龙门刨床控制系统设计汇编.docx
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龙门刨床控制系统设计汇编
基于PLC、变频器的龙门刨床控制系统设计要求
一、龙门刨床系统介绍
龙门刨床是一种广泛使用的金属切削加工机床，是具有门式框架和卧式长床身的刨床，是许多大型企业不可缺少的设备。
龙门刨床主要用于刨削大型工件，也可在工作台上装夹多个零件同时加工，是制造重型设备（如大型轧钢机，汽轮机，发电机，矿山设备等）不可缺少的工作母机，是用来加工各种平面、斜面、槽，更适合于加工大型而狭长的工件的机床设备（如机床的床身，箱体，导轨等），在机械加工行业里应用十分广泛。
龙门刨床主要分为机械控制和电气控制两大组成部分，生产工艺对刨床电力拖动自动控制系统的要求也越来越高，要使龙门刨床运行在最优状态主要取决于电气控制部分。
龙门刨床工作时需要控制的对象:
●工作台的运动：
工作台的人工点动运行（进\退），自动往复循环运行及速度变换。
●刀架的运动：
垂直刀架和左、右侧刀架的自动进给、手动快速移动；
●横梁升降和夹紧等；
1.龙门刨床的基本结构
龙门刨床主要用来加工各种平面、斜面、槽，更适合于加工大型而狭长的工件，如机床床身、横梁、立柱、导轨和箱体等。
龙门刨床的结构如图9-1所示，主要由以下七个部分组成。
图1.1龙门刨床的结构
（1）机座：
是一个箱形体，上有V形和U形导轨，用于安置工作台。
（2）工作台：
也叫刨台，用于安置工件。
下有传动机构，可顺着床身的导轨作往复运动。
（3）立柱：
用于安置横梁及刀架。
（4）横梁：
用于安置垂直刀架，在切削过程中严禁动作，仅在更换工件时移动，用以调整刀架的高度。
（5）垂直刀架：
横梁上一般装有左右两个垂直刀架，由一台三相交流异步电动机驱动，通过机械结构切换驱动哪个刀架。
垂直刀架具有自动进给和手动快速移动两种工作方式，每种工作方式下垂直刀架都具有垂直上、下，水平左、右移动四个运动方向。
横梁上的刀架，可在横梁导轨上作横向进给运动，以刨削工件的水平面；刀架亦可偏转一定角度以刨削斜面。
（6）左右侧刀架：
在两个立柱上还安装有可沿立柱上下移动的左、右侧刀架,它们各自由一台三相交流异步电动机驱动，左右侧刀架具有自动进给和手动快速移动两种工作方式，每种工作方式下左右侧刀架只具能沿立柱导轨作上、下运动，以刨削垂直面，以扩大加工范围。
（7）主拖动电机：
用于拖动工作台的往返运动。
龙门刨床工作台的往复运动为主运动。
龙门刨床上的工件一般用压板螺栓压紧，龙门刨床的工作台带着工件通过门式框架作直线往复运动，空行程（快退）速度大于工作行程（切削）速度。
机床工作台的驱动可用交流异步电动机+变频器的控制方式，调速范围较大，在低速时也能获得较大的驱动力。
工作台既可作快速的运动，也可作慢速的进给运动，
横梁可沿立柱导轨上下升降，以调整刀具和工件的相对位置。
工作台回程时能机动抬刀，以免划伤工件表面。
图1.1A龙门刨床产品图片
2.龙门刨床的运动及工艺、技术要求
龙门刨床的运动
主运动：
机床的主运动是指工作台纵向往复运动。
龙门刨床的刨削过程是工件与刨刀作相对运动的过程。
为此工件必须与工作台一起频繁地进行往复运动，工件的切削加工仅在工作行程中，返回行程是空行程。
辅助运动：
指横梁的上下移动，垂直刀架沿横梁的左右移动，侧刀架在立柱上的上下运动。
各运动部分的工艺要求
（1）工作台的运动
◆对工作台运动（主运动）的控制要求
龙门刨床工作台的主运动分为点动运行和自动循环两种方式。
◎点动控制即步进（点动前进）和步退（点动后退），调试及对刀时用，目的是调整工作台到达合适位置，以便摆放加工工件。
步进、步退阶段是工件加工前的准备阶段。
工作台步进或步退时，挡块（见图1.2）不能压住前进换向行程开关BG2或后退换向行程计关BG4，如果压住它们，应松开档块，调整挡块位置，使挡块处于这两个行程开关之间。
在工作台步进、步退阶段，首先要求油泵先起动，油压升到设定值时，油压继电器动作，另外要求风机和变频器运转正常。
满足以上条件时，按下工作台步进或步退按钮，可以使工作台点动前进（或点动后退）；当工作台到达需要的位置时，松开该按钮，工作台即停止运动。
步进与步退必须互锁。
“步进”或“步退”是为了调整机床工作台的位置，只能点动控制，此时主运动多采用较低的速度。
◎工作台自动循环往返运动
工作台自动循环往返运动是对工件进行加工的过程。
在B2012A型龙门刨床的床身上装有6个行程开关。
前进减速BG1、前进换向BG2、后退减速BG3、后退换向BG4、前进终端保护限位BG5、后退终端保护限位BG6。
工作台侧面装有A、B、C、D4个撞块，如图1.2所示，减速与换向行程开关的工作情况如表1-1所示。
图1.2行程开关布置示意图
当横梁已经夹紧，风机和油泵已经工作，并且机床润滑油供给情况正常（油压升到设定值时，油压继电器动作），变频器处于正常状态时，工作台自动往返工作将处于准备状态。
龙门刨床在刨削加工时；工作台应能自动往复运动（见图1.2），往复运动中的速度能按照下列要求相应变化：
◎开始加工前，工作台处于原位，此时撞块C压合限位BG3（BG3动作），撞块D压合限位BG4（BG4动作）；BG1和BG2没有被压合，两限位开关处于复位状态。
◎刀具慢速切入：
加工开始时，为减小刀具切入工件时的冲击而使工件边沿崩溃，工作台应降低速度使刀具慢速切入；慢速切入期间（t1段），撞块D先离开限位BG4（BG4复位），工作台低速前进一段后，撞块C离开限位BG3（BG3复位）。
◎刨削加工恒速：
刀具切入工件后，工作台速度开始上升，增加到规定值，并保持恒定（t2段），使得工件表面均匀光滑；t2段四个限位开关都没有压合。
◎刀具慢速退出：
在刀具离开工件之前，为防止工件边缘剥裂，工作台速度应降低，使刀具慢速切出，也可减小工作台对机械的冲击；当工作台前进到撞块A压合限位BG1（BG1动作）时，工作台开始减速（t3段）。
◎工作台前进换向：
当切削完毕，工作台到达前进结束位置时，刀具离开工件，撞块B压合限位BG2（BG2动作,此时BG1仍保持压合），工作台停止前进，开始换向。
在返回之前，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。
◎快速返回和缓冲过渡过程：
由于返回行程比工作行程速度高，为减小反向冲击和停车的超程，也要求在返回行程的末尾先减速，然后停车再换向，这样既准确又可以减少对机械和电机的冲击。
其速度曲线如图1.3所示。
工作台开始回退时，撞块B离开限位BG2（BG2复位，BG1仍保持压合），工作台高速回退，退一小段后撞块A离开限位BG1（BG1复位），工作台继续高速回退。
当工作台回退到接近原位时撞块C压合限位BG3（BG3动作）时，工作台开始减速回退。
当工作台又回退到原位时，撞块D压合限位BG4（BG4动作，BG3仍保持压合）时，工作台回退到原位，停止或开始换向。
图1.3龙门刨床工作台自动运行图
在自动循环工作方式下（切削过程中），在工作台由返回行程转到工作行程的期间，刀架会进行一定量的进给。
由于工作台直线往返运动，经常处在速度变化和反向的过度状态，为提高机床生产效率和防止刨台“脱轨”，要求系统的过渡过程时间要短，而且传动要平稳。
限位开关BG5是工作台前进超限保护限位开关，限位开关BG6是工作台后退超限保护限位开关，正常情况下限位开关BG5、BG6处于复位状态，只有换向限位BG2、BG4失效（故障）时，工作台超出换向限位位置时，才会被压合，作用是切断电路，使工作台停下来。
工作台停止时有制动，防止“爬行”；
四个限位开关的通断规律见表1-1。
由表1-l可知，工作台停在返回行程终了位置时，BG1-b、BG2-b、BG3-a和BG4-a触点是闭合的，BG1-a、BG2-a、BG3-b和BG4-b触点是断开的。
此时，若按下起动按钮，刨床工作台将按图1.3所示的规律运行，即正向起动慢速切入→工作进程→慢速退出→反向起动并快速退回→反向减速。
◆主运动的调速范围
加工不同的工件需要使用不同的刀具，要求机床具有不同的速度以满足生产工艺的要求。
B2012A/型龙门刨床的主电动机工作台前进（切削工件）时的最大转速约500r／min（33.33Hz），工作台后退时的最大转速为700r／min（46.67Hz）。
慢速切入时的最低速度为50rpm／min（3.33Hz）。
即调速范围为14：
l，见表1-5。
◆主运动的静差度
实际加工过程中由于工件表面不平及材料的不均匀性，将会导致刨削力波动，为保证工作台速度不致因负载波动而变化太大，因此对系统的静差度有一定的要求。
B2012A型龙门刨床要求的直线度为S＝0.015。
（2）龙门刨床的刀架结构、运动控制及进刀量的控制
◆对刀架运动的基本要求
龙门刨床装有左侧刀架、右侧刀架和横梁上的左、右垂直刀架；它们分别由三台交流异步电动机来拖动（如图中MA5、MA6、MA7）。
刀架的控制电路用于控制刀架的快速移动与自动进给。
刀架具有自动进给和快速移动两种控制方式。
刀架的快速移动/自动进给方式选择是由进刀箱上的机械手柄的位置来决定。
机械手柄的位置与限位开关的关系及刀架控制要求如下：
●垂直刀架快速移动/自动进给切换的机械手柄打向：
选择快速移动时：
行程开关BG21释放，常闭触点闭合，常开触点断开；
选择自动进给时：
行程开关BG21压合，常开触点闭合，常闭触点断开；
●垂直刀架在每种工作方式下（快速移动/自动进给）都有水平左右进刀、垂直上下进刀四个方向的动作，这些都是由一台垂直刀架电动机MA5来完成的。
★垂直刀架快速移动时，电动机只能正转，快速移动正反方向是靠装在进刀架侧面的进刀手柄（选择快进、快退）来控制，即由机械部分实现方向切换。
★垂直刀架自动进给时，选择水平左右进刀、垂直上下进刀的方向也是靠机械手柄来实现的，即由机械部分实现。
垂直刀架运动方向选择左右时，手柄打在行程开关BG24压合位置，
垂直刀架运动方向选择上下时，手柄打在行程开关BG24释放位置
★垂直刀架自动进给时，刀架的正向进给和反向退刀则是通过控制垂直刀架电动机正反转来实现。
●左侧刀架快速移动/自动进给切换机械手柄打向：
自动进给位置时：
行程开关BG22压合，常开触点闭合；
快速移动位置时：
行程开关BG22复位，常闭触点闭合；
左侧刀架只能沿垂直方向上下运动。
●右侧刀架快速移动/自动进给切换机械手柄打向：
自动进给位置时：
行程开关BG23压合，常开触点闭合；
快速移动位置时：
行程开关BG23复位，常闭触点闭合；
右侧刀架只能沿垂直方向上下运动。
垂直刀架、左侧刀架、右侧刀架快速移动与自动进给不能同时进行。
●刀架快速移动的条件：
工作台处于静止状态，刀架自动进给手柄断开，刀架退刀电动机未动作。
此时按刀架快速移动按钮，电机正转，刀架快速移动，到达所需位置时，松开按钮，刀架快移过程结束。
刀架快速移动的正反方向由机械手柄来切换，快速移动时刀架电动机只能正转。
●刀架自动进给：
工作台处于自动运行状态时，刀架应该选择自动进给，即工作方式选择手柄打在使BG21（BG22、BG23）压合的位置。
刀架自动进给分为自动进刀和自动退刀，自动进刀在工作台后退换向时进行。
自动退刀在工作台前进换向时进行。
② 若刀架选择自动进给，则进给在每次刨台后退结束时自动进行，进刀量的多少由机械机构控制。
③ 在刨台自动循环时，刀架只能自动进给，不能快速移动。
④ 刀架的移动都由限位控制。
见表1-2。
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。
6刀架的快速移动、进刀、退刀和抬刀要与工作台的运动有机地配合；在调节时刀架应能快速移动。
★★参考资料1
【传统的B2012A型龙门刨床--刀架的控制工艺和传统线路（此电路只能用于帮助你了解控制工艺）
1）B2012A型龙门刨床的刀架结构：
●两个垂直刀架（左右）：
由一台交流电动机MA5拖动，靠机械手柄切换驱动哪个垂直刀架。
●左侧刀架：
由一台交流电动机MA6拖动，
●右侧刀架，由一台交流电动机MA7拖动。
2）垂直刀架的控制要求：
●垂直刀架具有的工作方式：
快速移动和自动进给，都由一台交流电动机MA5拖动。
垂直刀架的快速移动/自动进给工作方式由装在进刀箱上的机械手柄来切换。
●垂直刀架的快速移动/自动进给运动方向及选择：
垂直刀架的快速移动和自动进给都有水平左右进刀、垂直上下进刀四个方向的动作，用装在进刀箱上选择方向的机械手柄来选择。
3）垂直刀架控制线路
垂直刀架有两个，每个刀架有快速移动和自动进给两种工作状态，每种工作状态有水平左右进刀、垂直上下进刀四个方向的动作，这些都是由一台垂直刀架电动机MA5来驱动的。
●垂直刀架的快速移动：
★工作台后退换向时，SQ7-2常开接点闭合，使得KA5线圈得电；
工作台前进换向时，SQ11-2常开接点闭合，使得KA6线圈得电；
★快速移动/自动进给工作方式选择机械手柄：
机械手柄选择快速移动时，常闭触点SQ1－1（48区）闭合，常开触点SQ1—2（50区）断开；
机械手柄选择自动进给时，常闭触点SQ1－1（48区）断开，常开触点SQ1—2（50区）闭合；
在调整机床时，有时为了缩短调整时间，需要刀架作快速移动，这时可将装在进刀箱上的机械手柄（工作方式选择）扳到快速移动位置，使位置开关SQ1的常闭触点SQ1－1（48区）闭合，常开触点SQ1—2（50区）断开；并将装在进刀箱上（选择快速移动正反方向）的机械手柄和选择运行方向的手柄（选择左右/上下移动）放在所需位置，按下按钮SB3（48区），接触器KM4线圈获电吸合，KM4主触点（29区）闭合，垂直刀架电动M5起动运转，通过机械机构，带动垂直刀架向所需方向快速移动。
垂直刀架快速移动时，中间继电器KA5和KA6的常开触点（52区和53区）是断开的，故反转接触器KM5线圈不会获电动作。
注意：
快速移动工作方式下刀架电动机只能正传，而刀架的快速移动正反方向的改变是通过装在进刀架侧面的进刀子柄（机械手柄）来实现。
垂直刀架快速移动的条件如下：
工作台应处于静止状态；垂直刀架运行方式选择手柄打在快速移动位置，限位BG21不压合；垂直刀架电动机没有退刀动作（QA42不动作）。
此时按垂直刀架快速移按钮SF8，接触器QA41线圈动作，电机MA4正转，垂直刀架按设定方向快速移动，到达所需位置时，松开按钮SF8，垂直刀架快移过程结束；垂直刀架快速移动的正反方向由机械手柄来切换，电动机此时只能正转。
●垂直刀架的自动进给
当需要垂直刀架作自动进给时，将手柄扳到自动进给位置，使位置开关SQ1压下：
则常闭触点SQ1-1断开，常开触点SQ1-2闭合（50区）。
★当工作台后退换前进时，中间继电器KA5线圈得电，KA5的常开触点（49区）闭合；KA6的常开触点（50区）断开，接触器KM4线图获电吸合，垂直刀架电动机M5正转，使刀架随选定的方向进刀；
★当工作台前进换后退时，中间继电器KA6线圈得电，KA6的常开触点（50区）闭合；KA5的常开触点断开（49区），接触器KM5线圈获电吸合，垂直刀架电动机M5反转，使刀架复位，准备下一次进刀。
由此可见，垂直刀架的自动进给时，进刀及退刀是通过控制电动机的正反转来实现的。
工作台处于自动往复运行状态时，垂直刀架应该选择自动进给，即工作方式选择手柄打在使BG21压合的位置。
垂直刀架自动进给分为自动进刀和自动退刀，自动进刀在工作台后退换向时进行。
自动退刀在工作台前进换向时进行。
4）左、右侧刀架控制线路
左、右侧刀架的工作情况与垂直刀架基本相似，所不同的是：
★左右侧刀架只有上、下两个方向的移动；
★另一个不同点是，左右侧刀架线路是经过位置开关SQ4和SQ5的常闭触点和按钮SB6接到电源。
按下按钮SB5，电动机M7启动运转，左侧刀架作快速移动，当按下按钮SB4时，电动机M6启动运转，右侧刀架作快速移动，
SQ4和SQ5是刀架与横梁的位置开关。
】
（3）龙门刨床的刀架进给、快速移动方式选择手柄
龙门刨床的刀架进给、快速移动方式选择手柄，其传动示意图如下图，进刀机构为机械式进刀方式。
蜗杆经电动机传动从而带动蜗轮转动，齿轮处在左位时，结合子1和结合子2结合，进刀机构处在快速工位。
当齿轮处在右位时，进刀机构处在进给工位，结合子3和结合子4结合，超越离合器带动齿轮旋转。
通过改变超越离合器可转动的角度，使齿轮转动不同的角度，从而获得刀架不同的进给量。
传统的龙门刨床多采用该类型的刀架进给机构，是典型的间歇进给运动。
进刀与快速退刀的电动机运行速度相同，行程不同。
◆进刀量的控制
① 刨台在往复运动过程中，每次从刨台返回转为刨台前进时，刀架应进行一次进刀（即进给）运动，进刀量通常通过机电结合的方式进行控制，具体结构如图1.4所示。
② 当刨台返回终了、准备反向时，给出进刀信号，刀架电动机开始旋转，刀架进刀。
与此同时，进刀圆盘也开始转动，如图中虚线框内所示，当圆盘上的齿顶开继电器时，刀架电动机断电，停止进刀，不同的进刀量将通过不同的圆盘来控制。
图1.4进刀控制结构
（4）龙门刨床横梁的夹紧、放松及升降
横梁的上升、下降由一台三相笼型异步电动机控制，横梁的夹紧、放松也由一台三相笼型异步电动机控制。
横梁上升时，自动按照先松开横梁→横梁上升→横梁夹紧的顺序动作；
横梁下降时，自动按照先松开横梁→横梁下降→横梁回升→横梁夹紧的顺序动作。
横梁放松时由限位开关控制，放松到位开关BG7动作，切断横梁放松电动机（接触器）线圈，接通横梁升降电动机（接触器）线圈回路；当通横梁升降完成时，横梁开始夹紧。
横梁夹紧到位时，过电流继电器动作，返回初始步。
横梁在运动过程中如果碰到限位开关（BG11、BG12或BG13，使其常闭触点断开），将会结束上升或下降，返回初始步，为反方向的操作做好准备。
表1-2龙门刨床运动部分限位开关一览表
序号
限位开关名称
电器代号
1
工作台前进减速行程开关
BG1
动作时序见表1-1
2
工作台前进换向行程开关
BG2
动作时序见表1-1
3
工作台前进终端限位开关
BG5
前进超限时压合。
4
工作台后退减速行程开关
BG3
动作时序见表1-1
5
工作台后退换向行程开关
BG4
动作时序见表1-1
6
工作台后退终端限位开关
BG6
后退超限时压合。
7
横梁放松限位开关
BG7
放松到位，限位BG7动作
8
横梁上升限位开关
BG13
横梁上升到位，限位BG13压合。
9
左侧刀架允许限位
BG11
左侧刀架升到横梁限定位置时，限位BG11压合
10
右侧刀架允许限位
BG12
右侧刀架升到横梁限定位置时，限位BG12压合
11
垂直刀架快速移动/自动进给切换手柄
BG21
手柄打向自动进给时BG21压合，常开闭合，常闭断开
12
左侧刀架快速移动/自动进给切换手柄
BG22
手柄打向自动进给时BG22压合，常开闭合，常闭断开
13
右侧刀架快速移动/自动进给切换手柄
BG23
手柄打向自动进给时BG23压合，常开闭合，常闭断开
垂直刀架运动方向选择手柄左右、上下
BG24
垂直刀架运动方向选择手柄左右时BG24压合
垂直刀架快速移动正反方向选择手柄
14
润滑控制继电器
KF0
润滑正常时，继电器触点闭合
表1-3龙门刨床控制按钮一览表
序号
按钮开关名称
电器代号
1
系统总起动按钮
SF01
2
系统总停止按钮
SF02
3
垂直刀架手动快速移动按钮
SF1
4
左侧刀架手动快速移动按钮
SF2
5
右侧刀架手动快速移动按钮
SF3
6
横梁上升手动控制按钮
SF4
7
横梁下降手动控制按钮
SF5
8
润滑油泵起动按钮
SF6
9
润滑油泵停止按钮
SF7
10
工作台步进按钮
SF8
调整机床时，工作台以较低的速度步进
11
工作台步退按钮
SF9
调整机床时，工作台以较低的速度步退
12
工作台工进启动按钮
SF10
加工工件时用
13
工作台工进停止按钮
SF11
表1-4龙门刨床抬刀控制与电磁铁一览表
序号
按钮开关名称
电器代号
1
左侧垂直刀架电磁铁
MB1
2
右侧垂直刀架电磁铁
MB2
3
左侧刀架电磁铁
MB3
4
右侧刀架电磁铁
MB4
5
工作台后退行程抬刀继电器
KFTD
设置必要的联锁
为保证刨床的各部位动作协调、工作安全可靠，避免因机床的误动作而造成入身事故，机床必须设置必要的连锁装置。
例如在工作台越位、横梁或刀架快速移动时，连锁功能能使工作台停止运动。
（5）B2010A/1型6米龙门刨床的技术参数
1．技术性能
1）输入电源：
三相四线（～380V±10%50Hz）
2）工作环境：
温度-10℃～+40℃相对湿度＜85%（25℃）海拔<4000m
3）装置容量：
＜1KW
4）外形尺寸（长×宽×高毫米）：
12900mm×3730mm×2780mm
2．技术参数
产品名称型号龙门刨床B2010A/1
最大刨削宽度×最大刨削长度（毫米）1000×6000
最大加工高度（毫米）800（毫米）
最大加工重量（吨）9（吨）
工作台面尺寸（长×宽）（毫米）6000×900（毫米）
工作台速度（级数/范围米/分）无级6-90（米/分）
工作精度（直线度毫米/分）0.015（毫米/分）
外形尺寸长×宽×高（毫米）12900×3730×2780
T型槽数量5
T型槽宽度28mm
T型槽间距170mm
横梁刀架进给量水平0.2-20m/min,垂直0.15-7.5m/min
侧刀架进给量垂直0.2-11.5m/min
横梁刀架快速移动速度水平1.6m/min,垂直0.6m/min
侧刀架快速移动速度0.85m/min
刨刀杆的最大截面60×60
横梁升降速度0.57m/min
主电机总容量60
生产厂济南第二机床厂
级数范围（米/分）
工作台自动运行的实际曲线如图1.3所示，一段速度切换到另一段速度，都有一个上升时间或下降时间。
B2010A/1型六米龙门刨床，其速度设定值如表1-5所示。
3.刨台运动的机械特性曲线
龙门刨床刨台的运动特性分两种情况：
（1）低速区：
刨台运行速度较低时，刨刀允许的切削力由电动机的最大转矩决定。
电动机确定后，即确定了低速加工时的最大切削力。
因此，在低速加工区，电动机为恒转矩输出。
（2）高速区：
刨台运行速度较高时，切削力受机械结构的强度限制，允许的最大切削力与速度成反比，因此，电动机为恒功率输出。
龙门刨床拖动系统变频调速的可行性分析
根据变频调速理论可知，当频率低于额定频率时，电动机调速具有恒转矩输出特性，而当高于额定频率时，电动机电压不能升高，具有恒功率输出特性。
因此。
采用变频调速时，电动机的机械特性曲线刚好与刨台运动所对应的特件曲线相符。
由此可见，适宜于采用变频调速替代传统的龙门刨床主拖动系统，并可使电动机的工作频率适当提
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