BA龙门刨床控制系统改造与设计.docx

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BA龙门刨床控制系统改造与设计

摘要

龙门刨床是一种用于加工大型、狭长机械零件的大型加工设备。

刨台在刨削过程中不断地作往复运动每往复一次即为一个周期。

在这一个周期内,刨台的速度是变化的。

在刨刀初接触工件时,要低速,防止刀具崩坏;切削段的速度是操作者选定的切削速度;返回段属于空行程,为了提高工作效率,返回速度尽可能高一点;返回结束前,为了减少冲力,又应将速度降至零后转向进入下一周期。

往复运动的速度变化,由刨台下面的无触点接近开关控制。

辅助部分包括润滑泵、横梁升降、抬刀与进刀、左右刀架、垂直刀架控制回路等。

其电气控制系统主要用于控制工作台按要求速度自动往复循环运动,刀架进刀、退刀、横梁升降以及他们之间的连锁控制。

传统龙门刨床的控制系统通常为继电一接触器控制，该系统连线复杂，体积大，自动化水平低。

因而造成了使用企业的生产率低下，效益差。

现采用PLC改造B2012A系列龙门刨床的电控系统,取得了较好的效果。

ABSTRACT

Doublehousingplanerisakindoflongandnarrowmechanicalpartsusedformachininglarge,largeprocessingequipment.Planerconstantlyintheprocessofplaningforreciprocatingshipmentmoveeveryreciprocatingisacycle.Inthisperiod,thespeedoftheplanerischanging.Atthebeginningofthecuttercontactworkpiece,lowspeed,preventtoolcollapse;Theoperatorselectedcuttingspeedisthespeedofthecuttingsection;Returnperiodbelongstoairtravel,inordertoimprovetheworkefficiency,higherreturnrateasfaraspossible;Returnbeforetheend,inordertoreduceimpact,andspeedshouldbereducedtozeroafterturningintothenextcycle.Reciprocatingmotionvelocitychanges,thestagebytheplanethenon-contactproximityswitchcontrol.Auxiliarypartsincludinglubricationpump,beamlifting,carryingaknifeandfeed,leftandrighttoolcarrier,railheadcontrolcircuit,etc.

Itselectriccontrolsystemismainlyusedtocontroltheworkbenchspeedautomaticreciprocatingcyclemovement,accordingtotherequirement,recedecutter,toolrestfeedbeamhoistandchaincontrolbetweenthem.Thetraditionalcontrolsystemofdoublehousingplanerisusuallyarelaycontactorcontrol,thesystemofattachmentiscomplex,largevolume,lowautomationlevel.Lowproductivity,andthuscausedtheusetheenterprisebenefit.WeusePLCseriesofB2012Agantryplanertransformationoftheelectriccontrolsystem,goodresultshavebeenachieved.

关键字：

龙门刨床控制PLC控制电器控制变频调速

第一章绪论

1.1绪论

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。

龙门刨床工作台最早采用交流感应电动机拖动并实现正反向的方案，和用交流电动机通用电磁离合器实现正反向的方案，以及用交流电动机通过液压系统实现正反向的方案。

后来使用较多的是直流发电机一电动机组的拖动方案。

而这种方案又有两类:

一类是自励放大机控制并改变发电机励磁进行调整的方案;另一类就是采用交磁放大机控制并改变发电机励磁的调整方案。

六、七十年代，由于微电子技术的发展，出现了由晶闸管直接供电的直流调速系统拖动龙门刨床工作台的方案。

但直流电动机本身结构上存在严重的问题，它的机械接触式换向器不但结构复杂，制造费时，价格昂贵，而且运行中容易出现故障。

随着交流变频调速技术的发展，使交流电动机拖动龙门刨床工作台成为可能。

PLC（可编程控制器）是以微机技术为核心的通用工业控制装置。

它将传统的继电器—接触器控制技术与计算机技术和通信技术融合一体、有功能强大、环境适应性好、编程简单、可靠性高、体积小、功耗低等优点。

在短短的几十年里得到了迅猛发展，已成为当代工业自动化的主要支柱之一。

目前，部分中小型企业及高校仍广泛使用传统的继电器控制机床，这些机床经历了比较长的历史，虽然它能在一定范围内满足单机和自动生产线的需要，但由于它的电控系统是以继电器、接触器的硬连接为基础，技术上比较落后，特别是其触点的可靠性问题直接影响了产品质量和生产效率。

因此，近几年来工业自动化，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。

本论文从应用的角度出发，重点讲述PLC原理及其工程应用，其生产工艺特点是:

工作台连同工件频繁地进行往复运动，工件的切削加工仅在工作进程内进行，而返回进程只作空运转。

刀架进给运动，是在工作台于返回行程到工作行程的换向期间内进行。

因而龙门刨床的主运动是工作台连同工件的纵向往复运动，辅助运动是刀架的进给、抬刀、落刀和快速移动，横梁的夹紧、放松和升降，以及工作台的步进、步退等辅助动作。

龙门刨床的电气控制系统分主传动系统和辅助运动控制系统两部分。

PLC用于龙门刨床控制系统改造方案之一就是:

主传动系统即工作台电力拖动系统，仍然保留目前最广泛使用的逻辑无环流可逆调速系统，其调速换向控制以及辅助运动控制系统采用可编程序控制器替代旧的继电控制系统，各部分的信号检测、动作执行机构也基本上保留原有的不变。

特点是投资小、见效快。

 目前，部分中小型企业及高校仍广泛使用传统的继电器控制机床，这些机床经历了比较长的历史，虽然它能在一定范围内满足单机和自动生产线的需要，但由于它的电控系统是以继电器、接触器的硬连接为基础，技术上比较落后，特别是其触点的可靠性问题直接影响了产品质量和生产效率。

而用PLC对它进行技术改造，便能取得很好的效果。

本文以B2012A系列龙门刨床的改造实例，说明PLC在其中的应用。

1.2本文研究的目的及意义

随着工业科技的飞速发展，数控技术的发展在一定程度上代表了一个国家先进的科学技术水平。

就目前而言，我国是世界上机床产量最多的国家，虽然我国科技水平在世界上稍有一席之地，但生产的数控机床的产品竞争力在国际市场中任处于较低的水平，生产的普通数控机床比重大，生产效率低，大部分采用继电器控制，存在着易故障，难检修等弊端，对加工业的发展有很大的制约和限制性。

随着计算机技术的高速发展，推动了工业科技发展的步伐，给机械制造业带来根本性的变化。

近几年来，我国在普通机床改造方面取得了很大的成就，普通机床的控制系统逐步被PLC控制的高效率，高精度的数控机床所代替，产生了巨大的生产力，然而在机械加工制造中被广泛使用的用来加工大型工件的设备—龙门刨床的改造却少之又少，在一定程度上影响着制造业的发展

第二章龙门刨床简介

2.1龙门刨床简介

龙门刨床是用来刨削大型零件（如箱体）的刨床。

对中、小型零件，也可以一次装夹几个零件，用几把刨刀同时进行刨削。

龙门刨床主要由床身、立柱、横梁、工作台、两个垂直刀架、两个侧刀架等组成。

龙门刨床是机械工业的主要工作母机之一，在工业生产中占据重要的地位。

其机构示意图如图1—1所示，刨床左右立柱6上托有可上下移动的横梁5，横梁上装有可在横梁上横向一定的并垂直进给的左右两个垂直刀架4，刀架上装有刨刀8，左右两个立柱上分别设有可上下移动并横向进给的左侧刀架和右侧刀架3，工作台1（又称刨床）放在底座导轨2上，作往复运动，7为龙门顶，刨床可分粗加工和精加工水平面。

垂直面、倾斜面以及各种平面组合的导轨面。

还可更换磨头和铣削装置，对被加工零件进行铣削和磨削加工。

2.2龙门刨床基本结构与运动情况

2.2.1主电路组成

由10台交流电动机，3台直流电机组成：

AG扩大机；G1直流发电机；G2励磁机；M1直流电动机与直流发动机G1组成：

G1-M调速系统；M2主拖动电动机，拖动G1；M3扩大机拖动电动机；M4通风电动机，装在直流电动机M1上面作通风用；M5润滑泵电动机，提供工作台润滑油；M6垂直刀架电动机，作垂直刀架水平进刀和垂直进刀用；M7、M8左、右侧刀架电动机，作左右侧刀架上下运动；M9横梁升降电动机；M10横梁夹紧电动机。

2.2.2交流控制电路

（1）电动机组的起动控制线路

由于M2为60KW容量较大，起动电流大，所以采用Y-△降压起动。

Y形接法起动时间是由继电器KT1决定的，由Y形接法断开到△运行的间隙时间由时间继电器KT3决定的，一般KT1整定为3-4秒，KT3延时为1秒以下。

启动：

按下电动机组启动按钮SB2，接触器KM1通电并自锁，三相电源送入，同时，时间继电器KT1通电，触点KT1（705-717）常闭触点延时断开，接触器KM2通电，M2电动机Y型连接启动，随着M2拖动G2励磁电压逐渐升高，升到接近G2额定电压的75％时，时间继电器KT3动作，使常闭触点KT3（705-717）瞬时断开，KM2一路供电，KT1计时时间到触点KT1常闭（705-717）断开、常开（705-723）闭合、KM2断电，M2电动机Y连接断开，接触器KM4通电并自锁，KM4常开触点（717-721）闭合、常闭触点（717-719）断开，当KT3计时时间到KT3常闭触点（705-7）恢复、常开触点（723-725）断开，接触器KM3通电，M2电动机△型连接运转。

停止：

按下电机组停止按钮SB1，所有接触器、时间继电器断电，M2电动机断电。

注意：

①G2励磁机正常工作时，M2电动机才能完成Y-△变换，因为时间继电器KT3线圈并接在G2电枢两端；

②接触器KM3的常开触点KM3（101-103）接在工作台控制电路中，保证电动机M1在无磁场或弱磁场下不能启动，防止电动机无磁场、建立不起反电动势，发电机电压加上后将出现相当于负载短路的故障；

（2）刀架控制电路

B2012A龙门刨床有两个垂直刀架，两个刀架都有快速移动和自动进给两种工作状态，而每种工作状态又有不同的运动方向，它们都是由机械及其操作手柄实现的。

①自动进给

刀架的自动进给是与工作台自动工作相互配合实现的，当工作台由后退换前进时相关的继电器通电，使动作的电动机正向旋转。

经进刀机构实现刀架的自动进给；当工作台前进换后退进，使动作的电动机反向旋转，刀架进刀机构复位，为下一次进刀作准备。

②快速移动

快速移动时，工作台控制电路中的联锁继电器KA3应处于断电状态，将操作手柄置于“快速移动”位置，按下点动按钮，电动机只作单方向旋转，经进刀机构的拖动，刀架按机械插槽所选择的方向作快速移动。

垂直刀架控制电路：

①快速移动：

垂直刀架快速移动时，KA3处于断电状态，常闭触点KA3（101-345）闭合，把进刀箱上选择手柄置于“快速进给”位置，此时SQ7不受压，常闭触点SQ72断开、常开触点SQ71闭合，按下快速移动按钮SB3，接触器KM5通电，电动机M6正转，经进刀机构传动装置，拖动垂直刀架按要求运动方向作快速移动。

②自动进给：

垂直刀架自动进给时，KA3处于通电状态，常闭触点KA3（101-345）断开，把选择手柄置于“自动进给”位置，齿形离合器脱开，开关SQ7被压下，触点SQ72闭合。

当工作台由后退换前进时，继电器KA5通电，触点KA5（303-305）闭合，使KM5通电，刀架电动机M6正转经进刀机构实现刀架进刀；当工作台由前进换后退时，继电器KA6通电，触点KA6（305-307）闭合，接触器KM6通电，刀架电动机M6反转，拖动进刀机构复位，为下次进刀作准备。

左、右侧刀架控制电路：

（与垂直刀架类似，但是左右侧刀架只有上下两个方向的运动，所以运动方向选择手柄比垂直刀架少一个。

左、右侧刀架控制电路其中还接有SQ4、SQ5刀架与横梁之间的限位开关，用以实现左右侧刀架向上移动或横梁向下移动避免相撞的安全保护。

）

①快速移动：

右（左）侧刀架快速移动时，KA3处于断电状态，常闭触点KA3（101-345）闭合，把进刀箱上选择手柄置于“快速进给”位置，此时SQ8（SQ9）不受压，常闭触点SQ82（SQ92）断开、常开触点SQ81（SQ92）闭合，按下快速移动按钮SB4（SB5），接触器KM7（KM9）通电，电动机M7（M8）正转，经进刀机构传动装置，拖动左右侧刀架按要求运动方向作快速移动。

②自动进给：

右（左）侧刀架自动进给时，KA3处于通电状态，常闭触点KA3（101-345）断开，把选择手柄置于“自动进给”位置，齿形离合器脱开，开关SQ8（SQ9）被压下，触点SQ82（SQ92）闭合。

当工作台由后退换前进时，继电器KA5通电，触点KA5（403-405）闭合，使KM5通电，刀架电动机M7（M8）正转经进刀机构实现刀架进刀；当工作台由前进换后退时，继电器KA6通电，触点KA6（405-407）闭合，接触器KM8通电，刀架电动机M7（M8）反转，拖动进刀机构复位，为下次进刀作准备。

（3）横梁控制电路

横梁在加工时或一般情况下是夹紧在立柱上的，必要时，为了适应加工不同高度的工件，才将横梁从夹紧状态下放松，根据要求使横梁作上下移动，移动到需要位置时，再将横梁夹紧在立柱上。

横梁刚开始时属于夹紧状态，SQ6开关不受压，若处于放松状态时SQ6受压。

①上升过程电路工作情况

A、自动完成横梁放松

B、横梁上升

C、横梁上升后的自动夹紧

按住悬挂按钮站上的上升按钮SB6，使KA1通电，常开触点KA1（601-605）闭合为上升作准备、常开触点KA1（621-623）闭合，使接触器KM14通电并自锁，横梁夹紧放松电动机M10正转拖动横梁逐渐放松，同时带动丝杆上的撞块向横梁侧移动，当放松时，行程开关SQ6在撞块的作用下动作，使触点SQ62（101-621）断开使KM14断电，横梁夹紧电动机M10断电，横梁放松完成，在撞块的作用下同时触点SQ61（101-601）闭合，经KA1（601-605）使接触器KM11通电，横梁升降电动机M9正转，拖动横梁上升，同时横梁运动指示灯HL3亮。

当上升到预订位置时，松开按钮SB6，KA1、KM11断电，电动机M9断电。

KA11断电时，触点KA1（601-613）闭合，使KM13通电并自锁，形成两路供电，夹紧电动机M10反转，拖动夹紧机构夹紧横梁，此时撞块离开横梁方向使SQ6恢复，为下次横梁放松作准备。

电动机M10继续夹紧，当夹到一定程度时，过电流继电器KA10动作将夹紧电动机M10断开电源，夹紧完成，指示灯HL3熄灭。

②下降过程电路工作情况

A、自动完成横梁放松

B、横梁上升

C、横梁上升后的自动夹紧

横梁下降过程与上升工作情况基本相似，仅不同的是增加了横梁下降到位后再作稍许回升，其作用是为了消除下降时丝杆与丝母的间隙，它的回升由单相桥式整流电路控制直流时间继电器KT2实现的，整定值为0.1～0.4秒，由于横梁的回升是在横梁夹紧开始后同时进行的，所以时间不能整定过长，防止造成不必要的事故。

按住悬挂按钮站上的下降按钮SB7，使KA1通电，常开触点KA1（601-609）闭合为下降作准备、常开触点KA1（621-623）闭合，使接触器KM14通电并自锁，横梁夹紧放松电动机M10正转拖动横梁逐渐放松，同时带动丝杆上的撞块向横梁侧移动，当放松时，行程开关SQ6在撞块的作用下动作，使触点SQ62（101-621）断开使KM14断电，横梁夹紧电动机M10断电，横梁放松完成，在撞块的作用下同时触点SQ61（101-601）闭合，经KA1（601-609）使接触器KM12通电，横梁升降电动机M9反转，拖动横梁下降，同时横梁运动指示灯HL3亮，触点KM12（101-191）闭合，时间继电器KT2通电，触点KT2（603-605）瞬时闭合。

当下降到预订位置时，松开按钮SB7，KA1、KM12断电，电动机M9断电。

KM12断电时，触点KM12（101-191）断开，KT2线圈断电开始断电延时，延时时间到，触点KT2（603-605）断开。

KA1断电时，触点KA1（601-613）闭合，使KM13通电并自锁，形成两路供电，夹紧电动机M10反转，拖动夹紧机构夹紧横梁，此时撞块离开横梁方向使SQ6恢复，为下次横梁放松作准备，同时触点KM13（601-603）闭合，KM11通电，横梁升降电机M9正转，拖动横梁上升，KT2时间到时，触点KT2（603-605）断开，KM11断电。

电动机M10继续夹紧，当夹到一定程度时，过电流继电器KA10动作将夹紧电动机M10断开电源，夹紧完成，指示灯HL3熄灭。

（4）抬刀控制电路

当工作台在返回行程时，为了防止刀具与工件表面的损伤，设置了抬刀控制电路，刀架的抬刀分别由4个抬刀电磁铁使刀架抬起，工作台前进时KM16断电，垂直刀架靠自重落下，侧刀架靠压簧拉回，KM16的自锁触点防止后退时按下停止按钮，仍使KM16保持吸合，避免刀具落下使刀具或工件表面碰坏。

刨削加工时，将对应的刀架开关扳到“接通”位置，当工作台后退时，KA4通电触点KA4（1-5）闭合，接触器KM16通电并自锁，KM16常开触点闭合，抬刀电磁铁通电，推动顶销将刀板顶起，实现抬刀。

工作台后退换前进时，KA2通电，触点KA2（5-7）断开，接触器KM16断电，常开触点KM16恢复，抬刀电磁铁断电，抬刀结束。

注意：

由于抬刀电磁铁的电感很大，突然断电时感应出高电压，为了避免将线圈绝缘击穿，在电磁铁上并联放电电阻，其阻值约为电磁铁线圈直流电阻的5倍。

2.2.3主拖动调速系统工作原理

为了改善调速系统的静态和动态性能，在电机放大机AG的三个控制绕组分别引入各种反馈信号，各绕组所加的信号作用如下：

（1）控制绕组KⅢ

控制绕组KⅢ是给定信号、电压负反馈和电流截止负反馈环节的综合控制绕组。

①给定信号：

它是从调速电位器RP1或RP2上取出的，机组起动后，时间继电器KT4动作，励磁机G2所发出的直流电压U1就加在电位器RP1、电阻1R和电位器RP2上。

RP1用于工作台前进调速，RP2用于工作台后退调速，调节RP1或RP2可改变前进或后退给定电压UG2加到KⅢ绕组上的数值，控制了电机扩大机AG对直流发电机G1的励磁，从而达到调速目的。

②电压负反馈信号：

电阻2R与发电机G1的电枢并联，从2R的抽头（200）和端点S2-G1之间取出的电压与发电机电枢的端电压成正比，它与给定信号电压是以相反的极性串联相接而加入控制绕组KⅢ，从而形成一个电压负反馈的自动调速闭环系统。

因此由2R取出的电压加给扩大机制信号也就是发电机端电压的电压负反馈信号。

这一负反馈信号是用来提高主电动机机械特性的硬度，以及加速主电动机的起动、反向和制动的过渡过程。

③电流截止负反馈信号：

为了限制电动机的最大电枢电流，防止传动机构的过载，在扩大机的控制绕组KⅢ中还加入了主电动机电流截止负反馈信号。

与主电机电枢电流成正比的信号电压Uab，是从R4与发电机换向绕组H1/2-G1和电动机换向绕组H1/2-M1串联后的两端并联上取出，R4不同两端的电压Uab与比较电压Ub进行比较，当Uab＞Ub+UV（VD1或VD2）时，VD1或VD2导通。

由Uab产生的电流经过KⅢ绕组产生的磁通与给定电压产生的UG2磁通相反，起去磁作用，使扩大的磁势减小，输出电压降低，发电机电势上升减慢，从而限制了主回路电流的上升，主回路电流越大，电流截止负反馈越强，电动机转速将明显下降，直至堵转状态。

因此加入电流截止负反馈使系统得到了下垂的机械（挖土机特性），同时还能起到加快系统的过渡过程。

（2）控制绕组KⅡ

是构成与主电动机的电枢电流成比例的电流正反馈绕组，它是由R4分压后加到扩大机控制绕组KⅡ上，KⅡ产生的磁通与给定电压在控制绕组KⅢ上产生的磁通方向相同。

又因反馈电压与主回路电流成正比，所以形成了电流正反馈，起到了补偿发电机、电动机换向绕组的电压降所对应的转速降，进一步改善机械特性的硬度，并加速系统的过渡过程。

（3）控制绕组KⅠ

控制绕组KⅠ与3R、R10、发电机的励磁绕组F和电阻R8组成电桥稳定环节，在稳定状态下调节R3、R8、R10使电桥达到平衡，即R1/R2=RL/R10。

接在电桥对角线上的扩大机控制绕组无电流，这个环节不起作用。

当扩大机的输出电压增大的瞬间，R1、R2上电流也增大，而RL、R10上电流增大比较慢，电桥失去平衡并输出电压，R3抽头处为“+”，RL下端为“-”，因此KⅠ绕组上有电流流过，由于KⅠ绕组产生的磁通起去磁作用，因而减缓了扩大机输出电压的上升速度。

扩大机的电压上升越快，桥形稳定环节产生的电流越大，在KⅠ控制绕组上的去磁作用越强，对电压上升速度的抑制作用越强，从而达到了稳定系统、减小系统振荡的目的。

（4）制动时加入欠补偿环节与自消磁电路

为了防止主电动机在停车后的“爬行”现象，在调速系统中还设有自动消除发电机剩磁的控制电路。

这一电路是在给定信号切断之后，当主电动机的转速已经制动到很低的转速时，由于时间继电器KT4的触点280-KⅢ2和270-（S1-AG）自动延时接入的，其中触点280-KⅢ2是用来将发电机的剩磁电压的大部分以负反馈方式接入扩大机制控制绕组KⅢ，使扩大机反向励磁，从而输出与原来极性相反的电压以抵消发电机中的剩磁，使发电机的剩磁电压迅速减小。

与此同时，KT4另一对触[270-（S1-AG）]则将扩大机的电枢经R7短接，以构成扩大机的过度欠补偿电路。

这时，扩大机的直轴电枢电流因R7的接入而增加，直轴反应也加大，但增加的电枢电流未补偿绕组（B1-AG、B2-AG），因此扩大机就处于过度的欠补偿状态，端电压将迅速下降，从而有效地减小了扩大机的剩磁，加强了主电动机停车后的稳定性。

2.2.4主拖动的电气控制电路

（1）工作台往复运动与行程开关的布置

工作台的自动循环如图所示：

在工作行程中，工作台先以低速起动向前，当刀具切入工件后工作台再转为工作速度前进；当刀具快要切出工件时，工件台又转为低速；切出工件后，工作台制动并反向起动，开始返回行程；在返回行程中工作台先以高速退回，接近终了时，再转为低速以克服工作台的惯性。

退出工件后，工作台制动停止并反向起动，再次开始工作行程。

（2）控制线