1、目录1.龙门刨床运动形式及改造要求 .11.1 龙门刨床结构及运动形式 11.2 龙门刨床电气控制改造目的及意义 21.3 龙门刨床电气控制改造总体要求 31.4 龙门刨床电气控制改造方案 42.工作台变频调速及 PLC 控制 .62.1 工作台运动及调速要求 62.2 工作台调速方案 72.3 工作台电气控制输入、输出确定 82.4 工作台电气控制接线图 83.刀架变频调速及 PLC 控制 .93.1 刀架运动及调速要求 93.2 刀架调速方案 93.3 刀架电气控制输入、输出确定 103.4 刀架电气控制接线图 103.5 刀架 PLC 电气控制程序 114.横梁及辅助运动控制 .124.
2、1 横梁运动形式及拖动方式 124.2 油泵控制 124.3 铣磨头变频调速控制方案 124.4 横梁及其它辅助运动电气控制输入、输出确定 124.5 横梁及其它辅助运动 PLC 控制原理图 134.6 横梁及其它辅助运动控制程序 144.7 变频器设置 145.课程设计总结 .155.1 龙门刨床电气控制改造意义与可行性分析 155.2 龙门刨床电气控制改造效果和解决的主要问题 165.3 心得体会与建议 165.4 结束语 1611.龙门刨床运动形式及改造要求1.1 龙门刨床结构及运动形式 龙门刨床主要由七部分组成，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
3、上，工作台下面有斜齿条与传动机构齿轮相啮合，可作往复运动。横梁用于安装垂直刀架，刨削加工时严禁动作，只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。 图 1 龙门刨床 B2012A 的组成：2图 2运动形式主要有工作台的往复运动，刀架的移动为进给运动。横梁上的刀架，可在横梁导轨上作横向进给运动，以刨削工作的水平面；立柱上的侧刀架，可沿立柱导轨作垂直进给运动，以刨削垂直面。刀架亦可偏转一定角度以刨削斜面。横梁可沿立柱导轨上下升降，以调节刀具和工件的相对位置
4、。1.2 龙门刨床电气控制改造目的及意义 今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。他们比以往的产品具有更高的可靠性。但是，这也是随之带来的一些问题。如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。再者，对一个具体使用的装有上百个继电器的设备，其控制箱将是庞大而笨重的。在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。传统的龙门刨床控制系统可靠性差、维护困难、加工质量及
5、生产效率低。如今 PLC技术的不断发展，用 PLC 设计电气控制系统是简便可行的方法。本次用 PLC 设计龙门刨床的电气控制系统，不但满足了所需的各种控制要求，在保留原始控制功能的前提下，还具有结构简单、运行稳定和便于维护等特点。特别是其硬件简单可靠，软件丰富灵活，运行效果好。对促进企业的技术进步具有一定意义。31.3 龙门刨床电气控制改造总体要求 根据龙门刨床的生产工艺特点，对自动控制系统提出如下要求：1）调速范围宽，龙门刨床工作时既要求能适应不同刀具，又要求具有经济的切削速度。例如 A 系列龙门刨床最低刨削速度是 4.5，最高刨削速度是90，调速范围为 20：1。龙门刨床的调速采取两级齿轮
6、变速箱的机电联合调速方法，即 45以下为低速挡，45以上为高速挡；2）静差度小。龙门刨负载变动时，要求工作台速度的变化不超过允许范围，驱动电动机要有较硬的机械特性。因此靜差率一般要求为 0.050.1，B2012A 型刨床为0.1；3）具有较高的切削速度和足够的切削力；4）在低速范围内，切削力基本保持恒定；5）能单独调整工作行程与返回行程速度，且返回速度高于工作速度；6）工作台的运行速度能自动调整，在刀具切入与切出工件时，自动地减速；7）工作台运动方向应迅速而平滑地改变，动态品质好；8）操作简单，节省辅助工时，工作台要有可靠地自半动往复循环，调速时不必停车；9）安全可靠，为提高加工表面的精度，
7、工作台反向时应迅速、平稳、冲击小；10）驱动效率高，耗电量小；11)系统简单，易于修理和维护；12）通用化程度高，成本低；13）进刀机构:进刀机构的要求：（1）进刀准确；（2）线路简单；（3）工作可靠；进刀机构可分为：膨胀环，摆杆机构等机械传动；精到继电器控制；磁电机进刀控制；步进电机进刀的数字控制；晶体管延时进刀控制；计数管进刀控制和直流电动机进刀控制；14）抬刀机构:（1）线路和结构简单；（2）足够的抬刀高度；抬刀机构有：电磁铁抬高；电机旋转抬高；电机垂直位移抬刀；电磁铁抬刀的优点是线路和结构简单。缺点是抬刀角度较小，一般只有 15左右。41.4 龙门刨床电气控制改造方案 基于以上分析，我
8、们采用 PLC 和变频器对其进行改造。工作台的主运动只需一台59KVA 交直交、电压型变频器和能量回馈装置作为主拖动控制装置，实现无级变速。工作台换向制动利用变频器自带的能量反馈装置，使制动速度快，能量又反馈到电网中。对于进刀机构可以采用 3 台 6.5KVA 小变频器分别控制垂直刀架和左右侧刀架 3 台 2.2KW 异步电动机，实现无级调速，形成了新的进给系统，使进刀量准确，提高了加工精度。另外增加一个 11KW 的变频器控制铣刀头，作为附加组件。系统原理图如图 5 所示。采用交流变频调速系统，可以通过灵活的预置恒转矩与恒功率调速的转换点，使调速系统的特性更好地满足龙门刨床主拖动负载的调速特
9、性要求，进而降低主拖动电动机的设计功率 2，3 。调速范围可以达到 40:1，静差度小于 3%，更换不同的工作组件就可使刨床一机多用。为了提高加工精度，工作台的速度不随切削量的变化而变化，自动调速，达到速度曲线的要求，提高了加工质量与效率。如图 3 所示。图 3 变频调速的机械特性龙门刨床工作台的工艺流程由 PLC 控制主变频器驱动交流电动机来实现。刨床工作台自动、手动进（退） 、点动、换向、速度变换，垂直刀架和左右刀架的自动进给及人工快速移动的控制，横梁升降和夹紧控制，以及互相的联锁和显示等功能都由 PLC软件来实现 4。前进和后退速度及加、减速时间可以任意调节。为方便操作，在控制柜面板上装
10、有床身运动速度显示及各种运行指示及报警信号，并且操作箱完全符合原操作习惯。工作台控制的主程序流程图如图所示。5图 4 工作台控制主程序流程图1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNum ber RevisionSizeBDate: 2-Aug-2005 Sheet of File: E:LCW .Ddbrawn By:PLCMMMM M M M M YA M 1 M 2 M 3 M 4 M 5 M 6 M 7 M 8VVVFGMVEF CNC图 5 龙门刨床变频调速系统原理图2.工作台变频调速及 PLC 控制2.1 工作台运动及调速要求 工作台行程速度： 1）刨削：570
11、m/min。 ；2）铣削：0.082m/min；3）磨削：13m/min；调速方案： 1、各段速度确定；2、电动机的选择：原刨台电动机的数据、电动容量及选型、变频器容量及选型、空气开关、接触器、制动电阻；3、控制要求1、工作台正向运动 61）正向步进：点动，中速；2）正向前进：自锁，高速；3）工作台前进减速:自锁，低速；4）工作台后退到位后自动换向；控制要求：总停、工作台停、油泵故障停、自动停。2、工作台反向运动 1）反向前进：自锁，高速；2）工作台后退减速:自锁，低速；3）工作台前进到位后自动换向；控制要求：总停、工作台停、油泵故障停、自动停。其中0-a 工作台前进起动阶段a-b 刀具慢速切
12、入阶段； b-c 加速至稳定工作速度c-d 工作速度阶段d-e 减速退出工件阶段f-l 返回阶段慢速切入切出，即防止崩坏工件又可以提高刀具使用寿命。高速切削、返回以提高加工效率。72.2 工作台调速方案 工作台往复循环中的速度变化。为避免刀具切人工件时的冲击，工作台开始前进时速度较慢，以使刀具慢速切人工件，而后再增加到规定速度。在工作台前进与后退的末尾，工作台能自动减速，以使刀具慢速离开工件，防止工件边缘剥落，同时可减少工作台反向时的超程和对电动机、机械的冲击。当工作台速度低于lOm/min时，减速环节不起作用。龙门刨床对主拖动系统要求较高，不仅要求有较大的切削功率，而且还要有较宽的调速范围；
13、为满足以上要求，G-M 驱动的 B2012A 型龙门刨床的主枢动系统采用了闭环的电机扩大机发电机电动机的直流调速系统。以电机扩大机作为调节器，利用其多控制绕组的特点，在系统中引入多种反馈，从而来扩大发电机-电动机系统的调速范围，提高系统的静特性，同时还改善了动特性。该系统具有给定信号、电压负反馈、电流正反馈、电流截止负反馈和桥形稳定环节等。电机扩大机 A 的三个控制绕組中 A为桥形稳定绕组，A为电流正反馈绕组，A为给定电压、电压负反馈和电流截止负反馈的综合绕组。2.3 工作台电气控制输入、输出确定 变频器开关 SB0 X0 后退减速 SQ3 X13变频器运行 BC X1 前进终端 SQ5 X1
14、4变频器故障 AC X2 后退终端 SQ6 X15工作台前进 SB9 X3 变频器继电器 KM Y0工作台步进 SB10 X4 变频器运行显示 HL1 Y1工作台停止 SB11 X5 变频器故障显示 HL2 Y2工作台步进 SB8 X6 变频器正转输入 STF Y3工作台步退 SB12 X7 变频器反转输入 STR Y4前进换向 SQ2 X10 变频器高速 RH Y5后退换向 SQ4 X11 变频器中速 RM Y6前进减速 SQ1 X12 变频器低速 RL Y782.4 工作台电气控制接线图 2.5 工作台 PLC 电气控制程序3.刀架变频调速及 PLC 控制3.1 刀架运动及调速要求 1)刀
15、架既可以自动进给，也可以TLE4241G快速移动，由进刀箱上的机械手柄的位置来决定。快速移动与自动进给不能同时进行。2)自动进给在每次刨台后退结束时进行，进刀量的多少由机械机构控制。3)在刨台自动循环时，刀架不能快速移动。4)刀架的移动都有限位控制。5)刀架在切削完毕、返回之前，必须“抬刀”，以免刨刀在返回过程中在工件上留下划痕，影响光洁度。抬刀动作由抬刀电磁铁来完成。93.2 刀架调速方案 由于变频器能够准确地控制运行频率和升降时间，而PLC又计时精确，所以，利用PLC配合变频器控制进刀量，不但简化了系统的机械机构，还能控制进刀量的精度。因此，采用垂直刀架和左、右侧刀架分别由变频器驱动进刀电
16、动机实现进刀量的无级调速方案。3.3 刀架电气控制输入、输出确定变频器 1 开关 SB1 X16 变频器 1 故障显示HL5 Y12变频器 2 开关 SB2 X17 变频器 2 故障显示HL6 Y13变频器 1 运行 BC1 X20 变频器 1 继电器 KM1 Y14变频器 2 运行 BC2 X21 变频器 2 继电器 KM2 Y15变频器 1 故障 AC1 X22 左侧刀架继电器 KM3 Y16变频器 2 故障 AC2 X23 右侧刀架继电器 KM4 Y17左侧刀架开关 SA5 X24 垂直刀架继电器 KM5 Y20右侧刀架开关 SA6 X25 变频器 1 正转输入 STFY21垂直刀架开关
17、 SA7 X26 变频器 1 反转输入 STRY22电磁阀下刀 SQ4 X11 变频器 1 高速 RH Y23电磁阀抬刀 SQ2 X12 变频器 1 中速 RM Y24左侧刀架退刀 SB5 X27 变频器 1 低速 RL Y25右侧刀架退刀 SB4 X30 变频器 2 正转输入 STFY26垂直刀架退刀 SB3 X31 变频器 2 反转输入 STRY27左侧退刀限位 SQZ X32 变频器 2 高速 RH Y30右侧退刀限位 SQY X33 变频器 2 中速 RM Y31垂直退刀限位 SQC X34 变频器 2 低速 RL Y32变频器 1 运行显示HL3 Y10 电磁阀输出 YA Y33变频
18、器 2 运行显示HL4 Y11103.4 刀架电气控制接线图 3.5 刀架 PLC 电气控制程序114.横梁及辅助运动控制4.1 横梁运动形式及拖动方式横梁有放松、夹紧及上、下移动等动作。横梁上、 下移动则是由横梁升降电动机来完成的。只有工作台停止工作时，才能使横梁控制 电路工作。如果需要横梁上、下移动时，在电路中自动地使横梁先放松后移动， 如按下按钮站上的横梁上升按钮 SB6 时，使横梁放松接触器 KM11 线圈通电，使横梁放松夹紧电动 机工作，横梁逐渐放松。横梁放松时，行程开关 SQ10 闭合， 因此 KM8 线圈断电，横梁放松完毕。当按下横梁下降按钮 SB7 时， 亦是横梁先放松然后下降
19、， 下降到所需位置时， 松开 SB7 按钮，这时除了加紧电动机开始工作外， 尚有消除丝杠和螺母间隙的横 梁稍许回升的动作。4.2 油泵控制油泵只有简单的起停控制，本次设计油泵独立于其它运动形式，但当油泵油压不正常时工作台变频器不能带电，故其它运动也无法实现。4.3 铣磨头变频调速控制方案铣头转速范围。1)铣头主轴转速：72540rmin无级调速。2)刨刀架横铣速度：0.041.6mmin无级调速。3)刨刀架纵铣速度：0.041.6mmin无级调速。4.4 横梁及其它辅助运动电气控制输入、输出确定 变频器 3 开关 SB12 X35 变频器 3 故障显示 HL8 Y35变频器 3 运行 BC3
20、X36 变频器 3 继电器 KM6 Y36变频器 3 故障 AC3 X37 油泵继电器 KM7 Y37油泵开关 SB13 X40 横梁上升继电器 KM8 Y40横梁上升 SB6 X41 横梁下降继电器 KM9 Y4112横梁下降 SB7 X42 横梁夹紧继电器 KM10 Y42横梁夹紧限位 SQ10 X43 横梁放松继电器 KM11 Y43磨铣开关 SA8 X44 变频器 3 转输入 STF Y44磨铣正传 SB12 X45 变频器 3 反转输入STR Y45磨铣反转 SB12 X46 变频器 3 低速 RL Y46变频器 3 运行显示HL7 Y344.5 横梁及其它辅助运动 PLC 控制原理
21、图134.6 横梁及其它辅助运动控制程序4.7 变频器设置设置变频器的参数依据变频调速的指标1工作台行程速度（配刨、铣变速箱）。1)刨削：570mmin无级调速。2)铣削：0.082mmin无级调速。3)磨削：13mmin无级调速。2刨刀架进给量范围。1)垂直刀架：垂直方向为0.225mm次；水平方向为0.450mm次。2)侧刀架：垂直方向为0.450mm次。143铣头转速范围。1)铣头主轴转速：72540rmin无级调速。2)刨刀架横铣速度：0.041.6mmin无级调速。3)刨刀架纵铣速度：0.041.6mmin无级调速。4静差度3%（低速时）。5换向距离250nun。工作台变频器设置Pr
22、0 1 转矩提升 Pr9 150A 过流保护Pr1 60Hz 上限频率 Pr13 0.5 Hz 启动频率Pr3 50 Hz 基底频率 Pr79 3 组合操作Pr4 50 Hz 高速 Pr71 0 电机选择Pr5 35 Hz 中速 Pr80 55kw 电机容量Pr6 10 Hz 低速 Pr81 4 电机极数Pr7 4s 加速时间 Pr83 380v 额定电压Pr8 2s 减速时间 Pr84 50 Hz 额定频率刀架变频器设置Pr0 1 转矩提升 Pr9 4A 过流保护Pr1 120Hz 上限频率 Pr13 0.5 Hz 启动频率Pr3 50 Hz 基底频率 Pr79 3 组合操作Pr4 50 H
23、z 高速 Pr71 0 电机选择Pr5 25 Hz 中速 Pr80 1.5KW 电机容量Pr6 10 Hz 低速 Pr81 4 电机极数Pr7 4s 加速时间 Pr83 380v 额定电压Pr8 2s 减速时间 Pr84 50 Hz 额定频率磨铣变频器设置Pr0 1 转矩提升 Pr9 6.5A 过流保护Pr1 60Hz 上限频率 Pr13 0.5 Hz 启动频率Pr3 50 Hz 基底频率 Pr79 4 组合操作Pr4 50 Hz 高速 Pr71 0 电机选择Pr5 35 Hz 中速 Pr80 2.5KW 电机容量Pr6 15Hz 低速 Pr81 6 电机极数Pr7 4s 加速时间 Pr83
24、380v 额定电压Pr8 2s 减速时间 Pr84 50 Hz 额定频率155.课程设计总结5.1 龙门刨床电气控制改造意义与可行性分析 传统的龙门刨床控制系统可靠性差、维护困难、加工质量及生产效率低。如今 PLC技术的不断发展，用 PLC 设计电气控制系统是简便可行的方法。本次用 PLC 设计龙门刨床的电气控制系统，不但满足了所需的各种控制要求，在保留原始控制功能的前提下，还具有结构简单、运行稳定和便于维护等特点。特别是其硬件简单可靠，软件丰富灵活，运行效果好。对促进企业的技术进步具有一定意义。5.2 龙门刨床电气控制改造效果和解决的主要问题从电动机调速理论可知，若采用变频调速，在频率低于额
25、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，适宜于采用变频调速对龙门刨床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。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对 CPU 选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。5.3 心得体会与建议 通过这次毕业设计，
26、使我感到高科技、新知识的力量。在毕业设计的过程中，我学到了很多东西，我所学到的知识将对我今后的工作有着非常大的意义。165.4 结束语 首先，我要感谢我所就读的学校郑州华信学院，是华院给予了我这次机会。最重要的，是华院培育了我三年，在这三年中教导过我的老师他们不仅给我传授了基本的学习本领，还教会了我们一些基本的科学文化知识，更重要的是将我从高中朦胧状态中解脱出来，帮助我树立正确的人生观、价值观和优良的品德。首先，我要感谢我的校内的指导老师王仁光老师，感谢他一直以来能耐心倾听我的问题，耐心的给我指导，并给予我毕业设计最大的支持，使我能够比较顺利的完成这个设计。同时我也深深感受到王老师一丝不苟的工作作风，处处为学生考虑，许多调试不出的问题也是他给我耐心的帮助，王老师的帮助是至关重要的，也是我顺利的完成这项设计的重要保障。课程设计即将进入尾声，回顾这段时间的点点滴滴，学校、老师以及同学朋友都曾给了我许多的帮助，以至于我能顺利的完成了这次的毕业设计。在此表示衷心的感谢！
