仿真龙门刨床的变频调速改造的设计.doc

1、仿真龙门刨床的变频调速改造的设计第 1 页 共 40 页【摘 要】B2010A 型龙门刨床是一种多用途机床，其电气线路既典型又有一定的难度，电气故障检修还是高级维修电工必须掌握的内容之一。实际龙门刨床床不仅成本高，而且难于移动。为此，本论文就设计了龙门刨床变频调速改造系统，此设计突破了教具平面化的模式，具有电气控制结构简单、性能可靠、器件标准化、通用性好、操作灵活、维修方便等优点。另外还加上了运用 PLC 来控制龙门刨床主拖动系统。【关键词】：电机调速、变频器、PLC、调速控制。常州工学院毕业设计论文第 2 页 共 40 页绪 论电气控制系统在现代技术中起着重要的神经中枢作用，在设计电气控制系

2、统的时候，应根据设备的控制特点和工艺流程选择合适的控制方案，随着 PLC 控制技术日益成熟并得到越来越广泛的应用。利用原有的继电器接触器控制电路设计 PLC 控制系统，或直接进行 PLC控制系统的设计，一般都满足控制要求。自从 60 年代末美国首先研制和使用可编程控制器之后，到 80 年代初，PLC 的应用已在工业控制领域中占据主导地位，进入 90 年代后，工业控制领域几乎完全被 PLC 占领。国外专家预言，PLC 技术将在工业自动化的三大支柱（PLC、机器人和 CAD/CAM）中跃居首位。PLC 的最大特点是控制过程以程序方式存放在存储器内，只要修改存储器中的程序就得改变生产工艺的控制过程，

3、而不需要对硬件连线作多大的改变。我国从 1974 年开始研制可编程控制器，1977 年应用于工业。如今可编程控制器已经大量应用在引进设备和国产设备中，我国不少厂家引进或研制了一批可编程控制器，各行各业也涌现出大批应用可编程控制器改造设备的成果，电气行业生产的设备越来越多地采用可编程控制器作为控制装置。本文亦是运用 PLC 实现了对机床的控制，并配合变频技术进行本次设计。仿真龙门刨床的变频调速改造的设计第 3 页 共 40 页常州工学院毕业设计论文第 4 页 共 40 页第一章 龙门刨床的工作原理1.1 龙门刨床控制系统的组成龙门刨床的电气控制系统的组成主要包括工作台的拖动控制系统和进给机构的逻

4、辑自动控制两大部分（如图 1-1，1-2 所示） 。目前，国内龙门刨床主要采用的主传动系统有两种：一种是电机扩大机发动机电动机组（AG-G-M）系统;第二种是改型的晶闸管电动机组（V-M）,这两种系统的逻辑控制普遍采用继电器控制，故障率高，低速时损耗大，功率因素低，且对电网和机械的冲击很大，维修麻烦。随着变频技术的高速发展和可编程控制器（PLC）的不断更新，结合起来可以为龙门刨床提供一种更好的控制系统。用这种系统控制的龙门刨床不仅克服了以上其它控制系统的各个缺点，还大大提高了控制精度和加工质量，更主要是节约了大量能源。组成一个基本的控制系统，必须由控制对象（受控对象） ，简称“对象”和控制装置

5、两大部分组成，而一个基本的控制装置一般由检测器（反馈传感器） 、给定器、控制器（包括放大器）和执行器四个环节组成，如图 1-1 所示。为 AG-G-M 系统，由图 1-2 可见。是由电压反馈、电流正前馈、电流截止负前馈及电压微分负反馈稳定环节所组成的双闭环扰动补偿的复合控制系统。负反馈（双闭环）是按偏差控制原则，前馈（双开环）是按扰动补偿控制原则。仿真龙门刨床的变频调速改造的设计第 5 页 共 40 页图 1-1 自控系统基本组成常州工学院毕业设计论文第 6 页 共 40 页图 1-2 主拖动控制原理图仿真龙门刨床的变频调速改造的设计第 7 页 共 40 页1.2 龙门刨床的基本原理龙门刨床作

6、为机械工业中的主要工作机床之一，在工业生产占有重要的地位。其运动方式较多，结构复杂，拖动电路电机较多，控制复杂，维护、检修困难。在实际中，龙门刨床的电路一直被作为考核技师的难题之一。随着工业自动化的发展，变频器、PLC 在工厂设备改造中的广泛使用，对龙门刨床进行改造，已越来越普遍。1.2.1 龙门刨床主拖动系统的运动特点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

7、个周期中，对速度的控制有一定要求，如图所示。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。常州工学院毕业设计论文第 8 页 共 40 页1.2.2 对电动机机械特性的要求为充分利用电动机的容量，同时满足负载电

8、动机的要求，龙门刨床主拖动电动机运行时的机械特性应与负载机械特性配合，即电动机机械特性应靠近并位于负载机械特性之上。1.2.3 变频器调速机械的特性从电动机调速理论可知，若采用变频调速，在频率低于额定频率时，电动机调速具有恒转矩输出特性，而在高于额定频率区，电动机电压不能升高，具有恒功率的输出特性。比较可知，采用变频调速时，电动机的机械特性曲线刚好与刨台的运动所对应的特性曲线相符。因此，适于采用变频调速对龙门刨床的主运动系统进行改造，并使电动机的工作频率适当提高至额定频率以上。由于龙门刨床的传动机构从速度为 45r/min 分为两档，故电动机的机械特性也以 45r/min分成曲线相似的两段。如

9、图 1-4 所示。1.2.4 机械结构及控制要求用于实现刨台往返控制的六个行程开关仍如原来所示安装，工作台侧面的燕尾槽安装四个撞块。依靠四个撞块相应的行程开关实现工作台的自动工作。前进撞块 A、B，后退撞块 C、D分布在行程开关两侧。图 1-5 所示为各行程开关的零位状态。仿真龙门刨床的变频调速改造的设计第 9 页 共 40 页图 1-4 工作台行程开关零位状态运动控制过程：工作台前进时，撞块 A 撞击 SQ3，B 撞击 SQ5，经过一段越位后，刨台后退。后退时，撞块 B 使 SQ5 复位，撞块 A 使 SQ3 复位。后退末了，工件退出刀具后，撞块 C 撞击SQ4 使电机减速，D 撞击 SQ6

10、 使电机换向，经过一段越位后，刨台从后退换成前进。刨台即按此方式循环工作。SQ2、SQ1 分别起前进、后退的限位保护。为简化控制电路，减少对龙门刨床的日常维护工作量，可采用 PLC 作为控制元件与变频器结合实现刨床的自动化控制的改造。1.3 龙门刨床的调整试车机床电器全部安装、检查完毕，必须经过正确仔细的试车测试调整，才能正式投入生产。电气调试工作，必须有机械操作人员配合。1.3.1 试车前的准备（1）仪器、仪表准备。（2）电气控制设备的安全处理。1.3.2 控制电器动作检查（1）交流控制回路电器动作检查。（2）直流控制电路电器动作检查。（3）故障停车检查。1.3.3 横梁升、降控制实验与调整

11、（1）加紧电动机旋转方向试验。（2）加紧程度调整。（3）升降试验。1.3.4 刨台控制系统的调试将机械变速箱调速手柄置于高速档（990mmin） ，启动机组，按压前进按钮，使刨台自动循环运行。逐步调整各级参数，使刨台达到最高速。（1）直流给定控制电路参数调整。（2）刨台高速档及低速档的调整。（3）停车制动试验。（4）系统稳定性试验。（5）步进、步退速度调整。（6）磨削速度及稳定性调试。常州工学院毕业设计论文第 10 页 共 40 页1.3.5 刨台控制系统各环节的试验与调整（1）电机放大机 AG 的试验与调整。1）转向检验2）极性检验3）补偿程度调整（2）发电机 G 的试验（极性） 。（3）电

12、压负反馈性试验与参数。1）反馈极性测试2）反馈系数调整（4）电压微分负反馈稳定环节极性及参数的测试。1）极性测试2）参数调整（5）直流电动机的运转。（6）电流正前馈补偿环节极性、参数测试与调整。（7）电流截止负前馈保护环节的极性测试与参数调整。1.3.6 龙门刨床的综合试验（1）空载运行试验（2）负载运行试验仿真龙门刨床的变频调速改造的设计第 11 页 共 40 页常州工学院毕业设计论文第 12 页 共 40 页第二章 龙门刨床变频控制的设计2.1 控制图PLCM1 M2 M4M3 M7M6M5变 频 器AC:20V 控 制 信 号 输 入 端电 源 输 入 端控 制 图B反 馈 控 制 线注

13、释：M1：刨台拖动电机M2：横梁传动电机M3：右侧刀架电机M4：左侧刀架电机M5：横梁刀架传动电机M6：滑润泵电机M7：横梁夹紧电机B：光电编码器此外，还必须具有必要的过载，连锁保护环节。仿真龙门刨床的变频调速改造的设计第 13 页 共 40 页2.2 PLC 的选型PLC 是可编程逻辑控制器，是 Program Logic Controler 的缩写,是一种数字运算的电子系统，转为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在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，并通过数字式、模拟式的输人和输出。控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关设备，都是按易与

14、工业控制器系统联成一体、易于扩充功能的原则设计。PLC 是一种以微处理技术为基础，将控制处理规则存储于存储器中，应用于以控制开关量为主或包括控制参量在内的逻辑控制、机电运动控制或过程控制等工业控制领域的新型工业控制装。PLC 的特点：1. 可靠性高，抗干扰能力强 2. 通用性强，控制程序可变，使用方便 3. 功能强，适应面广4. 编程简单，容易掌握 5. 减少了控制系统的设计及施工的工作量 6. 体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC 的型号繁多，各种型号的 PLC 功能不尽相同，但目前的 PLC 一般都就有下列功能：1.条件控制2.定时控制3.计数控制4.步进控制5.数据处理6.通信和联网7

15、.对控制系统的监控PLC 的基本结构：结构图 编 程 器 中 央 处 理 单 元 （ CPU） 输入电路 输出电路 系 统 程 序 储 存 器 用 户 程 序 储 存 器 电 源 图 3-1 PLC 的简化框图FX2n 系列是 FX 系列 PLC 家族中最先进的系列。由于 FX2n 系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。常州工学院毕业设计论文第 14 页 共 40 页FX2N 系列小型,高速,高性能,是 FX 系列中最先进的超级微型 PLC.

16、控制规模: 16256 点（基本单元：16/32/48/64/80/128 点） 特点： 1、集成型&高性能 CPU.电源.输入.输出三为一体 2、高速运算 基本指令：0.08s/指令 应用指令：1.52数 100s/指令 3、安心、宽裕的存储器规格 内置 8000 步 RAM 存储器 安装存储盒后，最大可以扩展到 16000 步 4、丰富的软元件范围 辅助继电器：3072 点，定时器：256 点，计数器：235 点 数据寄存器：8000点仿真龙门刨床的变频调速改造的设计第 15 页 共 40 页常州工学院毕业设计论文第 16 页 共 40 页第三章 变频器的选择3.1 变频调速技术变频调速技

17、术是一种以改变电机频率和改变电压来达到电机调速目的的技术。大家都知道，目前，无论哪种机械调速，都是通过电机来实现的。从大范围来分，电机有直流电机和交流电机。过去的调速，多数用直流电机，由于直流机调速容易实现。但直流机固有的缺点：滑环和碳刷要经常拆换，给人们带来太大的麻烦。因此有人就想，如果把可靠简单的笼式交流电机用来调速那该多好！因而就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速、液力偶和调速等交流调速方式。当然也出现了滑差电机、绕线式电机、同步机、这些都是交流电机。到 20 世纪 80 年代，由于电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，才出现了对交流机来说最好的变频调速技术

18、，它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式，乃至直流电机调速，而成为电气传动的中枢。因而说变频调速是时代的产物，只有在技术高度发展的今天，才能实现。为什么说它是基于电力电子、微电子、信息技术发展的产物？一是它的逆变部分都基于电流很大、电压很高的 SCR、GTR、IGBT、GTO、MCT 等电力电子器件来完成的。什么叫逆变：就是直流变交流（DCAC）那么交流变直流就叫整流（ACDC） 。二是它的控制部分和负载状态的检测是由 CPU（32 位计算机）来完成，这是微电子器件发展的结果。三是内置 420mA 接口和 RS485 接口可以和仪表、DCS 相接，通过总线Profibus、Int

19、erbus 通讯。3.2 变频器的工作原理如图 3-1 所示图 3-1 变频器的工作原理图仿真龙门刨床的变频调速改造的设计第 17 页 共 40 页3.3 变频调速系统的配置（1）工作台主拖动 用变频器驱动一台交流异步电动机，代替 AG-G-M 系统中的机组，实现多段速调速。（2）电气控制部分 采用 PLC 可编程无触点控制，控制功能强，速度快，接点数量小。工作台的减速、换向控制采用高可靠电子组合形成开关，带记忆功能。无机械磨损，寿命是机械组合开关地倍，故障率是机械性电子组合开关的 1/1003.4 变频器的分类从变频调速的控制方式可知，实现异常电机的变频器调速需要一个具有电压，频率均可调节的

20、变频装置，其功能是将电网的恒压，恒频交流带内变换为变压变频（即 VVVF）交流电，对交流电动机实现无级调速，这种装置就称为 VVVF 装置。早期使用的旋转变频机组的 VVVF装置已被淘汰，现在广泛应用是静止的电力电子变频装置，静止变频装置有交一交变频器和交-直-交变频器两大类。交-交变频器直接将电网交流电变为可调频调压的交流电输出，没有明显的中间滤波环节，故又称为直接变频器，而交-直-交变频器则先将电网交流电经整流器转换为直流电，经中间滤液环节后再经逆变器变换为调频调压的交流电，故称为间接变频器。交-直-交电压型变频器的主电路结构形式如图 3-3 所示常州工学院毕业设计论文第 18 页 共 4

21、0 页二 极 管整 流 可 控整 流 逆 变 二 极 管整 流 斩 波器 逆 变 PWM逆 变 器 调 压 调 压 调 压 AC AC AC AC AC AC DC DC DC DC 调 压 调 频 图 3-3 主电路结构形式图在变频调速时，需要同时调节变频器的输出电压和频率，以保证电机主磁通的恒定。对变频器输出电压的调节主要有两种方式，即脉冲幅度调制（PAM）方式和脉冲宽度调制（PMV）方式。PAM 方式是通过改变直流电压的幅值进行调节的方式，逆变器只负责调节输出频率，由相控晶闸管整流器，或直流斩波器通过调节直流电压 Vd 来实现变频器输出电压的调节图 a、b 所示：PWM 方式变频器中的整

22、流器采用不可控二极管整流电路，变频器的输出电压和输出频率的调节均由逆变器按 PWM 方式来完成。常见的 PWM 方式通过变频器的主电路结构如图所示。常见晶闸管交一直一交变频存在以下列：其主电路需要两套可控的晶闸管变流器，可控开关器件较多，控制线路复杂，装置庞大：由于电压的控制是采用晶闸管相控整流电路，升控时会电网功率因素恶化，影响供电质量，由于逆变器输出的是阶梯波电压（或电流） 。使负载电机中存在较大的低次谐波电流，从而产生较大的脉动转矩，影响电机的稳定工作，低速时尤为严重：由于中间滤液环节有滤波电容或电抗器等大惯性元件，使变频器的动态响应缓慢。随着现代电力电子器件和微电子的发展。中小容量变频

23、器已广泛采用了 PWM 型交一直一交变频器。PWM 变频器的主电路采用不可控二极管整流器和 PWM 型逆变器，可控开关器件较少，由控制电路按一定规律控制逆变器中开关期间的高频率通断，逆变器的输出端可获得一系列仿真龙门刨床的变频调速改造的设计第 19 页 共 40 页的等幅，而不等宽的矩形脉冲波，用这种波来近似等效正弦交流电压波形，就基本解决了阶梯 PAM 变频器中存在的脉冲为近代交流调速系统开辟了新的发展领域。3.5 变频器的使用主回路接线图如 3-4 所示：图 3-4 主回路接线图常州工学院毕业设计论文第 20 页 共 40 页三相电源 L1、L2、L3 分别接 R、S、T，可以不区分相序。

24、单相电源 L、N 分别接L1、N。U、V、W 只能接负载电动机，绝不能接电源。本文使用的单相电源 L、N 分别接 L1、N。单相 220V 电源输入接地图如图 3-5 所示：仿真龙门刨床的变频调速改造的设计第 21 页 共 40 页1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 25-Dec-2006 Sheet of File: C:Program FilesDesign Explorer 99 SEExamplesxc1.ddbDrawn By:LNUVWIM1NFB MC图 3-5 单相 220V 电源输入接地图3.6 控制

25、端的接线本次毕业设计中只需接正、反转控制，多段速控制，其它控制端不用。将上述各控制端分别与 PLC 各输出点相连就可以由 PLC 实现各种速度的控制。如图 3-6 所示图 3-6 控制端接线图3.7 多段速度设置多段速运行的接线：常州工学院毕业设计论文第 22 页 共 40 页图 3-7 多段速运行的接线例运行控制操作面板仿真龙门刨床的变频调速改造的设计第 23 页 共 40 页1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 25-Dec-2006 Sheet of File: C:Program FilesDesign Expl

26、orer 99 SEExamplesxc1.ddbDrawn By:MODE SETRUNSTOPRESETPUEXTRUNPUEXTRUN显 示 运 行 时 点 亮 /闪 灭 PU显 示 PU操 作 模 式 时 点 亮 监 视 用 3位 LED 表 示 频 率 、 参 数 序 号 等 EXT显 示 外 部 操 作 模 式 时 点 亮 设 定 用 旋 钮 变 更 频 率 、 参 数的 设 定 值 。 不 能 取 下 PU/EXT键 切 换 PU/外 部 操 作 模式 使 用 外 部 操 作 模 式（ 用 另 外 连 接 的 频 率设 定 旋 钮 和 启 动 信 号运 行 ） 时 ， 请 按 下

27、 此键 ， 使 EXT显 示 变 为点 亮 的 状 态 。 （ 组 合 模式 用 Pr.79变 更 。 ） PU: P操 作 模 式 EXT: 外 部 操 作 模 式 RUN键 运 行 指 令 正 转 、 反 转用 （ Pr.17） 设 定 STOP/REST键 进 行 运 行 的 停 止 ， 报 警 的 复位 SET键 确 定 各 设 定 MODE键 切 换 设 定 模 式 图 3-8 运行控制操作面板常州工学院毕业设计论文第 24 页 共 40 页第四章 系统功能及工艺流程仿真龙门刨床的变频调速改造的设计第 25 页 共 40 页工作台自动循环动作与速度图 0 1 9 8 2 3 4 7

28、6 6 5 加 速 慢 速 切 入 启 动 制 动 减 速 快 速 前 进 快 速 后 退 慢 速 切 出 减 速 制 动 启 动 加 速 前 进 行 程 后 退 行 程 前 进 换 后 退 本人在这次毕业设计中，尝试用变频和 PLC 改造龙门刨床主拖动系统。用一部交流电动机来替代刨台电动机（即直流电动机）控制系统，从中可解决原主拖动系统运行方式多，结构复杂，拖动电路电机多，控制复杂，维护，检修困难等问题。4.1 设备硬件连接图常州工学院毕业设计论文第 26 页 共 40 页信 号 显 示 按 钮 盒 行 程 开 关 运 行 指 示 报 警 CN接 口 PLC可 编 程 控 制 器 VEF 变

29、 频 器 VF 4.2 设备软件程序编辑仿真龙门刨床的变频调速改造的设计第 27 页 共 40 页地址表表 4-1 PLC 输入输出地址表输出 输入功能 名称 地址 功能 名称 地址正转 STF Y1 启动 (前进) SB1 X1反转 STR Y2 停止 SB2 X2速度 1 RL Y3 反转（后退） SB4 X3速度 2 RM Y4 后退限位 SQ1 X4速度 3 RH Y5 前进限位 SQ2 X5行程开关 SQ3 X6行程开关 SQ4 X7行程开关 SQ5 X10 行程开关 SQ6 X11外部接线图常州工学院毕业设计论文第 28 页 共 40 页X1 Y4X2X3X4 Y5X5X6 COMX7X10 Y1X11 PLCY2 Y3COM COMSTRSTFRL变频器RMRHSDM13状态流程图仿真龙门刨床的变频调速改造的设计第 29 页 共 40 页S0S20S21S22S30S31S32S33S34加工前应先按下 SB3 刨台后退到限位开关 SQ1 进行开机前复位。常州工学院毕业设计论文第 30 页 共 40 页梯形图:第五章 结束语