卧式数控车床模块化设计及可编程控制器的应用
1 引言
近20年来，随着科技进步特别是计算机技术的发展和社会环境因素的变化，市场竞争愈来愈激烈，顾客的要求愈来愈高。制造业的决策者都意识到，为了赢得竞争，就必须在产品功能、交货时间、质量、价格及服务等五个方面进行改进〔1〕。
模块化设计技术就是一种可以增加产品功能，缩短交货时间的先进的产品设计方法。模块化设计技术是将产品中同一功能的单元，设计成具有不同用途或性能的、可以互换选用的模块，各功能模块之间的结合要素相同，可视用户需要组合成各种变形产品。企业采用模块化设计技术，可极大地丰富产品规格和品种系列，提高产品的性能、质量和对用户的响应能力，适应产品快速更新换代的要求。可以很好地解决产品品种、规格与设计制造周期之间的矛盾，并且交货周期短、成本低，使企业产品更具市场竞争力。
2 卧式车床模块化设计
根据市场调查、技术预测，我们充分考虑了卧式车床应用的范围以及产品的生命力，进行了车床品种规格的规划和模块的划分。将主轴箱、进给箱、刀架、尾架等不同功能的部件分成八组功能单元，即八个模块组。相同功能单元不再是单一部件，而是具有不同用途或性能的不同结构，但功能和结合要素相同的一系列可以互换的模块。例如主轴箱模块组有基本变速范围主轴箱、单速主轴箱等七种不同性能用途的主轴箱模块，可以进行互换；又如刀架模块组有转位刀架、立轴式转塔等六种不同用途和结构的刀架模块。程序控制模块是独立的增强功能的模块，作为提高机床自动化水平的预设模块，目的是增加产品的生命力。这八组模块进行合适的更换可以组合成几十种不同使用性能的车床，以适应市场的变化和用户的不同需要。
我们在卧式车床的模块化设计时遵循了以下几个原则〔2〕：
(1)分离原则：将机床分离为能满足多种需要、性能合理的八组模块。卧式车床设计的模块具体划分如下：
①主轴箱：基本变速范围主轴箱、小变速范围主轴箱、大变速范围主轴箱、可调变速范围主轴箱、单速主轴箱、卧式双轴主轴箱、立式双轴主轴箱。
②进给机构：进给与车螺纹机构、无螺纹机构、单速进给机构、金刚石镗孔用桥座、双刀架用快速行程机构、快速行程机构。
③刀架：双刀架、仿形刀架、转位刀架、立轴式转塔、回轮式刀架。
④尾架：机械式尾架、气动尾架、液压尾架、钻孔用尾架、双轴尾架。
⑤夹紧装置：气动夹紧装置、液压夹紧装置、电磁夹紧装置。
⑥床身：普通床身、双刀架用床身。
⑦自动送料架
⑧程序控制器
图1为卧式车床的模块化设计示意图(图中只给出了部分模块)。
1、2、3、4、5.主轴箱 6、7.双轴主轴箱 8、9、10、11.进给机构
12、13.快速行程机构 14、15、16、17、18.刀架 19、20、21.夹紧
装置 22、23、24、25、26.尾架 27、28.床身
图1 卧式车床的模块化设计
(2)统一原则：将模块统一为具有合理尺寸、符合我国规定的普通车床尺寸系列。例如为了适合各种主轴箱宽度尺寸不同的情况，将床身宽度尺寸按系列分为：普通床身、双刀架用床身。
(3)联接原则：设计各模块之间的接口要素同一，以确保模块间的装配精度和联接刚度，以及模块重复使用时的可靠性。
(4)适应原则：为了更好地发挥模块化构造的经济效果，模块化设计技术趋向于同模块群的跨类模块化构造。卧式车床、卧式铣床和立式钻床尤为适合跨类模块化，图2为相同模块群的跨类构造示意图。因此，为了能满足将模块任意组合成所需机床，设计时采用尽可能不详细区分模块的机床构造方法。
图2 相同模块群的跨类构造示意
3 程序控制器设计
我们在卧式车床的模块化设计中采用先进的可编程控制器取代继电器控制，以实现单机自动化。可编程控制器是微电子技术和微计算机技术的最新成果，具有可靠性高、抗干扰性强、编程灵活方便、对环境要求低、体积小、结构紧凑、便于安装等优点。本设计采用三菱公司生产的F1—60MR可编程控制器，分别对相应模块进行控制接口设计和程序设计。在模块拼装成机床时，将有关模块控制接口及其控制程序组装起来，形成卧式车床整体控制系统。
下面就立轴式转塔刀架模块为例介绍可编程控制器的控制设计。
(1)立轴式转塔刀架进给系统工作原理
立轴式转塔刀架的工作过程是刀架的顺序回转使刀具完成各工位的加工。其进给系统是采用液压系统实现转塔刀架的快速进退、工作进给、刀架转位、刀架的抬起和锁紧。其工作原理见图3。
1.转塔刀架 2.压紧油缸 3.转位油缸 4.进给油缸
图3 立轴式转塔刀架进给系统工作原理
(2)可编程控制器的控制原理及接口设计
图4 可编程控制器的控制方框图
控制采用手动和自动二种方式，启动自动循环后可自动实现工作过程。图4为可编程控制器的控制方框图。整个进给系统有前进和后退两个方向的位置控制和加速进退、工作进给快速退出等多种速度的控制。需要可编程控制器的输入点19个(对应X400—X506)，输出点12个(对应Y430—Y533)。输入端分别接来自卧式车床操纵箱的按钮和床体行程开关，输出控制信号控制液压控制系统的各类电磁阀的动作，以实现立轴式转塔刀架的工作。可编程控制器的输入输出分配见图5。
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