Ba型龙门刨床的自动化改造.docx

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Ba型龙门刨床的自动化改造

毕业设计（论文）

题目:

B2012a型龙门刨床基于PLC的自动化改造

毕业论文

课题名称：

B2012a型龙门刨床基于PLC的自动化改造

专业机电一体化

前言-----------------------------------------------------------3

摘要-----------------------------------------------------------3

第一章绪论--------------------------------------------------4

1.1龙门刨床简介--------------------------------------------5

1.2PLC的基本概念------------------------------------------

1.3本文研究的目的及意义------------------------------------

第二章B2012A龙门刨床的基本情况-------------------------------

2.1基本结构------------------------------------------------

2.2工作过程------------------------------------------------

2.3运动分析------------------------------------------------

2.4传动系统------------------------------------------------

第三章龙门刨床对控制系统的要求--------------------------------

3.1要求有宽广的调速范围------------------------------------

3.2电气控制电路能保证机床可靠地自动工作---------------------

3.4工作台速度调整------------------------------------------

3.5刀架能自动进给和快速移动--------------------------------

3.6系统的机械特性要有一定的硬度----------------------------

3.7有必要的联锁保护----------------------------------------

第四章B2012A型龙门刨床的电气控制----------------------------

4.1交流机组拖动系统组成------------------------------------

4.2直流发电—拖动系统组成---------------------------------

4.3各控制电路概述------------------------------------------

4.3.1主拖动机组电动机M1控制电路-----------------------

4.3.2横梁控制电路--------------------------------------

4.3.3工作台自动循环控制电路---------------------------

4.3.4工作台步进，步退控制------------------------------

4.3.5刀架控制电路---------------------------------------

第五章变频技术------------------------------------------------

5.1变频技术的优越性------------------------------------------

5.2系统对变频器的控制要求--------------------------------------

5.3变频器的选型----------------------------------------------------------------

5.4设备组成----------------------------------------------------

5.5组成框图---------------------------------------------------

第六章B2012A型龙门刨床PLC控制系统组成----------------------------

6.1龙门刨床的特点---------------------------------------------

6.2输入/输出分配表-----------------------------------------------

6.3PLC类型选定---------------------------------------------------

6.4工作台控制流程------------------------------------------------

6.5PLC控制接线图------------------------------------------------

6.6设计控制程序------------------------------------------------

第七章B2012A型龙门刨床改造效果------------------------------------

毕业设计总结--------------------------------------------------

参考文献-------------------------------------------------------

摘要

分析了龙门刨床的运动特点，利用PLC和变频技术对B2012A型龙门刨床进行自动化改造，以提高其加工效率和精度。

关键词：

龙门刨床；PLC；变频。

前言

龙门刨床是机械工业的主要工作母机之一，在工业生产中占有重要的位置。

其电气控制系统包括工作台的主传动和进给机构逻辑时序控制两大部分。

龙门刨床工作台的行程控制多采用传统的继电器、行程开关控制方式来实现，该方式存在着故障率高、接线复杂、灵活性小、检修不方便等缺点。

这对加工性能及成本有很大的影响，有的甚至无法在一些加工要求稍高的工件场合下使用。

但是，目前部分中小型企业及高校仍广泛使用这种传统的继电器控制机床。

在资金紧张的情况下，更新机床是不太现实的。

因此，对龙门刨床加工性能和要求进行分析研究，设计一套低成本高性能的控制方案，应用于实践，可最大限度发挥龙门刨床的加工潜力，提高可靠性，降低运行成本，对老式龙门刨床的改造提高有很大的实际意义。

随着PLC在工业控制中的迅猛发展，为改变上述缺点提供了有效途径。

因此，本文作者将以B2012A型龙门刨床为例，根据龙门刨床的加工工艺特点，采用可编程序控制器（PLC）对其传统控制系统进行改造。

第一章绪论

1.1龙门刨床简介

铣床是美国人惠特尼于1818年创制的卧式铣床；为了铣削麻花钻头的螺旋槽，美国人布朗于1862年创制了第一台万能铣床，这是升降台铣床的雏形；1884年前后又出现了龙门铣床；二十世纪20年代出现了半自动铣床，工作台利用挡块可完成“进给-决速”或“决速-进给”的自动转换。

龙门刨床是各类机加工厂中较为常见的设备，是具有门式框架和卧式长床身的刨床。

龙门刨床主要用于刨削大型工件，也可在工作台上装夹多个零件同时加工。

龙门刨床的工作台带着工件通过门式框架作直线往复运动，空行程速度大于工作行程速度。

横梁上一般装有两个垂直刀架，刀架滑座可在垂直面内回转一个角度，并可沿横梁作横向进给运动；刨刀可在刀架上作垂直或斜向进给运动；横梁可在两立柱上作上下调整。

一般在两个立柱上还安装可沿立柱上下移动的侧刀架,以扩大加工范围工作台回程时能机动抬刀，以免划伤工件表面。

机床工作台的驱动可用发电机－电动机组或用可控硅直流调速方式,调速范围较大,在低速时也能获得较大的驱动力。

龙门铣床还有一些变型以适应不同的加工对象。

①龙门铣镗床：

横梁上装有可铣可镗的铣镗头，其主轴（套筒或滑枕）能作轴向机动进给并有运动微调装置,微调速度可低至5毫米/分。

②桥式龙门铣床：

加工时工作台和工件不动,而由龙门架移动。

其特点是占地面积小，承载能力大，龙门架行程可达20米，便于加工特长或特重的工件，其外形与龙门刨床相似，区别在于它的横梁和立柱上装的不是刨刀刀架而是带有主轴箱的铣刀架，并且龙门铣床的纵向工作台的往复运动不是主运动，而是进给运动，而铣刀的旋转运动是主运动。

在龙门铣床上可以用多把铣刀同时加工表面，所以生产效率比较高，适用与成批和单件生产，用以加工中型和大型工件。

1.2PLC的基本概念

PLC可编程序控制器：

PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:

一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制系统（ProgrammableLogicController）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。

它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

可编程控制器是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。

随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程控制器更多地具有了计算机的功能，不仅能实现逻辑控制，还具有了数据处理、通信、网络等功能。

由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，大大推进了机电一体化的进程。

1.2.1PLC的分类

（1）小型PLC

小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。

它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。

（2）中型PLC

中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256~1024点之间。

I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。

它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。

（3）大型PLC

一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。

大型PLC的软、硬件功能极强。

具有极强的自诊断功能。

通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。

大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。

1.2.2PLC的主要特点

（1）结构灵活，不受环境的限制，有电即可组建网络，同时可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率，在移动性方面可与WLAN媲美。

（2）传输质量高、速度快、带宽稳定，可以很平顺的在线观赏DVD影片，它所提供的14Mbps带宽可以为很多应用平台提供保证。

最新的电力线标准HomePlugAV传输速度已经达到了200Mbps；为了确保QoS，HomePlugAV采用了时分多路访问（TDMA）与带有冲突检测机能的载体侦听多路访问（CSMA）协议，两者结合，能够很好地传输流媒体。

（3）范围广，无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。

虽然无线网络可以做到不破墙，但对于高层建筑来说，其必需布设N多个AP才能满足需求，而且同样不能避面信号盲区的存在。

而电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比拟的。

由此，运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一处有电力线的地方。

这一技术一旦全面进入商业化阶段，将给互联网普及带来极大的发展空间。

终端用户只需要插上电力猫，就可以实现因特网接入，电视频道接收节目，打电话或者是可视电话。

（4）低成本。

充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，节约了资源。

无需挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物、公用设施、家庭装潢的破坏，同时也节省了人力。

相对传统的组网技术，PLC成本更低，工期短，可扩展性和可管理性更强。

目前国内已开通电力宽带上网的地方，其包月使用费用一般为50-80元/月左右，这样的价格和很多地方的ADSL包月相持平。

（5）适用面广。

PLC作为利用电力线组网的一种接入技术，提供宽带网络“最后一公里”的解决方案，广泛适用于居民小区，酒店，办公区，监控安防等领域。

它是利用电力线作为通信载体，使得PLC具有极大的便捷性，只要在房间任何有电源插座的地方，不用拨号，就立即可享受4.5~45Mbps的高速网络接入，来浏览网页﹑拨打电话，和观看在线电影，从而实现集数据、语音、视频，以及电力于一体的“四网合一”。

1.3本文研究的目的及意义

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）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。

第二章B2012A龙门刨床的基本情况

2.1基本结构

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

2.2工作过程

龙门刨床的刨削过程是工件与刨刀作相对运动的过程。

为此，工件必须与工作台一起频繁地进行往复运动，工件的切削加工仅在工作行程中，返回行程是空行程。

在切削过程中只有工作台由返回行程转到工作行程的期间刀假才进行一定量的进给。

其中，机床的主运动是工作台纵向往复运动，而横梁的上下移动，刀架沿横梁的左右移动，以及侧刀架在立柱的上下往复运动称作往复运动。

2.3B2012A龙门刨床的运动分析

2.3.1主运动行程以及各阶段工作状况

我国现行生产的龙门刨床其主拖动方式以直流发电机—电动机组及晶闸管—电动机系统为主，以A系列龙门刨床为例，它采用电磁扩大机作为励磁调节器的直流发电机—电动机系统，通过调节直流电动机电压来调节输出速度，并采用两级齿轮变速箱变速的机电联合调节方法。

其主运动为刨台频繁的往复运动，在往复一个周期中，对速度的控制有一定要求，如图2所示。

图中：

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。

t2段为刨削段，刨台加速至正常的刨削速度

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。

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。

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。

2.3.2刨台运动的机械特性曲线

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。

2.3.3横梁运动特点

横梁只是在工作台停止时方可调整，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。

2.4传动系统

龙门刨主拖动系统以直流发电机组-电动机（G-M）及晶闸管-电动机系统为主，如图4所示。

国产A系列龙门刨的主拖动系统采用电磁扩大机作为励磁调节器的直流发电机-电动机系统，通过调节直流发电机电压来调节输出速度，并采用两级齿轮变速箱变速的机电联合调节方法。

其主运动为刨台频繁的往复运动，对速度的控制有一定的要求，采用机械速比为2：

1和电气调速范围为10：

1的机电联合调速系统。

主拖动系统调速分析如图5所示。

其中Fm表示最大切削力，Vl表示切削速度，Pm表示最大切削功率。

图中，为对应于最大转矩时的最高速度，称为计算速度。

在V1-V2范围内要求恒转矩调速速；而在V2-V3范围内则要求恒功率调速。

机电联合调速与单纯调压调速比较，电动机的设计功率可以缩小一半，但是电动机的功率仍然比负载所需要的功率大接近一倍，因此A系列龙门刨床直流电动机的功率并没有得到充分利用。

同时因为进刀机构采用进刀继电器控制进刀，而继电器铁心和圆盘齿因频繁运动而磨损，使精度下降。

第三章龙门刨床对控制系统的要求

B2012A型龙门刨床的工作台是往返交替循环直线运动的，工件固定在工作台上与刀具作相对运动。

工作台在工作行程是进行切削加工，各种台返回时，刀具自动抬起，不进行切削加工。

工作台返回是速度快，以减小空行程时间。

B2012A型龙门刨床的主拖动系统要求比较高，它不仅要求足够大的切削功率，较大的调速范围，而且能够按照要求实现自动的速度循环。

对于刀架得移动．进刀．退刀．抬刀．横梁放松与夹紧．横梁上升与下降．工作台步进与步退等各种电动机与控制电器配合实现电器配合实现。

B2012A型龙门刨床对电气控制和PLC控制的系统要求综合起来又以下几个方面：

3.1要求有宽广的调速范围

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。

B2012A型龙们刨床采用电机放大机作为直流发电机励磁调节器的直流发电机-电动机组系统并加一级机械变速，从而保证工作台调速范围达到20：

1工作台在低速档的速度为6—60m/min在高速档的速度为9—90m/min在低速档或高速档范围内，可实现电气的无机调速，以便生产时能选择最合理的切削速度。

3.2电气控制电路能保证机床可靠地自动工作

工作台往复运动一次吼，刀架自动进给。

后退行程中，刀架自动抬起。

工作台在行程末尾可进行减速、反向等运动的自动变换。

3.3工作台能够按照需要实现自动往返循环。

在高速切削时，是为了减小刀具的冲击，应使刀具慢速切入工件。

若切削速度与冲击为刀具所能承受时，利用转换开关，可以取消慢速切入。

在工作台前进与返回行程末尾，工作台能自动调速，以保证刀具慢速离开工件，防止工件边缘剥裂，同时可减小工作台反向时的冲程和对电动机及其他机械的冲击。

3.4工作台速度调整，且无须停车。

用于磨削时，工作台应能降低速度至1m/min，以便保持磨削时工件的精度。

能自动调速，以保证刀具慢速离开工件，防止工件边缘剥裂，同时可减小工作台反向时的冲程和对电动机及其他机械的冲击。

3.5刀架能自动进给和快速移动。

进行加工时，工件装在工作台上，工作台沿床身导轨作直线往复运动。

横梁上的垂直刀架和立柱上的侧刀架都可以垂直或水平进给。

3.6系统的机械特性要有一定的硬度。

为了避免因起切削符合发生变化引起的工作台速度有较大的波动，以至于影响加工工件表面的质量，同时系统的机械特性应具有下垂特性，当负荷过大时，能使拖动工作台的直流电动机的转速迅速下降，直至停止，从而达到保护电动机及机械装置的目的。

3.7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。

第四章B2012A型龙门刨床的电气控制

龙门刨床是机械加工工业中的重要工作母机。

龙门刨床主要用于加工各种平面、槽及斜面，特别是大型及狭长的机械零件和各种机床床身、工作导轨等。

龙门刨床的电气控制线路比较复杂，它的主拖动系统安全是依靠电气自动控制来执行的。

B2012A型龙门刨床接触器—继电器控制电路原理如图6（a）所示。

其中图6（a）为主拖动控制系统及抬刀电路原理图；图6（b）为交流机组拖动系统主电路原理图；图6（c）为主拖动机组启动及刀架控制电路原理图；图6（d）为横梁及工作台控制电路原理图。

4.1交流机组拖动系统组成

B2012A型龙门刨床交流机组拖动系统主电路原理图如图6（b）所示。

从图6（b）可以看出，S2012A型龙门刨床交流机组共由9台电动机拖动，即拖动直流发电机G、励磁发电机GE用交流电动机M1，拖动电机放大机用电动机M2，拖动通风用电动机M3，润滑泵电动机M4，垂直刀架电动机M5，右侧刀架电动机M6，左侧电动机M7，横梁升降电动机M8，横梁放松、加紧电动机M9。

4.2直流发电—拖动系统组成

直流发电—拖动系统主电路如图6（a）所示，它包括电机放大机AG、直流发电机G直流电动机M和励磁电动机GE。

电机放大机AG由交流电动机M2拖动。

电机放大机AG的主要作用是根据机床刨台各种运动的需要，通过控制绕组WC的各个控制量调节其向直流发电机G励磁绕组供电的输出电压，从而调节直流发电机发出的电压。

直流发电机G和励磁发电机GE由交流电动机M2拖动。

直流发电机G的主要作用是发出支流电动机N所需要的直流电压，满足直流电动机M拖动刨台运动的需要。

励磁发电机的主要作用是由交流电动机M1拖动，发出直流电压，向支流电动机M的励磁绕组供给励磁电源。

直流电动机M的主要作用是拖动刨台往返交替作直线运动，对工件进行切削加工。

4.3各控制电路概述

4.3.1主拖动机组电动机M1控制电路

由交流电动机M1拖动直流发电机G和励磁发电机GE组成主拖动机组，其控制电路如图6（c）所示。

其中33区中的按钮SB2为交流电动机M1的启动按钮；按钮SN1为交流电动机M1的停止按钮。

当需要主拖动电动机M1拖动直流发电机G和励磁发电机GE工作时，按下33区中的主拖动交流电动机M1的启动按钮SB2，33区中的接触器KM1线圈、35区中的时间继电器KT2线圈、36区中的接触器KMY线圈通电吸合，主拖动交流电动机M1的定子绕组接成Y接法降压启动，被拖动的直流励磁发电机CE利用剩磁开始发电。

接触器KM2通电闭合自琐，其在20区中的主触点闭合，接通交流电动机M2、M3的电源，交流电动机M2、M3分别拖动电机放大机AG和通风机工作。

同时接触器KM△通点闭合。

此时接触器KM1和接触器KM△的主触点将交流电动机M1的定子绕组接成△接法全压运行，交流电动机M1拖动发电机G和励磁发电机GE全速运行，完成主拖动机组的启动控制过程。

4.3.2横梁控制电路

在图6（d）中，50区总共的按钮SB6为横梁上升启动按钮；51区中的按钮SB7为横梁下降启动按钮；53区中的行程开关ST7为横梁上升的上限位行程保护行程开关；55区中的行程开关ST8和ST9为横梁下降的下限位保护行程开关；52区和59区中的行程开关ST10为横梁放松及上升和下降动作行程开关。

横梁的上升控制。

当需要横梁上升时，按下50区中的横梁上升启动按钮SB6，中间继电器K2线圈通电闭合，接触器K