毕业设计A系列龙门刨床电控系统的设计.docx
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毕业设计A系列龙门刨床电控系统的设计
目 录
摘 要
龙门刨床是常见的大型机械加工设备，老式的龙门刨床的主拖动采用交磁放大机-发电机-电动机（JF-D）调速系统，能量损耗高、噪声大。
老式龙门刨床的电控部份采用继电器逻辑控制，线路复杂，故障率高，查找故障困难。
设计首先介绍了B2016A型6m龙门刨床的工艺对控制系统的要求，对电气控制系统进行了总体设计。
龙门刨床的主拖动采用调速范围宽、节能效果显著的变频器，用PLC（可编程序控制器）实现开关量逻辑控制和变频电动机的转速控制。
控制系统用触摸屏作人机界面，触摸屏用各种画面来显示龙门刨床的运行状态和故障信息。
设计介绍了控制系统的硬件，根据原有直流调速系统的实际调速范围和负荷，选择了变频异步电动机、变频器和测量转速的编码器的型号。
给出了电力拖动系统的主回路电路图、PLC和变频器的外部接线图。
设计介绍了PLC控制程序的顺序控制设计法，用它设计了龙门刨床工作台的自动运行程序和横梁升降控制程序。
这种方法易学易用，设计复杂的控制程序可以节约大量的设计时间。
设计介绍了变频器接口电路的设计方法和变频器参数的设置方法。
关键词：
龙门刨床；控制；可编程控制器；变频器
DesignonAseriesPlanerofElectricControlSystem
ABSTRACT
Doublehousingplanerisacommonhugemachinetool,themaindriveoftheoldplanerutilizesamplidyne-generator-electromotordrive,whichisnoisyandlosemuchenergy.Relaylogiccontrolisusedinoldplaner,anditscircuitryiscomplicated,sothemalfunctionrateishigh，anditisdifficulttofindthemalfunctionout.
ThedissertationfirstlyintroducesrequirementsofthetechnologyoftheB2016Atocontrolthesystem,anddesignsanoutlineoftheelectriccontrolsystem.Themaindriveofplanerutilizesconverter,forithasawidespeedregulationrangeandwelleffectsinenergysaving.TheplanerutilizesPLCtoachievethelogiccontrol,andtocontrolthespeedofconvertermotor.Touchpanelisusedashuman-machineinterface,anditusesscreenstodisplaytherunningstatusesandfaultinformationofthemachine.
Thedissertationintroducesthehardwaredesignofthecontrolsystem.AccordingtoactualspeedregulationrangeandloadsoftheformerDCdrive,thetypesofconvertermotor,converterandencodertomeasurethespeedarechosen.Itpresentsthecircuitrydiagramofthemainloopofelectricdrivesystemandtheexternalwire-connectiondiagramsofPLCandconverter.
ThedissertationintroducesthesequentialcontroldesigningmethodofPLCcontrolprogram.Itwasusedtodesigntheworktable’sautomationprogramandcrossbeam’srisingandfallingcontrolprogramofplaner.Thismethodiseasytobelearnedandused.Whenitisutilizedindesigninghugecomplicatedcontrolprogram,itcouldshortendesigningtimealot.
Thedissertationpresentsthedesignmethodofconverterinterfacecircuit，andsettingmethodofconverter’sparameters.
KeyWords:
DoubleHousingPlaner;Control;PLC;Converter
第一章 绪 论
本文研究的目的及意义
本题的设计目标为利用可编程控制器及变频器实现对龙门刨床的自动控制和平滑调速，消除换向冲击，提高工作效率，减少噪声，取缔原控制系统，从而达到既经济又快捷地运行龙门刨床的目的。
而使龙门刨床复杂的电气控制系统变的简单，清晰明了，使龙门刨床处于最佳的工作状态。
龙门刨床主要分为机械和电气控制两大组成部分吗，机械部分相对比较稳定，而使龙门刨床运行在最优状态主要取决于电气控制系统控制方式。
在传统龙门刨床中，其机械部分刚性好，精度较高，一般其基本性能可达到现代同类机械的水平，但控制和驱动部分则显得不同程度的老化，对老式龙门刨床的改造有很大的实际意义。
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。
图1.1龙门刨床
Fig.1.1.1Doublehousingplaner
图1.2龙门刨床实物图
Fig.1.1.2PhysicalmapofDoublehousingplaner
第二章 B2012A龙门刨床的基本情况
2.1龙门刨床简介和基本规格
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。
龙门刨床主要用于铣削大型工件，也可以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；刨刀可在刀架上做垂直或斜向进给运动；横梁可在俩立柱上作上下调整。
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。
目前我国生产的刨床其主要拖动方式有：
做大切削宽度1m以下的刨床采用带传动，而1m以上的刨床采用直流发电机—电动机组拖动以及晶闸管—电动机系统。
济南第二机床厂设计制造的A系列龙门刨床主拖动是采用以电机扩大机作为励磁调节器的直流发电机—电动机系统，它采用调节直流电动机电压来调节电动机的速度，并采用两级齿轮变速箱变速的机电联合调速方法。
济南第二机床厂还设计制造了E系列龙门刨床，它的晶闸管调速装置是电枢可逆的逻辑无环流双闭环控制系统。
由于需要，龙门刨床仍在继续生产，其电气系统在贯彻新的国家标准时作了一系列的改进。
A系列龙门刨床由B1010A、B1012A、B1016A、B2010A、B2012A、B2016A等六种。
型号中B表示刨床。
第一个数字1表示单立柱称为单臂，2表示双立柱称为龙门。
第二个数字0表示基型。
第三第四个数字表示最大刨销宽的1/100，单位为mm，因此10、12、16、分别表示刨销宽度最大为1.0、1.25、1.6m等，他们是成等比级数的，公比为1.25。
A表示第一次改型设计。
表2.1A系列龙门刨床主要技术规格
Table2.1Aseriesdoublehousingplanermaintechnicalspecifications
型号
项目
B1010A
B1012A
B1016A
B2010A
B2012A
B2016A
工
件
最
大
尺
寸
（m
m）
长
3000
4000
6000
3000
4000
4000/
6000
宽
1000
1250
1600
1000
1250
1600
高
800
1000
1250
800
1000
1250
可加工工件最大重量（t）
5
8
15
5
8
10/15
工作台齿条上允许的最大拉力（N）
V=12-30M/MIN
49000
V=10-20M/MIN
62000
V=12-30M/MIN
59000
V=10-20M/MIN
78500
工作台行程速度
低速档
6-60
4-40
6-60
4-40
高速档
9-90
8-80
9-90
8-80
2.2龙门刨床基本结构
龙门刨床加工机床床身、箱体、横梁、立柱、导轨等大型机件的水平面、垂直面以及导轨面等。
图2.1龙门刨床结构示意图
Fig.2.1Doublehousingplanerstructureschematicdrawing
龙门刨床构主要由这七个部分组成：
1.床身是一个箱形体，上油V形和U形导轨，用于安置工作台。
2.刨台也叫工作台，用于安置工作。
下有传动机构，可顺着床身的导轨作往复运动。
3.横梁用于安置垂直刀架。
在切削过程中严禁动作，仅在更换工作时移动，用以调整刀架的高度。
4.左右垂直刀架，安装在横梁上，可沿水平方向移动，刨刀也可沿刀架本身的导轨垂直移动。
5.左右侧刀架安置在立柱上，可上、下移动。
6.立柱用于安置横梁和刀架。
7.龙门顶用于紧固立柱。
2.3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架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运动称作往复运动。
2.4运动分析
龙门刨床因由一个由顶梁和立柱组成的龙门式框架结构而得名，工作台带着工件通过龙门框架作直线往复运动，多用于加工大平面（尤其是长而窄的平面），一般可刨销的工件宽度达1米，长度在3米以上，也用来加工沟槽或者同时加工数个中小零件的平面。
龙门刨床主要加工大型工件或者同时加工多个工件。
与牛头刨床相比，从结构上看，其形体大，结构复杂，刚性好，从机床运动上看，龙门刨床的主运动是工作台的直线往复运动，而进给运动则是刨刀的横向或垂直间歇运动，这刚好与牛头刨床的运动相反。
龙门刨床由直流电机带动，并可进行无极调速，运动平稳。
龙门刨床的所有刀架在水平和垂直方向都可平动。
图2.2工作台行程开关零位状态
Fig.2.2Workingtablestrokeswitchzerostate
如图2.2所示，运动控制过程如下：
工作台前进时，撞块A撞击SQ3，B撞击SQ5，经过一段越位后，刨台后退。
后退时，撞块B使SQ5复位，撞块A使SQ3复位。
后退末了。
工件退出刀具后，撞块C撞击SQ4使电机减速，D撞击SQ6使电机换向，经过一段越位后，刨台从后退换成前进。
刨台即按此方式循环工作。
SQ2、SQ1分别起前进、后退的限位保护。
为满足龙门刨床的加工要求，要求工作台具有调整的正反向点控制和正常工作时的自动往返控制，并能进行低速的磨削工作。
控制电路除包括刨台的往返运动外，还有刨台运动与横梁、刀架之间的配合。
为简化控制电路，减小维护工作量，可采用PLC作为控制元件与变频器结合实现刨床的自动化控制。
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，他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2.3所示。
图2.3工作台速度图
Fig.2.3Workbenchspeedmap
1.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。
2.T2段为刨销段，刨台加速至正常的刨销速度。
3.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。
4.T4段为返回段，返回过程中，刨刀不切削工件，为节省时间，提高工作效率，返回速度应尽可能高些。
5.T5段为缓冲区。
返回行程即将结束，在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。
2.5传动系统
图2.4主拖动电路示意图
Fig.2.4Maindragcircuitdiagram
龙门刨床是机械化自动化程度很高的大型机床。
龙门刨床的动力及控制回路比较复杂，尤其是刨床工作台主拖动系统完全依靠电气自动化控制来执行的。
B2010A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。
如图一所示。
采用机械速比2:
1和电气调速范围为10:
1的机电联合调速系统。
图2.5功率图
Fig.2.5Powerfigure
机电联合调速与单纯调压调速比较，电动机的设计功率可以缩小一半，但是电动机的功率仍然比负载所需要的功率大接近一倍，因此A系列龙门刨床直流电动机的功率并没有得到充分利用。
同时因为进刀机构采用进刀继电器控制进刀，而继电器铁心和圆盘齿因频繁运动而磨损，使精度下降。
第三章 B2012A型龙门刨床的电气控制
3.1系统的总体结构
目前改造龙门刨床的主拖动部分一般采用全数字直流调速系统或交流变频调速系统，控制部分使用PLC。
全数字直流调速系统选用国外的成套设备，设备的运行参数用英文显示，设备维护人员要消化和掌握系统的性能，必须花费相当长的时间和具备一定的技术水平。
变频调速系统经过10多年的推广和使用，各项性能和技术指标不断趋于完善和成熟，节能效果显著。
图3.1龙门刨床电气改造原理框图
Fig.3.1Schematicdiagramofelectricalinnovationofdoublehousingplaner
改造框图中，保留了原来的按钮站，这样可以保证操作人员原有的操作习惯，设备的大部分操作都在按钮站上完成。
操作指令传送给PLC控制系统,PLC对这些指令进行处理后控制相应的设备。
PLC将设备的运行状态信号传送给按钮站，按钮站用指示灯显示相应的信息。
PLC用于实现开关量逻辑控制和控制变频电机转速的方向和大小。
按钮站的按钮、外部行程开关盒操作手柄通过PLC，控制油泵、风机、横梁升降、横梁夹紧、垂直刀架、右侧刀架、左侧刀架的电动机，以及后退行程抬刀电磁铁线圈。
3.2龙门刨床电力拖动系统主回路设计
龙门刨床主要涉及的有：
主拖动、油泵、风机、横梁升降、横梁夹紧，垂直及左、右侧刀架等电机。
油泵和风机只有在主拖动电机启动时运行才可启动，其余电机在正反向运行之间形成电气互锁，主回路设计如图所示
图3.2主回路电路图
Fig.3.2Circuitdiagramofmainloop
3.3逻辑控制电路设计
3.3.1工作台控制电路设计
工作台控制电路包括自动循环工作、步进、步退、以及抬刀电磁铁控制电路。
工作台自动循环工作是借助于六个接近开关来实现的。
前进减速开关SA6，后退减速开关SA5。
前进、步进限位开关SQ7，后退、步退限位开关SQ8，极限限位开关SQ5、SQ6。
假定系统已得电起动，横梁已夹紧，油泵已上油。
SA7是横梁夹紧电流继电器的常闭触点，当横梁夹紧到一定程度时动作，夹紧完毕后自动复合。
当按下前进按钮SB8
（1）时，继电器J1得电，J1的常开触点J1
（1）自锁，JI
（2）、JI（3）、JI（4）均接通。
S8
（1）接通时S8
（2）断开，因而继电器H不能动作，这是为了避免工作台前进控制继电器Q与后退控制继电器H同时接通引起控制故障。
又因JI
（2）接通，则继电器Q得电动作，其所有常闭触点均断开，继电器H、2H不得电，刀具处于放下位置，可编程控制器接通调速回路，直流调速器通过调速电位计获得正向给定，工作台开始前进加速至稳定工作阶段。
当工作台前进至触发减速接近开关SA6时，SA6
（1）、SA6
（2）均接通，减速继电器J动作，PLC接通调速回路，直流调速器获得零速给定，工作台开始减速。
当可编程控制器检测到工作台速度为零时，继电器1H动作，其常闭触点1H断开，继电器Q失电，Q的所有常闭触点接通，则工作台后退控制继电器H得电，H的常开触电接通，常闭触点断开，所以H得电期间，继电器Q不能得电。
因继电器H的常开触点接通，后退行程抬刀控制继电器2H得电，其常开触点2H
（1）自锁，2H
（2）接通，中间继电器KM2得电，其常开触点KM2接通，又因所用刀架的手动选择开关（1KK-4KK）早已闭合，则所选刀架的抬刀电磁铁（1T-4T）得电，刀具抬起，同时可编程控制器接通调速回路，直流调速器通过调速电位计获得负向给定，工作台开始后退。
当工作台后退至触发减速接近开关SA5时，SA5
（1）、SA5
（2）均接通，减速继电器J动作，直流调速器通过PLC获得零速给定，工作台开始减速。
当PLC检测到工作台速度为零时，继电器1Q动作，其常闭触点1Q断开，继电器H失电，H的常开触点断开，常闭触点接通，则继电器Q得电，其所有常闭触点断开，继电器H、2H均不得电，刀具放下，PLC接通调速回路，直流调速器通过调速电位计获得正向给定，工作台又开始前进。
如果要求工作台停止运行，按停止按钮SB6,即断开工作台控制电路，使继电器JI失电，继电器Q、H、J也相继失电，工作台便迅速制动停车。
步进、步退电路控制电路工作原理；当按下步进按钮SB7，继电器Q得电，工作台以步进速度前进，步进速度由可编程控制器通过调速电位计给定。
由于无自锁触点，故松开按钮，工作台就停止前进；当按下步退按钮SB10时，工作台步退，原理同上。
当JI继电器回路中，串有KM12（横梁夹紧时动作）、KM1（横梁放松时动作）两个常闭触点，在横梁调整时，保证工作台自动循环电路不能接通。
另外还串有SQ5,SQ6两个正反向极限限位接近开关的常闭触点，工作台一触发接近开关，JI继电器即失电，工作台停止，防止调试时因操作不当而使工作台冲出去。
3.3.2横梁控制电路设计
横梁与刀架\润滑泵控制逻辑电路如图所示。
横梁在移动（上升或下降）时工作台不准运动。
同时首先必须放松，待上升或下降到所需位置后自动加紧。
常闭触点JI1只在工作台停止运动时才闭合，只有在此种情况下才能操作横梁电路。
横梁上升时按下按钮SB41，则继电器JO-H得电，它的常开触点JO-H（3）闭合，使接触器KM1得电。
其串入横梁松紧电机电路的常开触点闭合，横梁松紧电机通电反转，横梁放松。
横梁放松时控制限位开关制子往放松方向移动，到一定程度使SQ1动作。
SQ1
（2）断开,KM1继电器断电，横梁放松完毕。
横梁放松后，SQ1
（1）接通，由于常开触点JO-H
（1）已经闭合，所以接触器KM9得电，其串入横梁升降电机的常开触点闭合，横梁升降通电正转，横梁上升，横梁在运动中只是等HL2亮。
移动至需要位置时，松开按钮SB4，JO-H继电器失电，横梁升降电机停止工作。
限位开关SQ4是防止横梁上升至极限位置时避免与龙门顶相撞的限位开关。
上升至需要位置后JO-H断电，它的常闭触点JO-H（4）闭合，因KM1继电器已经断电，其常闭触点已经闭合，故接触器KM12得电，其常开触点闭合，横梁松紧电机通电正转，将横梁逐步夹紧。
加紧过程中SQ1逐步复位，到一定程度，SQ1
（1）断开，SQ1
（2）闭合，为以后横梁放松做好准备。
此时接触器KM12经常闭触点SA7与常开触点KM122继续得电，横梁继续夹紧，因而夹紧电机中电流增大，而串入加紧电机回路的电流继电器SA7线圈中的电流亦增大，当电流增加到所整定的数值时，SA7动作。
常闭触点SA7断开，接触器KM12断电，横梁夹紧完毕，指示灯H12熄灭。
控制电路还能保证操作者在横梁放松尚未完毕时，松开按钮亦能再夹紧，因为即使松开SB4或SB5,JO-H继电器断电，但KM1接触器通过自锁出点KM11仍能继续获电，继续放松，放松后既不上升，也不下降，而接触器KM12通过SQ1、JO-H（4）、KM1
（2）得电，进行夹紧。
当按下横梁下降按钮SB5时，同样先将横梁放松，然后下降，到需要位置时松开按钮。
这时除了夹紧电机开始工作外，上油满足机械加工需要的横梁稍许回升的动作。
这个动作时PLC通过定时器来实现的。
当横梁下降时，常开触点KM10
（1）闭合，JS-H继电器得电，通过定时器延时开启常开触点KS-H闭合，由于常开触点JO-H
（1）、KM12
（1）是断开，故KM9继电器不能得电。
当横梁下降完毕，开始横梁夹紧时常开触点KM12
（1）闭合，在JS-H继电器断电瞬间，延时开启常开触点JS-H还是接通的，这时KM9接触得电，横梁回升，回升时间决定于定时器延时的长短，延时完毕后，接触器KM9断电，横梁回升完毕，然后继续进行夹紧至SA7动作后为止。
3.3.3刀架控制电路设计
垂直刀架有两个，每个刀架有快速移动和自动给进两种工作状态，每种工作状态又包括左右两个方向的水平进刀和上下两个方向的垂直进刀等动作。
他们都是由一个垂直刀架电机来完成的。
垂直刀架选择通过机械手柄实现。
调整时出点JI
（2）是闭合的，快速移动与自动给进选择手柄放在快速移动位置时，SA2
（1）是接通的。
刀架运动方向选择手柄放在所需要的方向位置后，在按钮站操纵SB1就使KM3接触器得电。
垂直刀架电机就按所需要的方向作快速移动。
因为电路中无自锁触点，所以手松开按钮，电机就停止转动。
快速移动时，电机朝一个方向运动，刀架运动方向靠机械来实现。
自动工作时，快速移动与自动进给选择手柄放在自动给进位置，此时SA2
（2）接通，SA2
（1）断开，自动工作时，常闭触点JI
（2）是断开的，保证工作台自动工作时不能进行快速移动。
操纵按钮SB1此时亦不起作用，当工作台后退换前进时，常开触点1Q
（1）接通，接触器通过SA2
（2），1Q
（1）、KM4而得电，电机转动，刀架进刀。
当前进换后退时，常开触点1H
（1）闭合，KM4接触器通过SA2
（2）、1H
（1）、KM3而获电，电机反转使进刀机构复
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