1、柳州职业技术学院毕业设计（论文）题目： XQ2014 龙门铣床的数控改造 姓 名 欧益军 学 号 20120103167 专 业 机电一体化技术 班 级 （1）班 指导教师 梁云 完成时间 摘要本设计讲述了 XQ2014 龙门铣床电 气 控 制 线 路 的 工 作 原 理 ， 说明了用 PLC 改造的具体 方 法 ，从 而 可 以 提 高 整 个 电 气 控 制 系 统 的 工 作 性 能 。 铣 床 是 用 铣 刀 对 工 件 进 行 铣 削 加 工 的 机床。铣床除能铣削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较 刨 床高 ， 在 机 械 制 造 和 修 理 部 门
2、得 到 广 泛 应 用 。 最早的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。 1950 年以后，铣床在控制系统 方 面 发 展 很 快 ， 数 字 控 制 的 应 用 大大 提 高 了 铣 床 的 自 动 化 程 度 。 尤 其 是 70 年代以后，微处理机的数字控制系统和自动换刀系统在铣床上得到应用，扩大
3、了铣床的加工范围，提高了加工精度与效率。目录第一章 概述 .61.1 铣床的国内外研究状况和发展趋势 61.2 机床改造行业的产生和和发展 71.3 本文的主要工作 8第二章 龙门铣床电气技术改造方案 .92.1XQ2014 龙门铣床概述 92.1.1XQ2014 龙门铣床的构成及用途 .92.1.2XQ2014 龙门铣床的主要参数 .102.2XQ2.14 龙门铣床改造前的状况 .102.3XQ2014 龙门铣床技术改造方案及可行性论证 112.3.1 电气技术改造方案 .112.3.2 电气技术改造的相关技术 .112.3.3 选用数字直流伺服系统实现进给的控制 .132.3.4 选用 P
4、LC 实现机床所有动作的逻辑控制 .142.3.5 数显测量仪的使用 .14第三章 龙门铣床电气技术改造硬件设计 .163.1 硬件控制系统的总体结构 163.2 电气技术改造控制回路设计 173.2.1PLC 电源供电控制回路硬件设计 .173.2.2 交流电机控制回路硬件设计 .183.2.3 进给控制回路硬件设计 .203.3 主要电气部件硬件参数的选择 213.3.1 伺服电机、伺服驱动器和伺服变压器的选择 .213.3.2 导线的选择 .213.3.3 空气开关的选择 .243.3.4 交流接触器的选择 .253.3.5 熔断器的选择 .253.3.6 伺服驱动器给定电阻的计算 .2
5、63.4 PLC 硬件系统设计 .273.4.1 可编程控制器概述 .273.4.2 PLC 模块的选择 293.4.3 PLC 输入输出接口控制原理图的设计 293.5 PLC 控制系统硬件设计中的抗干扰措施 .30第四章龙门铣床电气技术改造软件设计与调试 .334.4 PLC 程序设计与分析 .334.4.1 PLC 系统设计 334.4.2 XA2130x100-4 龙门铣床电气改造 PLC 控制系统软件设计原理图 .344.4.3 横梁升降运动控制 .354.4.4 滑枕铣头主轴运动控制 .404.4.5 工作台运动控制 .454.4.6 铣头进给运动控制 .474.4.7 机床电气控
6、制保护 .524.4.8 伺服系统报警 .524.5PLC 控制程序的调试 534.5.1 调试的目的 .534.5.2 调试的过程 .534.5.3 调试运行的结果和性能评价 .54第五章结束语 .54第一章 概述1.1 铣床的国内外研究状况和发展趋势铣床可以用来加工平面、斜面、沟槽，装上分度头可以铣切直齿齿轮和螺旋面，装上圆工作台还可以铣切凸轮和弧形槽。所以铣床在金属切削机床中占有很大的比重，使用数量仅次于车床。PLC 是以计算机技术为技术核心的通用自动控制装置，在各行各业中得到了广泛的应用。它是将逻辑运算，顺序控制，时序和计数以及算数运算等控制程序，用一串指令的形式存放到存储器中，然后根
7、据存储的控制内容，经过模拟，数字等输入输出部件，对生产设备和生产过程进行控制的装置。 在电气控制系统中，故障的查找于排除是非常困难的，特别是在继电器接触式控制系统，由于定期开展线路触点多、线路复杂、故障率高、检修周期长，给生产与维护带来诸多不便，严重地影响生产。而 PLC 控制系统无论是硬件还是软件，控制稳定可靠，具有极高的可靠性与灵活性，更容易维修，更能适应经常变动的工艺条件。 随着社会的进步，制造业的发展越来越迅速，各种先进的电气控制元件普遍运用于各类制造工业。而在对主要生产的各类轴承的企业来说更是对产品的精度要求严格，特别是在近年来风电行业的迅速发展，风电轴承的市场需求量越来越大，各个风
8、电轴承制造企业更是竞争激烈，以质量求发展，以精度求生存的道理风靡全球！现代制造行业的发展，对铣床有了更多更高的要求、实现更快更有效的生产。为增加铣床加工适应性和精确性制造，为了使铣床控制稳定与可靠，具有极高的可靠性和灵活性，更容易检修，更能适应经常变动的工艺条件，取得较好的经济效益，而做出对机床主轴电机驱动部分及控制系统的改造设计。1.2 机床改造行业的产生和和发展1.我国现有的陈旧落后的机床是机床大修与数控化改造行业产生的基础。我国是一个发展中国家，近二十多年来，我们在艰难的发展民族机床制造业的同时，积极的引进了世界先进技术与设备。但是，机床长期运转甚至超负荷使用，同时又缺少认真的维修与保养
9、，造成机床严重磨损，丧失了精度；有些机床则由于企业人员及产品结构的改变，或由于技术力量不足而被长期闲置，需要使用时才发现早已锈迹斑斑，电控系统不能启动；由于新产品制造的需要，原有机床性能已不能满足使用要求，急需更新升级改造；由于世界计算机及网络技术的飞速发展，造成数控系统、驱动系统厂的产品更新加快，原有产品过早停产，给备件更换与维修带来一定的困难；况且数控系统的使用寿命一般在 5 到 10 年，而我国大多数机床都在超期服役。这些诸多因素都需要对机床进行大修及数控化升级改造。2.显著的经济效益是机床大修及数控化改造行业的发展动力。对于机床拥有者来说，只需花费购买相同新机床 30%以下的费用即可获
10、得相同的使用效果。根据国际该行业的记载，即使将原机床的结构性能进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床 60%左右的价格。对于机床大修改造业内公司来说，这不仅为他们的服务企业产生巨大社会经济效益，而且也是他们自身生存和发展的根本动力。3.机床大修及数控化改造的优势是该行业生存与发展的有力条件。旧机床的大修，翻新，升级改造与购买新机床相比，具有以下优势：1）交货期短。尤其是大型机床和特殊专用机床优势更加明显。2）性能更稳定。各基础经长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度；各功能部件经长期磨合，功能稳定性可靠性好。3）设计风险小。新机床设计中带来的技术、方案风险在大修改造中几乎不存在。4）可以更充
11、分的提现用户的意愿。用户与维修人员可以依照实际需要和机床长期使用情况，在大修改造中提出对机床性能、操作与维修方面的改进（包括增、改）意见，有权选择机械零部件、数控系统等电气设备的规格、型号、性能等。5）更有利于使用与维护。由于用户、维修人员不仅可以直接参与改造方案的制定，而且可以参与改造的全过程，可以直接获取各种技术信息，更深入的掌握机床的结构及性能特点，从而增强使用与维修的主动能力。6）可以更快的获取更新的更实用的备件。7)节省大量投资。8)降低投资风险。国外机床的改造与翻新是近期发展起来的一个新兴产业，在先进国家已经形成了一定的市场规模。而在我国，这一产业才刚刚兴起，按照应具备的条件衡量还
12、相距甚远。但是业内有识之士正在努力塑造自己、完善自己，相信在不久的未来，一批设备一定条件和一定规模的机床改造、翻新的专业化企业会成长起来。1.3 本文的主要工作通过对 XQ2014 龙门铣床目前的使用情况和存在的问题进行分析，提出完整的电气控制系统改造方案并完成电气系统的硬件设计和 PLC 程序的编制与调试。全文一共分为五章。第一章是绪论，主要介绍了课题的研究背景和机床技术改造行业的产生和发展。第二章是 XQ2014 龙门铣床电气技术改造的方案，简单的介绍电气技术改造方案及方案的可行性论证。在第三章中，介绍了 XQ2014 龙门铣床电气技术改造硬件设计，详细描述了 XQ2014 龙门铣床的电气
13、技术改造方案中电气系统的组成、电气控制原理图的设计和主要电气部件参数的选择。第四章介绍了 PLC 控制系统的软件设计与调试，详细描述了用可控编程控制器进行控制系统的设计，按照模块化的编程思路编制了液压控制、横梁升降控制、工作台移动控制、滑枕铣头主轴控制、溜板进给控制、滑枕铣头进给控制、排屑机/冷却泵控制和报警处理等 PLC 控制系统功能模块并调试成功。第五章是结束语，介绍了通过这次龙门铣床的电气控制系统的改造设计，对机床的数控化改造与 PLC 的应用体会。第二章 龙门铣床电气技术改造方案2.1XQ2014 龙门铣床概述2.1.1XQ2014 龙门铣床的构成及用途XQ2014 龙门铣床结构特点如
14、同 2.1图 2.1XQ2014 龙门铣床机床结构图XQ2014 龙门铣床包括有床身、架设在该床身上的工作台及数控电路控制系统。XQ2014 龙门铣床床身上装设有 X 轴导轨，龙门铣床工作台跨越紧固在该床身上。工作台上方活动跨越架设有龙门架，龙门架还包括有：龙门架拖板，龙门架拖板活动夹持于该 X 轴导轨上。Z 轴导轨装设于龙门架上。横梁，该横梁装设有一 Z 轴拖板，横梁通过该 Z 轴拖板而活动夹持于该 Z 轴导轨上，横梁上还装设有 Y 轴导轨。铣削装置，龙门铣床铣削装置活动装设于该 Y 轴导轨上， X、Y、Z 三轴的立体空间铣削加工。该龙门铣床具有高精度的铣、钻、镗、削等操作。性能特点;具有足
15、够的刚性，效率高，操作方便，结构简单，性能全面等特点。龙门铣床适用于各种机械上的大中型黑色金属或有色金属零件的水平平面、垂直平面或斜面沟槽的铣削，铣镗头，还可以进行镗孔和钻孔以及根据用户需要的各类改进，同时承接各类加工与制造。2.1.2XQ2014 龙门铣床的主要参数工作台台面尺寸（毫米） 4000*1400工作台驱动电机功率（千瓦） 5.5工作台进给速度（毫米/分） （无级） 80-1100工作台快速行程速度（毫米/分） 2000 “T”型槽个数 7两立柱间的距离（毫米） 1700两立柱间的距离（毫米） 570铣头转速范围（转/分）6 级（或 2 级变频） 70-400铣头套筒移动量（毫米）
16、 150垂直铣头个数 1垂直铣头电机功率（千瓦） 7.5垂直铣头主轴端面至工作台面距离（毫米） 200-1200垂直铣头主轴中心线间距离（毫米）370-2300 侧铣头主轴端面间距离（毫米） 1350-1650侧铣头主轴中心线至工作台面距离（毫米） 50-950推荐刀盘直径（毫米） 160精度平面度（毫米/米） 0.03精度粗糙度（Ra） 3.2最大加工尺寸（毫米）3700*1400*1100工作台最大承重量（公斤） 10000机床电机总功率（千瓦） 43.5机床外形尺寸（毫米） 11200*4500*3800机床总重量（公斤） 420002.2XQ2.14 龙门铣床改造前的状况XQ2014
17、龙门铣床投入使用至今，机械性能部分性能较为完好，基本保持在几何精度误差以内，但机床的电气控制部分已经严重老化，性能降低，故障率升高，经常造成停机，严重的妨碍了生产的进行。XQ2014 目前采用的直流调速系统是我国 70 年代技术的驱动器。这种直流调速装置是一个三相可控半控桥双闭环不可逆系统，由电源、速度给定位器、速度调节器、电流调节器、放大器、移相触发器、可控硅三相半控桥整流回路和测速反馈发电机等部分构成。电机的正反转靠直流侧的接触器控制。速度调节器和电流调节器各一只，靠运算放大器实现，电流调节器的输出放大器由三极管组成，移向触发器环节是由三极管构成的正弦波移向触发器。这套控制系统设计调速比为
18、 1:100，目前实际测量稳定运行的调速范围低于 1:10，并且经常发生爬行和震荡现象。XQ2014 龙门铣床改造前的机床控制回路采用的是继电器和接触器控制逻辑，共使用了近 200 个继电器，因此造成了控制线路庞杂、故障点多、维修困难和停机时间长等缺点。2.3XQ2014 龙门铣床技术改造方案及可行性论证2.3.1 电气技术改造方案针对 XQ2014 龙门铣床发生的上诉问题，经过多种方案比较，决定将龙门铣床的直流调速系统变换为数字直流伺服控制系统（欧陆 6RA70） ，保留原来的主轴交流电机驱动、交流电磁阀、交流电磁离合器等。机床所有被控部件的控制均采用可控编程控制器（PLC）取代原有的继电器
19、控制(选用德国西门子的 S200 系列产品)。增加数显测量仪系统。2.3.2 电气技术改造的相关技术2.3.2.1 伺服控制伺服系统是以机械运动的驱动设备、电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调、与放大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架等，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的的工件。伺服系统主要由三
20、部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机上，调节电动机的转矩大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象，产生机床切削进给运动。为此，要求进给伺服能快速调节坐标轴的运动速度，并能精确的进行位置控制，具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。根据系统使用的电机，进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服及支线伺服。主轴
21、伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只需完成主轴调速及正反转功能。但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相应的位置控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩及恒功率段，有准停控制，主轴与进给联动。与进给伺服一样，主轴伺服经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动。随着微处理器技术和大功率晶体管技术的发展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。作为数控系统的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服控制驱动技术。可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络
22、接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴将成为数控机床行业的关注的热点，并成为伺服系统的发展方向。数控机床的最高运动速度、跟踪及定位精度、加工表面质量、生产率及工作可靠性等技术指标，主要由伺服系统的动态和静态性能决定，数控机床的故障也主要出现在伺服系统上，因此，是否选择高性能和高可靠性的伺服系统对机床改造的成败也起关键作用。由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对伺服系统的要求也不同，针对这种情况，要求选择伺服系统时应遵循如下的选择原则：（1）伺服系统能实现正反灵活运行。（2）伺服系统要具有较宽的调速范围。（3）伺服系统要具有足够的传动刚性和高的速度稳定性。2.3.2.2 直流伺服电动
23、机工作原理直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一点。直流伺服电动机的工作原理也跟直流电动机相同。供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。直流伺服电机2.3.3 选用数字直流伺服系统实现进给的控制伺服系统本质上是一种随动系统，就是在自动控制系统中，使输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化。它是伴随着控制论、微电子和电子电力等技术的应用而发展起来，最早出现在 20 世纪初，到 20 世界中期，伺服系统的理论与实践趋于成熟，并得到广泛应用。近几十年来，新技术革命，特别是微电子技术与计算机技术的飞速进步，使伺服系统如虎添翼的飞速发展，其应
24、用几乎遍及社会的各个领域。用直流伺服电机作为执行元件的伺服系统，叫直流伺服系统。近年来随着电子技术的发展以及应用技术的进步，单片机的高速发展，外围电路元件专用集成件不断出现，使得直流伺服电机控制技术有了显著的进步。由于上诉技术领域的发展，可以很容易的构成高精度、快速响应的稳定的直流伺服系统。直流伺服系统稳定性好。稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的状态或者恢复到原有的平衡状态的特性。伺服系统的精度是指输出量跟随输入量的精确程度，这样的跟随误差一般要求二阶无误差。快速响应是伺服系统动态品质的标志之一及跟踪指令信号的响应快。直流伺服系统的主要特点1）以精确的检测装
25、置组成速度和位置的闭环控制。2）有多种反馈比较原理与方法。根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不同。3）直流伺服系统的调整采用了数字化菜单形式，给系统的调整带来了极大的方便。模拟系统的调整是通过改变电路板上的电阻电容的值来改变系统控制参数的，调整过程复杂繁琐，不直观。而数字系统的调整时通过改变系统参数实现的。比如：要改变 PID 参数中的积分时间常数，模拟系统是通过改变电阻电容值使 RC 常数改变；数字系统是直接通过改变以秒为单位的数值来实现 RC 常数的改变，既直观又方便。更重要的一点是数字系统中已经根据大多数现场情况设定好了各种参数，如无特殊需要，只要把电机铭牌数据
26、录入，其他参数无需修改，大大缩短了调试周期。2.3.4 选用 PLC 实现机床所有动作的逻辑控制选用 PLC 实现机床所有动作的逻辑控制。可很好的解决机床控制线路复杂，故障多，维修困难的问题。PLC 是专门为取代继电器逻辑控制而设计制造的产品，目前已经大量应用于各种控制场合，具有高抗干扰性、编程简单、编程符合继电器控制的习惯、利用编程器可进行在线调试和诊断等优点。利用 PLC 将原来的继电器控制逻辑的硬件部分去掉，由软件代替，从而简化了控制线路，使电路变得简洁，可以根据方案情况很方便的进行修改。当机床出现故障时，可利用编程器迅速的检查故障原因。2.3.5 数显测量仪的使用数显测量仪装置是一种高
27、精度、高效率的数字显示位移测量仪器，由于它具有精度高、读数直观、抗干扰能力强、对环境要求低及有数字信息输出等优点，所以被广泛用于机械加工的位移检测、工件尺寸测量和数控机床的位置反馈，以及其他精度测量。实践证明，机床加装了数显测量仪装置，能保证尺寸精度，减少劳动强度，实现动态测量，提高劳动生产率，特别是对老机床的更新改造提供了新的途径。由于数显测量仪可直接测量机床移动部分和固定部分的相对位移，故可忽略机床机械传动中出现的累计误差，提高加工精度；它可实现边加工边测量，提高加工效率。此次电气系统改造中所选用的数显测量仪的分辨率为 0.01mm。2.3.5.1 数显测量仪的分类数显测量仪按照检测原理分
28、为：光栅数显、磁栅数显、容栅数显、球栅数显、光带数显和感应同步数显测量仪等 6 种类型。数显测量仪安装方式分为：直线型和滚动型。直线型数显测量仪可以采用上述 6 中类型中的任意一种原理制造，但当测量距离超过 2 米时其价格迅速上升，除特殊要求外，长距离检测一般采用滚动型数显测量仪。滚动型数显测量仪只有光栅数显测量仪和感应同步数显测量仪两种。本设备由于最大检测距离为 10 米，故采用光栅滚动数显测量仪。2.3.5.2 数显测量仪的工作原理数显测量仪的工作原理见图 2.3图 2.3 数显测量仪的工作原理读数头安装在机床的运动部件上，数显表安装在机床悬挂箱上。动片和定片上刻有很细的条纹。当滚轮沿机床
29、导轨滚动时，带动动片同时转动，在光电接收器上就可以接收到明暗相间的干涉条纹，经整形放大后形成相位相差 90 度的 A、B 脉冲串，经过译码，将 A、B 脉冲换成与位移量相对应的数字，供操作人员观看。数显测量仪装置是一套独立系统，属于机床附属设备。第三章 龙门铣床电气技术改造硬件设计3.1 硬件控制系统的总体结构在 XQ2014 龙门铣床的电气系统改造中，保留了原来的滑枕铣头、左侧铣头、右侧铣头的主轴交流电机驱动，左侧铣头和右侧铣头主轴的变速采用手动方式，滑枕铣头主轴的变速是通过变速装置来实现的。机床工作台、滑枕铣头、溜板、左侧铣头、右侧铣头的进给控制由 PLC 控制进给伺服驱动器驱动伺服电机实
30、现。在电气改造的过程中为了提高机床的精度，还为机床安装了数显测量仪。为了充分利用伺服驱动器的自动报警功能，便于机床故障的维修，在电气系统改造中还增加了故障报警显示功能。电气改造系统结构如图 3.13.2 电气技术改造控制回路设计根据电气控制改造系统结构，XQ2014 龙门铣床电气技术改造中控制回路设计主要包括：电源控制、交流电机控制盒工作台进给、滑枕铣头进给、溜板进给、右侧铣头进给和左侧机头进给等。电源系统向机床所有用电设备提供电力供应；机床液压系统的运行以及除进给之外的机床其他运动由交流电机实现，机床所有进给功能的实现由伺服驱动器驱动伺服电机完成。3.2.1PLC 电源供电控制回路硬件设计P
31、LC 电源供电控制回路见图 3.2图 3.2PLC 电源供电控制回路图由于交流电网中存在大量的谐波、高频干扰等，所以对交流电源供电的控制装置和电子电气设备，都应采取扼制来自交流电源干扰的措施。采用电源隔离变压器和低通滤波器，可以有效的抑制窜入交流电源中的噪声。因此，在 PLC 电源供电控制回路的硬件设计中增加了1:1 的隔离电压器和低通滤波器。对 PLC 的输入电路电源采用的是 24V 直流稳压供电，因为普通的整流滤波电源，由于波纹的影响，容易使 PLC 接受到错误信息。3.2.2 交流电机控制回路硬件设计除工作台、滑枕铣头、溜板、左侧洗头、右侧铣头的进给控制使用伺服电机外，其他如衡量升降电机
32、、铣头电机、液压泵电机、润滑电机等都使用的是机床改造前的三相交流电机。以右侧铣头电路举例：图 3.3在图 3.3 中，空气开关 QF13 主要用于电机过流和过载保护。交流接触器 KM15 和 KM16 实现电机的正反转控制。3.2.3 进给控制回路硬件设计XQ2014 龙门铣床的净额控制包括工作台进给、滑枕铣头进给、溜板进给、左侧洗头进给和右侧铣头进给，全部进给控制采用的是数字式直流伺服系统，使用的是欧陆 6RA70 直流驱动器，其位置控制、速度控制、力矩控制、这三种控制形式合为一体，可在运行中切换，并能根据输出的力矩和转速估算并自动降低干扰，抑制速度波动，使伺服电机运转更加平稳。图 3.4
33、工作台进给控制回路图在图 3.4 中，交流接触器 KM101 用于控制伺服驱动器的三相 200V 交流供电，伺服驱动器所需的 24V 直流电压，由直流稳压电源供电。工作台的快速、点动、进给三种工作状态由中间继电器 KA104, KA106 进行控制，中间继电器 KA102, KA103 控制伺服电机的正反转，伺服驱动器 VCMD 端的给定输入电压由 112V 直流稳压电源经过电阻分压确定。伺服电机的反馈控制采用的是增量型编码器。该伺服驱动器还具有装置自检和报警输出功能。3.3 主要电气部件硬件参数的选择3.3.1 伺服电机、伺服驱动器和伺服变压器的选择3.3.1.1 工作台进给伺服驱动器和伺服
34、电机的选择工作台进给伺服驱动器和电机的选择。原直流电机可产生的输出转矩:M=(9500 x P) / n (3.1)式中:M伺服电机额定输出转矩(Nm);P直流电机额定输出功率(kW);N直流电机额定转速(r/nim).原直流电机额定功率为 17kW，额定转速 1000r/nim，将此数据代入式(3.1)，得M=(9500 x P) / n=(9500x17)/1000=162.35Nm根据计算结果查生产厂家提供的电机数据，选择额定转矩为 170 Nm,额定转速为1000r/nim，额定电流为 79A 的伺服电机。伺服电机确定后，根据电机电流值和生产厂家提供的伺服驱动器产品数据，选择额定输出电
35、流为 100A 的伺服驱动器。由于伺服驱动器的电源电压为三相 200VAC，因此要用一台 380V/200V 的伺服变压器。根据伺服驱动器的额定输出电流 100A，计算其容量为P =200x100=20kVA考虑到留有一定的余量选择 25kVA 的伺服变压器。3.3.1.2 溜板、滑枕、左侧和右侧进给伺服驱动器和伺服电机的选择原直流电机的额定功率为 4kW，额定转速 1500 r/nim，原直流电机可产生的输出转矩计算如下:将原直流电机数据代入式(3.1)，得M=(9500 x P) / n 二(9500x4)/1500=25.33Nm根据计算结果查生产厂家提供的电机数据，选择额定转矩为 35
36、Nm,额定转速为1500rpm,额定电流为 28.8A 的伺服电机。伺服电机确定后，根据电机电流值和生产厂家提供的伺服驱动器产品数据，选择额定输出电流为 30A 的伺服驱动器。根据伺服驱动器的额定输出电流 30A，计算伺服变压器容量为P，UI =200x30=6kVA考虑到留有一定的余量选择 7.5kVA 的伺服变压器。3.3.2 导线的选择导线选择的原则:根据电流、环境温度和使用环境选择。取最高环境温度 t=400C,使用环境为空气中敷设，故选择塑料绝缘的铜导线。导线的截面积根据流过导线电流的大小计算选择。3.3.2.1 进线电源导线(即 L1/L2/L3 和 1 L1 /1 L2/1 L3
37、)的选择求总电流 I:I=P/U (3.2)式中 I 为用电设备的额定电流。由电气原理图得到各交流电机的额定电流分别为:1)横梁升降电机:38A;2)横梁液压泵电机:2.7A;3)左排屑电机:3.6A;4)右排屑电机:3.6A;5)高扬程冷却泵电机:2.6A;6)总液压站电机:4A;7)总液压润滑泵电机:1.2A;8)工作台夹紧泵电机:2.1A;9)静压多头泵一电机:1.2A;10)静压多头泵二电机:1.2A;11)左侧铣头电机:42.5A;12)右侧铣头电机:42.5A;13)滑枕铣头电机:56.8A;14)滑枕铣头点动和变速电机:1.12A;15)滑枕铣头液压电机:1.57A;16)滑枕铣
38、头润滑电机:0.63A;17)乃滑枕铣头平衡油缸电机:1.57A.各交流电机的额定电流和 I 为:I=38+2.7+3.6+3:6+2.6+4+1.2+2.1+1.2+1.2+42.5+42.5+56.8+1.12+1.57+0.63+1.57=206.89A 各轴伺服电机额定电流为:1)工作台进给伺服电机:79A;2)溜板、滑枕、左侧、右侧进给伺服电机:28.8A.各轴伺服电机额定电流和 Iz 为:Iz=79+28.8+28.8+28.8+28.8=194.2A各接触器吸引线圈所需电流按其操作电源变压器 TCl 的容量确定。TCl 一次侧额定电流乃为:Ib=PTCi /U，=1.5 x 10
39、3/380=3.95A同理电磁阀电源 TC2 所需总电流 Ia 为:La=PTCZ /U,=0.5x103 /380=1.32A稳压电源变压器 TC4 一次侧电流 Is 为Is=PTC4 /U, =1.4x103 /380=2.63A其它用电设备容量较小，电流忽略不计，因此总电流 I 为:I=I+Iz+Ib+La+Is =206.9+194.2+3.9+1.3+2.6=408.9A但由于所有用电设备不是同时使用，也不是同时达到其额定电流，因此，实际总电流 IS 为:IS=I x k =408.9x0.6=245.34A式中 k 一同时使用系数，取 k=0.6。根据钢铁企业电力设计参考资料的铜导
40、线。中所列数据(参见表 3.1)，选择截面积为 95mm。3.3.2.2 伺服单元主回路导线的选择因工作台伺服驱动器的额定电流为 100A，查表 3.1，选择截面积为 25mm 的铜导线。又因滑枕、溜板、左侧和右侧伺服驱动器的额定电流为 30A，查表 3.1，选择截面积为 4mm 的铜导线。3.3.2.3 三相交流电机导线的选择根据电气原理图可知三相交流电机的额定电流。M1(横梁升降电机)的额定电流 Ile=38A;M2o(左侧水平铣头电机)、Mao(右侧水平铣头电机)的额定电流 I2oe= I3oe =42.5A;Mai(滑枕铣头电机)的额定电流 I41e=56.8Ao查表 3.1, Ml、
41、M2o、Mao 选择截面积为 6mm2 的铜导线，Mat 选择截面积为 10mm2的铜导线。其它三相交流电机由于其额定电流均小于 10A，查表 3.1，都选择截面积为 lmm2的铜导线。r3.3.3 空气开关的选择3.3.3.1 电机保护型空气开关的选择电机保护型空气开关主要用于三相交流电机过流和过载保护。当电机发生过流或过载故障时，空气开关的主触点和辅助触点会自动断开，其主触点切断电机电源，辅助触点向 PLC 发出电机故障信号。选择原则:根据三相交流电机的额定电流和启动电流选择。电机的启动电流一般可达到其额定电流的 510 倍。根据上述要求，西门子公司的 3VU 和 3VF 系列空气开关的瞬
42、时过电流能力可达额定电流的 10 倍以上，过热电流值可有一定范围的调整，有关数据参见表 3.2。过热脱扣电流瞬时过流脱扣电流(A) 选择方法:(以 QFl 为例)空气开关 QFl 带的三相交流电机 M1(横梁升降电机)的额定功率 PE=18.5kW，额定电流 IE=38A，根据表 3.2，选择 3VF1413-1DG11-B3 型空气开关。同理，选择其它电机保护型空气开关的容量。3.3.3.2 一般用途空气开关的选择这种类型的空气开关主要用于用电设备和线路的过流和短路保护。选择原则:根据负载额定电流或计算电流选择。如:进线电源计算电流为 245A，查正泰集团电器产品总汇 ，总电源空气开关QF0
43、1 选择额定电流为 250A 的 DZX 10D-630 型空气开关。又如:工作台伺服变压器 TC5 的容量为 25kVA，其原边额定电流 1e 为1e=P /U, =25x103/380=65.79A查正泰集团电器产品总汇 ，工作台变压器电源空气开关 QF010 选择额定电流为80A 的 DZ47-100 型空气开关。同理，选择其它一般用途空气开关的容量。3.3.4 交流接触器的选择选择原则:根据负载额定电流选择。交流接触器主要用于交流用电设备的启动和停止控制，如三相交流电机的启动、停止、正反转控制等以 KM1 为例。KM1 控制的三相交流电机 M1(横梁升降电机)的额定功率 Pe=18.5
44、kW,额定电流 1e=38A，查西门子低压控制产品与系统手册，选择 3TF3500-OX 型交流接触器，其触点额定电流为 38A，吸引线圈电压为 110VAC。同理，选择其它交流接触器的容量。由于西门子 3TF 系列交流接触器最小容量为 9A，故所有小于 9A 的负载，都使用额定电流 9A的交流接触器。3.3.5 熔断器的选择选择原则:根据负载额定电流选择。熔断器主要用于交流或直流用电设备的过载或短路保护。以 24V 直流稳压电压 GS1 为例。GS1 直流输出电流为 10A，故熔断器 FU7 选择 10A容丝。GS1 直流侧的额定功率:P=UI =24x10=240W折算到交流侧，其电流为:
45、1=240/220=1.09A故交流侧选择 2A 的容丝。同理，选择其它熔断器的参数。所有熔断器都选用正泰集团公司的 RT 18 系列产品。3.3.6 伺服驱动器给定电阻的计算伺服驱动器要求给定输入电压为 0-1lOV，其对应的电机转速为 0-1Nmax，最大输入电流小于 l0mA，而选用的进给电源 GS2 的输出为 112V，因此要采用电阻分压回路。以工作台伺服驱动器为例进行计算。工作台伺服驱动器给定电阻计算示意图见图3.5。首先选择进给调速电位器 RP1 为 10k S2，根据电阻分压原理，串联一个阻值为 2k Q的电阻(R15)，保证电位器调到最大时，VCMD 端得到 110V 电压，而
46、输入电流为:1=U /R =12/(12x103)=1mA满足要求。当机床为快速移动时，要求电机转速达到最高转速，以满足快速移动的要求。根据上述结果，选择 R11=2k。 ，R12=lOk Q。当机床为点动移动时，要求电机转速较低，约为最高转速的 5%左右，即 VCMD 的输入电压为 0.5V 左右。取允许的输入电流为 1mA，所以R14=U/I =0. 5/ (1 X 10-3)=0. 5k。 ，R13=U /I =11. 5/ (1 X 10-3) =11. 5k。根据电阻标称值，选择 R14=0. 47k Q , R13=lOk Q。校验输入电流I=U /R =12/ (10+0.47)
47、 =1. 146mA满足设计要求。3.4 PLC 硬件系统设计3.4.1 可编程控制器概述3.4.1.1 可编程控制器产生与发展上世纪 20 年代，人们开始用导线将各种继电器、定时器、接触器及其出点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，以控制各种生产机械，这就是传统的继电器接触控制系统。由于它结构简单、容易掌握、价格便宜，能在一定范围内(特别是工作模式固定、工作方式简单的场合)满足自动控制的要求，因而使用面甚广。但随着生产的发展，控制要求越来越复杂，继电器的类型和数量不得不大量增加，电器之间的连接也变得非常复杂。因此，为了满足现代生产的要求，人们自然对控制系统提出了更可靠、更经济、更通用、更灵
48、活、易维护等要求。可编程控制器从无到有，广泛应用于工业控制，实现了工业控制领域的控制从接线逻辑到存储逻辑的飞跃。可编程控制器功能从弱到强，实现了工业控制领域从逻辑控制到数字控制的进步。可编程控制器应用领域从小到大，实现了从单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，受到广大工程技术人员的欢迎，在世界各地发挥着越来越大的作用。3.4.1.2 现代可编程控制器的发展方向随着技术的发展和市场需求的增加，PLC 的结构和功能也不断改进，生产厂家不断推出功能更强大的 PLC 新产品，使其性能价格比越来越高。现代 PLC 的发展
49、有两个主要趋势:其一是向体积小、速度快、功能强、价格低的微型PLC 方面发展;其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性、多功能方面发展。3.4.1.3 可编程控制器的应用领域目前，PLC 在国内外己广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。(1)开关量的逻辑控制。这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制。(2)模拟量控制。为了使可编程控制器处理模拟量，PLC 厂家都生产配套的 A/D 和 D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。(3)运动控制。世界上各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯控制等场合。(4)过程控制。PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，.目前许多小型 PLC 也具有此功能模块。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。(5)数据处理。现代 PLC 具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采
