Ba型龙门刨床基于PLC的自动化改造.docx

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Ba型龙门刨床基于PLC的自动化改造

郑州华信学院

课

程

设

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报

告

书

题目：

B2012a型龙门刨床基于PLC的自动化改造

课程设计说明书

题目：

龙门刨床PLC、变频器控制系统改造

姓名：

院（系）：

专业班级：

学号：

指导教师：

王仁光马宪华

成绩：

时间：

年月日至年月日

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。

1龙门刨床的运动形式及改造要求

1.1龙门刨床结构及运动形式

龙门刨是机械制造业中的主要工作机床。

常用它来加工大型机械零件，如导轨、立柱、箱体和机床的床身等部件，龙门刨的结构示意图如上。

工作台2在床身1上，工作台由直流电动机拖动可在床身上作往复运动。

刨刀装在垂直刀架4和侧刀架5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3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6作上下移动。

7为龙门顶。

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。

1.2龙门刨床电气控制改造目的及意义

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。

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。

由于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，同时将PLC与变频器结合使用，可以对电动机进行很方便的调速控制，所以用PLC和变频器结合使用将具有投资小、改造周期短，节能降耗、提高功效显著的优点，同时也提高了工作的安全可靠性，加工的产品质量也得到了提高。

1.3龙门刨床电气控制改造总体要求

B2012A型龙门刨床的工作台是往返交替循环直线运动的，工件固定在工作台上与刀具作相对运动。

工作台在工作行程是进行切削加工，各种台返回时，刀具自动抬起，不进行切削加工。

工作台返回时速度较快，以减小空行程时间。

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。

对于刀架得移动．进刀．退刀．抬刀．横梁放松与夹紧．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、要求有比较宽的调速范围.

由于在加工过程的材料和零件不同，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型龙们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，以便生产时能选择最合理的切削速度。

2、电气控制电路能保证2、机床可靠地自动工作.

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。

3、工作台能够按照需要实现自动往返循环。

在高速切削时，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。

4、工作台速度调整可无须停车.

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。

5、刀架能自动进给和快速退刀.

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，以便使加工工件的质量和速度同时提高，同时也能够节约时间。

6、系统的机械特性有一定的硬度.

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，能使拖动工作台的直流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、有必要的联锁保护和检测报警装置.

为了使各部分能够安全有序的进行，必须要有必要的联锁保护，防止由于误动作引起的机器系统的紊乱，导致损坏机器甚至对人身造成不必要的伤害，发生故障时也可以有效的做出停车等安全保护。

1.4龙门刨床电气控制改造方案

1、对各控制电机的启动.

对B2012A型龙门刨床的主拖刨台电动机、左右刀架电动机和垂直刀架电动机、铣磨头电动机都用变频起动。

采用变频调速，可以通过降低起动时的频率来减小起动电流。

同时，也可通过逐渐增大频率以减缓起动过程，如在整个起动过程中，使同步转速与转速间的转差限制在一定的范围内，则起动电流也将限制在一定的范围内，另一方面，也减小了起动过程中的动态转矩，升速过程将能保持平稳，减小对生产机械的冲击，对控制横梁升降的电机和控制油泵的电动机由于功率较小，启动方便，采用直接启动即可。

2、对各控制电机的制动.

主电机的制动、左右刀架电动机铣磨头电动机和垂直刀架电动机的制动也都采用变频制动，在变频器中加合适的制动电阻器，保证能够安全稳定的制动，对控制横梁升降的电机和控制油泵的电动机由于功率较小，启动方便，制动停止也比较容易，直接制动即可。

3、对各控制电机的调速.

龙门刨床的主拖刨台电动机、左右刀架电动机和垂直刀架电动机、铣磨头电动机都用变频调速，对变频器进行合适的设置，就可以对个电动机进行有效的调速，由于横梁和油泵电机只有正反转控制，可以不考虑调速。

4、对控制系统的保护及检测.

控制系统安装有正常运行及故障等监视装置，保证机器安全有序的运行，另外刨床停止时要装有抬刀的继电器，保证抬刀迅速准确。

5、总体控制.

各电动机和系统的保护及检测装置都用PLC控制，可以手动和自动进行循环，当机器遇到故障时能够快速切断电源保证机器及人身的安全。

2工作台变频调速及PLC控制

2.1工作台运动及调速要求

下图是工作台的运动形式图，分析如下:

0-a工作台前进启动阶段;

a-b刀具低速切入阶段;

b-c加速至正常刨削阶段;

c-d正常刨削阶段;

d-f　减速退出工件阶段;

f-h　制动到退出工件阶段;

h-i　高速后退阶段;

i-k　后退减速阶段;

k-l　后退→前进阶段;

刀具进入工件之前减速的目的是为了防止因撞击而崩坏工件。

同时也为了减小刀具在进入时所承受的冲击，延长刀具的使用寿命，称为低速切入（a－b段）。

进入工件后再加速到规定的切削速度（c-d段）。

离开工件之前减速的目的是为了防止工件边缘的崩裂（d-f段）。

返回过程中不切削工件为提高生产效率，返回时直接加速到高速后退速度（h-i段）。

返回行程再反向到工作速度之前，为了减小反向时因冲力过大而引起的越位和对传动机构的冲击，还要求有一个减速过程（i-k段）。

2.2工作台调速方案

对工作台采用FR-A540变频器调速，对变频器设置三个速度频率，高、中低速度低速设为10hz,中速设为50hz,高速设为110hz,通过对变频器设置合适的过渡时间让其调速平稳，工作台用55KW的三相异步电动机拖动。

龙门刨床的工作台两边需要设置一些行程开关，来控制刨床的各阶段的准确运行，方法如下

龙门刨床中常见的布置方法，共有6个行程开关，分别是SQ1～SQ6；碰撞行程开关的是4个挡块，分别是1、2、3、4，它们的布置示意所示。

假设：

刨台正处于刨削过程中，各行程开关的动作顺序如下：

图2.2传感器位置与工作行程示意图

（1）退出工件段:

挡块2碰SQ3，使刨削速度降为低速，刨刀准备退出工件。

（2）高速返回段:

挡块1碰SQ4，使刨台高速返回；如果刨台因SQ4发生故障而未返回，则挡块1将碰SQ6，迫使刨台停止运行；在返回过程中，SQ4与SQ3`相继复位。

（3）过度段:

挡块3碰SQ5，使返回速度降为低速，准备反向。

（4）切入工件段:

挡块3碰SQ6刨台反向，低速切入工件；如果刨台因SQ6发生故障而未反向，则挡块4将碰SQ1，迫使刨台停止运行；在反向过程中，SQ6复位。

（5）正常切削段:

SQ1复位。

刨台升速为所要求的切削速度。

当开关打到自动挡时，程序可以自动运行，PLC程序设置有报警及检测装置，可以安全的进行控制，必要时可以切断电源，使机器安全停车。

对刨台的调速设计选择.

B2010A系列龙门刨床，其最低刨削速度是4.5m/min，最高刨削速度是90m/min，调速范围为20。

为了提高电动机的工作效率，龙门刨床采取两级齿轮变速箱变速的机电联合调速方法。

即：

45m/min以下为低速挡，45m/min以上位高速挡。

刨台运动的负荷性质如下图

刨台的计算转速25m/min：

切削速度vQ≤25m/min，在这一速度段，由于受刨刀允许切削刀的限制，在调速过程中负荷具有恒转矩性质。

切削速度vQ＞25m/min，在这一速度段，由于受横梁与立柱等机械结构强度的限制，在调速过程中负荷具有恒功率性质。

刨床对电动机机械特性的要求：

龙门刨床在刨削过程中，由于工件表面不平、工件材质不均匀，以及工件内部存在砂眼等原因，负载转矩可能发生变化。

当负载转矩发生变化时，要求电动机的转、速变化越小越好，要求电动机有较硬的机械特性。

龙门刨床把负荷变化时引起的转速变化ΔnM与最低速时的理想空载转速nOL之比称为静差度s，即s＝ΔnM/nOL×100%。

龙门刨床对静差度的要求是s≤0.05～0.1。

对静差度的要求实际上也就是对电动机机械特性硬度的要求，机械特性越硬越好。

2.3工作台电机变频器接线

工作台电机变频器（变频器1）接线.

图2.3

2.4工作台变频器设置

表1工作台变频器参数

参数号

参数名称

设定值

Pr.79

操作模式选择

Pr.1

上限频率

80hz

Pr.2

下限频率

0hz

Pr.3

基底频率

50hz

Pr.20

加/减速基准频率

50hz

Pr.7

加速时间

Pr.8

减速时间

Pr.9

过流保护

Pr.4

高速

80hz

Pr.5

中速

45hz

Pr.6

低速

10hz

Pr.71

适用电机

Pr.81

极数

Pr.83

额定电压

380v

3.刀架变频调速及PLC控制

3.1刀架运动及调速要求

对于龙门刨床的刀架

（1）垂直刀架有两个，装在横梁上，由同一台电动机拖动，只能左右移动。

（2）侧刀架有两个，左右个一个，装在立柱上，各自有一台电动机拖动，只能上下移动。

对刀架运动的基本要求：

（1）刀架既可以自动进给，也可以快速移动，由变频器来设置。

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，进刀量由变频器控制。

（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。

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。

各刀架正向进给，反向快速退刀。

3.2刀架调速方案

由于变频器能够十分准确地控制运行频率和升、降速时间，而PLC又能够准确地计时。

因此，采用PLC配合变频调速来控制进刀量，非但机械结构简单了许多，还能提高控制进刀量的精度，三台刀架电动机的容量都设置为1.5KW。

对于进刀机构可以采用3台1.5kV·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的变频器控制的铣刀头，作为附加组件。

垂直刀架用一个变频器，左右刀架合用一个变频器。

刀架正向进给时速度要尽量低，反向退刀时要快一点，为了节约时间。

3.3刀架电机变频器接线及参数

垂直刀架电机变频器（变频器2）接线图

图3.4-a

垂直刀架电机变频器（变频器3）接线图:

图3.4-b

表2刀架变频器参数

参数号

参数名称

设定值

Pr.79

操作模式选择

Pr.1

上限频率

50hz

Pr.2

下限频率

0hz

Pr.3

基底频率

50hz

Pr.20

加/减速基准频率

50hz

Pr.7

加速时间

Pr.8

减速时间

Pr.9

过流保护

Pr.4

高速

50hz

Pr.5

中速

30hz

Pr.6

低速

10hz

Pr.71

适用电机

Pr.81

极数

Pr.83

额定电压

380v

4.横梁及辅助运动控制

4.1横梁运动形式及拖动方式

在加工过程中，横梁是不准移动的。

只有在加工完一个工件准备加工另一个工件时，才需要根据工件的高矮调整刀架的高度而移动横梁。

横梁的运动形式可分为上升和下降，放松和夹紧，其工作过程为放松—上升—夹紧；放松—下降—夹紧（回升）—夹紧。

横梁是用两台三相异步电动机拖动，一台控制横梁的升降，另一台控制横梁的夹紧和放松。

通过和工作台的协调配合完成对工件的加工。

4.2油泵控制

油泵由一台电动机控制，转换开关SA7转到自动或连续位置时，油泵电动机得电运行，油泵正常工作后工作台才能自动循环，它是由润滑压力继电器KP的常开触点来实现的。

油泵电动机的控制较简单，采用较小功率的电动机即可满足要求。

4.3横梁及油泵电机接线图

三台电机自左依次为：

横梁升降电机、横梁松紧电机、油泵电机。

图4.3

4.4铣磨头电机控制

铣磨头电机启停为开关SA8，开关闭合时经PLC的X19端口送入，使Y007、Y008、Y009输出信号，从而控制变频器来实现铣磨头电机的调速控制。

铣磨头电机的正反转要用扭子开关来控制。

4.5铣磨头电机变频器接线及参数

铣磨头电机变频器（变频器4）接线图

图4.5

表3磨头变频器参数表

参数号

参数名称

设定值

Pr.79

操作模式选择

Pr.1

上限频率

50hz

Pr.2

下限频率

0hz

Pr.3

基底频率

50hz

Pr.20

加/减速基准频率

50hz

Pr.71

适用电机

Pr.81

极数

Pr.83

额定电压

380v

5.PLC程序及地址分配

5.1.PLC输入输出地址分配

SB1

启动

工作台电机正转

STF1

SB13

正向起动

工作台电机反转

STR1

SB14

反向起动

工作台电机低速

RL1

SB2

停止

工作台电机中速

RM1

SB10

手动

工作台电机高速

RL1

SB15

步进

油泵电机起动

KRB

SB16

步退

磨头电机正转

STL4

变频器正常

X35

Y27

磨头电机反转

STR4

变频器故障

X36

Y30

磨头电机低速

RL4

SQ1

后退减速

X11

Y10

垂直刀架电机正转

STL2

SQ4

后退换向

X12

Y11

垂直刀架电机反转

STR2

SQ3

前进减速

X13

Y12

垂直刀架电机高速

RH2

SQ2

前进换向

X14

Y13

垂直刀架电机低速

RL2

SQ5

后退限位

X15

Y14

侧刀架电机正转

STL3

SQ6

前进限位

X16

Y15

侧刀架电机反转

STR3

SAY

油泵电机

X10

Y16

侧刀架电机高速

RH3

SAZ

磨头电机正转

X17

Y17

侧刀架电机低速

RL3

SAF

磨头电机反转

X31

Y31

垂直刀抬刀

YA1YA2

SAQ

磨头电机起动

X32

Y32

左侧刀抬刀

YA4

SB3

垂直刀架返回

X20

Y20

右侧刀抬刀

YA3

SB4

侧刀架返回

X21

Y21

左侧刀架电机

Km2

SQC

垂直刀架复位

X22

Y22

右侧刀架电机

Km3

SQY

右侧刀架复位

X23

Y23

横梁松紧正转

KQJ

SQZ

左侧刀架复位

X24

Y24

横梁松紧反转

KHJ

SAL

左侧刀架选择

X25

Y25

横梁升降正转

KQH

SAR

右侧刀架选择

X26

Y26

横梁升降反转

KHH

SB6

横梁升

X27

断路器

Kmn

SB7

横梁降

X33

SQ7

横梁上限位

X34

SQ9

横梁下限位

X30

SQ10

横梁松紧传感

X31

油压传感

5.2.PLC梯形图程序

龙门刨床PLC梯形图程序各程序段说明：

第67歩之前为工作台电机的控制程序；

第67步至第72步为铣磨头电机的控制；

第73步至第75步为油泵对刀架的互锁点；

第76步至第83步为刀架和横梁的互锁点；

第77步至第139步为刀架电机的控制程序；

第140步以后为横梁电机的控制程序；

5.3.PLC外接线示意图

6.龙门刨床电气改造意义与效果

龙门刨床是机械工业中的主要机床之一，主要用于加工大型工件和多个工件同时加工，在工业生产中占有很重要的地位。

它的电气控制主要包括工作台的主传动和进给机构的逻辑时序控制两部分，然而其工作台的行程控制主要是采用传统的继电器和行程开关来控制，这种方式存在这故障高，接线复杂，检修不方便等缺陷，这对加工性能及成本有着很大的影响，同时还不能保证质量。

然而目前很多企业仍广泛使用这种传统的继电器控制机床，更新一台机床由于成本的问题也不是很现实，代价太高。

因此，对龙门刨床的加工性能和控制要求进行分析，设计一套成本较低性能可靠的方案，用于实践，能有效的改善以上的不足之处。

随着近年来PLC和变频器在工业领域里面的迅猛发展，为改变龙门刨成的传统缺点提供了可实现的途径。

对PLC的简单介绍

PLC可编程序控制器：

PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:

一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制系统（ProgrammableLogicController）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。

它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程，它有如下特点：

（1）结构灵活，不受环境的限制，有电即可组建网络，同时可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率，在移动性方面可与WLAN媲美。

（2）传输质量高、速度快、带宽稳定，可以很平顺的在线观赏DVD影片，它所提供的14Mbps带宽可以为很多应用平台提供保证。

最新的电力线标准HomePlugAV传输速度已经达到了200Mbps；为了确保QoS，HomePlugAV采用了时分多路访问（TDMA）与带有冲突检测机能的载体侦听多路访问（CSMA）协议，两者结合，能够很好地传输流媒体。

（3）范围广，无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。

虽然无线网络可以做到不破墙，但对于高层建筑来说，其必需布设N多个AP才能满足需求，而且同样不能避面信号盲区的存在。

而电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比拟的。

由此，运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一处有电力线的地方。

这一技术一旦全面进入商业化阶段，将给互联网普及带来极大的发展空间。

终端用户只需要插上电力猫，就可以实现因特网接入，电视频道接收节目，打电话或者是可视电话。

（4）低成本。

充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，节约了资源。

无需挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物、公用设施、家庭装潢的破坏，同时也节省了人力。

相对传统的组网技术，PLC成本更低，工期短，可扩展性和可管理性更强。

目前国内已开通电力宽带上网的地方，其包月使用费用一般为50-80元/月左右，这样的价格和很多地方的ADSL包月相持平。

（5）适用面广。

PLC作为利用电力线组网的一种接入技术，提供宽带网络“最后一公里”的解决方案，广泛适用于居民小区，酒店，办公区，监控安防等领域。

它是利用电力线作为通信载体，使得PLC具有极大的便捷性，只要在房间任何有电源插座的地方，不用拨号，就立即可享受4.5~45Mbps的高速网络接入，来浏览网页﹑拨打电话，和观看在线电影，从而实现集数据、语音、视频，以及电力于一体的“四网合一”。

在采用变频器和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。

1．工作方式：

在B2012A改造前，工作时，直流发电机组一直处于运

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