龙门刨床PLC变频器控制系统改造.docx
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龙门刨床PLC变频器控制系统改造
通过对B2012A型国产龙门刨床进行PLC改造，以及变频技术的改造以适应现代化的生产要求，改造中涉及PLC的技术应用，变频技术的应用从而使龙门刨床适应现阶段的生产需要，改造中涉及电机的速度的平滑性，电机的正反转龙门刨床的基本结构，以及龙门刨床的总体性能
基本要求：
1.改造后的龙门刨床应能正确执行操作步骤进行工件加工。
2.工作台能实现自动循环工作和点动,可实时精确调节工作台速度,平稳换向,并有自动和点动工作时的极限保护.
3．垂直刀架可方便地在水平和垂直两个方向快速移动和进刀,
并能进行快速移动和自动进给的切换.左右侧刀架可在上、下方向快速移动和进刀,能进行快移/自动切换.并有左右侧刀架限位开关,防止其向上移动时与横梁碰撞.
4.横梁可方便地上下移动和夹紧放松,加紧程度可调;横梁下降时有回升延时,延时时间可调.
5.改造后用的变频技术，应有较好对手滑行和广泛的调速空间。
6.改造后的刨床应能达到价格低廉和应用广泛。
7.改变中不能改变其基本的操作步骤，不能改变龙门刨床的设计要求。
8.通过改造进一步熟悉和掌握各种刨床的改造工艺和改造过程及改造的注意事项。
主要参考资料：
1田春霞数控加工工艺机械工业出版社
2于立彪,郑慕侨,张英负重轮多体接触问题有限元分析北京理工大学学报
3胡学林。
电气控制与plc。
冶金工业出版社
4林奕鸿。
机床数控技术及应用。
机械工业出版社
5卓迪仕。
数控技术及应用。
国防工业出版社
6原魁。
变频器基础及应用。
冶金工业出版社
7钟肇新。
可编程控制器原理及应用。
华南理工大学出版社
完成期限：
2012-6-5
指导教师签名：
课程负责人签名：
2012年6月5日
郑州华信学院
课
程
设
计
说
明
书
题目：
龙门刨床PLC、变频器控制系统改造
姓名：
苏如如
院（系）：
机电工程学院
专业班级：
09电气工程一班
学号：
0902120137
指导教师：
成绩：
时间：
年月日至年月日
1.龙门刨床的运动形式及技术改造
1.1龙门刨床的结构及运动形式
1.1.1结构及特点
B2012A型龙门刨床主要由7部分组成，如图1所示，其中床身为箱体型零件，其上有V形导轨。
工作台安放在床身上，工作台下面有斜齿条，可以往复运动。
横梁用于安装垂直刀架，刨削加工时严禁动作，只有在工作台停止运动时才能移动，以调整刀架高度。
两个垂直刀架可沿横梁导轨在水平方向。
或沿刀架本身的滑板导轨在垂直方向作快速移动或工作进给。
左右侧刀架及进给箱可沿立柱导轨上下快速移动或自动进给，龙门刨床的结构的具体形式如图1所示总的来说有七部分组成：
床身、工作台、横梁、左右刀架、垂直刀架、立柱、龙门顶梁组成的大型
加工工件，期还有磨头用于磨工件以及其他
辅助设备。
特点：
龙门刨床的龙门架定在床身上，在龙门架上装有可以上下移动的刨头架，切削刀固定在刨头架上，工作台安装在床身导轨上，工件固定在工作台上，工作过程中，工作台带动工件低速进给，快速退回，工件在装夹过程中，为了对准刨削位置，工作台的来回运动控制，是既自锁又点动的方式。
龙门刨床的电气控制系统分主传动系统和辅助运动控制系统两部分。
PLC用于龙门刨床控制系统改造方案之一就是:
主传动系统即工作台电力拖动系统，仍然保留目前最广泛使用的逻辑无环流可逆调速系统，其调速换向控制以及辅助运动控制系统采用可编程序控制器替代旧的继电控制系统，各部分的信号检测、动作执行机构也基本上保留原有的不变。
特点是投资小、见效快
1.1.2运动形式
工作台的运动形式
工作台的具体运动情况如下图（图2）所示：
在图中具体时间的运动情况解释如下：
t1段表示刨台起动，刨刀切入工件的阶段，为了减小刨刀刚切入工件的瞬间，刀具所受的冲击及防止工件被崩坏，此阶段速度较低，而且具有点动功能要求能根据需要进行慢加工或点动。
t2段为刨削段，刨台加速至正常的刨削速度，处于中速运行段，而且要根据工件要求进行工件加工。
t3段为刨刀退出工件段，为防止边缘被崩裂，同样要求速度较低，而且在退刀时要求先抬到，而且还要求具有点动功能。
t4段为返回段，返回过程中，刨刀不切削工件，为节省时间，提高加工效率，返回速度应尽可能高些，返回到位后应为下次工件加工做好准备，同时要求工作台运行到位后准备下次加工。
t5段为缓冲区。
返回行程即将结束，再反向到工作速度之前，为减小对传动机械的冲击，应将速度降低，之后进入下一周期。
刨床运动的机械特性曲线如图（3）所示
与很多切削机床相同，刨台运动特性分两种情况分析。
（1）低速区
刨台运动速度较低时，此时刨刀允许的切削力由电动机最大转矩决定。
电动机确定后，即确定了低速加工时的最大切削力。
因此，在低速加工区，电动机为恒转矩输出。
（2）高速区
速度较高时，此时切削力受机械结构的强度限制，允许的最大切削力与速度成反比，因此，电动机为恒功率输出。
由此可得，主拖动系统直流电动机的运行机械特性曲线分为如图3所示两段
横梁运动
横梁只是在工作台停止时方可调整，因此横梁要与工作台架互锁。
横梁运动属于“点动”性质。
为了保证横梁能按要求停在一定的位置上，还设有夹紧机构，从而保证横梁运动准确可靠。
横梁在运动时要求其工作台之间的配合，刀件之间的配合将在横梁运动中解释
刀架控制
龙门刨床B2012A采用交流电动机拖动的机械进刀方法，由控制机械与电器共同完成。
本刨床有2个垂直刀架，可实现左右（水平）及上下（垂直）四个方向动作，这些都由垂直刀架电机来完成。
左侧、右侧刀架只有上、下两个方向运动，分别由左侧刀架电机、右侧刀架电机完成，且左、右侧刀架上运动均与横梁下运动有限位保护。
磨头的运动
磨头的运动只能进行正反转运动，且在进行磨工件的过程中是低速运动，以保证工件的质量。
1.2龙门刨床电气控制的目的及意义
对传统的龙门刨床的改造目的：
利用可编程控制器及变频器实现对龙门刨床的自动控制和平滑调速,消除换向冲击,提高工作效率,减少噪声,取缔原控制系统,从而达到既经济又快捷地运行龙门刨床的目的.而使龙门刨床复杂的电气控制系统变的简单,清晰明了,使龙门刨床处于最佳的工作状态.龙门刨床如控制和使用得当,不仅能提高效率,节约成本,还可大大延长使用寿命.龙门刨床主要分为机械和电气控制两大组成部分,机械部分相对比较稳定,而使龙门刨床运行在最优状态主要取决于电气控制系统控制方式.在传统龙门刨床中,其机械部分刚性好,精度较高,一般其基本性能可达到现代同类机械的水平,但控制和驱动部分则显得不同程度的老化,对老式龙门刨床的改造有很大的实际意义.
而且，近几年来在工业自动化，机电一体化，改造传统产业等方面，PLC技术和变频技术不断得到广泛的应用。
学习，掌握和应用PLC技术对提高我国工业自动化水平和生产效率具有十分重要的意义。
采用可编程序控制器（PLC）和变频器对龙门刨床的传统控制系统进行改造，将具有投资小、改造周期短，节能降耗、提高功效显著的优点。
这为中小型企业的发展节省了大量的资金，为企业的发展提供了技术上的基础。
而且充分利用了PLC与变频技术从而使加工技术更能精确化。
这样对工件加工以及整个行业的自动化打下了基础。
从而使龙门刨长这样的大型机械更好地服务人们的生产及生活使龙门刨床更能适应打进的现代化加工需要。
1.3龙门刨床电气控制改造的总体要求
取消电机扩大机、发电机,以减少噪声,克服诸多控制缺陷.
工作台能实现自动循环工作和点动,可实时精确调节工作台速度,平稳换向,并有自动和点动工作时的极限保护.
垂直刀架可方便地在水平和垂直两个方向快速移动和进刀,并能进行快速移动和自动进给的切换.
左右侧刀架可在上、下方向快速移动和进刀,能进行快移/自动切换.并有左右侧刀架限位开关,防止其向上移动时与横梁碰撞.
横梁可方便地上下移动和夹紧放松,加紧程度可调;横梁下降时有回升延时,延时时间可调.
润滑泵有连续/自动切换开关,系统一得电,油泵即上油,至一定压力时,油压继电器触点闭合,为工作台工作做准备.
有保护环节控制,保证工作台停在后退末了,以免切削过程中发生故
障而突然停车造成刀具损坏和影响加工工件表面的光洁度.
各回路均有自动空气断路器作短路保护和过载保护.
改造后的龙门刨床的总体性能要得到改善，改造后的总体加工精度和运动形式更加完美，且能减少不必要的人工操作
1.4龙门刨床电气控制改造方案
龙门刨床对其主拖动系统的要求比较高，不仅要求具有足够大的切削功率，较大的调速范围，而且能够按照要求实现自动速度循环；对于刀架的进给、抬刀、退刀和快速移动，横梁的夹紧、放松和升降以及工作台的步进、步退等功能是通过与控制电器配合来实现。
归纳起来，改造后的控制系统要求如下：
①工作台主拖动系统具有比较宽的调速范围和较硬的机械特性；
②工作台能根据不同工件自由调节工作速度，而且前进和后退的速度要单独调整；
③工作台起动和制动快速、平稳，对电网和机械的冲击小，能很好地实现慢速切入、快速换向等要求；
④在低速范围内切削力基本保持恒定状态，加工精度高；
⑤系统效率高，耗电量小，节能明显；
⑥控制系统简单，安全可靠，便于维修。
改造后应使电路结构简单更能满足加工需要，改造后应能使PLC技术和变频技术得到充分的利用和发挥。
改造后的运动平滑性和刀件进给的性能得到提高。
有必要的联锁保护为了使发电机和电动机的换向器不致过大的换向火花而烧坏
2．工作台变频调速及PLC控制
2.1工作台运动及调速要求
工作太运动要配合直流部分能完成多种控制和自动工作，因此工作台的运动要根据加工工件的要求及时有效地进行运动。
工作台的运动有步进、步退、前进、后退的自动循环，减速、换向等。
对工作台进行的控制，首先点动控制，这样能进行对刀及进行加工工件的调整。
点动时速度较低，属于低速区希望电动机输出恒转矩负载，然后进行工件加工要求中速进刀，退刀时要求快速退刀，属于高速去，希望电机输出恒功率负载，再退刀之前必须抬，以防刀架被破坏。
正是由于工作台复杂的调速系统所以要求主轴电机能够平滑地有效的调速和改变运动方向。
从而使工作台的电机有较高的调速要求。
对龙门刨床进行调速时，应根据工件加工需要对相应的电机速度进行调整。
2.2工作台调速方案
变频调速的优点：
（1）变频器调速范围宽达20：
1，更换不同的工作组件就可使刨床用于刨、铣、磨，一机三用。
为提高加工精度，工作台的速度不随切削量的变化而变化，静差度小于3%，自动调速，达到速度曲线的要求，提高加工质量与效率。
（2）变频器调速控制系统的保护功能强
变频调速以其体积小、通用性强、动态响应快、工作频率高、保护性能完善、可靠性好、使用方便等卓越的性能而优于以往的任何调速方式；使用变频器控制电机的运行控制，可以进行电机的软启动，而让电机具有很快的动态响应并且实现无级调速；另外对电机的一些参数做到补偿；对电源的缺相、欠压、过压、过流等都能做到很及时很准确的检测而自动采取应变措施保护电机；
（3）工作可靠性显著提高，主要有以下几个方面：
1.电磁铁的寿命可大大延长原拖动系统是在运动的状态下进行抱闸的，采用变频调速后，可以在基本停住的状态下进行抱闸，闸皮的磨损情况大为改善；
2..操作手柄不易损坏原系统的操作手柄因常常受力过大，属于易损件。
采用变频调速后，操作手柄的受力将大大的减小，不容易损坏；
3.控制系统的故障率大为下降原系统是由于十分复杂的接触器、继电器系统进行控制的，故障率较高。
采用了变频调速控制系统后，控制系统可大大简化，可靠性大为提高。
由于变频器调速度有的优点和性能所以要对B2012A型龙门刨床进行变频调速，而且根据工作台的加工需要，需要对电机进行调速以适应工作台的工件加工，工件磨切，以及退刀等由于在加工过程的材料和零件不同，所使用的刀具也会不同（例高速钢刀具。
硬质合金刀具等），这就要求机床有不同的速度，以便满足不同加工工艺的要求。
从而需要对工作台的调速确定调速方案而且对调速方案有较高的要求，当进刀速度在25m/min时属于基频，25m/min以下为基频下调属于恒转矩，基频上调属于恒功率以此确定调速的方案
当为中速切削时速度为20
即（25m/min）/（20m/min）=50/x
X=40hz
N=1200r/min
高速退刀时：
（25m/min）/60=50/x
X=120hz
N=3600r/min
低速时：
（25m/min）/2=50/x
X=4
N=120r/min
工作台刨削要求是5—70m\min,要求电机转速在
250—3500r\min选择转速为400r\min
磨削时要求为1—3m\min要求电机转速在50—150r\min
选择转速为60r\min。
2.3入输出的确定
根据工件的加工要求确定了工在台的输入输出，具体的输入输出如下表表
（1）所示
表
（1）工作台电气控制输入输出表：
输入信号
工作状态
原件编号
输出信号
工作状态
启动
X0
Y0
工作台低速
总停
X1
Y1
工作台中速
AC
变频器故障
X2
Y2
工作台高速
BC
变频器正常
X3
Y3
泵故障显示
油泵故障
X4
Y4
变频器正常显示
SB8
工作台步进
X5
Y5
变频器故障显示
SB9
工作台前进
X6
Y6
正转
SB11
工作台后退
X7
Y7
反转
SB12
工作台步退
X10
Y10
变频器启动
SB10
自动与调整连锁
X11
SQ2
前进换向
X12
SQ1
前进减速
X13
SQ5
前进限位
X14
SQ3
后退减速
X15
SQ4
后退换向
X16
SQ6
后退限位
X17
SA7
油面润滑
X21
注：
上表为工作台输入输出分配表
2.4工作台电气控制接线图电机设置
根据工作台的具体运动形式和调速要求确定了工作台的电气控制接线图工作台的电气控制接线图，在工作台的电气控制方面为PLC和变频技术的综合应用从而使工作台的调速性能，调速平滑性得到很好地保证，从而保证工作台动作准确可靠，精密度高的特点，从而有利于加工精密工件和技术质量要求高的工件，这样是改造后的龙门刨床有更广泛的利用空间和更好的利用性能以适应新的加工要求，工作台的具体电气控制接线图如下图图（4）所示
表1：
工作台变频器的参数设定
参数号
功能
设定值C
Pr.1
上限频率
120HZ
Pr.2
下限频率
0HZ
Pr.3
基底频率
50HZ
Pr.4
高速
100HZ
Pr.5
中速
50HZ
Pr.6
低速
5HZ
Pr.7
加速时间
3S
Pr.8
减速时间
3S
Pr.9
电子过流保护
110A
Pr.20
加减速参考概率
50HZ
Pr.71
适用电机
0
Pr.79
操作模式选择
4
Pr.80
电机容量
55KW
Pr.81
极数
4
Pr.83
UN
380V
Pr.84
fN
50HZ
图（4）工作台电气控制原理图：
图（5）工作台电气控制接线图：
2.5工作台运动程序
工作台由于只能进行往返运动，且根据行程开关，加工工件的运动形式图，应能进行低速（点动）控制，切削中速，退刀快速的运动形式，在快刀退速时应能进行点动操作，所以工作台的具体运动形式可有下列程序进行控制具体程序如程序
（1）所示
程序
（1）：
工作台的运动程序图：
以上程序为工作台运行程序
3．刀架变频调速及PLC控制
3.1刀架运动及调速要求
龙门刨床有三个主刀架组成：
左侧刀架、右侧刀架、垂直刀架。
各刀架可实现自动进给运动和快速移动运动，由装在刀架进刀箱上的机械手柄来进行控制。
刀架的自动进给采用拨叉盘装置来实现，拨叉盘由交流电动机拖动，依靠改变旋转拨叉盘角度的大小来控制每次的进倒量。
在每次进刀完成后，让拖动刀架的电动机反向旋转，使拨叉盘复位，以便为第二次自动进刀作准备。
三个刀架根据工件加工的需要判断是否动作和选择进给尺寸，从而满足加工需要。
刀架的运动形式分为三种，刚启动时要求刀架慢速进行点动控制，当启动结束后能够根据工件需要进行自动操作，刀架在动作时应根据加工工件的要求和变频器的频率设置确定进刀尺寸和加工要求且在工件加工时要求工作台动作，刀架处于加紧工作状态，刀架不能够进行动作，从而有工作台进给。
当加工结束后，左、右刀，及垂直刀架应能快速退刀且工作太运动到SQ4时，刀架应能准确定位为下次加工做好准备。
左、右及垂直刀架应根据工件加工需要进行动作，不能有误动作，从而保证正确加工工件。
调速要求：
根据工件的加工需要进行到家的调速，调速分为慢速，快速。
在进行对刀时能进行点动动作，对刀结束后，根据工件加工需要能够进行自动循环加工，且在停电再来电时应能自动进行未完成的工件加工，当工作台运动到SQ2时刀架应能快速准确的退刀从而使工作台向后移动准备下次加工，因此需要根据工件的进刀尺寸、速度要求进行变频调速，且设置频率应能满足工件的加工需要因此需要进行变频调速。
已达到变频器和PLC的完整配合，使刀架运动更加可靠，是加工精度得到提高。
3.2刀架调速方案
根据刀架的加工需要进行设定调速方案，刀架在调速时要对变频器设定频率让变频器和PLC综合控制从而让刀件运动更能满足加工需要。
刀架调速的具体形式如下：
表3：
刀架变频器的参数设定
参数号
功能
设定值C
Pr.1
上限频率
120HZ
Pr.2
下限频率
0HZ
Pr.3
基底频率
50HZ
Pr.4
高速
70HZ
Pr.6
低速
0.5HZ
Pr.7
加速时间
3S
Pr.8
减速时间
3S
Pr.9
电子过流保护
110A
Pr.20
加减速参考概率
50HZ
Pr.71
适用电机
0
Pr.79
操作模式选择
4
Pr.80
电机容量
1.5KW
Pr.81
极数
4
Pr.83
UN
380V
Pr.84
fN
50HZ
3.3刀架输入输出分配
根据工作台的运动情况及刀架运动情况从而确定了刀架的输入输出的分配情况，其具体的输入输出如下表表
（2）所示：
表
（2）
刀架输入输出分配表
输入信号
工作状态
原件编号
输入信号
工作状态
SQ2
左极限太刀
X22
Y11
总启动
SQ4
右极限放刀
X23
Y12
变频器1启动
SQc
垂直刀架
X24
Y13
变频器2启动
SQy
右刀架
X25
Y14
左右刀架选择
SQz
左刀架
X26
Y15
变频器1正常
SB3
垂直刀架快退
X27
Y16
变频器2正常
SB4
右刀架快退
X30
Y17
垂直刀架电磁铁
SB5
左刀架快退
X31
Y20
左刀架电磁铁
AC
变频器1故障
X32
Y21
右刀架电磁铁
BC
变频器1正常
X33
Y22
垂直正转
AC
变频器2故障
X34
Y23
垂直反转
BC
变频器2正常
X35
Y24
左刀正转
YA垂直
垂直刀架电磁铁
X36
Y25
左刀反转
YA左
左刀架电磁铁
X37
Y26
右刀正转
YA右
右刀架电磁铁
X40
Y27
变频器1故障
启动
X20
Y30
变频器2故障
停止
X50
Y43
右刀反转
Y44
垂直高速
Y45
垂直低速
Y46
左刀低速
Y47
左刀高速
Y50
右刀高速
Y51
右刀低速
Y52
KM3
Y53
KM4
Y54
KM2
注：
上表为刀架输入输出分配表
3.4刀架电气控制接线图
刀架运动是根据工件加工需要进行运动的，且刀架运动对于工作台做相对运动即工作台动时刀架不动，刀架进行运动时，工作台不动。
因此工作台和刀架运动都需要进行控制，且对于刀架的控制要控制三个（左、右刀垂直刀）,这样就要求电气控制接线图能反映出刀架的运动情况和准确的加工工件，所以刀架的电气控制接线图应具备能控制正反转和根据运动情况决定三个刀架的进给尺度，以及三个刀架谁进行加工的控制总的刀架电气控制接线图如下图图（5）所示
图（5）
刀架控制接线原理图
刀架控制原理图
图（6）刀架控制接线图
3.5刀架的具体程序图
应为刀架运动有其独有的特点，所以对刀架控制必须用置位复位指令，以防突然断电后来电时进行工件加工时从程序的源头开始执行，这样在来电后可以接着上次进行加工，具体程序如下
程序
（2）
刀架的运动程序梯形图：
刀架运动梯形图
4.龙门刨床的横梁、磨头及其他辅助设备
4.1龙门刨床的横梁控制
对于龙门刨床的横梁运动的运动形式是：
上升过程：
放松——上升——夹紧，下降过程：
放松——下降——夹紧；且在放松夹紧的的过程中受到SQ10的控制，放松到一定位置是不能再进行放松提放横梁下滑，加紧到一定程度时不能在进行夹紧，以防出现破坏工件，横梁，及刀件。
而且在龙门刨床工作在运动时严防出现横梁运动，所以工作台和横梁之间应能进行很好的配合即在SQ4和SQ2的位置工作台和横梁之间有很好的配合。
在横梁进行上升下降过程中应能进行点动控制，这样可以根据工件的加工要求确定横梁上升和下降位移的大小，从而有利于工件的加工，对于横梁的放松与夹紧应用置位指令进行操作，以防突然断电，这样不仅能使横梁处于原始状态，而且有利于工件的加工，从而使横梁与其他部件紧密配合，从而完成工件的准确加工。
4.2横梁的输入输出分配
横梁的输入输出是根据横梁的运动情况及工作台的运动情况确定的，因此横梁的运动情况要受限位开关和工作台加工需要的控制，其具体的输入输出分配如表（3）所示：
表（3）横梁的输入输出具体分配表：
输入信号
工作状态
原件编号
输入信号
工作状态
SB6
X41
Y31
总启动
SB7
X42
Y32
放松
SQ7
X43
Y33
夹紧
SQ9
X44
Y34
上升
SQ10
X45
Y35
下降
上表为横梁的输入输出分配
4.3横梁运动形式梯形图
横梁的运动形式要求能够进行点动操作，对于放松夹紧能够进行置位复位指令操作其具体程序如下
程序（3）
横梁运动原理图
程序如下：
4.3龙门刨床的磨头控制
（1）磨头的运动形式：
由于磨头是进行磨工件操作的所以要求工作台只能进行慢速操作，且要求磨头能够进行正反转，而且要求磨头的进给尺寸要精确，以防出现工件加工质量问题，所以对磨头的控制要求是用变频技术和PLC技术的综合应用。
（2）磨头的输入输出分配表
磨头的输入输出分配表如表（4）所示
表（4）磨头的输入输出分配表
输入信号
工作状态
原件编号
输入信号
工作状态
SA8
X46
Y36
慢速
AC
X47
Y37
正
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