PLC與變頻器改造龍門刨床繼電器控制線路

1、鄭州華信學(xué)院課程設(shè)計說明書題目： 姓 名： 院 （系）： 專業(yè)班級： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 成 績： 時間： 年 月 日至 年 月 摘 要分析了龍門刨床的運動特點，利用PLC和變頻技術(shù)對B2012A型龍門刨床進(jìn)行自動化改造，以提高其加工效率和精度。關(guān)鍵詞： 龍門刨床；PLC；變頻器；電氣控制。前 言龍門刨床在工業(yè)生產(chǎn)中占有很重要的地位，主要用于加工大型工件或同時加工多個工件，是工業(yè)的母機(jī)。龍門刨床的主運動是工作臺的直線往復(fù)運動，而進(jìn)給運動則是刨刀的橫向或垂直間歇運動，龍門刨床的工作臺傳動一般都采用行程開關(guān)，和傳統(tǒng)的繼電器來控制。這種方式有接線復(fù)雜，檢修困難，故障多等缺點。這樣對加工性能有很大影

2、響。但是由于數(shù)控機(jī)床的代價太高，對中小型企業(yè)來說成本太大，所以更新一臺機(jī)床不是很容易的，因此，就對于龍門刨床的傳動特點，加工性能，和要求進(jìn)行分析，在此設(shè)計一套低成本低又能有效解決以上不足之處的方案。隨著近年來plc和變頻器在工業(yè)領(lǐng)域里面的迅猛發(fā)展，為改變龍門刨成的傳統(tǒng)缺點提供了可實現(xiàn)的途徑，本文作者將以B2012A為例，根據(jù)龍門刨床的控制線路，用可編程控制器和變頻器對其進(jìn)行改造。 目 錄1.龍門刨床運動形式及改造要求41.1龍門刨床結(jié)構(gòu)及運動形式41.主要結(jié)構(gòu)42.運動形式41.2龍門刨床電氣控制改造目的及意義41.3龍門刨床電氣控制改造總體要求51.4龍門刨床電氣控制改造方案52.工作臺變頻

3、調(diào)速及PLC控制62.1工作臺運動及調(diào)速要求61.運動分析62. 調(diào)速要求72.2工作臺調(diào)速方案72.3工作臺電氣控制輸入、輸出確定82.4工作臺電氣控制接線圖82.5工作臺PLC電氣控制程序103.刀架變頻調(diào)速及PLC控制123.1刀架運動及調(diào)速要求123.2刀架調(diào)速方案133.3刀架電氣控制輸入、輸出確定153.4刀架電氣控制接線圖163.5刀架PLC電氣控制程序174.橫梁及輔助運動控制194.1橫梁運動形式及拖動方式194.2油泵控制204.3銑磨頭變頻調(diào)速控制方案204.4橫梁及其它輔助運動PLC控制及程序204.5橫梁及其它輔助運動控制原理圖235.課程設(shè)計總結(jié)245.1龍門刨床電

4、氣控制改造意義與可行性分析245.2龍門刨床電氣控制改造效果和解決的主要問題245.3心得體會與建議245.4結(jié)束語251.龍門刨床運動形式及改造要求1.1龍門刨床結(jié)構(gòu)及運動形式 1.主要結(jié)構(gòu)B2012A型龍門刨床主要由7部分組成，如圖1所示，其中床身為箱體型零件，其上有V形和U形導(dǎo)軌。工作臺安放在床身上，工作臺下面有斜齒條，可以往復(fù)運動。橫梁用于安裝垂直刀架，刨削加工時嚴(yán)禁動作，只有在工作臺停止運動時才能移動，以調(diào)整刀架高度。兩個垂直刀架可沿橫梁導(dǎo)軌在水平方向或沿刀架本身的滑板導(dǎo)軌在垂直方向作快速移動或工作進(jìn)給。左右側(cè)刀架及進(jìn)給箱可沿立柱導(dǎo)軌上下快速移動或自動進(jìn)給。機(jī)床工作臺的驅(qū)動可用發(fā)電機(jī)

5、電動機(jī)組或可控硅直流調(diào)速方式，調(diào)速范圍較大，在低速時也能獲得較大的驅(qū)動力。從整體上看，工作加工過程較為簡單。 2.運動形式 龍門刨床的運動可分為主運動、進(jìn)給運動與輔助運動。主運動是指工作臺的往復(fù)運動，進(jìn)給運動是指刀架的進(jìn)給，輔助運動是調(diào)整刀具運動（如橫梁的夾緊與放松、橫梁的上升與下降、刀架的快速移動與抬刀等）1.2龍門刨床電氣控制改造目的及意義近幾年來在工業(yè)自動化，機(jī)電一體化，改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面，PLC得到廣泛的應(yīng)用。學(xué)習(xí)，掌握和應(yīng)用PLC技術(shù)對提高我國工業(yè)自動化水平和生產(chǎn)效率具有十分重要的意義。采用可編程序控制器(PLC)對龍門刨床的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，將具有投資小、改造周期短，節(jié)能降耗、

6、提高功效顯著的優(yōu)點。近年來,我國在普通機(jī)床改造方面取得了很大的成就,普通機(jī)床的控制系統(tǒng)逐步被PLC控制的高效率，高精度的數(shù)控機(jī)床所代替，產(chǎn)生了巨大的生產(chǎn)力，然而在機(jī)械加工制造中被廣泛使用的用來加工大型工件的設(shè)備龍門刨床的改造卻少之又少，在一定程度上影響著制造業(yè)的發(fā)展。目前部分中小型企業(yè)及高校仍廣泛使用這種傳統(tǒng)的繼電器控制機(jī)床，在資金緊張的情況下，更新機(jī)床是不太現(xiàn)實的。因此，對龍門刨床加工性能和要求進(jìn)行分析研究，設(shè)計一套低成本高性能的控制方案，應(yīng)用于實踐，可最大限度發(fā)揮龍門刨床的加工潛力，提高可靠性，降低運行成本，對老式龍門刨床的改造提高有很大的實際意義。1.3龍門刨床電氣控制改造總體要求 1、

7、了解龍門刨床的結(jié)構(gòu)、工作原理和各部件的運動特征、電氣系統(tǒng)的總體設(shè)計、完成PLC的選型與PLC的外部接線圖 2、掌握PLC程序設(shè)計方法 3、對工作臺控制程序設(shè)計，包括工作臺步進(jìn)步退控制程序設(shè)計和工作臺自動往返控制程序設(shè)計 4、對輔助部分控制程序設(shè)計，包括：風(fēng)機(jī)油泵控制程序設(shè)計、橫梁升降控 制程序設(shè)計、刀架運動控制程序設(shè)計 5、對故障診斷程序設(shè)計，包括：外部設(shè)備故障診斷程序設(shè)計、工作臺步進(jìn)步退故障診斷程序設(shè)計、工作臺自動運行故障診斷程序設(shè)計、橫梁運行故障診斷程序設(shè)計1.4龍門刨床電氣控制改造方案 圖2 龍門刨床電氣控制改造方案 1.對龍門刨床的電氣改造控制系統(tǒng)進(jìn)行總體方案設(shè)計2進(jìn)行PLC和變頻器的

8、選型及設(shè)計外部接線3.根據(jù)龍門刨床的工藝流程設(shè)計工作臺、刀架、橫梁的運行及控制梯形圖4.進(jìn)行調(diào)試和驗證設(shè)計改造的控制系統(tǒng)的可行性2.工作臺變頻調(diào)速及PLC控制2.1工作臺運動及調(diào)速要求 1.運動分析T0T1為正向啟動階段，啟動時間可通過參數(shù)來設(shè)置。T1T2為刀具慢切入工件時段，可通過F022來實現(xiàn)；慢速切入運行的時間、切入速度均可通過參數(shù)來設(shè)定。T2T3為加速到切削速度的過程。T3T4為正向切削過程，切削速度可通過電位器調(diào)節(jié)。T4T5為正向運行由中速減速到低速階段，其時間可通過參數(shù)來設(shè)定。T5T6為低速運行階段，即刨刀低速離開工件過程，速度由參數(shù)設(shè)置。T6T7為正向換向階段，即工作臺碰到前進(jìn)換

9、向接近開關(guān)時，開始制動換向，時間由參數(shù)設(shè)定。T7T8為工作臺正向運行制動后反向啟動加速到反向設(shè)定轉(zhuǎn)速階段。時間越短，加速越快，啟動電流越大；反之啟動電流越小，機(jī)械沖擊越小。T8T9為工作臺高速返回時間，高速返回速度由反向電位器調(diào)節(jié)。T9T10為工作臺反向運行過程中由高速減速到低速階段，此時間由參數(shù)設(shè)定。該值越小，制動越快，機(jī)械沖擊越大；反之亦然。T10T11為工作臺反向減速運行階段，此運行時間與接近開關(guān)的相對位置及低速運行速度有關(guān)。T11T12為工作臺反向制動換向階段，可通過設(shè)置參數(shù)來改變此段運行時間。 2. 調(diào)速要求由于在加工過程的材料和零件不同，所使用的刀具也會不同（例高速鋼刀具。硬質(zhì)合金

10、刀具等），這就要求機(jī)床有不同的速度，以便滿足不同加工工藝的要求。B2012A型龍門刨床采用電機(jī)放大機(jī)作為直流發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的直流發(fā)電機(jī)-電動機(jī)組系統(tǒng)并加一級機(jī)械變速，從而保證工作臺調(diào)速范圍達(dá)到20：1工作臺在低速檔的速度為660m/min在高速檔的速度為990m/min在低速檔或高速檔范圍內(nèi)，可實現(xiàn)電氣的無機(jī)調(diào)速，以便生產(chǎn)時能選擇最合理的切削速度。2.2工作臺調(diào)速方案B2012A型龍門刨床工作臺速度在25m/min以下時為等切削力區(qū)，希望輸出轉(zhuǎn)矩恒定，負(fù)載具有橫轉(zhuǎn)矩性質(zhì)；工作臺速度在25m/min以上時希望輸出功率恒定，負(fù)載具有恒功率性質(zhì)。為滿足要求，A系列龍門刨床的住傳動采用了機(jī)電聯(lián)合調(diào)速

11、方案，即采用機(jī)械傳動比2:1的齒輪變速與直流電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速配合。其中，齒輪變速具有恒功率特性。采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以通過靈活的預(yù)置恒轉(zhuǎn)矩與恒功率調(diào)速的轉(zhuǎn)換點，使調(diào)速系統(tǒng)的特性更好的滿足龍門刨床主驅(qū)動負(fù)載的調(diào)速特性要求，實現(xiàn)無級調(diào)速。工作臺換向制動采用能量回饋裝置，制動速度快，能量又回饋給電網(wǎng)，還可以將主驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計功率。2.3工作臺電氣控制輸入、輸出確定表1輸入輸出工作臺步進(jìn)按鈕X0SB8工作臺自動進(jìn)給繼電器Y20工作臺自動循環(huán)按鈕X1SB9工作臺正常工作指示Y43工作臺換向按鈕X2SB10工作臺步進(jìn)繼電器M1工作臺后退按鈕X3SB12工作臺后退繼電器M2工作臺前進(jìn)減速行程開關(guān)X4SQ

12、1工作臺低速Y0工作臺前進(jìn)換向行程開關(guān)X5SQ2工作臺中速Y1工作臺后退減速行程開關(guān)X6SQ3工作臺高速Y2工作臺后退換向行程開關(guān)X7SQ4工作臺正向啟動Y3工作臺前進(jìn)限位X10SQ5工作臺反向啟動Y4工作臺后退限位X11SQ6工作臺停止X12SB11工作臺總啟動X52SB24工作臺總停止X53SB252.4工作臺電氣控制接線圖 圖3 工作臺電氣控制接線圖2.5工作臺PLC電氣控制程序 圖4 工作臺PLC電氣控制程序梯形圖3.刀架變頻調(diào)速及PLC控制3.1刀架運動及調(diào)速要求刀架的進(jìn)給常用的有技協(xié)進(jìn)刀，液壓進(jìn)刀，電氣進(jìn)刀等幾種方法。A系列刨床采用交流電動機(jī)拖動的機(jī)械方法，這種方法電氣上比較簡單，

13、機(jī)械裝置比較復(fù)雜，進(jìn)度精度不夠。刨床有兩個垂直刀架，每個刀架有快速移動和自動進(jìn)給兩種工作狀態(tài)，每種工作狀態(tài)有水平進(jìn)刀(左右兩個方向)、垂直進(jìn)刀（上下兩個方向）四個方向的動作，這些都有一個垂直刀架來完成。刀架的進(jìn)給運動是進(jìn)給電動機(jī)驅(qū)動經(jīng)過進(jìn)給變速箱和光桿、絲杠、螺母等傳動件實現(xiàn)的。為了解決間隙的進(jìn)給運動和連續(xù)的電動機(jī)轉(zhuǎn)動的矛盾，舊型號刨床采用緊張環(huán)結(jié)構(gòu)，而A系列刨床則采用拔叉式雙向離合器。進(jìn)刀電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向從風(fēng)扇端看，除左側(cè)刀架逆時針轉(zhuǎn)動外，其余均為順時針方向旋轉(zhuǎn)。3.2刀架調(diào)速方案B2012A型龍門刨床裝有垂直刀架、右側(cè)刀架和左側(cè)刀架，分別由電動機(jī)Mc,My,Mz來驅(qū)動，其中兩個垂直刀架共用一

14、臺電動機(jī)Mc,通過傳動機(jī)構(gòu)分別轉(zhuǎn)動，刀架控制電路能實現(xiàn)刀架的快速移動與自動進(jìn)刀，刀架的快速移動與自動進(jìn)刀、刀架運動方向由裝在刀架箱上的機(jī)械手柄來選擇。 自動進(jìn)刀。刀架的進(jìn)給采用的是帶緊脹環(huán)的進(jìn)到機(jī)構(gòu)，依靠緊脹環(huán)轉(zhuǎn)動角度的大小來控制每次的進(jìn)刀量。每次進(jìn)刀完成后，利用刀架驅(qū)動電動機(jī)反向旋轉(zhuǎn)來使緊脹環(huán)復(fù)位，為第二次進(jìn)刀做好準(zhǔn)備。當(dāng)需要自動進(jìn)刀時，將刀架移動機(jī)械手柄扳倒自動進(jìn)刀位置，使相應(yīng)的位置開關(guān)SQc,SQy,SQz壓下。以垂直刀架為例，壓下SQc,當(dāng)工作臺加工行程結(jié)束，刀具離開工件，撞塊使位置開關(guān)SQ2動作，SQ2-b閉合Kih線圈得電Khc線圈得電電動機(jī)Mc反轉(zhuǎn)，刀架電機(jī)Mc反轉(zhuǎn)帶動超越離合器

15、上的撥叉盤復(fù)位，為進(jìn)刀做好準(zhǔn)備；SQ2-a斷開Kq線圈失電Kh線圈得電K2h線圈得電，接通抬刀電磁鐵，刀架自動抬起。同時，工作臺制動并迅速返回，返回SQ2復(fù)位Kih失電Khc失電電動機(jī)Mc轉(zhuǎn)動。返回至終點時，碰撞位置開關(guān)SQ4,SQ4-b閉合Kiq線圈得電Kqc線圈得電電動機(jī)Mc正傳，刀架電動機(jī)Mc帶動撥叉盤旋轉(zhuǎn)，刀架進(jìn)刀；SQ4-a斷開Kh線圈失電Kq線圈得電K2h線圈失電，抬刀電磁鐵失電，刀架落下，以便切削加工。當(dāng)工作臺重新前進(jìn)時，SQ4復(fù)位，刀架電動機(jī)Mc停轉(zhuǎn)，進(jìn)刀停止。進(jìn)刀量的大小通過機(jī)械方式調(diào)整。3.3刀架電氣控制輸入、輸出確定表2輸入輸出垂直刀架快移按鈕X13SB3右側(cè)刀架快移與進(jìn)

16、給Y15右側(cè)刀架快移按鈕X14SB4右側(cè)刀架進(jìn)給復(fù)位Y16左側(cè)刀架快移按鈕X15SB5左側(cè)刀架快移與進(jìn)給Y17垂直刀架進(jìn)給按鈕X16SB13左側(cè)刀架進(jìn)給復(fù)位Y20右側(cè)刀架進(jìn)給按鈕X17SB14垂直刀架快移與進(jìn)給Y23左側(cè)刀架進(jìn)給按鈕X20SB15垂直刀架進(jìn)給復(fù)位Y24垂直刀架位置行程開關(guān)X21SQc右側(cè)刀架抬刀Y5右側(cè)刀架位置行程開關(guān)X22SQy左側(cè)刀架抬刀Y6左側(cè)刀架位置行程開關(guān)X23SQz垂直刀架抬刀Y7右垂直刀架抬刀X24SB30右側(cè)刀架進(jìn)給繼電器M11左垂直刀架抬刀X25SB31左側(cè)刀架進(jìn)給繼電器M12右刀架抬刀X26SB32垂直刀架進(jìn)給繼電器M10左刀架抬刀X27SB333.4刀架電

17、氣控制接線圖 圖5 刀架電氣控制接線圖3.5刀架PLC電氣控制程序 圖6刀架PLC電氣控制程序梯形圖刀架變頻器參數(shù)如表3 參數(shù)號參數(shù)名稱設(shè)定值Pr.79操作模式選擇3Pr.1上限頻率50hzPr.2下限頻率0hzPr.3基底頻率50hzPr.20加/減速基準(zhǔn)頻率50hzPr.7加速時間3sPr.8減速時間2sPr.9過流保護(hù)2APr.4高速50hzPr.5中速30hzPr.6低速10hzPr.71適用電機(jī)0Pr.81極數(shù)4Pr.83額定電壓380v 4.橫梁及輔助運動控制4.1橫梁運動形式及拖動方式（1）橫梁上升。橫梁上升時按照“放松上升加緊”的次序工作；由電動機(jī)Mj控制的加緊與放松，由電動機(jī)

18、Mh控制橫梁的升降，橫梁夾緊的程度采用電流檢測的方法進(jìn)行控制。 按下上升按鈕SB6Kjoh線圈得電Khj線圈得電電動機(jī)Mj反轉(zhuǎn)橫梁放松放松到位壓下位置開關(guān)SQ10，SQ10-b斷開Khj線圈失電電動機(jī)Mj停轉(zhuǎn)放松完畢；同時SQ10-a閉合Kqh線圈得電電動機(jī)Mh正轉(zhuǎn)橫梁上升。 上升到位松開SB6Kjoh線圈失電Kqh線圈失電電動機(jī)Mh停轉(zhuǎn)橫梁上升停止Kqj線圈得電電動機(jī)Mj正轉(zhuǎn)橫梁加緊SQ10復(fù)位加緊電流上升到使電流繼電器KA2線圈動作Kqj線圈失電電動機(jī)Mj停轉(zhuǎn)橫梁加緊結(jié)束。 SQ10-b上的Kjoh常開觸點和Khj常開觸點并聯(lián)，作用是操作者在橫梁放松尚未完畢時，松開按鈕，也能保證橫梁放送完

19、畢后再自行加緊。按下降按鈕SB7即可操作橫梁下降，具體控制過程的分析與橫梁上升過程類似。（2）橫梁下降。橫梁下降時按照“放松下降回升夾緊”的次序工作，多了一個回升環(huán)節(jié)。按下下降按鈕SB7即可操作橫梁下降，具體控制過程的分析與橫梁上升過程類似。4.2油泵控制油泵、風(fēng)機(jī)和變頻器必須處于正常狀態(tài)下工作臺才加工運行。在工作臺工作之前，這些輔助設(shè)備都必須正常且處于運行狀態(tài)，在主回路通電，為按下工作臺控制按鈕前，在橫梁、刀架和工作臺動作前，變頻器動作，在油泵壓力及風(fēng)機(jī)正常的啟動下，是油泵運行和風(fēng)機(jī)運行輸出，油泵和風(fēng)機(jī)啟動。只有當(dāng)油泵、風(fēng)機(jī)及傳動電機(jī)啟動后，才能進(jìn)行各種動作，并為刀架走刀做好準(zhǔn)備。同時在運行

20、中，當(dāng)油泵或傳動電機(jī)失電后，系統(tǒng)停止，防止誤潤滑運行和走刀不切削。4.3銑磨頭變頻調(diào)速控制方案 磨頭是對工件進(jìn)行精加工用的，其運動包括低速運行 高速運行及其正反轉(zhuǎn)，由于不同的材料其精加工所需速度是不同的，因此需要對磨頭進(jìn)行變頻調(diào)速控制。磨頭在運行過程中：其高速時電機(jī)速度為：72-540r/min；低速時電機(jī)速度為：0.04-1.6m/min；從上面的速度可以看出磨頭對速度的精度要求是非常高的，因此對其進(jìn)行改造是用變頻器進(jìn)行調(diào)速是必要的選擇。在選擇電機(jī)時根據(jù)需求可選擇7.5kw，額定速度為960r/min的六級電機(jī)即可滿足需要。4.4橫梁及其它輔助運動PLC控制及程序圖7 橫梁及其它輔助運動PL

21、C控制及程序梯形圖4.5橫梁及其它輔助運動控制原理圖 圖8 橫梁及其它輔助運動控制原理圖5.課程設(shè)計總結(jié)5.1龍門刨床電氣控制改造意義與可行性分析 我國是一個機(jī)床大國，擁有三百萬多臺的普通機(jī)床和大量的專用機(jī)床，數(shù)量居世界前列，但大多數(shù)設(shè)備落后。 在這里的變頻器和PLC的配合使用，充分體現(xiàn)了當(dāng)今在控制論領(lǐng)域中的需要的快速、可靠、靈活的特點，克服了繼電接觸器控制系統(tǒng)動作慢、耗電多、體積較大的缺點，實現(xiàn)了很多復(fù)雜的以前沒實現(xiàn)的控制動作，和故障保護(hù)，使得系統(tǒng)具備小型化，操作維護(hù)檢點，的控制智能化的特點。本題的改造目標(biāo)為利用可編程控制器及變頻器實現(xiàn)對龍門刨床的自動控制和平滑調(diào)速,消除換向沖擊,提高工作效

22、率,減少噪聲,取締原控制系統(tǒng),從而達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又快捷地運行龍門刨床的目的.而使龍門刨床復(fù)雜的電氣控制系統(tǒng)變的簡單,清晰明了,使龍門刨床處于最佳的工作狀態(tài).龍門刨床如控制和使用得當(dāng),不僅能提高效率,節(jié)約成本,還可大大延長使用壽命.龍門刨床主要分為機(jī)械和電氣控制兩大組成部分,機(jī)械部分相對比較穩(wěn)定,而使龍門刨床運行在最優(yōu)狀態(tài)主要取決于電氣控制系統(tǒng)控制方式.在傳統(tǒng)龍門刨床中,其機(jī)械部分剛性好,精度較高,一般其基本性能可達(dá)到現(xiàn)代同類機(jī)械的水平,但控制和驅(qū)動部分則得不同程度的老化,對老式龍門刨床的改造有很大的實際意義 .5.2龍門刨床電氣控制改造效果和解決的主要問題改造前，原龍門刨床采用電機(jī)擴(kuò)大機(jī)-直流發(fā)電機(jī)-直流電動機(jī)（A-G-M）調(diào)速系統(tǒng)，它占地面積大、噪聲污染嚴(yán)重、調(diào)速范圍很窄，尤其交流電動機(jī)拖動發(fā)電機(jī)浪費電能很嚴(yán)重；而且，傳統(tǒng)的龍門刨床的電氣控制部分采用的是繼電器-接觸器邏輯控制系統(tǒng)，硬件接線多，體積大，連線復(fù)雜；它是通過采用觸電開關(guān)實現(xiàn)控制的，由于受繼電器硬件限制，控制速度慢，一般為十幾毫秒；繼電器觸點壽命短，可靠性和維護(hù)性差，故障率高，檢修、維修困難，維護(hù)、維修成本高。 改造后，主拖動采用調(diào)速范圍寬、節(jié)能效果顯著的變頻器控制的調(diào)速系統(tǒng)，不僅省去了電機(jī)擴(kuò)大機(jī)和直流發(fā)電機(jī)，節(jié)省了成本和空間，而且還大大提高了龍門刨床的調(diào)速特性，使工作臺有更寬的調(diào)速范圍和更硬的