B2012A型龍門刨床PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、2013屆 分 類 號： 單位代碼：10452 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）B2012A型龍門刨床PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)姓 名 ××× 學(xué) 號 年 級 2009 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 系（院） 汽車學(xué)院 指導(dǎo)教師 2013年 4月 29日摘 要龍門刨床是一種大型的機(jī)械加工設(shè)備，用來加工大型工件或在工作臺上夾持幾個(gè)工件同時(shí)進(jìn)行刨削加工，是機(jī)械工業(yè)中的主要工作機(jī)床之一，在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。龍門刨床的主拖動(dòng)采用以電機(jī)放大機(jī)作為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，由于工作臺長期工作于運(yùn)行制動(dòng)反向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，控制要求高，加之直流電機(jī)的維護(hù)不便，使系統(tǒng)很難滿足控制要求。龍門

2、刨床的電氣控制多采用繼電器控制線路，使用了大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，致使控制柜體積龐大，線路復(fù)雜，繼電器故障發(fā)生率高，可靠性差，維修工作量大。采用三菱公司的FX2N-80MR型可編程控制器和華為TD2000變頻器對該龍門刨床實(shí)施改造。系統(tǒng)中由三菱PLC完成數(shù)據(jù)的采集和對變頻器、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的控制任務(wù)。使用FX2N可編程控制器的編程軟件GX Developer 8.0進(jìn)行編程編制，模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，大量采用代碼重用，減少了軟件的開發(fā)和維護(hù)工作量。關(guān)鍵詞：龍門刨床 電氣控制 PLC 變頻器ABSTRACTThe double housing planer is a kind of larg

3、e-scale mechanical processing equipment, used for processing the large-scale work piece or grasps several work pieces at the same time on the basis of working bench creating and paring processing, it is one of the groundwork lathes in the mechanical industry. Mainly pulling adopts and regards enlarg

4、er of the electrical machinery as the direct current generator of the excitation regulator-motor system of this double housing planer,because the working bench works in apply-brake-reverse reciprocating the motion state, high control requirement,and the maintenance inconvenience of direct current ma

5、chine, it is very difficult to use the system to meet the control requests. The device uses electrical control relay to control circuit, using a large number of intermediate relay and time relay resulted in large, complex circuits, relays the high incidence of failure, poor reliability, and maintena

6、nce workload. Adopt Mitsubishi FX2N-80MR programmable controller and Emerson TD2000 inverter to implement the tranformation to the double housing planer. Mitsubishi PLC finishes the collection of the data and task of control on apparatus such as frequency converter, electrical machinery in the syste

7、m. The software GX Developer8.0 of programming based on FX2N PLC adopts the module procedure design method, uses a large number code reuse, reduces software development and maintenance.Key words: Double-housing Planer Electrical Control PLC VVVF目 錄第一章 緒論11.1 A系列龍門刨床概述11.2 A系列龍門刨床控制要求21.3 課題研究的主要內(nèi)容31

8、.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步方案3第二章 可編程序控制器工作原理42.1 可編程序控制器簡介42.2 可編程序控制器的結(jié)構(gòu)42.3 可編程序控制器的工作原理5第三章 變頻調(diào)速原理73.1 變頻調(diào)速基本原理73.2 變頻器的基本結(jié)構(gòu)8第四章 龍門刨床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)94.1 生產(chǎn)工藝對電氣控制系統(tǒng)的要求94.2 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)104.3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)104.4 PLC 設(shè)置144.5 變頻器設(shè)置184.6 編程軟件實(shí)現(xiàn)19結(jié)論19參考文獻(xiàn)21謝 辭22第一章 緒論1.1 A系列龍門刨床概述1.1.1 A系列龍門刨床的基本結(jié)構(gòu)龍門刨床是機(jī)械工業(yè)的主要工作母機(jī)之一，主要用來加工大型工件或在工作臺上夾持幾個(gè)

9、工件同時(shí)進(jìn)行刨削加工，是機(jī)械制造工業(yè)中的主要工作機(jī)床之一，在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。龍門刨床的基本結(jié)構(gòu)由床身、工作臺、立柱、橫梁、垂直刀架、側(cè)刀架組成，其結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示： 圖 1-1 龍門刨床結(jié)構(gòu)示意圖在底座上設(shè)有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上安放了工作臺，工作臺可沿導(dǎo)軌作前后運(yùn)動(dòng)。底座的兩側(cè)固定有左、右立柱，立柱上有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上安放有橫梁，橫梁可在立柱上做上、下移動(dòng)。橫梁上有水平導(dǎo)軌，在水平導(dǎo)軌上安放有垂直刀架（即主刀架），垂直刀架可在其上做水平移動(dòng)，并可做垂直進(jìn)給。在橫梁下方的左右立柱導(dǎo)軌上安放有左右側(cè)刀架，側(cè)刀架可沿立柱上下移動(dòng)，并可做水平進(jìn)給。 B2012A型龍門刨床電氣控制系統(tǒng)B2012A型

10、龍門刨床主要采用旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（A-G-M系統(tǒng)），它是由交流電機(jī)拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)變流，由給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)供電，調(diào)節(jié)的勵(lì)磁電流即可以其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 圖 1-2 A 系列龍門刨床主拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng) 圖1-3 A 系列龍門刨床原電氣結(jié)構(gòu)示意圖1.2 A系列龍門刨床控制要求1.2.1 A系列龍門刨床的控制要求根據(jù)龍門刨床的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)和要求，對自動(dòng)控制系統(tǒng)提出如下要求：1、調(diào)速范圍寬。龍門刨床工作時(shí)既要求能適應(yīng)不同的刀具，又要求具有經(jīng)濟(jì)的切削速度。因此，調(diào)速范圍一定要寬，一般不低于 10:1，最好為無級調(diào)速。A系列龍門刨床調(diào)速范圍為 20:1(高速 90

11、米/分，低速 4.5 米/分)。 2、靜差度小。為了提高加工精度，要求工作臺的速度不隨切削量的變化而變化，一般要求靜差度小于 10%。同時(shí)，系統(tǒng)的機(jī)械特性應(yīng)具有下垂特性。 3、具有較高的切削速度(一般不低于 75 米/分)和足夠的切削力；在低速范圍內(nèi)，切削力基本保持恒定。 4、能單獨(dú)調(diào)整工作行程與返回行程的速度，且退回速度高于工作速度；工作臺的運(yùn)行速度能自動(dòng)調(diào)整，在刀具切入與切出工件時(shí)能自動(dòng)減速。 5、為提高加工表面的精度，工作臺反向時(shí)應(yīng)迅速、平穩(wěn)、沖擊小，動(dòng)態(tài)品質(zhì)要好。 6、操作簡單，節(jié)省輔助工時(shí)，工作臺要有可靠的半自動(dòng)往復(fù)循環(huán)，調(diào)速時(shí)不必停車。 7、驅(qū)動(dòng)效率高，耗電量小，安全可靠； 8、系

12、統(tǒng)簡單，通用化程度高，成本低，易于修理和維護(hù)。 A 系列龍門刨床控制系統(tǒng)存在問題1原龍門刨床工作臺拖動(dòng)采用了電機(jī)擴(kuò)大機(jī)直流發(fā)電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)方式，主要存在以下缺點(diǎn)： 1、主拖動(dòng)系統(tǒng)體積大、電耗大、故障率高、維護(hù)量大、控制精度差。 2、控制統(tǒng)采用較多的繼電器控制電路，可靠性與可維護(hù)性差、靈活性差。 3、整個(gè)系統(tǒng)保護(hù)功能不強(qiáng)，不具備故障自檢功能，初開車?yán)щy，故障停車時(shí)間長。因此，設(shè)備存在的問題嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)的效率。為此，決定利用先進(jìn)的 PLC 技術(shù)和變頻技術(shù)對該設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足生產(chǎn)精度需要。1.3 課題研究的主要內(nèi)容電氣傳動(dòng)系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)和變頻器控制技術(shù)具有良好

13、實(shí)用前景，既能提高自動(dòng)化水平，還是節(jié)能高效，對提高系統(tǒng)的運(yùn)行管理水平、減輕環(huán)境污染都會(huì)起到很好的作用。目前國內(nèi)的中小型企業(yè)只有一部份采用 PLC 控制，所以推廣應(yīng)用這些新技術(shù)、新設(shè)備的任務(wù)仍是十分繁重。1、通過查閱資料調(diào)查了解我國龍門刨床的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的主要問題，以及使PLC和變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的效益情況。 2、對日本三菱FX系列為代表的PLC硬件結(jié)構(gòu)和編程語言進(jìn)行深入學(xué)習(xí)和研究，掌握其主要特點(diǎn)、編程方法和 FX2N的主要技術(shù)指標(biāo)。 3、對變頻調(diào)速器（主要是華為 TD2000 系列）的結(jié)構(gòu)和控制方法進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和研究，掌握其主要的特點(diǎn)和正確的使用方法。 4、對龍門刨床的工作原理和控制、操

14、作過程進(jìn)行深入學(xué)習(xí)和研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)方案，采用可編程序控制器（三菱FX2N）和變頻器（主要是華為 TD2000 系列）對其進(jìn)行控制。1.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步方案 1.4.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案234采用變頻器取替原來的 A-G-M 系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)以三菱 PLC 為控制核心，取代原有繼電器電路，對各部分電路實(shí)現(xiàn)控制。 1、主工作臺采用一臺 55kW 通用型變頻器控制一臺 55kW 鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，代替原來的電機(jī)擴(kuò)大機(jī)發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)（簡稱 A-G-M 系統(tǒng)）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。用變頻器來實(shí)現(xiàn)對工作臺的各種不同速度的控制和往返換向。 2、垂直刀架和左右側(cè)刀架由原電機(jī)拖動(dòng)。3、刨床的各

15、個(gè)動(dòng)作都由 PLC 來控制，PLC 根據(jù)操作指令和現(xiàn)場信號，按照所編制的程序?qū)ψ冾l器、橫梁、潤滑油泵電動(dòng)機(jī)及風(fēng)冷電動(dòng)機(jī)進(jìn)行人工點(diǎn)動(dòng)、調(diào)整控制或自動(dòng)循環(huán)控制。1.4.2 控制程序結(jié)構(gòu)方案 由于控制系統(tǒng)復(fù)雜，PLC 編程工作量大，采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。編程采用三菱的GX Developer8.86 中文編程軟件，在 Windows 環(huán)境下進(jìn)行編程。用一根轉(zhuǎn)接電纜可將計(jì)算機(jī)的串口與 PLC 的接口相連，便可以進(jìn)行相互間的通信，實(shí)現(xiàn)程序的寫入和讀出。第二章 可編程序控制器工作原理2.1 可編程序控制器簡介可編程序控制器，簡稱PLC。它是20世紀(jì)70年代以來，在集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一

16、種新型工業(yè)設(shè)備。它具有可靠性高、配置靈活、使用方便以及體積小質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，國外已廣泛應(yīng)用與自動(dòng)控制的各個(gè)領(lǐng)域，并以成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的支柱產(chǎn)品。1987年2月，國際電工委員會(huì)（IEC）草案，定義可編程序控制器：“可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作命令，并通過數(shù)字式和模擬式輸入和輸出，控制各種類型機(jī)械和生產(chǎn)過程?！?.2 可編程序控制器的結(jié)構(gòu)56PLC實(shí)質(zhì)上是一種專用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它具有比通用計(jì)算機(jī)更強(qiáng)的與工業(yè)現(xiàn)場相連的接口和更適應(yīng)于控制要求的編程語言。所以，可編

17、程控制器與其它計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一樣，也具有中央處理器、I/O 接口、存儲器等部分，其典型結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。圖2-1 可編程序控制器的結(jié)構(gòu)圖2.3 可編程序控制器的工作原理 2.3.1 PLC 的工作方式PLC 是以微處理器為核心的，它具有微型計(jì)算機(jī)的許多特點(diǎn)，但其工作方式卻與微型計(jì)算機(jī)有很大的不同。微型計(jì)算機(jī)一般采用等待命令或中斷的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或 I/O 掃描方式，當(dāng)有鍵按下或 I/O 動(dòng)作，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序或中斷服務(wù)程序；無按下，則繼續(xù)掃描等待。PLC 采用周期循環(huán)掃描的工作方式，即“順序掃描，不斷循環(huán)”，這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下進(jìn)行的。當(dāng)PLC運(yùn)行時(shí)，CPU根

18、據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令序號進(jìn)行周期性的程序循環(huán)掃描，如果無轉(zhuǎn)跳指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶的程序，直到程序結(jié)束，然后重新返回第條指令，開始下一輪的掃描，如此周而復(fù)始。實(shí)際上，PLC 掃描工作除了執(zhí)行用戶程序外，還要完成其他工作，整個(gè)工作過程分為自診斷、通信服務(wù)、執(zhí)行用戶程序三個(gè)大的階段。1、自診斷。PLC 上電以后，每次掃描用戶程序之前，都先執(zhí)行故障自診斷程序。自診斷內(nèi)容包括 I/O 部分、存儲器、CPU 等，并且通過 CPU 設(shè)置定時(shí)器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)異常則停機(jī)顯示出錯(cuò)。若自診斷正常，繼續(xù)向下掃描。 2、通信服務(wù)。PLC 檢查

19、是否有編程器、計(jì)算機(jī)等的通信要求，若有則進(jìn)行相應(yīng)處理。 3、執(zhí)行用戶程序。具體包括：輸入處理、程序處理和輸出處理三個(gè)階段。2.3.2 PLC 對用戶程序的執(zhí)行過程可編程控制器對用戶程序的執(zhí)行主要按三個(gè)掃描階段進(jìn)行：1、輸入處理(又稱輸入采樣)。PLC 在輸入采樣階段，首先以掃描方式按順序從輸入鎖存器中讀入所有輸入端子的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并將其存入內(nèi)存中的“輸入狀態(tài)映像區(qū)”中。隨后關(guān)閉輸入端口，進(jìn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行階段，即使輸入端狀態(tài)有變化，輸入狀態(tài)映像區(qū)中的內(nèi)容也不會(huì)改變。變化了的輸入信號的狀態(tài)只能在下掃描周期的輸入采樣階段被刷新讀入。 2、程序執(zhí)行。PLC 在程序執(zhí)行階段，按用戶程序順序掃

20、描執(zhí)行每條指令，從輸入狀態(tài)映像區(qū)中讀取輸入信號的狀態(tài)，經(jīng)過相應(yīng)的運(yùn)算處理后，將結(jié)果寫入“輸出狀態(tài)映像區(qū)”。 3、輸出處理(又稱輸出刷新)。同輸入狀態(tài)映像區(qū)樣，PLC 內(nèi)存中也有塊專門的區(qū)域，稱為輸出狀態(tài)映像區(qū)。當(dāng)程序所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)映像區(qū)中所有輸出繼電器的狀態(tài)在 CPU 的控制下被一次集中送至輸出鎖存器中，并通過一定輸出方式輸出，推動(dòng)外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這就是 PLC 的輸出刷新階段。 可以看出，PLC 在一個(gè)掃描周期內(nèi)，對輸入狀態(tài)的掃描只是在輸入采樣階段進(jìn)行，對輸出賦的值也只有在輸出刷新階段才能被送出去，而在程序執(zhí)行階段輸入輸出被封鎖。這種方式稱作集中采樣、集中輸出。2.3.3

21、PLC 的掃描周期 掃描周期即完成一次掃描(I/O 刷新、程序執(zhí)行和監(jiān)視服務(wù))所需時(shí)間。由 PLC的工作過程可知，一個(gè)完整的循環(huán)掃描周期 T 應(yīng)為： T=(讀入一點(diǎn)時(shí)間×輸入點(diǎn)數(shù))十(運(yùn)算速度×程序步數(shù)) 十(輸出一點(diǎn)時(shí)間×輸出點(diǎn)數(shù))十監(jiān)視服務(wù)時(shí)間。掃描周期的長短主要取決于三個(gè)因素：一是 CPU 執(zhí)行指令的速度；二是每條指令占用的時(shí)間；三是執(zhí)行指令條數(shù)的多少，即用戶程序的長短。掃描周期越長，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越慢?，F(xiàn)在廠家生產(chǎn)的基本型 PLC 的一個(gè)掃描周期大約為 10ms，這對于一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會(huì)造成影響，反而可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。這

22、是因?yàn)檩斎氩蓸觾H在輸入刷新階段進(jìn)行，PLC 在一個(gè)工作周期的絕大部分時(shí)間都是與外設(shè)隔離的，而工業(yè)現(xiàn)場通常出現(xiàn)的是脈沖式的、短時(shí)的瞬間干擾，由于系統(tǒng)響應(yīng)較慢，這種瞬間干擾可能造成的誤動(dòng)作將會(huì)大大減少，從而極大地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。但是對于控制時(shí)間要求較嚴(yán)格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心設(shè)計(jì)程序，必要時(shí)可采取一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應(yīng)滯后的不良影響。第三章 變頻調(diào)速原理變頻器是將固定頻率的交流電變換為頻率連續(xù)可調(diào)的交流電的裝置。3.1 變頻調(diào)速基本原理789由電機(jī)學(xué)理論可知三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：式中： n 為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 f 為輸入交流電源的頻率 P 為電動(dòng)機(jī)的極對數(shù) s

23、 為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率通過上式可知，改變交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有三種。即變頻調(diào)速、變極調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。我們知道，交流電動(dòng)機(jī)是通過內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)磁場來傳遞能量的，為了保證交流電動(dòng)機(jī)能量傳遞的效率，必須保持氣隙磁通量為恒定值。如果磁通量太小，則沒有充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的能力，導(dǎo)致出力不足。反之，如果磁通量太大，鐵心過度飽和，會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電過大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電動(dòng)機(jī)。因此，保持氣隙磁通量的值恒定不變，是變頻變壓的基本原則。三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢的有效值為:Eg=4.44f1N1m式中：Eg：定子每相由氣隙磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢的方均根值（V） f1：定子電流頻率（Hz）； N1：定子相繞組有效匝數(shù)；

24、 m：每極磁通量（Wb）。由上式可見，只要控制好 f1和 Eg，便可達(dá)到控制磁通 m的目的。下面分兩種情況加以說明。 1、基頻以下的變頻調(diào)速 為保證電動(dòng)機(jī)的帶負(fù)載能力，基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速應(yīng)保持主磁通m不變，這就要求在 f1降低的同時(shí)降低感應(yīng)電動(dòng)勢 Eg，保持 Eg/ f1常數(shù)，即保持電動(dòng)勢與頻率之比為常數(shù)進(jìn)行控制。這種控制又稱恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢是難以直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓 U1Eg，這樣只要保持 U1/f1常數(shù)，即可達(dá)到恒磁通控制的目的，這叫做恒壓頻比控制方式。 2、基頻以上變頻調(diào)速 基頻以

25、下的變頻調(diào)速方式只適合于額定轉(zhuǎn)速以下的調(diào)節(jié)，對于高于額定轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)必須采用弱磁變頻調(diào)速方式。在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從 f1N往上增高，但電壓 U1卻不能超過額定電壓 U1N，最多只能保持 U1=U1N，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況，屬于近似的恒功率調(diào)速方式。 綜合以上兩種調(diào)速方式，可得到三相交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的基本控制方式如圖 3-1 所示。圖 3-1 電動(dòng)機(jī)變頻時(shí)的控制特性3.2 變頻器的基本結(jié)構(gòu)變頻器的基本結(jié)構(gòu)如圖3-2所示：圖 3-2 變頻器基本結(jié)構(gòu)第四章 龍門刨床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 生產(chǎn)工藝對電氣控制系統(tǒng)的要求 101112龍門刨床加工的工件質(zhì)量

26、不同，用的刀具也不同，所需要的速度就不同，加之B2012A型龍門刨床是刨磨聯(lián)合機(jī)床，所以要求調(diào)速范圍一定要寬，其中工作臺調(diào)速范圍要求達(dá)到 20：1（最高速 90m/ min，最低速 4.5 m/min）。在低速檔和高速檔的范圍內(nèi)，能實(shí)現(xiàn)工作臺的無級調(diào)速。 B2012A 型龍門刨床要求能完成圖 4-1 所示的速度圖的要求。 1、在高速加工時(shí)，為了減少刀具承受的沖擊和防止工件邊緣的剝裂，切削工作的開始，要求刀具慢速切入；切削工作的末尾，工作臺應(yīng)自動(dòng)減速，以保證刀具慢離工件。2、為了提高生產(chǎn)效率，要求工作臺返回速度高于切削速度，見圖 4-1。圖中，0t1為工作臺前進(jìn)起動(dòng)階段；t1t2為刀具慢速切入工

27、件階段；t2t3為加速至穩(wěn)定工作速度階段；t3t4為切削工件階段；t4t5為刀具減速退出工件階段；t5t6為反向制動(dòng)到后退起動(dòng)階段；t6t7為高速返回階段；t7t8為后退減速階段；t8t9為后退反向制動(dòng)階段。 圖 4-1 B2012A龍門刨床工作臺的工作臺的自動(dòng)循環(huán)3、為了提高加工精度，要求工作臺的速度不因切削負(fù)荷的變化而波動(dòng)過大，即機(jī)械特性應(yīng)具有一定的硬度（靜差度不大于 10%）。同時(shí)，系統(tǒng)的機(jī)械特性應(yīng)具有下垂特性，即當(dāng)電動(dòng)機(jī)短路或超過額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，工作臺拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)迅速下降，以致停止，從而保護(hù)電動(dòng)機(jī)和機(jī)械設(shè)備不被損壞。 4、機(jī)床應(yīng)能單獨(dú)調(diào)整工作行程與返回速度，能作無級變速，且調(diào)速時(shí)不必

28、停車。要求工作臺運(yùn)動(dòng)方向能迅速平滑地改變，沖擊少。刀架進(jìn)給和抬刀能自動(dòng)進(jìn)行，并有快速回程。有必要的聯(lián)鎖保護(hù)，通用化程度高，成本低，系統(tǒng)簡單，易于維修。4.2 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 機(jī)床電氣控制系統(tǒng)中，主電路部分包括主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)（工作臺電動(dòng)機(jī)，55kW）、垂直刀架電動(dòng)機(jī)（1.5kW）、右側(cè)刀架電動(dòng)機(jī)（1.5kW）、左側(cè)刀架電動(dòng)機(jī)（1.5kW）、橫梁升降電動(dòng)機(jī)（3kW）、橫梁夾緊與放松電動(dòng)機(jī)（0.6kW）、通風(fēng)用電動(dòng)機(jī)（1.5kW）、潤滑泵電動(dòng)機(jī)（0.25kW）。控制電路包括工作臺控制電路、刀架控制電路、橫梁控制電路以及照明、保護(hù)等輔助控制電路。電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 4-2 所示：圖 4-2 龍門刨

29、床變頻控制系統(tǒng)框圖4.3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn) 電動(dòng)機(jī)主電路設(shè)計(jì)1314控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，只是將主拖動(dòng)的直流電動(dòng)機(jī)變換為輸出力矩相等的變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)型號為 YBP315-8，功率為 55kW。各電動(dòng)機(jī)主電路如圖 4-3 所示。圖4-3龍門刨床控制系統(tǒng)各電動(dòng)機(jī)主電路圖 B2012A型龍門刨床主要電氣部分控制分析 B2012A系列龍門刨床主要電氣原理圖如圖4-4所示： 圖4-4 B2012A型龍門刨床的電氣原理圖.1刀架控制電路B2012A系列龍門刨床采用交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的機(jī)械進(jìn)刀方法，這種方法在電氣上比較簡單。以垂直刀架控制為例。垂直刀架有兩個(gè)，每個(gè)刀架有快速移動(dòng)、自動(dòng)進(jìn)給兩種工作狀態(tài)，每種工作狀態(tài)有水平進(jìn)

30、刀（左右）、垂直進(jìn)刀（上下）四個(gè)方向的動(dòng)作，這些都由一個(gè)垂直刀架電動(dòng)機(jī)來完成的。當(dāng)調(diào)整時(shí)，K4的觸點(diǎn)是閉合的，裝在進(jìn)刀箱上的快速移動(dòng)與自動(dòng)進(jìn)給轉(zhuǎn)換手柄放在快速移動(dòng)位置，開關(guān)SQ13的常閉觸點(diǎn)接通，常開觸點(diǎn)斷開，選擇刀架運(yùn)動(dòng)方向后，操縱SB3就使KM4線圈通電，垂直刀架電動(dòng)機(jī)按所需的方向快速移動(dòng)。當(dāng)自動(dòng)工作時(shí)，快速移動(dòng)與自動(dòng)進(jìn)給轉(zhuǎn)換手柄放在自動(dòng)進(jìn)給位置，SQ13的常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)接通，同時(shí)自動(dòng)工作觸點(diǎn)K4的觸點(diǎn)也斷開，保證了工作臺自動(dòng)工作時(shí)不能進(jìn)行快速移動(dòng)。當(dāng)工作臺后退換向時(shí)，觸點(diǎn)K6閉合，KM3線圈通電，電動(dòng)機(jī)使刀架進(jìn)刀，前進(jìn)換向時(shí)，觸點(diǎn)K7閉合，KM5線圈通電，電動(dòng)機(jī)使進(jìn)刀機(jī)構(gòu)復(fù)位，準(zhǔn)

31、備下一次進(jìn)刀。左、右刀架的工作情況和垂直刀架基本相似，所不同點(diǎn)是左、右刀架只有上、下兩個(gè)方向移動(dòng)。另一個(gè)不同點(diǎn)是，控制左、右刀架進(jìn)給的交流接觸器一端電源不是直接接在同一處，而是經(jīng)過SQ8、SQ9后再接到同一根線上的。其目的是防止刀架與橫梁碰撞。4.3.2.2 橫梁控制電路橫梁有放松、夾緊以及上、下移動(dòng)等動(dòng)作，橫梁放松夾緊的動(dòng)力有電動(dòng)機(jī)、液壓及壓縮空氣等幾種方式，B2012A系列龍門刨床是采用電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，橫梁升降由電動(dòng)機(jī)來完成的。只有在工作臺停止工作時(shí)，K4觸點(diǎn)閉合，才能操作橫梁電路。如果需要橫梁升降時(shí)，電路會(huì)自動(dòng)地放松橫梁。如橫梁上升，按下按鈕SB7，K2線圈通電，其觸點(diǎn)K2閉合，KM12

32、線圈通電，使橫梁夾緊放松電動(dòng)機(jī)工作，橫梁逐漸放松。橫梁放松時(shí)，控制位置開關(guān)SQ10的制子往橫梁方向移動(dòng)，移動(dòng)到一定程度，使SQ10動(dòng)作，SQ10-2斷開，KM12線圈斷電，橫梁放松完畢。 此時(shí)，SQ6-1接通，由于K2已經(jīng)閉合，所以，KM9線圈通電，橫梁升降電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，橫梁上升，橫梁升到所需的位置時(shí)松開SB7，K2、KM9線圈失電，橫梁升降電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，橫梁停止上升。SQ7是橫梁上升到極限位置時(shí)避免與龍門頂相碰的保護(hù)開關(guān)。這時(shí)KM11線圈通電，橫梁放松夾緊電動(dòng)機(jī)工作，開始橫梁夾緊，到SQ10復(fù)位后，SQ10-1斷開，SQ10-2閉合，為以后橫梁放松做準(zhǔn)備，此時(shí)KM11線圈經(jīng)過KA1以及KM1

33、1繼續(xù)供電，橫梁繼續(xù)夾緊，因而電動(dòng)機(jī)M8中電流增大，通過KA1線圈的電流亦增大。當(dāng)電流增加到整定值時(shí)，KA1動(dòng)作，觸點(diǎn)KA1斷開，KM11線圈斷電。由于KM12的存在，即使橫梁沒有放松完畢，松開按鈕，也能保證橫梁放松完畢后再自動(dòng)夾緊。當(dāng)按下橫梁下降按鈕SB6時(shí)，也是先放松，后下降，下降到所需要的位置時(shí)，松開按鈕SB6，這時(shí)除了夾緊電動(dòng)機(jī)工作外，還有消除絲杠與絲母間隙的橫梁稍微回升的動(dòng)作，這個(gè)動(dòng)作過程是由時(shí)間繼電器KT3完成的。當(dāng)橫梁下降時(shí)，接觸器觸點(diǎn)KM10閉合，時(shí)間繼電器KT1線圈通電，其觸點(diǎn)KT1閉合，由于接觸器KM11觸點(diǎn)斷開，所以KM9線圈不通電，當(dāng)橫梁下降完畢，開始橫梁夾緊時(shí)，接觸器

34、KM11觸點(diǎn)閉合，而KT1的觸點(diǎn)是延時(shí)釋放，所以KT1線圈斷電后，其常開觸點(diǎn)還是接通的，這時(shí)KM9線圈通電，橫梁回升，由于KT1延時(shí)很短，KT1斷開，KM9線圈斷電，橫梁回升完畢，繼續(xù)夾緊到KA1動(dòng)作為止。如果橫梁回升比較多，是時(shí)間繼電器KT3延時(shí)太長，可適當(dāng)縮短延時(shí)時(shí)間。 4.3.2.3 控制工作臺的位置控制龍門刨床的自動(dòng)工作是由安裝在床身側(cè)的六個(gè)位置開關(guān)來控制的。為了熟悉工作臺的控制電路以及試車、故障檢修的方便，有必要熟悉位置開關(guān)的零位以及動(dòng)作情況。位置開關(guān)零位圖如圖所示。圖4-5位置開關(guān)零位圖在自動(dòng)控制過程中各個(gè)制子碰撞各自的位置開關(guān)，前進(jìn)末了時(shí)，制子A碰撞前進(jìn)減速開關(guān)SQ1，然后制子B

35、碰撞前進(jìn)換向開關(guān)SQ5，工作臺經(jīng)過一段越位后開始后退，后退開始時(shí)，制子B使SQ2復(fù)位，然后制子A使SQ1復(fù)位。在后退末了時(shí)，制子C碰撞后退減速開關(guān)SQ3，然后制子D碰撞后退換向開關(guān)SQ4，亦是經(jīng)過一段越位后換成前進(jìn)，制子D將SQ4復(fù)位，然后制子C使SQ3復(fù)位。位置開關(guān)SQ5、SQ6是前進(jìn)以及后退終端越位保護(hù)。由于不熟悉或不注意位置開關(guān)零位，損壞位置開關(guān)的現(xiàn)象比較多。所以，在安裝或故障檢修完畢試車時(shí)，應(yīng)先將位置開關(guān)撥在零位，制子放在位置開關(guān)兩側(cè)，然后開步進(jìn)步退試驗(yàn)，正常后方可開啟自動(dòng)工作。制子A、B、C、D間的距離是可調(diào)的，在高速檔工作時(shí)間距應(yīng)該大些，一般減速制子A、C的提前量為換向制子B、D的

36、250300毫米左右，低速檔工作時(shí)間距小一些，避免低速行程太長，降低生產(chǎn)效率。.4步進(jìn)、步退與潤滑泵控制電路按下步進(jìn)按鈕SB8時(shí)，K3線圈通電，使變頻器發(fā)出相應(yīng)的指令，以規(guī)定的速度步進(jìn)。按下步退按鈕SB12時(shí)，K5線圈通電，使變頻器發(fā)出相應(yīng)的指令電動(dòng)機(jī)以步退速度帶動(dòng)工作臺后退。在操作時(shí)，如果位置開關(guān)SQ1、SQ2沒有復(fù)位，則接不通電路。步進(jìn)、步退速度是可調(diào)的，一般低速檔為34米/分，高速檔為68米/分。潤滑泵控制開關(guān)SA7有兩個(gè)工作位置，工作臺不工作而需要潤滑泵時(shí)，將開關(guān)SA8撥在連續(xù)位置。工作臺自動(dòng)工作時(shí)，SA8撥在自動(dòng)位置。SA8撥在任意一個(gè)工作位置上，KM2線圈通電，潤滑泵電動(dòng)機(jī)工作。當(dāng)

37、潤滑油達(dá)到一定壓力時(shí)，壓力繼電器觸點(diǎn)KP閉合，為自動(dòng)工作準(zhǔn)備條件。.5工作臺自動(dòng)工作控制電路如果位置開關(guān)是零位，制子在位置開關(guān)兩側(cè)，按下前進(jìn)按鈕SB9，K4線圈通電，其觸點(diǎn)K4閉合，K3線圈通電，工作臺以調(diào)節(jié)好的前進(jìn)速度前進(jìn)。前進(jìn)末了時(shí)，制子A碰撞前進(jìn)減速開關(guān)SQ1，觸點(diǎn)SQ1閉合，減速繼電器K8線圈通電，工作臺以減速速度前進(jìn)，當(dāng)制子B碰撞前進(jìn)換向開關(guān)SQ2后，SQ2斷開，K3線圈斷電，觸點(diǎn)K3接通，由于K3是接通的，因而K5線圈通電，觸點(diǎn)K5斷開，K8線圈斷電，工作臺以調(diào)節(jié)好的后退速度開始后退。制子B使SQ2復(fù)位，在沒有復(fù)位前，刀架控制電路中，由于觸點(diǎn)SQ2閉合，K7線圈通電，觸點(diǎn)K7閉合，

38、接觸器KM4線圈通電，進(jìn)刀電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使進(jìn)刀機(jī)構(gòu)復(fù)位，SQ2復(fù)位后，SQ1斷開，K7線圈斷電，觸點(diǎn)K7斷開，接觸器KM4線圈斷電，進(jìn)刀電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。SQ2復(fù)位后雖然使SQ11閉合，但是因K5斷開，所以K3不會(huì)通電，工作臺繼續(xù)后退，制子A使SQ1復(fù)位。后退到末了時(shí)，制子C碰撞后退減速開關(guān)SQ3，觸點(diǎn)SQ-3閉合，減速繼電器K8線圈通電，工作臺以減速速度后退，當(dāng)制子D碰撞后退換向開關(guān)SQ4，觸點(diǎn)SQ4斷開，K5線圈斷電，觸點(diǎn)K5接通，由于K4是接通的，因而K3線圈通電，觸點(diǎn)K3斷開，K8線圈斷電，工作臺以調(diào)節(jié)好的前進(jìn)速度前進(jìn)。制子D使SQ4復(fù)位，在沒有復(fù)位前，刀架控制電路中，由于觸點(diǎn)SQ1閉合，K6線

39、圈通電，觸點(diǎn)K6閉合，接觸器KM3線圈通電，進(jìn)刀電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使進(jìn)刀機(jī)構(gòu)進(jìn)刀，SQ1復(fù)位后，SQ2斷開，K6線圈斷電，觸點(diǎn)K6斷開，接觸器KM3線圈斷電，進(jìn)刀電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。進(jìn)刀量的多少由調(diào)節(jié)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)來完成的。工作臺繼續(xù)前進(jìn)，制子C使SQ4復(fù)位，完成控制。4.4 PLC 設(shè)置4.4.1 PLC 的選型本控制系統(tǒng)共有輸入設(shè)備 34 個(gè)，輸出設(shè)備 26 個(gè)。根據(jù)此數(shù)據(jù)，并考慮一定的余量，選擇 FX2N-80MR 型 PLC。FX2N是三菱公司 FX 系列 PLC 中功能最強(qiáng)、速度最快的 PLC。其電源電壓為交流 220V，有開關(guān)量輸入、輸出點(diǎn)各 40 個(gè)。輸入回路電壓為直流 24V，X0X7 的輸入電流為

40、 7mA，其余輸入點(diǎn)為 5 mA。電阻性負(fù)載時(shí)輸出點(diǎn)的額定輸出為 2A、220V。4.4.2 PLC 的 主要接口I/O 分配表表4-1 PLC的輸入輸出地址分配代號I/0點(diǎn)功能代號I/O點(diǎn)功能SB1X1停止按鈕KM1Y0主電動(dòng)機(jī)M1啟動(dòng)SB2X2啟動(dòng)按鈕KM2Y1電動(dòng)機(jī)M2啟動(dòng)SB3X3垂直刀架控制按鈕KM3Y4電動(dòng)機(jī)M3啟動(dòng)SB4X4右側(cè)刀架控制按鈕KM4Y5電動(dòng)機(jī)M4正轉(zhuǎn)SB5X5左側(cè)刀架控制按鈕KM5Y6電動(dòng)機(jī)M4反轉(zhuǎn)SB6X6橫梁上升控制按鈕KM6Y7電動(dòng)機(jī)M5正轉(zhuǎn)SB7X7橫梁下降控制按鈕KM7Y10電動(dòng)機(jī)M5反轉(zhuǎn)SB8X10工作臺步進(jìn)按鈕KM8Y11電動(dòng)機(jī)M6正轉(zhuǎn)SB9X11工作

41、臺前進(jìn)按鈕KM9Y12電動(dòng)機(jī)M6反轉(zhuǎn)SB10X12工作臺停止按鈕KM10Y13電動(dòng)機(jī)M7正轉(zhuǎn)SB11X13工作臺向后按鈕KM11Y14電動(dòng)機(jī)M7反轉(zhuǎn)SB12X14工作臺步退按鈕KM12Y15電動(dòng)機(jī)M8正轉(zhuǎn)SQ1X15工作臺前進(jìn)減速KM13Y16電動(dòng)機(jī)M8反轉(zhuǎn)SQ2X16工作臺前轉(zhuǎn)后K3Y17工作臺步進(jìn)控制SQ3X17工作臺后退減速K4Y20工作臺自動(dòng)循環(huán)控制SQ4X20工作臺退轉(zhuǎn)前K5Y21工作臺步退控制SQ5X21工作臺前進(jìn)極限X1Y22變頻器運(yùn)行頻率選擇SQ6 X22工作臺后退極限X2Y23變頻器運(yùn)行頻率選擇SQ7X23橫梁上升極限X3Y24變頻器運(yùn)行頻率選擇SQ8X24橫梁下降刀架限位X

42、4Y31變頻器正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)控制SQ9X25橫梁下降刀架限位X5Y32變頻器反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)控制SQ10X26橫梁放松檢測FVDY27變頻器正轉(zhuǎn)控制SQ11X27工作臺低速運(yùn)行REVY30變頻器反轉(zhuǎn)控制SQ12X30橫梁加緊繼電器K9Y25工作臺低速運(yùn)行SQ13X31自動(dòng)進(jìn)刀行程開關(guān)K10Y26磨削控制SQ14X32自動(dòng)進(jìn)刀行程開關(guān)SQ15X33自動(dòng)進(jìn)刀行程開關(guān)SA7-1X34油泵手動(dòng)控制開關(guān)SA7-2X35油泵自動(dòng)控制開關(guān)SA6X36自動(dòng)/手動(dòng)控制開關(guān)SA8X37磨削控制開關(guān)KPX40壓力繼電器TA/TCX41變頻器軟故障報(bào)警 PLC外部主要部分接線圖 PLC的外部接線圖如下所示： 圖4-6 PLC外部接

43、線圖4.5 變頻器設(shè)置 變頻器選型根據(jù)前述龍門刨床直流拖動(dòng)系統(tǒng)工作要求，對于取代直流拖動(dòng)并超越直流拖動(dòng)的交流變頻調(diào)速來說，選擇華為TD2000 系列產(chǎn)品。TD2000 系列通用變頻器是高品質(zhì)、多功能、低噪音變頻器。具有豐富的功能，可滿足各種不同的需求；變頻器的控制為外部控制，而各速度段控制頻率由 Y22、Y23、Y24 的組合來完成。例如：系統(tǒng)工作于正常切削狀態(tài)，此前潤滑已起動(dòng)（即 Y14 為 ON），則 Y27 為 ON（正轉(zhuǎn)）且 Y30-OFF，Y22-NO，Y23-OFF（由變頻器設(shè)定對應(yīng)運(yùn)行頻率），此時(shí)工作臺電動(dòng)機(jī)處于切削狀態(tài)。其它控制過程與此相似。當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過載或缺相故障時(shí)，變頻器

44、停止輸出并發(fā)出報(bào)警（TA、TC 為 ON），同時(shí)將此信號送入 PLC，PLC 根據(jù)程序做出相應(yīng)處理（停車）。4.5.2變頻器的外部接線圖圖4-7變頻器外部接線圖本系統(tǒng)循環(huán)工作時(shí)，要求有快速停車，所以利用變頻器的特點(diǎn)，加裝制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻以吸收電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量，實(shí)現(xiàn)快速安全制動(dòng)停車。 4.5.3變頻器系統(tǒng)功能設(shè)定 根據(jù)拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行特性及系統(tǒng)的功能，要對變頻器進(jìn)行相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)這里對其中的一些主要設(shè)定參數(shù)進(jìn)行介紹。 F00=1；運(yùn)行頻率設(shè)定方式 1 F02=1；運(yùn)行命令選擇，用控制端子F04=50；最大輸出頻率 F05=50；基本運(yùn)行頻率 F07=0；通用負(fù)載選 0 F09=0.2；加速時(shí)間 1 F10=0.2；減速時(shí)間 1 F11=50；上限頻率 F12=0；下限頻率 F18=1；電機(jī)過載保護(hù)方式選擇 1 F19=100.