基于PLC及变频器的BA龙门刨床改造.docx

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基于PLC及变频器的BA龙门刨床改造

课程设计任务书

题目龙门刨床控制系统PLC变频器改造

小组组长李利杰

小组成员齐运沼、赵国杰

主要内容:

1.工作台变频调速及PLC控制

2.刀架变频器调速及PLC控制

3.横梁及辅助运动控制

4.课程设计总结

基本要求:

1.龙门刨床的工艺加工方法不变

2.在保留主电路的原有原件基础上，不改变原控制系统操作方法

3.电气控制系统控制元件（包括按钮、行程开关、热继电器、接触器），作用与原电气线路相同

4.主轴和进给起动、制动和变速的操作方法不变

5.改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC编程实现

主要参考资料：

1.刘洪涛，黄海《PLC应用开发从基础到实践》，北京：

电子工业出版社，2007年

2.卢伟岸《大型龙门刨床电控系统的研制》，[学位论文]，武汉，中南大学，2004年

3.向六昭《龙门刨床电气控制系统的改造设计》，载《中国西部科技》2008年第10期

4.李发海，王岩《电机与拖动基础》，北京:

清华大学出版社,2005年

5.蔡红斌《电气与PLC控制技术》，北京：

清华大学出版社，2007年

6.FR-A740变频器用户手册

完成期限：

指导教师签名：

课程负责人签名：

2012年6月6日

1.龙门刨床运动形式及改造要求1

1.1龙门刨床结构及运动形式1

1.2龙门刨床电气控制改造目的及意义2

1.3龙门刨床电气控制改造总体要求3

1.4龙门刨床电气控制改造方案4

2.工作台变频调速及PLC控制5

2.1工作台运动及调速要求5

2.2工作台调速方案7

2.3工作台电气控制输入、输出确定8

2.4工作台电气控制接线图9

3.刀架变频调速及PLC控制12

3.1刀架运动及调速要求12

3.2刀架调速方案12

3.3刀架电气控制输入、输出确定13

3.4刀架电气控制接线图14

3.5刀架PLC电气控制程序15

4.横梁及辅助运动控制16

4.1横梁运动形式及拖动方式16

4.2油泵控制16

4.3铣磨头变频调速控制方案16

4.4横梁及其它辅助运动电气控制输入、输出确定17

4.5横梁及其它辅助运动PLC控制原理图18

4.6横梁及其它辅助运动控制程序19

5.课程设计总结20

5.1龙门刨床电气控制改造意义与可行性分析20

5.2龙门刨床电气控制改造效果和解决的主要问题20

5.3心得体会与建议20

5.4结束语21

1.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：

图2龙门刨床结构示意图

如图2所示，工作台放在床身上，工作台由直流电动机拖动可在床身上作往复运动。

当工作台带动工件运动时，刨刀对工件进行刨削加工。

刨刀装在垂直刀架或侧刀架上。

侧刀架可上下移动并横向进给，它又分为左侧刀架和右侧刀架。

垂直刀架装在横梁上，它可作横向移动和垂直进给，它又分为左垂直刀架与右垂直刀架。

横梁可沿着立柱作上下移动。

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。

龙门刨床的运动可分为主运动、进给运动与辅助运动。

主运动是指工作台的往复运动，进给运动是指刀架的进给，辅助运动是调整刀具运动（如横梁的夹紧与放松、横梁的上升与下降、刀架的快速移动与抬刀等）。

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、加工质量及生产效率低。

如今PLC及变频器技术不断发展，用PLC设计电气控制系统是简便可行的方法。

本题的改造目的是利用可编程控制器及变频器实现对龙门刨床的自动化控制和平滑调速，消除换向冲击，提高工作效率，减少噪声，取缔原控制系统，从而使龙门刨床既经济又快捷的运行，让龙门刨床复杂的电气控制系统变的简单、清晰、明了，使龙门刨床运行稳定和便于维护。

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。

1.3龙门刨床电气控制改造总体要求

1要求有宽广的调速范围

由于加工的材料和零件不同，所使用的刀具也会不同（例高速钢刀具。

硬质合金刀具等），这就要求机床有不同的速度，以便满足不同加工工艺的要求。

2电气控制电路能保证机床可靠地自动工作

在高速切削时，是为了减小刀具的冲击，应使刀具慢速切入工件。

若切削速度与冲击为刀具所能承受时，利用转换开关，可以取消慢速切入。

在工作台前进与返回行程末尾，工作台能自动调速，以保证刀具慢速离开工件，防止工件边缘剥裂，同时可减小工作台反向时的冲程和对电动机及其他机械的冲击。

3工作台能够按照需要实现自动往返循环

工作台前进行程中，刀架自动进给。

后退行程中，刀架自动抬起。

工作台在行程末尾可进行减速、反向等运动的自动变换。

4工作台速度调整无须停车

5刀架能自动进给和快速移动

6系统的机械特性要有一定的硬度

为了避免因起切削符合发生变化引起的工作台速度有较大的波动，以至于影响加工工件表面的质量，同时系统的机械特性应具有下垂特性，当负荷过大时，能使拖动工作台的电动机的转速迅速下降，直至停止，从而达到保护电动机及机械装置的目的。

7有必要的联锁保护

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4.5ｍ／ｍｉｎ，最高刨削速度是90ｍ／ｍｉｎ，调速范围为20：

1。

龙门刨床的调速采取两级齿轮变速箱的机电联合调速方法，即45ｍ／ｍｉｎ以下为低速挡，45ｍ／ｍｉｎ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0.05～0.1，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，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；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。

1.4龙门刨床电气控制改造方案

基于以上分析，我们采用PLC和变频器对其进行改造。

工作台的主运动只需一台59KV·A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6.5KV·A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。

系统图如图3所示。

图3龙门刨床变频调速系统图

2.工作台变频调速及PLC控制

2.1工作台运动及调速要求

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性要求，进而降低主拖动电动机的设计功率。

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4所示。

图4变频调速的机械特性

工作台行程速度：

（1）刨削：

5~70m/min。

；

（2）铣削：

0.08~2m/min；

（3）磨削：

1~3m/min；

1.工作台正向运动

（1）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。

2.2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5所示。

图5工作台控制主程序流程图

1.变频调速的指标

（1）工作台行程速度（配刨、铣变速箱）。

　　1）刨削：

5～70m／min无级调速。

　　2）铣削：

0.08～2m／min无级调速。

　　3）磨削：

1～3m／min无级调速。

2.电机及变频器选择

工作台移动电机选用四极三相交流55kw电机，额定转速为1440转/分，变频器选择FR-A740-55k-CHT。

变频器相关设置如表1

表1：

工作台变频器设置

Pr0

转矩提升

Pr9

150A

过流保护

Pr1

60Hz

上限频率

Pr13

0.5Hz

启动频率

Pr3

50Hz

基底频率

Pr79

组合操作

Pr4

50Hz

高速

Pr71

电机选择

Pr5

35Hz

中速

Pr80

55kw

电机容量

Pr6

10Hz

低速

Pr81

电机极数

Pr7

加速时间

Pr83

380v

额定电压

Pr8

减速时间

Pr84

50Hz

额定频率

2.3工作台电气控制输入、输出确定

表2：

变频器开关

SB0

后退减速

SQ3

X13

变频器运行

前进终端

SQ5

X14

变频器故障

后退终端

SQ6

X15

工作台前进

SB9

变频器继电器

工作台步进

SB10

变频器运行显示

HL1

工作台停止

SB11

变频器故障显示

HL2

工作台点进

SB8

变频器正转输入

STF

工作台点退

SB12

变频器反转输入

STR

前进换向

SQ2

X10

变频器高速

后退换向

SQ4

X11

变频器中速

前进减速

SQ1

X12

变频器低速

2.4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．刀架既可以自动进给，也可以快速移动，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。

3.2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动机实现进刀量的无级调速方案。

1．刨刀架进给量范围。

（1）垂直刀架：

垂直方向为0.2～25mm／次；水平方向为0.4～50mm／次。

（2）侧刀架：

垂直方向为0.4～50mm／次。

2.电机及变频器选择

刀架移动电机选用四极三相交流1.5kw电机，额定转速为1440转/分，变频器选择FR-A740-1.5k-CHT。

变频器相关设置如表3

表3：

刀架变频器设置

Pr0

转矩提升

Pr9

过流保护

Pr1

120Hz

上限频率

Pr13

0.5Hz

启动频率

Pr3

50Hz

基底频率

Pr79

组合操作

Pr4

50Hz

高速

Pr71

电机选择

Pr5

25Hz

中速

Pr80

1.5KW

电机容量

Pr6

10Hz

低速

Pr81

电机极数

Pr7

加速时间

Pr83

380v

额定电压

Pr8

减速时间

Pr84

50Hz

额定频率

3.3刀架电气控制输入、输出确定

表4：

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

STF

Y21

垂直刀架开关

SA7

X26

变频器1反转输入

STR

Y22

电磁阀下刀

SQ4

X11

变频器1高速

Y23

电磁阀抬刀

SQ2

X12

变频器1中速

Y24

左侧刀架退刀

SB5

X27

变频器1低速

Y25

右侧刀架退刀

SB4

X30

变频器2正转输入

STF

Y26

垂直刀架退刀

SB3

X31

变频器2反转输入

STR

Y27

左侧退刀限位

SQZ

X32

变频器2高速

Y30

右侧退刀限位

SQY

X33

变频器2中速

Y31

垂直退刀限位

SQC

X34

变频器2低速

Y32

变频器1运行显示

HL3

Y10

电磁阀输出

Y33

变频器2运行显示

HL4

Y11

3.4刀架电气控制接线图

3.5刀架PLC电气控制程序

4.横梁及辅助运动控制

4.1横梁运动形式及拖动方式

横梁运动

SQ10SQ7SQ10

上升：

放松→上升→夹紧→结束

↑

SB6

SQ10SQ9SQ10

下降：

放松→下降→夹紧→结束

↑

SB7

拖动方式：

横梁的夹紧与放松由一台电机的正反转来控制，横梁的上升与下降由另一台电机的正反转来控制

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，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

油泵由油压计来控制，油泵有连续/自动切换开关,系统一得电,油泵计上油,至一定压力时,油压继电器触点闭合,为工作台工作做准备，当油量不足时油泵计失压断开，刀架停止工作。

4.3铣磨头变频调速控制方案

1.铣头转速范围

（1）铣头主轴转速：

72～540r／min无级调速。

（2）刨刀架横铣速度：

0.04～1.6m／min无级调速。

（3）刨刀架纵铣速度：

0.04～1.6m／min无级调速。

（4）静差度≤3%（低速时）。

（5）换向距离≤250nun。

2．铣磨用电机

铣磨电机选用六极三相交流2.5kw电机，额定转速为940转/分，因涉及到调速，变频器选用FR-A740-2.5k-CHT，油泵及风机因不涉及调速仍使用原有电机。

变频器设置如表5

表5：

磨铣变频器设置

Pr0

转矩提升

Pr9

6.5A

过流保护

Pr1

60Hz

上限频率

Pr13

0.5Hz

启动频率

Pr3

50Hz

基底频率

Pr79

组合操作

Pr4

50Hz

高速

Pr71

电机选择

Pr5

35Hz

中速

Pr80

2.5KW

电机容量

Pr6

15Hz

低速

Pr81

电机极数

Pr7

加速时间

Pr83

380v

额定电压

Pr8

减速时间

Pr84

50Hz

额定频率

4.4横梁及其它辅助运动电气控制输入、输出确定

表6：

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

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

Y41

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

Y46

变频器3运行显示

HL7

Y34

4.5横梁及其它辅助运动PLC控制原理图

图6横梁运动电机接线图

4.6横梁及其它辅助运动控制程序

5.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

从电动机调速理论可知，若采用变频调速，在频率低于额定频率时，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。

近几年来在工业自动化，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。

采用可编程序控制器（PLC）对龙门刨床的传统控制系统进行改造，将具有投资小、改造周期短，节能降耗、提高功效显著的优点。

5.2龙门刨床电气控制改造效果和解决的主要问题

在采用FR-A740变频器和PLC对B2012A型龙门刨床进行自动化改造后，发现无论从产品工艺性还是经济性上来说都取得了不错的效果具体情况如下：

1．工作方式：

在B2012A改造前，工作时，直流发电机组一直处于运行状态，特别是在工作间隙、测量工件时等，白白消耗大量的空载能量。

改造后，龙门刨床只是在工作台运动时才消耗能量，并且在轻载时变频器自动节能。

2．进线电流：

在改造前，大刨切削45号钢坯时，吃刀深度10mm，进刀量为1mm，检测进线电流为50A。

改造后，同样加工条件下，进线电流仅为15.5A。

3．环境改善：

改造前，发电机组工作时噪音严重，可达80dB。

改造后，检测噪音为70dB，大大改善了工作环境，利于操作工人的身心健康。

4．占地面积：

改造前，机组占地面积大，现在改造后仅为原来的10%。

5．机床维修：

改造前，机床维修量大，并且难以修理，特别是励磁发电机不发电故障。

改造后，由于变频器控制柜集中，基本上不出大的故障。

6．机床运行：

改造前，由于原B2012A机床年久失修，各处性能大不如最初，换向惯性大。

改造后，采用了先进的矢量控制，从性能、稳定性上超过原来，换向惯性小，反向快速响应。

对龙门刨床电气控制的改造解决了多

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