PLC與變頻器改造龍門刨床繼電器控制線路

1、鄭州華信學院課程設計說明書題目：姓 名：院（系）：專業(yè)班級：學 號：指導教師：成 績：時間：年 月曰至年 月摘要分析了龍門刨床的運動特點，利用 PLC和變頻技術對B2012A型龍門刨床進 行自動化改造，以提高其加工效率和精度。關鍵詞：龍門刨床；PLC變頻器；電氣控制。龍門刨床在工業(yè)生產中占有很重要的地位， 主要用于加工大型工件或同時加 工多個工件，是工業(yè)的母機。龍門刨床的主運動是工作臺的直線往復運動，而 進給運動則是刨刀的橫向或垂直間歇運動， 龍門刨床的工作臺傳動一般都采用行 程開關，和傳統(tǒng)的繼電器來控制。這種方式有接線復雜，檢修困難，故障多等缺 點。這樣對加工性能有很大影響。但是由于數控機床

2、的代價太高，對中小型企業(yè) 來說成本太大，所以更新一臺機床不是很容易的， 因此，就對于龍門刨床的傳動 特點，加工性能，和要求進行分析，在此設計一套低成本低又能有效解決以上不 足之處的方案。隨著近年來pic和變頻器在工業(yè)領域里面的迅猛發(fā)展，為改變龍門刨成的傳 統(tǒng)缺點提供了可實現的途徑，本文作者將以 B2012A為例，根據龍門刨床的控制 線路，用可編程控制器和變頻器對其進行改造。1龍門刨床運動形式及改造要求 41.1龍門刨床結構及運動形式 41主要結構42運動形式41.2龍門刨床電氣控制改造目的及意義 41.3龍門刨床電氣控制改造總體要求 51.4龍門刨床電氣控制改造方案 52. 工作臺變頻調速及

3、PLC控制 62.1工作臺運動及調速要求 61. 運動分析62. 調速要求72.2工作臺調速方案72.3工作臺電氣控制輸入、輸出確定 82.4工作臺電氣控制接線圖 82.5工作臺PLC電氣控制程序 103. 刀架變頻調速及 PLC控制123.1刀架運動及調速要求 123.2刀架調速方案133.3刀架電氣控制輸入、輸出確定 153.4刀架電氣控制接線圖 163.5刀架PLC電氣控制程序 174. 橫梁及輔助運動控制 194.1橫梁運動形式及拖動方式 194.2油泵控制204.3銃磨頭變頻調速控制方案 204.4橫梁及其它輔助運動 PLC控制及程序 214.5橫梁及其它輔助運動控制原理圖 235.

4、 課程設計總結245.1龍門刨床電氣控制改造意義與可行性分析 255.2龍門刨床電氣控制改造效果和解決的主要問題 255.3心得體會與建議 255.4結束語261. 龍門刨床運動形式及改造要求1.1龍門刨床結構及運動形式1. 主要結構Iit#; 2Xftft; 3 4嗚直乃眾；H刀變；B2012A型龍門刨床主要由7部分組成，如圖1所示， 其中床身為箱體型零件，其上有V形和U形導軌。工作臺安 放在床身上，工作臺下面有斜齒條，可以往復運動。橫梁用 于安裝垂直刀架，刨削加工時嚴禁動作，只有在工作臺停止 運動時才能移動，以調整刀架高度。兩個垂直刀架可沿橫梁 導軌在水平方向或沿刀架本身的滑板導軌在垂直方

5、向作快 速移動或工作進給。左右側刀架及進給箱可沿立柱導軌上下 快速移動或自動進給。機床工作臺的驅動可用發(fā)電機一電動 機組或可控硅直流調速方式，調速范圍較大，在低速時也能 獲得較大的驅動力。從整體上看，工作加工過程較為簡單。2. 運動形式龍門刨床的運動可分為主運動、進給運動與輔助運動。主運動是指工作臺的 往復運動，進給運動是指刀架的進給，輔助運動是調整刀具運動(如橫梁的夾緊 與放松、橫梁的上升與下降、刀架的快速移動與抬刀等)1.2龍門刨床電氣控制改造目的及意義近幾年來在工業(yè)自動化，機電一體化，改造傳統(tǒng)產業(yè)等方面，PLC得到廣泛的應用。學習，掌握和應用PLC技術對提高我國工業(yè)自動化水平和生產效率具

6、有 十分重要的意義。采用可編程序控制器(PLC)對龍門刨床的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進行改 造，將具有投資小、改造周期短，節(jié)能降耗、提高功效顯著的優(yōu)點。近年來 ，我 國在普通機床改造方面取得了很大的成就，普通機床的控制系統(tǒng)逐步被PLC控制 的高效率，高精度的數控機床所代替，產生了巨大的生產力，然而在機械加工制 造中被廣泛使用的用來加工大型工件的設備一龍門刨床的改造卻少之又少，在一 定程度上影響著制造業(yè)的發(fā)展。目前部分中小型企業(yè)及高校仍廣泛使用這種傳統(tǒng) 的繼電器控制機床，在資金緊張的情況下，更新機床是不太現實的。因此，對龍 門刨床加工性能和要求進行分析研究， 設計一套低成本高性能的控制方案， 應用 于實踐，

7、可最大限度發(fā)揮龍門刨床的加工潛力，提高可靠性，降低運行成本，對 老式龍門刨床的改造提高有很大的實際意義。1.3龍門刨床電氣控制改造總體要求1、了解龍門刨床的結構、工作原理和各部件的運動特征、電氣系統(tǒng)的總體 設計、完成PLC的選型與PLC的外部接線圖2 、掌握PLC程序設計方法3 、對工作臺控制程序設計，包括工作臺步進步退控制程序設計和工作臺自 動往返控制程序設計4 、對輔助部分控制程序設計，包括：風機油泵控制程序設計、橫梁升降控 制程序設計、刀架運動控制程序設計5、對故障診斷程序設計，包括：外部設備故障診斷程序設計、工作臺步進 步退故障診斷程序設計、工作臺自動運行故障診斷程序設計、橫梁運行 故

8、障診斷程序設計1.4龍門刨床電氣控制改造方案圖2龍門刨床電氣控制改造方案1.對龍門刨床的電氣改造控制系統(tǒng)進行總體方案設計2 進行PLC和變頻器的選型及設計外部接線3. 根據龍門刨床的工藝流程設計工作臺、刀架、橫梁的運行及控制梯形圖4. 進行調試和驗證設計改造的控制系統(tǒng)的可行性2. 工作臺變頻調速及 PLC控制2.1工作臺運動及調速要求1. 運動分析TO T1為正向啟動階段，啟動時間可通過參數來設置。T1T2為刀具慢切入工件時段，可通過 F022來實現；慢速切入運行的時間、切 入速度均可通過參數來設定。T2T3為加速到切削速度的過程。T3 T4為正向切削過程，切削速度可通過電位器調節(jié)。T4 T5

9、為正向運行由中速減速到低速階段，其時間可通過參數來設定。T5 T6為低速運行階段，即刨刀低速離開工件過程，速度由參數設置。T6 T7為正向換向階段，即工作臺碰到前進換向接近開關時，開始制動換向， 時間由參數設定。T7 T8為工作臺正向運行制動后反向啟動加速到反向設定轉速階段。時間越短,加速越快，啟動電流越大；反之啟動電流越小，機械沖擊越小。T8T9為工作臺高速返回時間，高速返回速度由反向電位器調節(jié)。T9 T10為工作臺反向運行過程中由高速減速到低速階段，此時間由參數設定。該值越小，制動越快，機械沖擊越大；反之亦然。T10T11為工作臺反向減速運行階段，此運行時間與接近開關的相對位置及 低速運行

10、速度有關。T11T12為工作臺反向制動換向階段，可通過設置參數來改變此段運行時間。2. 調速要求由于在加工過程的材料和零件不同，所使用的刀具也會不同（例高速鋼刀具。 硬質合金刀具等），這就要求機床有不同的速度，以便滿足不同加工工藝的要求。B2012A型龍門刨床采用電機放大機作為直流發(fā)電機勵磁調節(jié)器的直流發(fā)電機-電動機組系統(tǒng)并加一級機械變速，從而保證工作臺調速范圍達到 20： 1工作 臺在低速檔的速度為660m/min在高速檔的速度為9 90m/min在低速檔或高速 檔范圍內，可實現電氣的無機調速，以便生產時能選擇最合理的切削速度。2.2工作臺調速方案B2012A型龍門刨床工作臺速度在 25m/

11、min以下時為等切削力區(qū)，希望輸出 轉矩恒定，負載具有橫轉矩性質；工作臺速度在25m/min以上時希望輸出功率恒 定，負載具有恒功率性質。為滿足要求，A系列龍門刨床的住傳動采用了機電聯 合調速方案，即采用機械傳動比2:1的齒輪變速與直流電動機的調壓調速配合。 其中，齒輪變速具有恒功率特性。采用交流變頻調速系統(tǒng)，可以通過靈活的預置恒轉矩與恒功率調速的轉換 點，使調速系統(tǒng)的特性更好的滿足龍門刨床主驅動負載的調速特性要求，實現無級調速。工作臺換向制動采用能量回饋裝置，制動速度快，能量又回饋給電網， 還可以將主驅動電機的設計功率。2.3工作臺電氣控制輸入、輸出確定輸入工作臺步進按鈕X0SB8輸出工作臺

12、自動進給繼電器Y20工作臺自動循環(huán)按鈕X1SB9工作臺正常工作指示Y43工作臺換向按鈕X2SB10工作臺步進繼電器M1工作臺后退按鈕X3SB12工作臺后退繼電器M2工作臺前進減速仃程開關X4SQ1工作臺低速Y0工作臺前進換向行程開關X5SQ2工作臺中速Y1工作臺后退減速行程開關X6SQ3工作臺高速Y2工作臺后退換向仃程開關X7SQ4工作臺正向啟動Y3工作臺前進限位X10SQ5工作臺反向啟動Y4工作臺后退限位X11SQ6工作臺停止X12SB11工作臺總啟動X52SB24工作臺總停止X53SB252.4工作臺電氣控制接線圖圖3 工作臺電氣控制接線圖2.5工作臺PLC電氣控制程序X052X053V0

13、43X050X051Y043)(Y042)V042(Y040)X031期 1)圖4 工作臺PLC電氣控制程序梯形圖3. 刀架變頻調速及PLC控制3.1刀架運動及調速要求刀架的進給常用的有技協進刀，液壓進刀，電氣進刀等幾種方法。A系列刨床采用交流電動機拖動的機械方法， 這種方法電氣上比較簡單，機械裝置比較復 雜，進度精度不夠。刨床有兩個垂直刀架，每個刀架有快速移動和自動進給兩種 工作狀態(tài)，每種工作狀態(tài)有水平進刀（左右兩個方向）、垂直進刀（上下兩個方向） 四個方向的動作，這些都有一個垂直刀架來完成。刀架的進給運動是進給電動機 驅動經過進給變速箱和光桿、絲杠、螺母等傳動件實現的。為了解決間隙的進給

14、運動和連續(xù)的電動機轉動的矛盾，舊型號刨床采用緊張環(huán)結構，而A系列刨床則 采用拔叉式雙向離合器。進刀電動機旋轉方向從風扇端看，除左側刀架逆時針轉 動外，其余均為順時針方向旋轉。3.2刀架調速方案B2012A型龍門刨床裝有垂直刀架、右側刀架和左側刀架，分別由電動機 Mc,My,Mz來驅動，其中兩個垂直刀架共用一臺電動機Me,通過傳動機構分別轉動，刀架控制電路能實現刀架的快速移動與自動進刀，刀架的快速移動與自動進刀、刀架運動方向由裝在刀架箱上的機械手柄來選擇。自動進刀。刀架的進給采用的是帶緊脹環(huán)的進到機構，依靠緊脹環(huán)轉動角 度的大小來控制每次的進刀量。每次進刀完成后，利用刀架驅動電動機反向旋轉來使緊

15、脹環(huán)復位，為第二次進刀做好準備當需要自動進刀時，將刀架移動機械手柄扳倒自動進刀位置， 使相應的位置 開關SQc,SQy,SQz壓下。以垂直刀架為例，壓下 SQc,當工作臺加工行程結束， 刀具離開工件，撞塊使位置開關SQ2動作，SQ2-b閉合一一Kih線圈得電一一Khc 線圈得電一一電動機Me反轉，刀架電機Mc反轉帶動超越離合器上的撥叉盤復位，為進刀做好準備；SQ2-a斷開一一Kq線圈失電一一Kh線圈得電一一K2h線圈得電， 接通抬刀電磁鐵，刀架自動抬起。同時，工作臺制動并迅速返回，返回 SQ2復位 Kih失電 Khc失電 電動機 Me轉動。返回至終點時，碰撞位置開關SQ4,SQ4-b閉合一一K

16、iq線圈得電一一Kqc線圈得電一一電動機 Me正傳，刀架電 動機Mc帶動撥叉盤旋轉，刀架進刀；SQ4-a斷開一一Kh線圈失電一一Kq線圈得 電一一K2h線圈失電，抬刀電磁鐵失電，刀架落下，以便切削加工。當工作臺重 新前進時，SQ4復位，刀架電動機 Me停轉，進刀停止。進刀量的大小通過機械方式調整5亦工Sri三 左需弄集板禱 七口幣聊802102右刀幕左刀集3.3刀架電氣控制輸入、輸出確定表2輸入輸出垂直刀架快移按鈕X13SB3右側刀架快移與進給Y15右側刀架快移按鈕X14SB4右側刀架進給復位Y16左側刀架快移按鈕X15SB5左側刀架快移與進給Y17垂直刀架進給按鈕X16SB13左側刀架進給復

17、位Y20右側刀架進給按鈕X17SB14垂直刀架快移與進給Y23左側刀架進給按鈕X20SB15垂直刀架進給復位Y24垂直刀架位置行程開關X21SQc右側刀架抬刀Y5右側刀架位置行程開關X22SQy左側刀架抬刀Y6左側刀架位置行程開關X23SQz垂直刀架抬刀Y7右垂直刀架抬刀X24SB30右側刀架進給繼電器M11M12M10左垂直刀架抬刀X25SB31左側刀架進給繼電器右刀架抬刀X26SB32垂直刀架進給繼電器左刀架抬刀X27SB333.4刀架電氣控制接線圖iSIF探 社刑SIvnv2- * L 肝 觀 1 ri FIQ n0H3W斗 業(yè)仏卩 m HL-VA u n WIA- UJ/ AL -HJ

18、d3L _?k_sf-JrM xx J3JJJEJ fir rj hu 7/EJ *JL nJL 9L- DrBVA- L FJ VA VJB- urflffi物wmJ-c; yA rv圖5 刀架電氣控制接線圖UA hv3.5刀架PLC電氣控制程序圖6刀架PLC電氣控制程序梯形圖刀架變頻器參數如表3參數號參數名稱設定值Pr.79操作模式選擇3Pr.1上限頻率50hzPr.2下限頻率OhzPr.3基底頻率50hzPr.20加/減速基準頻率50hzPr.7加速時間3sPr.8減速時間2sPr.9過流保護2APr.4高速50hzPr.5中速30hzPr.6低速10hzPr.71適用電機0Pr.81極

19、數4Pr.83額定電壓380v4. 橫梁及輔助運動控制r1 J就嘰f1fiim機1 'Kjoh1goo帥 r1VTutJ<12mt上升4.1橫梁運動形式及拖動方式©中儷(1)橫梁上升。橫梁上升時按照“放松一一上升一一加緊”的次序工作；由 電動機Mj控制的加緊與放松，由電動機Mh控制橫梁的升降，橫梁夾緊的程度采 用電流檢測的方法進行控制。按下上升按鈕SB Kjoh線圈得電一一Khj線圈得電一一電動機 Mj反轉 橫梁放松一一放松到位壓下位置開關 SQ10 SQ10-b斷開一一Khj線圈失電 電動機Mj停轉一一放松完畢；同時SQ10-a閉合一一Kqh線圈得電一一電動 機Mh正

20、轉一一橫梁上升。上升到位松開SB6Kjoh線圈失電 Kqh線圈失電電動機 Mh停轉 橫梁上升停止一一Kqj線圈得電一一電動機 Mj正轉一一橫梁加緊一一SQ10 復位加緊電流上升到使電流繼電器 KA2線圈動作 Kqj線圈失電電動 機Mj停轉一一橫梁加緊結束。SQ10-b上的Kjoh常開觸點和Khj常開觸點并聯，作用是操作者在橫梁放松尚未完畢時，松開按鈕，也能保證橫梁放送完畢后再自行加緊。按下降按鈕SB7即可操作橫梁下降，具體控制過程的分析與橫梁上升過程類似。(2)橫梁下降。橫梁下降時按照“放松一一下降一一回升一一夾緊”的次序 工作，多了一個回升環(huán)節(jié)。按下下降按鈕 SB7即可操作橫梁下降，具體控制

21、過 程的分析與橫梁上升過程類似。4.2油泵控制油泵、風機和變頻器必須處于正常狀態(tài)下工作臺才加工運行。在工作臺工作之前，這些輔助設備都必須正常且處于運行狀態(tài)，在主回路通電，為按下工作臺控制按鈕前，在橫梁、刀架和工作臺動作前，變頻器動作，在油泵壓力及風機正 常的啟動下，是油泵運行和風機運行輸出，油泵和風機啟動。只有當油泵、風機 及傳動電機啟動后，才能進行各種動作，并為刀架走刀做好準備。同時在運行中， 當油泵或傳動電機失電后，系統(tǒng)停止，防止誤潤滑運行和走刀不切削。4.3銑磨頭變頻調速控制方案磨頭是對工件進行精加工用的，其運動包括低速運行 高速運行及其正反 轉，由于不同的材料其精加工所需速度是不同的，

22、因此需要對磨頭進行變頻調速 控制。磨頭在運行過程中：其高速時電機速度為：72-540r/min ;低速時電機速度為：0.04-1.6m/min ；從上面的速度可以看出磨頭對速度的精度要求是非常高的，因此對其進行改造是用變頻器進行調速是必要的選擇。在選擇電機時根據需求可選擇 7.5kw，額定速度為960r/min的六級電機即可滿需要。4.4橫梁及其它輔助運動PLC控制及程序X030X031M14kk/-X033(Ml 3TOX032M13HIX034k(114訓3X035丿一Y030(Y031MU500120 圖7橫梁及其它輔助運動PLC控制及程序梯形圖4.5橫梁及其它輔助運動控制原理圖圖8橫梁

23、及其它輔助運動控制原理圖5. 課程設計總結5.1龍門刨床電氣控制改造意義與可行性分析我國是一個機床大國，擁有三百萬多臺的普通機床和大量的專用機床，數量 居世界前列，但大多數設備落后。在這里的變頻器和PLC的配合使用，充分體現了當今在控制論領域中的需要的快速、 可靠、靈活的特點，克服了繼電接觸器 控制系統(tǒng)動作慢、耗電多、體積較大的缺點，實現了很多復雜的以前沒實現的控 制動作，和故障保護，使得系統(tǒng)具備小型化，操作維護檢點，的控制智能化的特 點。本題的改造目標為利用可編程控制器及變頻器實現對龍門刨床的自動控制和 平滑調速,消除換向沖擊，提高工作效率，減少噪聲,取締原控制系統(tǒng)，從而達到既 經濟又快捷地

24、運行龍門刨床的目的.而使龍門刨床復雜的電氣控制系統(tǒng)變的簡單 清晰明了，使龍門刨床處于最佳的工作狀態(tài)龍門刨床如控制和使用得當，不僅能 提高效率,節(jié)約成本,還可大大延長使用壽命龍門刨床主要分為機械和電氣控制 兩大組成部分，機械部分相對比較穩(wěn)定，而使龍門刨床運行在最優(yōu)狀態(tài)主要取決 于電氣控制系統(tǒng)控制方式在傳統(tǒng)龍門刨床中，其機械部分剛性好，精度較高，一 般其基本性能可達到現代同類機械的水平，但控制和驅動部分則得不同程度的老 化,對老式龍門刨床的改造有很大的實際意義5.2龍門刨床電氣控制改造效果和解決的主要問題改造前，原龍門刨床采用電機擴大機-直流發(fā)電機-直流電動機（A-G-M調速 系統(tǒng)，它占地面積大、噪聲污染嚴重、調速范圍很窄，尤其交流電動機拖動發(fā)電 機浪費電能很嚴重；而且，傳統(tǒng)的龍門刨床的電氣控制部分采用的是繼電器-接觸器邏輯控制系統(tǒng)，硬件接線多，體積大，連線復雜；它是通過采用觸電開關實 現控制的，由于受繼電器硬件限制，控制速度慢，一般為十幾毫秒；繼電器觸點 壽命短，可靠性和維護性差，故障率高，檢修、維修困難，維護、維修成本高。改造后，主拖動采用調速范圍寬、節(jié)能效果顯著的變頻器控制的調速系統(tǒng)， 不僅 省去了電機