分拆除，對整個刀架的平衡影響小，而安裝感應同步器時的底座在經(jīng)過計算后的質(zhì)量又可以將這一偏差平衡。這種安裝對整個刀架基本上沒有改動，而且受力平衡問題得到解決。2.前刀架、后刀架進給機構的改造前、后刀架的進給機構改造與轉塔刀架的改造基本類似，只需把愿行程控制部分拆除，安裝感應同步器即可。而后刀架只是一個輔助刀架，它的轉角可以用編碼器來控制，這樣就可以實現(xiàn)所有刀架的數(shù)字控制。2.1.3 系統(tǒng)的硬件電路改造任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行。數(shù)控系統(tǒng)中的關鍵部分是數(shù)控裝置。數(shù)控裝置的設計方案選擇也有多種方案，通常有：（1）可以全部自己設計/制作。 （2）可以才用單板機或 STD 模塊或工控機改制。（3）可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適用化改動或配接。（4）可以在專門的生產(chǎn)廠家定貨由廠家為其提供產(chǎn)品。在普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造中，一般情況下，所需的數(shù)控功能和要求如果有現(xiàn)成的數(shù)控裝置可以滿足，這時通常都采取購置現(xiàn)成的數(shù)控裝置的方案，因為自行設計制作不但浪費時間，且不經(jīng)濟，同時質(zhì)量上也難于保證。另一種情況是購置經(jīng)自行補充或改造其硬件電路，來滿足本設計要求。但在畢業(yè)設計時只要選擇可直接應用的數(shù)控裝置即可。在自行設計的數(shù)控裝置中，CPU 的選擇是關鍵。選擇 CPU 應考慮以下要素：10（1）效率和字長與被控對象的運動速度和精度有關；（2）可擴展存儲器的容量與數(shù)控功能的強弱相關；（3）指令系統(tǒng)功能強弱與編程的靈活性有關；（4）I/O 口擴展的能力與對外設控制的能力相關；（5）開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路，與開發(fā)周期、推廣應用相關；除此之外，還應根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)應用場合、控制對象以及各種性能、參數(shù)要求等，綜合起來考慮以確定 CPU。在我國，普通機床數(shù)控改造方面應用較普遍的是 8051CPU 和可編程控制器（PLC） ，完全能滿足經(jīng)濟型數(shù)控機床的改造需要。為此，本設計采用 PLC 組成的數(shù)控裝置用微型控制機。2.1.4 系統(tǒng)的硬件電路改造任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行。數(shù)控系統(tǒng)中的關鍵部分是數(shù)控裝置。數(shù)控裝置的設計方案選擇也有多種方案，通常有：（1）可以全部自己設計/制作。 （2）可以才用單板機或 STD 模塊或工控機改制。（3）可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適用化改動或配接。（4）可以在專門的生產(chǎn)廠家定貨由廠家為其提供產(chǎn)品。在普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造中，一般情況下，所需的數(shù)控功能和要求如果有現(xiàn)成的數(shù)控裝置可以滿足，這時通常都采取購置現(xiàn)成的數(shù)控裝置的方案，因為自行設計制作不但浪費時間，且不經(jīng)濟，同時質(zhì)量上也難于保證。另一種情況是購置經(jīng)自行補充或改造其硬件電路，來滿足本設計要求。但在畢業(yè)設計時只要選擇可直接應用的數(shù)控裝置即可。在自行設計的數(shù)控裝置中，CPU 的選擇是關鍵。選擇 CPU 應考慮以下要素：（1）效率和字長與被控對象的運動速度和精度有關；（2）可擴展存儲器的容量與數(shù)控功能的強弱相關；11（3）指令系統(tǒng)功能強弱與編程的靈活性有關；（4）I/O 口擴展的能力與對外設控制的能力相關；（5）開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路，與開發(fā)周期、推廣應用相關；除此之外，還應根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)應用場合、控制對象以及各種性能、參數(shù)要求等，綜合起來考慮以確定 CPU。在我國，普通機床數(shù)控改造方面應用較普遍的是 8051CPU 和可編程控制器（PLC） ，完全能滿足經(jīng)濟型數(shù)控機床的改造需要。為此，本設計采用 PLC 組成的數(shù)控裝置用微型控制機。2.2 總體設計方案的確定經(jīng)過總體設計方案的論證后，確定的 CB3463-1 型轉塔車床經(jīng)濟型數(shù)控改造的總體設計方案示意圖 2—1。CB3463-1 車床的主軸傳動部分保留原機床的功能，非手動變速。車床的縱向（Y 軸）和橫向(X)軸進給運動采用液壓缸驅動。由 PLC 作為數(shù)控裝置的核心，I/O 接口、環(huán)形分配器與功率放大控制液壓動作來實現(xiàn)車床的縱向、橫向進給運動。由其中中央心理器(CPL)來處理所傳入的數(shù)值進行分析控制機床的運動。12第 3 章 主傳動系統(tǒng)及進給系統(tǒng)的設計3.1 主傳動系統(tǒng)由于 CB3463-1 型車床的主傳動系統(tǒng)的精度及靈敏性基本上滿足數(shù)控車床改造的要求，改造后的車床既要考慮其一定的技術要求，又要實現(xiàn)造價低廉、經(jīng)濟方便的要求。綜上所述，在改造時，仍然保留 CB3463-1 車床的原有主傳動系統(tǒng)。不用對其進行改動。3.2 進給系統(tǒng)數(shù)控改造后的車床進給運動是數(shù)字控制的直接對象，不論點位控制還是連續(xù)控制，被加工工件的最后坐標精度和輪廓精度者進給運動的傳動精度，靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此在設計進給系統(tǒng)時應充分注意減少磨擦阻力，提高傳動精度和風度，消除傳動間隙以及減少運動件的慣性。133.2.1 減少運動件的摩擦阻力摩擦阻力主要來自絲杠和圉軌。因此，絲杠和導軌結構的流動化是減少摩擦的重要措施之一。本次設計無須做此設計。3.2.2 提高傳動精度和剛度因為進給系統(tǒng)中滾珠絲杠螺母，和支承結構是決定其傳動精度和風度的主要部件，幫必須保證它們的加工精度。對步時電機驅動和開環(huán)系統(tǒng)尤其如此。此處，還可以采用合理的預緊來消除滾珠絲杠螺母副的軸向傳動間隙，以提高支承的結構風度。這些措施均有利于提高傳動精度。3.2.3 減少運動慣量在滿足傳動強度和風度的要求下應盡可能將各元件進行合理配置并減少它們的慣量。第四章 檢測系統(tǒng)4.1 檢測元件的要求與分類4.1.1 測量系統(tǒng)的要求檢測元件是帶有反饋伺重要組成部分。它的作用是檢測位置和速度，發(fā)送反饋信號，構成閉環(huán)控制檢測系統(tǒng)的精度決定了數(shù)控系統(tǒng)的精度和分辯率。不同類型數(shù)控機床對檢測裝置的精度和適應的速度要求是不同的。對大型機床以滿足速度要求為主，對中小型機床和高精度機床以滿足精度要求為主。選擇測量系統(tǒng)的分辯率要比加工精度高一個數(shù)量級。14具體要求有：（1（ 準確性好，滿足精度要求。（2（ 響應速度快，滿足速度要求。（3（ 可靠性好，抗干擾性強。4.1.2 檢測裝置的分類 根據(jù)元件的安裝位置及與機床運動部件的耦合方式，可分為直接測量和間接測量兩種。間接測量精度低，需要增加補償措施。從檢測元件輸出的信號類型可分為絕對式和增量式檢測元件及模擬式，數(shù)字式檢測元件。位置檢測元件的分類見表 4—1表 4—1 位置檢測元件增 量 式 絕 對 式回轉式脈沖編碼器旋轉變壓器圓感應同步器圓光柵，圓磁柵多速旋轉變壓器絕對脈沖編碼器三速圓感應同步器直線式直線感應同步器，計數(shù)光 柵磁尺，激光干涉儀三速圓感應同步器絕對值式磁尺第 5 章 數(shù)控機床用可編程控制器5.1 可編程控制器在工業(yè)中應用可編程控制器（簡稱 PLC）是以微處理器技術為基礎，綜合了計算機技術、自動化技術和通信技術的一種新型工業(yè)控制裝置。PLC 以其可靠性高、耐惡劣環(huán)境能力強、使用極為方便這三大特點，在工業(yè)自動化領域得到了廣泛的應用，現(xiàn)已經(jīng)成為實現(xiàn)工業(yè)自動化的強有力的工具，適用范圍包括電力、紡織、機械、鋼鐵、造紙、食品、化學等各種工業(yè)部門。15可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的控制裝置。它采用可編程存儲器，并通過數(shù)字式或模擬式輸入/輸出方式控制各種類型的機器或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骶哂泻軓姷倪壿嬤\算能力，而且 PLC 的輸入/輸出接口適應了工業(yè)過程的需要，具有功率放大的功能，可直接帶負載運行，這就是 PLC 在工業(yè)控制上優(yōu)于普通微型計算機的地方。可編程控制器及其有關外部設備，都較易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體，易于擴充其功能。可編程控制器不僅可代替繼電器控制系統(tǒng)，使硬件軟化，提高工作可靠性及系統(tǒng)的靈活性。另外，它還具有運算、計數(shù)、調(diào)節(jié)、通信、聯(lián)網(wǎng)等功能，可以說是控制裝置的一個飛躍。尤其在配合發(fā)展中的柔性制造單元（FMC）和柔性制造系統(tǒng)（FMS）方面，更顯示出布線少量的模擬量的控制系統(tǒng)中。小型可編程控制器主要用于單機自動化，而大型可編程控制器主要用于自動生產(chǎn)線中。如果按應用類型來劃分，可編程控制器的應用可分為如下幾個類型：第一種，PLC 在開關量控制系統(tǒng)中的應用。這是可編程控制器最基本的控制功能，可用來取代繼電器控制系統(tǒng)裝置，如機床電氣控制；還可以用來取代順序控制和程序控制，如高爐上料系統(tǒng)、電梯控制、電廠物料輸送系統(tǒng)等?？梢?，它既可用于單機控制，又可用于多機群控及自動化生產(chǎn)線的控制。第二種，PLC 在模擬量控制系統(tǒng)中的應用。通過使用數(shù)/模和模/ 數(shù)轉換模塊，可編程控制器可以對模擬量進行采集和控制，如溫度監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)今各可編程控制器制造廠高相繼推出了各種智能模塊，如 PIC 控制模塊、位置控制模塊、高速計數(shù)模塊等。第三種 PLC 在分級分布式控制系統(tǒng)中的應用。在分布式控制系統(tǒng)中，PLC 作為單元控制器，在現(xiàn)場對輸入/輸出數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)實時控制。通過加入通信模塊，PLC 與上級計算機之間，其它的 PLC 之間可以實現(xiàn)住處的交互，使整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。如在 PLC 生產(chǎn)線中，就經(jīng)常采用具有通信模塊的 PLC 來實現(xiàn)各個單元的控制功能。165.2 plc 在數(shù)控機床中的應用5.2.1 PLC 在機床數(shù)控系統(tǒng)中所起的作用在機床的數(shù)控系統(tǒng)中，控制部分分為數(shù)字控制和順序控制兩大部分。數(shù)字控制部分控制刀具軌跡，而順序控制部分輔助機械動作。這種輔助機械動作控制通常稱強電控制，它以主軸轉速 S、刀具選擇 T 和輔助機能 M 為代碼住處關入數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)的識別、處理，轉抵達成與輔助機械動作對應的控制信號，使招待五一節(jié)作相應的開關動作。在討論 PLC、數(shù)控系統(tǒng)和機床各機械部件、機床輔助裝置、強電線路之間的關系時常把數(shù)控機床分為 NC 側和機床側兩大部分.NC 包括 CNC 系統(tǒng)的硬件和軟件,與 CNC 系統(tǒng)連接的外部設備.機床側包括機床機械部分及其液壓、氣壓、冷卻、潤滑、排屑等輔助裝置、機床操作面板、繼電器線路、機床強電線路等。PLC 處于 NC 與機床之間，對 NC 和機床的輸入 /輸出信號進行處理。PLC 完成各種輔助功能時，首先由 CNC 系統(tǒng)對包括在 CNC 程序中的各種輔助功能指令進行譯碼，將需要由 PLC 處理的數(shù)據(jù)傳遞給 PLC 的存儲器，PLC 將這些數(shù)據(jù)與來自機床的狀態(tài)信號結合，進行邏輯運算處理，生成控制指令，由 PLC 的輸出裝置經(jīng)過功率放大，通過控制機床的執(zhí)行元件實現(xiàn)各種輔助功能。在機床電氣控制中，PLC 順序控制的任務隨數(shù)控機訂的類型、結構、輔助裝置等的不同而有很大區(qū)別，主要可以歸納為如下幾個方面：（1（ 機床主軸的起停、正反轉控制與主軸轉速的控制、倍率的選擇。（2（ 機床冷卻、潤滑系統(tǒng)的接通和斷開。（3（ 機床刀庫的起停和刀具的選擇、更換。（4（ 機床卡盤的夾緊、松開。（5（ 機床自動門的打開、閉合。（6（ 機床尾座套筒的起停、前進、后退控制。（7（ 機床排屑等輔助裝置的控制。175.2.2 數(shù)控機床用 plc 的分類數(shù)控機床用 PLC 可以分為兩類：內(nèi)裝型（Built-in Type）PLC 和獨立型（Stang-along Type）PLC 。1.內(nèi)裝型 PLC內(nèi)裝型 PLC 從屬于 CNC 裝置 PLC 與 NC 間的信號傳送在 CNC 裝置內(nèi)部可實現(xiàn)。PLC 的輸入/輸出信號則通過 CNC 的輸入 /輸出接口電路實現(xiàn)信號傳送。內(nèi)裝型 PLC 有如下特點：（1）內(nèi)裝型 PLC 實際上是 CNC 裝置帶有 PLC 功能，一般作業(yè)種基本的或可選擇的功能提供給用戶。它的特性指標如輸入/ 輸出點數(shù)、程序最大步數(shù)、每步執(zhí)行時間、程序掃描周期、功能所從屬的 CNC 系統(tǒng)的規(guī)格、性能、適用機床的類型等確定。其硬、軟件整體結構緊湊，功能的針對性強，技術指標也較合理、實用，尤其用于單機數(shù)控設備的應用場合。（2）在系統(tǒng)的具體結構上，內(nèi)裝型 PLC 可與 CNC 共用 CPU，也可單獨使用一個 CPU。PLC 單獨使用一個 CPU，可以數(shù)字控制和順序控制的并行處理，提高 CNC 系統(tǒng)的工作效率，也為機床輔助功能的擴充提供了方便。硬件控制電路可與 CNC 其他電路制作在同一塊印刷電路板上，也可以單獨制成一塊附加板。所用的電源由 CNC 裝置提供，不需另備電源。（3）內(nèi)裝型 PLC 結構，CNC 系統(tǒng)可以具有某些高級的控制功能,從而控制機床更方便、靈活，如梯型圖編輯和傳送功能、在 CNC 內(nèi)部處理 PLC 窗口的大量信息等。內(nèi)裝型 PLC 結構使 CNC 系統(tǒng)具有更高的性能價格比，因此，絕大多數(shù)全功能 CNC 系統(tǒng)都具有內(nèi)裝型 PLC 結構。2.獨立型 PLC獨立型 PLC 獨立于 CNC 裝置，具有完備的硬件和軟件功能，能夠獨立完成規(guī)定控制任務。采用獨立型 PLC 的數(shù)控機床系統(tǒng)框圖如圖 4—2 所示。獨立型 PLC 有如下特點：（1）獨立型 PLC 有如圖 2 所示的基本功能結構：CPU 及其控制電路、系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器、輸入/輸出接口電路和編程器等外部設備通信的接口及電源等。18（2）獨立型 PLC 一般采用積木式模塊化結構或籠式結構插板結構，各功能電路都做成獨立的模塊或鉺刷電路板，具有安裝方便、功能易于擴展和變更等優(yōu)點。（3）獨立型 PLC 的輸入/輸出點數(shù)可以通過 I/O 模塊或插板的增減靈活配置。在獨立型 PLC 中，那些專為柔性制造系統(tǒng)（ FMS） 、工廠自動化而開發(fā)的獨立型 PLC 具有強大的數(shù)據(jù)處理、通信和診斷能力，主要用作單元控制器，是現(xiàn)代化生產(chǎn)制造系統(tǒng)重要的控制裝置。獨立型 PLC 也用于單機控制。5.2.3 plc 在數(shù)控機床中的接口信號及其配置方式在數(shù)控機床中，PLC 完成順序控制的功能。順序控制是在數(shù)控機床運行過程中，CNC 和各行程開關、傳感器、按鈕、繼電器等開關量信號狀態(tài)為條件，并按照預先規(guī)定的邏輯順序對諸如主軸的起停、換向、刀具的更換，工件的加緊、松開、液壓、冷卻、潤滑系統(tǒng)的運行等進行控制。PLC 與 CNC 之間及 PLC 與機床之間信息的多少，主要根據(jù)數(shù)控機床的控制要求設置。歸納起來，PLC 的接口信號主要有以下幾類：（1）PLC 給 CNC 的信號。主要有機床各坐標基準點信號，M 、S、T 功能的應答信號等。（2）PLC 向機床傳遞的信號。主要是控制機床執(zhí)行件的執(zhí)行信號，如電磁鐵、交/直流電機接觸器、繼電器的動作信號及確保機床各運動部件的信號和故障指示。（3）機床給 PLC 的信號。主要有機床操作面板上各開關、按鈕的信號，其中包括機床的起動、停止、冷卻液的開、關，手動換向，各坐標的手動和卡盤的松開、夾緊等信號，以及上述各部件的限位開關等保護裝置、主軸伺服保護狀態(tài)監(jiān)視信號和伺服系統(tǒng)運行準備等信號。PLC 在 CNC 機床系統(tǒng)中有三種不同的配置方式。第一種是 PLC 在機床一側代替?zhèn)鹘o的電器邏輯系統(tǒng)，這是PLC 有(m+n)個輸入/輸出點， 這時它僅有 M 個輸入/輸出點，因此元器件數(shù)目較少，易于維修，成本也19低；第三種是 PLC 在 CNC 控制柜中，而輸入/輸出接口放在機床一側，中間用一根光纜相連。 這種配置方式是 CNC 與機床接口的電纜線大大減少。5.3 plc 的規(guī)模在實際的應用中，PLC 選型的一般原則是根據(jù) PLC 輸入/輸出點數(shù)的多少或用戶存儲器的大小作為評價的標準。據(jù)此，可以將 PLC 分為小型、中型、大型三類。如表 5—1 所示。表 5—1 PLC 的類型PLC 規(guī)模評價指標輸入/輸出點數(shù)（兩者之和）程序存儲容量（KB=千字節(jié)）小型 PLC 128 點以下 2KB 以下中型 PLC 128～1024 點 2～8KB大型 PLC 1024 點以上 8KB 以上5.4 plc 的基本工作原理5.4.1 plc 的組成可編程控制器的系統(tǒng)組成與計算機基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)是相輔相成的，它們共同構成 PLC 系統(tǒng)，缺一不可。1.PLC 的硬件系統(tǒng)可編程控制器硬件系統(tǒng)是由中央處理器（CPU） 、存儲器、輸入/輸出模塊和供電電源等構成。從硬件結構來說，可編程控制器 實際上就是計算機，其CPU 的工作原理也和計算機一樣。（1）中央處理器它作為整個 PLC 的核心，起著總指揮的作用。主要完成以下功能：201）讀入現(xiàn)場狀態(tài)2）控制存儲和解讀用戶邏輯3）執(zhí)行各種運算程序4）輸出運算結果5）執(zhí)行各種診斷程序6）響應各種外圍設備（如編程器，打印機等）的請求。目前，PLC 中所用的 CPU 多為單片機，如 AMD2900、A80A、8051 等。由于MCS-51 背地里片機是在 MCS-48 基礎上推出的增強型產(chǎn)品，它的出現(xiàn)直接與HMOS 工藝有關由于提高了集成度，因而增強了片機硬件的能力，并擴展了功能單元的種類和數(shù)量。MCS-51 單片機的硬件結構有如下一些顯著特點：1）片內(nèi)有 128 個單元 RAM（在 8051 和 8751 片內(nèi)還有 4k 的 ROM 和 EPROM） ，在尋址空間上已經(jīng)擴大到外部程序存儲器 64k 字節(jié)，外部數(shù)據(jù)存儲器 64k 字節(jié)。2）片內(nèi)的 I/O 口的數(shù)量和種類較多且齊全，尤其是有一個全雙工的串行口。3）具有 5 個中斷源、兩級優(yōu)先權的中斷系統(tǒng)結構。4）兩個 16 位的定時器/計數(shù)器，在指令的控制下，可實現(xiàn)四種工作模式。5）具有布爾處理器，可以有效地實現(xiàn)復雜的過程控制。我們還可以進一步把 MCS-51 單片機與單板微機（如 TP801）作一個比較。顯然在硬件上 MCS-51 單片機相當于將基本規(guī)模單板機具有的資源復合在一塊芯片上，而且在很多方面已超過單板機的功能。與 Z80 的指令系統(tǒng)相比較，除去數(shù)據(jù)快傳送能力相對弱些和非多累加器外，MCS-51 能力已大大超過了 Z80。特別是 MCS-51 布爾運算處理器，它實際上是一個完整的 1 為微計算機，這個1 位機有自己的 CPU、位寄存器、 I/O 口和指令集。把 8 位微機結合在一起是微機技術上的一個突破。1 位機在形狀決策、邏輯電路仿真和實時控制方面非常有效；而 8 位機在運算處理、數(shù)據(jù)采集方面有明顯的長處。在 MCS-51 單片機中 8 位和 1 位機的硬件資源是復合在一起的，二者相輔相成，這是 MCS-51在設計上的精美之處，也是一般微機所不具備的。MCS-51 系統(tǒng)單片機的種類很多從中選取 8051 即可滿足本次設計需要。為了進一步提高 PLC 的功能，近年來，在高檔機中已經(jīng)采用 16 位甚至 32位 CPU，還有的采用多 CPU 控制，如用一個 CPU 分管邏輯運算及專用的功能指21令，用另一個 CUP 管理輸入/輸出模塊，這樣，就可加快 PLC 的工作速度并增加其功能。（2）存儲器PLC 內(nèi)部存儲器有兩類：一類是 RAM（即隨機存取存儲器） ，可以隨時由CPU 對它進行讀取、寫入；另一類是 ROM（即只讀存儲器） ，CPU 只能從中讀取而不能寫入。RAM 主要用來存放各種暫存的數(shù)據(jù)、中間結果及用戶正在高度的程序，ROM 主要存放監(jiān)控程序及用戶調(diào)試好的程序，這些程序都事先固化在ROM 芯片中，開機后便可運行其中程序。（3）輸入/輸出模塊輸入/輸出模塊是可編程控制器與現(xiàn)場 I/O 設備或其他外部設備之間連接的接口，PLC 的對外功能就是通過各類 I/O 模塊的外接線，實現(xiàn)對工業(yè)設備或秤過程的檢測與控制。除模塊接收現(xiàn)場設備的控制條件信號，如限位開關、操作按鈕、傳感器信號等。這些信號被預先限定在某個電壓或電流范圍內(nèi)，輸入模塊將這個信號換成中央處理器能夠接受和處理的數(shù)字信號。輸出模塊的作用是接受中央處理器處理過的數(shù)字信號。并把它轉換成被控設備所能接受的電壓或電流信號，一驅動諸如電機、繼電器或電磁閥等設備。（4）電源PLC 一般配有開關式穩(wěn)壓電源模塊，用來對 PLC 的內(nèi)部電路供電。（5）其他外部設備PLC 還可能配有一些其他的外部設備，如編程器、打印機、EPROM 寫入器等。2.PLC 的軟件系統(tǒng)PLC 的軟件系統(tǒng)是指 PLC 所使用的各種程序的集合。它包括系統(tǒng)程序和用戶程序。（1）系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序、編譯程序及診斷程序等。監(jiān)控程序又稱為管理程序，主要用于管理整個計算機。編譯程序用來把程序語言翻譯成機器語言。診斷程序用于診斷機器故障。系統(tǒng)程序一般由 PLC 生產(chǎn)廠家提供，并固化在EPROM 中，不能由用戶直接存取，對用戶是不透明的。（2）用戶程序用戶程序是用戶根據(jù)自己的控制要求，用 PLC 的程序語言編制的應用程序，22其編程的方式主要有：梯形圖、語句表和控制流程圖。用戶程序一般由用戶用編程器鍵入到 PLC 的內(nèi)存，或通過 PLC 自帶的通信接口有其他的計算機傳入5.4.2 plc 的工作原理1.PLC 的工作方式PLC 雖然與微機的組成相似，但它的工作方式卻于微機有很大的不同。PLC 采用循環(huán)掃描的工作方式，也就是說，當 PLC 運行時，對于用戶程序中的眾多操作，PLC 不能同時去執(zhí)行，它只能按分時操作原理每一時刻執(zhí)行一個操作。由于 CPU 的運算處理速度很高，使得外部出現(xiàn)的結果從宏觀來看似乎是同時完成的。這種分時操作的過程就稱為 CPU 對程序的掃描。2.PLC 的工作過程PLC 在每一個掃描周期的工作過程是相同的。一個掃描周期大致可分為輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出印刷三個階段。（1）輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC 以掃描方式按順序將所有輸入端的信號狀態(tài)（開或關， “1”或“0” ）讀入到輸入映像寄存器中寄存起來，稱為對輸入信號的采樣。接著轉入程序執(zhí)行階段，在程序執(zhí)行期間，即使輸入狀態(tài)變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容也不會改變。輸入狀態(tài)的變化只能在下一個掃描周期的輸入采樣階段才被重新讀入。（2）程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段，PLC 對程序按順序進行掃描。如果程序用梯形圖表示，則總是按先上后下、先左后右的順序進行掃描。每掃到一條指令時，所需要的輸入狀態(tài)或其他變量的狀態(tài)分別由輸入映像寄存器和 PLC 的內(nèi)部寄存器中讀出，而執(zhí)行結果寫入輸出映像寄存器中。這就是說，輸出映像寄存器中寄存的內(nèi)容，會隨程序執(zhí)行的進程而變化。（3）輸出刷新階段在程序執(zhí)行完成后，進入到輸出刷新階段。此時，將輸出映像寄存器中所有輸出寄存器的狀態(tài)轉存到輸出鎖存電路，再去驅動用戶輸出設備（負載） ，這就是 PLC 的實際輸出。PLC 重復地執(zhí)行上述三個階段，每重復一次的時間就是一個掃描周期。掃23描周期的長短主要取決于這幾個因素：一是 CPU 執(zhí)行指令的速度，二是每條指令占用的時間，三是指令條數(shù)的多少，即程序的長短?？偨Y上面分析的程序執(zhí)行過程，可得出 PLC 的輸入/輸出的處理規(guī)則如圖5—7 所示。圖 5—7 PLC 的輸入/輸出處理規(guī)則24第六章 經(jīng)濟分析CB3463-1 型轉塔車床是一種自動化程度較高的機床，是屬于液電聯(lián)合控制的半自動化的車床，由于本機床出現(xiàn)的時間較早所以在有些自動化部分較今天的自動機床有很大的差別，但又較傳統(tǒng)車床又有很大的先進性，但其由于是“矩陣插銷板”式的程序控制系統(tǒng)，在編程和修改都較難。工件變動時，改變程序和調(diào)整機床都不方便。CB3463-1 型半自動轉塔車床的電子元件都是易損件，并且插銷板裸露在外很容易受到外界的污染，使其損壞。損壞后的電子元件不易買到而且使用不當時也會造成損壞。這種機床只適用于粗加工和半精加工，所以在一些廠家由于修復比較困難所以都不使用屬于閑置設備行列，而經(jīng)過改造后，整個機床沒有外裸的元件，而且編程和調(diào)整機床上都變得方便，所花費比修復高、不太多，其性價比完全修復高，所以數(shù)控改造對本機床較為實用。25第七章 感應同步器7.1 感應同步器的簡單介紹感應同步器是一種電磁式的高精度檢測地元件。是應用電磁感應原理來測量直線位移或轉角位移的傳感器，具有較高的測量精度和分辨力，抗干擾能力強，使用壽命長，維護簡單，可用于長距離位移測量。工藝成本低，便于復制和成批生產(chǎn)。按其結構特點分為直線式和旋轉式（俗稱圓盤式）兩種。直線式感應同步器由定尺和滑尺組成；圓盤式感應同步器由轉子和定子組成（參見圖7—1） 。圖 7—1（a） 直線式感應同步器 (a)定尺 (b)滑尺前者用于長度測量，后者用于角度測量。它們的工作原理都與旋轉變壓器相似。直線式感應同步器，實際上是一種展開的具有印刷繞組和無槽結構的多級旋轉變壓器。用滑尺和定尺的激磁繞組和感應繞組間隨相對位置變化的電磁耦合進行位置檢測。由于直線式感應同步器滑尺繞組是多級結構（64 級和 96級）形式，其輸出信號是對總級數(shù)的平均結果。因此，誤差可以得到均衡補償，26精度較高。近年來作為一種高精度的位置檢測裝置，用得較多尤其在數(shù)控機床閉環(huán)伺服系統(tǒng)中應用廣泛。定子 轉子圖 7—1(b) 圓形感應同步器感應同步器的工作原理:感應同步器是根據(jù)互感原理工作的。它的結構保證了其定子與轉子之間空氣隙內(nèi)的磁通分布呈正（余）弦規(guī)律。使用時，在滑尺繞組通以一定頻率的交流電壓，由于電磁感應，在定尺繞組中產(chǎn)生感應電動，其幅值和相位取決于定尺和滑尺的相對位置。如圖 7—2 所示：27圖 7—2 感應同步器工作原理滑尺上展開分布著兩個激磁繞組，分別稱為正旋繞組和余弦繞組，它們在空間位置上相差 1/4 節(jié)距，每個節(jié)距相當于繞組空間分布的周期又稱極距，一般為 2 毫米，用 2 表示。定尺上的感應繞組連續(xù)分布?；吲c定尺互相平行，?并且保持一定間隙。當滑尺上某一繞組通以給定頻率的交流電壓時，由于電磁感應，在定尺繞組上產(chǎn)生感應電動勢。感應電動勢的幅值和相位如圖 3—2 所示。圖 6—2 為滑尺在不同位置時的感應電勢，a 點表示滑尺的繞組 A 與定尺重合，這時感應電勢最大。如滑尺相對定尺作平行移動；感應電勢就逐漸減小，在剛好錯開 1/4 極距的位置 b 時，感應電勢為零。再繼續(xù)移動到 1/2 極距的位置 c 時，感應電勢與 a 位置相同，但其極性相反。其后，感應電勢在 3/4 極距位置 d 時又變?yōu)榱恪Ｔ谝苿恿艘粋€極距到達 e 點時，情況與位置 a 相同。這樣，滑尺在移動一個極距過程中，感應電勢變化了一個極距過程中，感應電勢變化了一個余弦波形。感應同步器就是利用這個感應電勢的變化來進行位置檢測的。令 Vs 表示繞組 A 的激磁電壓： tVms?in??則定子中的感應電勢 Vo 為 ??SCosKCoVo???式中 k—耦合系數(shù)相移 由下式?jīng)Q定：?tXt???2t 為感應同步器的半極距；X 為從 a 點開始計算滑尺的位移量。用于位置測量時，根據(jù)不同的激勵方式，感應同步器可有兩種工作狀態(tài)：一種為相位工作狀態(tài)；另一種為幅值工作狀態(tài)。