龙门刨床PLC变频器改造课程设计.docx

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龙门刨床PLC变频器改造课程设计

前言。

1.B2012A型龙门刨床的运动形式及改造要求3

1.1龙门刨床的结构3

1.龙门刨床简介3

2.刨床工作过程4

1.2.龙门刨床电气控制及改造意义4

1.3.B2012A型龙门刨床电气控制改造的总体要求5

1.总体设计框图5

2龙门刨床改造的总体要求5

3PLC与变频器的选型及参数确定6

4变频器选型7

1.4龙门刨床的电气控制改造方案8

2.工作台的变频调速及PLC控制9

2.1工作台的运动形式即调速要求9

1调速要求9

2工作台自动循环控制电路10

3工作台步进，步退控制10

4.刨台运动的机械特性曲线10

2.2工作台的调速方案10

2.3工作台电气控制输入、输出地址分配11

2.4工作台电气控制接线图12

2.5工作台的PLC程序13

3.刀架变频调速及PLC控制14

3.1刀架运动及调速要求15

3.2刀架的调速方案16

3.3刀架电气控制的输入输出地址分配16

3.4刀架电气控制接线图17

3.5刀架电气控制PLC图17

4.横梁及辅助部分运动控制20

4.1横梁运动形式及拖动方式20

4.2.油泵控制20

4.3铣磨头变频调速方案20

4.4横梁及其辅助运动的输入、输出地址分配21

4.5横梁及其它辅助接线图22

4.6横梁及其它辅助运动PLC控制及程序23

5.课程设计总结24

5.1龙门刨床电气控制改造意义与可行性分析24

5.2龙门刨床电气改造效果及解决的主要问题24

5.3课程设计心得与体会错误！

未定义书签。

5.4总程序图26

5.5结束语30

摘要

分析了龙门刨床的运动特点，利用PLC和变频技术对B2012A型龙门刨床进行自动化改造，以提高其加工效率和精度。

关键词：

龙门刨床；PLC；变频。

前言

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。

其电气控制系统包括工作台的主传动和进给机构逻辑时序控制两大部分。

龙门刨床工作台的行程控制多采用传统的继电器、行程开关控制方式来实现，该方式存在着故障率高、接线复杂、灵活性小、检修不方便等缺点。

这对加工性能及成本有很大的影响，有的甚至无法在一些加工要求稍高的工件场合下使用。

但是，目前部分中小型企业及高校仍广泛使用这种传统的继电器控制机床。

在资金紧张的情况下，更新机床是不太现实的。

因此，对龙门刨床加工性能和要求进行分析研究，设计一套低成本高性能的控制方案，应用于实践，可最大限度发挥龙门刨床的加工潜力，提高可靠性，降低运行成本，对老式龙门刨床的改造提高有很大的实际意义。

随着PLC在工业控制中的迅猛发展，为改变上述缺点提供了有效途径。

因此，本文作者将以B2012A型龙门刨床为例，根据龙门刨床的加工工艺特点，采用可编程序控制器（PLC）对其传统控制系统进行改造。

1.B2012A型龙门刨床的运动形式及改造要求

1.1龙门刨床的结构

1.龙门刨床简介

龙门刨床是各类机加工厂中较为常见的设备，是具有门式框架和卧式长床身的刨床。

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。

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，空行程速度大于工作行程速度。

横梁上一般装有两个垂直刀架，刀架滑座可在垂直面内回转一个角度，并可沿横梁作横向进给运动；刨刀可在刀架上作垂直或斜向进给运动；横梁可在两立柱上作上下调整。

一般在两个立柱上还安装可沿立柱上下移动的侧刀架,以扩大加工范围工作台回程时能机动抬刀，以免划伤工件表面。

机床工作台的驱动可用发电机－电动机组或用可控硅直流调速方式,调速范围较大,在低速时也能获得较大的驱动力。

龙门铣床还有一些变型以适应不同的加工对象。

①龙门铣镗床：

横梁上装有可铣可镗的铣镗头，其主轴（套筒或滑枕）能作轴向机动进给并有运动微调装置,微调速度可低至5毫米/分。

②桥式龙门铣床：

加工时工作台和工件不动,而由龙门架移动。

其特点是占地面积小，承载能力大，龙门架行程可达20米，便于加工特长或特重的工件，其外形与龙门刨床相似，区别在于它的横梁和立柱上装的不是刨刀刀架而是带有主轴箱的铣刀架，并且龙门铣床的纵向工作台的往复运动不是主运动，而是进给运动，而铣刀的旋转运动是主运动。

在龙门铣床上可以用多把铣刀同时加工表面，所以生产效率比较高，适用与成批和单件生产，用以加工中型和大型工件。

B2012A型龙门刨床主要由7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，可以往复运动。

横梁用于安装垂直刀架，刨削加工时严禁动作，只有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

2.刨床工作过程

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。

在切削过程中只有工作台由返回行程转到工作行程的期间刀假才进行一定量的进给。

其中，机床的主运动是工作台纵向往复运动，而横梁的上下移动，刀架沿横梁的左右移动，以及侧刀架在立柱的上下往复运动称作往复运动。

1.2.龙门刨床电气控制及改造意义

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。

龙门刨床工作台的行程控制多采用传统的继电器、行程开关控制方式来实现，该方式存在着故障率高、接线复杂、灵活性小、检修不方便等缺点。

这对加工性能及成本有很大的影响，有的甚至无法在一些加工要求稍高的工作场合下使用。

目前部分中小型企业及高校仍广泛使用这种传统的继电器控制机床，在资金紧张的情况下，更新机床是不太现实的。

1.3.B2012A型龙门刨床电气控制改造的总体要求

1.总体设计框图

图2

2龙门刨床改造的总体要求

B2012A型龙门刨床的主拖动系统要求比较高，它不仅要求足够大的切削功率，较大的调速范围，而且能够按照要求实现自动的速度循环。

对于刀架的移动、进刀、退刀、抬刀、横梁放松与加紧，横梁上升与下降。

工作台步进与步退等各种电动机与控制电器配合实现电器配合实现。

B2012A型龙门刨床对电气控制和PLC控制的系统要求综合起来有以下几个方面：

（1）要求有宽广的调速范围

由于在加工过程中的材料和零件不同，所使用的刀具也会不同，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。

B2012A型龙门刨床采用电机放大机作为直流发电机励磁调节器的直流发电机-电动机组系统并加一级机械变速，从而保证工作台调速范围达到20:

1工作台在低速档的速度为6——60m/min在高速档的速度为9——90m/min在低速档或高速档范围内，可实现电气的无机调速，一边生产时能选择最合理的切削速度。

（2）电气控制电路能保证机床可靠的自动工作

工作台往复运动一次后，刀架自动进给。

后退行程中，刀架自动拾起。

工作台在行程末尾可进行减速、反向等运动的自动变换。

（3）工作台能够按照需要实现自动往返循环

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，防止工件边沿崩裂，同时可减少工作台反向时的冲程和对电动机及其它机械的冲击。

（4）工作太台速度调整，且无需停车

用于磨削时，工作台应能降低速度至1m/min，以便保持磨削时工件的精度。

能自动调速，以保证刀具慢速离开工件，防止工件边缘剥裂，同时减少工作台反向时的冲程和对电动机及其它机械的冲击。

（5）进行加工时，工件装在工作台上，工作台沿床身导轨作直线往复运动。

横梁上的垂直刀架和立柱上的侧刀架都可以垂直或水平进给。

（6）系统的机械特性要有一定的硬度

为了避免因切削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，能使拖动工作台的直流电动机的转速下降，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

3PLC与变频器的选型及参数确定

1.B2010A型龙门刨床的主拖动采用最初50年代的A-G-M调速系统，即电机扩大机－直流发电机－直流电动机组系统，,采用的是机械比2：

1和电气调速范围为10：

1的机电联合调速系统。

电机扩大机-直流发电机-直流电动机（A-G-M）调速系统，它涉及电机多，占地面积大、噪声污染严重、调速范围很窄，尤其交流电动机拖动发电机浪费电能很严重，而且电控部分采用继电器逻辑控制，线路复杂，故障率高，检修、维修困难。

随着科技的进步，电力电子技术和微电子技术得到飞速的发展，以及矢量控制技术的完善，A-G-M调速系统在技术方面远远落后于日新月异的变频调速技术，使得变频调速技术被广泛使用在调速方面。

4变频器选型

根据前述龙门刨床拖动系统的工作要求，通过查阅有关资料，造多种同类变频器反复比较论证后，决定选用FRA740系列变频器。

FRA740系列变频器是日本研发生产的高品质、多功能、低噪音的矢量控制通用变频器，优越性主要表现在：

（1）有速度传感器矢量控制，调速范围为1：

1000，稳态控制精度0.05％；

（2）低频启动转矩10－100rpm时，200％的额定转矩；

（3）启动预励磁，加快矢量控制快速反应；

（4）动态转矩响应小于150ms；

（5）零伺服锁定功能，可以保护零速时150％的转矩输出；

（6）可靠的转矩限定，防止频繁跳闸；

（7）功能丰富的对话式操作面板，全系列LCD+LED显示中英文可选；

（8）具备参数的上传拷贝和下传复写功能；

（9）功能强大的后台调试监控软件，可通过内置RS485接口组网监控。

根据以上介绍，电机、变频系统选型如下：

工作台电动机：

75KW交流变频电机选用FR-F740-S75K-CH变频器；

刀架电动机：

1.5KW两台FR-F740-1.5K-CH变频器，两只50欧制动电阻.

磨头电动机：

7.5KW一台FR-F740-7.5K-CH变频器

5PLC的选型

目前，国内外众多生产厂家提供了多种系列功能各异的PLC产品，但不管选择那种系列的PLC，要以满足系统功能需要为宗旨，不可以盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。

机型的选择应以几个方面考虑：

1.对输入/输出点的选择

盲目选择点数多的机型会造成一定的浪费，要先弄清控制系统的输入/输出点数，再按实际所需点数的15％～20％留以备用量，为系统的改造留有余地，且一般同时接通的输入点不得超过总输入点的60％。

2.对存储容量的选择

一般按估算容量的50％～100％留有裕量，对缺乏经验的设计者选择容量时留有裕量要大一些。

3.按输入/输出响应时间选择

对开关量的系统，PLC的输入/输出响应时间一般都满足实际工程的要求，可不必考虑响应问题，但对模拟量控制的系统特别是闭环系统就要考虑这个问题。

本设计通过以上几方面的考虑和比较，根据所需PLC的输入/输出点数，并留有一定的余地，选择PLC的基本单元的型号为FX2N-128RM-001。

FX2N系列是FX系列中功能最强，速度最高的微型可编程序控制器，它的基本指令执行时间每条0.08us，远远超过许多大型可编程序控制器；用户存储容量可扩展到16K步，最大可扩展到256个I/O点，有多种模拟量输入/输出模块及功能各异的模块。

FX2N-128MR-001的电源电压为AC220V，有64个开关量输入点和64个继电器型开关量输出点。

输入电压为DC24V，输入点X0～X7的输入电流为7mA，其余的输入点的输入电流为5mA，当有电阻负载时输出点的额定输出电流为2A/AC220V。

1.4龙门刨床的电气控制改造方案

龙门刨床对其主拖动系统的要求比较高，不仅要求具有足够大的切削功率，较大的调速范围，而且能够按照要求实现自动速度循环；对于刀架的进给、抬刀、退刀和快速移动，横梁的夹紧、放松和升降以及工作台的步进、步退等功能是通过与控制电器配合来实现。

归纳起来，改造后的控制系统要求如下：

①工作台主拖动系统具有比较宽的调速范围和较硬的机械特性；

②工作台能根据不同工件自由调节工作速度，而且前进和后退的速度要单独调整；

③工作台起动和制动快速、平稳，对电网和机械的冲击小，能很好地实现慢速切入、快速换向等要求；

④在低速范围内切削力基本保持恒定状态，加工精度高；

⑤系统效率高，耗电量小，节能明显；

⑥控制系统简单，安全可靠，便于维修。

改造后应使电路结构简单更能满足加工需要，改造后应能使PLC技术和变频技术得到充分的利用和发挥。

改造后的运动平滑性和刀件进给的性能得到提高。

有必要的联锁保护为了使发电机和电动机的换向器不致过大的换向火花而烧坏

2.工作台的变频调速及PLC控制

2.1工作台的运动形式即调速要求

1调速要求

我国现行生产的龙门刨床其主拖动方式以直流发电机—电动机组及晶闸管—电动机系统为主，以A系列龙门刨床为例，它采用电磁扩大机作为励磁调节器的直流发电机—电动机系统，通过调节直流电动机电压来调节输出速度，并采用两级齿轮变速箱变速的机电联合调节方法。

其主运动为刨台频繁的往复运动，在往复一个周期中，对速度的控制有一定要求，如图2所示。

t1t2t3t4t5t6

t7t8t9t10t11t12

图中：

t1段表示刨台起动，刨刀切入工件的阶段，为了减小刨刀刚切入工件的瞬间，刀具所受的冲击及防止工件被崩坏，此阶段速度较低。

t2段为刨削段，刨台加速至正常的刨削速度

t3段为刨刀退出工件段，为防止边缘被崩裂，同样要求速度较低。

t4段为返回段，返回过程中，刨刀不切削工件，为节省时间，提高加工效率，返回速度应尽可能高些。

t5段为缓冲区。

返回行程即将结束，再反向到工作速度之前，为减小对传动机械的冲击，应将速度降低，之后进入下一周期。

2工作台自动循环控制电路

工作台自动循环控制电路分为慢速切入控制、工作台工进速度前进控制、工作台前进减速运动控制、工作台后退返回控制、工作台返回减速控制、工作台返回结束并转入慢速控制等。

工作台自动循环控制主要由安装在龙门刨床工作台侧面上的四个撞块A、B、C、D按一定的规律撞击安装在机床床身上的四个行程开关ST1、ST2、ST3、ST4，使行程开关ST1、ST2、ST3、ST4的触点按照一定的规律闭合或断开，从而控制工作台按预定运动的要求进行运动。

3工作台步进，步退控制

工作台的步进、步退控制主要用于在加工工件设计调整机床工作台的位置。

当需要工作台步进时，按下62区中的工作台补进启动按钮SB8，工作台即可努进；松开工作台步进启动按钮SB8，工作台即可迅速制动停止。

当需要工作台步退时，按下68区中的工作台步退启动按钮SB12，工作台即可步退；松开工作台步退启动按钮SB12，工作台即可迅速制动停止。

4.刨台运动的机械特性曲线

与很多切削机床相同，刨台运动特性分两种情况分析。

（1）低速区

刨台运动速度较低时，此时刨刀允许的切削力由电动机最大转矩决定。

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

速度较高时，此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。

由此可得，主拖动系统直流电动机的运行机械特性曲线分为如图3所示两段。

2.2工作台的调速方案

B2012A型龙门刨床工作台速度在25m/min以下时为等切削力区，希望输出转矩恒定，负载具有恒转矩性质，工作台速度在25m/min以上希望输出功率恒定，负载具有恒功率性质。

以B2012A型刨床为例，其最低刨削速度为5m/min，其最高刨削速度为70m/min，调速范围为20

为了提高电动机的工作效率，龙门刨床采用俩级齿轮变速箱变速的电机联合调速方法即25m/min以上为高速档，25m/min以下为低速档

2.3工作台电气控制输入、输出地址分配

SB1

输入地址分配

输出地址分配

SB2

变频器启动

变频器km

SB10

工作台启动

SB13

工作台停止

变频高速

SB14

变频器故障显示

变频中速

SB15

变频器正常显示

变频低速

SB8

工作台步进

工作台正转

SB9

工作台正向前进

工作台反转

SQ2

工作台前进减速

变频器故障

SB12

X10

工作台步退

Y10

变频正常

SB11

X11

工作台反向返回

Y11

油泵启动

SQ3

X12

工作台反向减速

Y12

油泵故障

SQ1

X13

工作台前进换向

SQ4

X14

工作台后退换向

X15

油泵启动

X16

油泵压力线圈

图4

2.4工作台电气控制接线图

图5

2.5工作台的PLC程序

图6

3.刀架变频调速及PLC控制

3.1刀架运动及调速要求

图7

B2012A型龙门刨床装有垂直刀架、右侧刀架和左侧刀架，分别由电动机Mc,My,Mz来驱动，其中两个垂直刀架共用一台电动机Mc,通过传动机构分别转动，刀架控制电路能实现刀架的快速移动与自动进刀，刀架的快速移动与自动进刀、刀架运动方向由装在刀架箱上的机械手柄来选择。

（1）自动进刀。

刀架的进给采用的是带紧胀环的进到机构，依靠紧胀环转动角度的大小来控制每次的进刀量。

每次进刀完成后，利用刀架驱动电动机反向旋转来使紧胀环复位，为第二次进刀做好准备。

当需要自动进刀时，将刀架移动机械手柄扳倒自动进刀位置，使相应的位置开关SQc,SQy,SQz压下。

以垂直刀架为例，压下SQc,当工作台加工行程结束，刀具离开工件，撞块使位置开关SQ2动作，SQ2-b闭合——Kih线圈得电——Khc线圈得电——电动机Mc反转，刀架电机Mc反转带动超越离合器上的拨叉盘复位，为进刀做好准备；SQ2-a断开——Kq线圈失电——Kh线圈得电——K2h线圈得电，接通抬刀电磁铁，刀架自动抬起。

同时，工作台制动并迅速返回，返回SQ2复位——Kih失电——Khc失电——电动机Mc转动。

返回至终点时，碰撞位置开关SQ4,SQ4-b闭合——Kiq线圈得电——Kqc线圈得电——电动机Mc正传，刀架电动机Mc带动拨叉盘旋转，刀架进刀；SQ4-a断开——Kh线圈失电——Kq线圈得电——K2h线圈失电，抬刀电磁铁失电，刀架落下，以便切削加工。

当工作台重新前进时，SQ4复位，刀架电动机Mc停转，进刀停止。

进刀量的大小通过机械方式调整。

3.2刀架的调速方案

（1）垂直刀架。

垂直刀架有两个，装在横梁上，由同一台电机驱动，只能左右移动，刨刀的进给量为（0.2~25）min/一次，用一个变频器来进行调速，分为正反转与低速、中速、高速，速度分别为：

低速为7.5m/min，中速为20m/min，高速为60m/min

（2）左右刀架。

左右刀架由两台电动机驱动，分别有两个变频器来调速，刨刀的进给量为（0.4~50）min/一次，分为正反转与高低中速，速度同垂直刀

3.3刀架电气控制的输入输出地址分配

SB3

X17

垂直刀返回

Y13

KM2启动

SB4

X20

右侧刀返回

Y14

KM3启动

SB5

X21

左侧刀返回

Y15

垂直刀架线圈

SQC

X22

垂直刀行程开关

Y16

左右刀架线圈

SQY

X23

右侧刀行程开关

Y17

垂直刀架正转线圈

SQZ

X24

左侧刀行程开关

Y20

垂直刀架反转线圈

KM2

X25

启动

Y21

左右刀架正转

KM2AC

X26

故障显示

Y22

左右刀架反转

KM2BC

X27

正常显示

Y23

垂直刀架高速线圈

KM2停止

X31

KM2停止

Y24

垂直刀架低速线圈

KM3启动

X32

KM3启动

Y25

左右刀架高速线圈

KM3停止

X33

KM3停止

Y26

左右刀架低速线圈

左刀架

X34

选择左刀架

Y27

KM2故障显示

右刀架

X35

选择右刀架

Y30

KM2正常显示

垂直刀架

X36

选择垂直刀

Y31

KM3故障显示

KM3故障

X37

变频器3故障显示

Y32

KM3正常显示

KM3正常

X40

变频器3正常显示

图58

3.4刀架电气控制接线图

图9

3.5刀架电气控制PLC图

图10

4.横梁及辅助部分运动控制

4.1横梁运动形式及拖动方式

（1）横梁上升。

横梁上升时按照“放松——上升——加紧”的次序工作；由电动机Mj控制的加紧与放松，由电动机Mh控制横梁的升降，横梁夹紧的程度采用电流检测的方法进行控制。

按下上升按钮SB6——Kjoh线圈得电——Khj线圈得电——电动机Mj反转——横梁放松——放松到位压下位置开关SQ10，SQ10-b断开——Khj线圈失电——电动机Mj停转——放松完毕；同时SQ10-a闭合——Kqh线圈得电——电动机Mh正转——横梁上升。

上升到位松开SB6——Kjoh线圈失电——Kqh线圈失电——电动机Mh停转——横梁上升停止——Kqj线圈得电——电动机Mj正转——横梁加紧——SQ10复位——加紧电流上升到使电流继电器KA2线圈动作——Kqj线圈失电——电动机Mj停转——横梁加紧结束。

SQ10-b上的Kjoh常开触点和Khj常开触点并联，作用是操作者在横梁放松尚未完毕时，松开按钮，也能保证横梁放送完毕后再自行加紧。

按下降按钮SB7即可操作横梁下降，具体控制过程的分析与横梁上升过程类似。

（2）横梁下降。

横梁下降时按照“放松——下降——回升——夹紧”的次序工作，多了一个回升环节。

按下下降按钮SB7即可操作横梁下降，具体控制过程的分析与横梁上升过程类似。

4.2.油泵控制

（1）油泵、风机和变频器必须处于正常状态下工作台才加工运行。

在工作台工作之前，这些辅助设备都必须正常且处于运行状态，在主回路通电，为按下工作台控制按钮前，在横梁、刀架和工作台动作前，变频器动作，在油泵压力及风机正常的启动下，是油泵运行和风机运行输出，油泵和风机启动。

只有当油泵、风机及传动电机启动后，才能进行各种动作，并为刀架走刀做好准备。

同时在运行中，当油泵或传动电机失电后，系统停止，防止误润滑运行和走刀不切削。

4.3铣磨头变频调速方案

磨头运动时工作台处于低速运行，

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