龙门刨床控制系统设计.docx

1、龙门刨床控制系统设计龙门刨床控制系统设计4.1 生产工艺对电气控制系统的要求 101112龙门刨床加工的工件质量不同，用的刀具也不同，所需要的速度就不同，加之B2012A型龙门刨床是刨磨联合机床，所以要求调速范围一定要宽，其中工作台调速范围要求达到 20：1（最高速 90m/ min，最低速 4.5 m/min）。在低速档和高速档的范围内，能实现工作台的无级调速。 B2012A 型龙门刨床要求能完成图 4-1 所示的速度图的要求。 1.在高速加工时，为了减少刀具承受的冲击和防止工件边缘的剥裂，切削工作的开始，要求刀具慢速切入；切削工作的末尾，工作台应自动减速，以保证刀具慢离工件。2.为了提高生

2、产效率，要求工作台返回速度高于切削速度，见图 4-1。图中，0t1为工作台前进起动阶段；t1t2为刀具慢速切入工件阶段；t2t3为加速至稳定工作速度阶段；t3t4为切削工件阶段；t4t5为刀具减速退出工件阶段；t5t6为反向制动到后退起动阶段；t6t7为高速返回阶段；t7t8为后退减速阶段；t8t9为后退反向制动阶段。 图 4-1 B2012A龙门刨床工作台的工作台的自动循环3.为了提高加工精度，要求工作台的速度不因切削负荷的变化而波动过大，即机械特性应具有一定的硬度（静差度不大于 10%）。同时，系统的机械特性应具有下垂特性，即当电动机短路或超过额定转矩时，工作台拖动电动机的转速应迅速下降，

3、以致停止，从而保护电动机和机械设备不被损坏。 4.机床应能单独调整工作行程与返回速度，能作无级变速，且调速时不必停车。要求工作台运动方向能迅速平滑地改变，冲击少。刀架进给和抬刀能自动进行，并有快速回程。有必要的联锁保护，通用化程度高，成本低，系统简单，易于维修。4.2 控制系统整体结构 机床电气控制系统中，主电路部分包括主传动电动机（工作台电动机，55kW）、垂直刀架电动机（1.5kW）、右侧刀架电动机（1.5kW）、左侧刀架电动机（1.5kW）、横梁升降电动机（3kW）、横梁夹紧与放松电动机（0.6kW）、通风用电动机（1.5kW）、润滑泵电动机（0.25kW）。控制电路包括工作台控制电路、

4、刀架控制电路、横梁控制电路以及照明、保护等辅助控制电路。电气系统的结构框图如图 4-2 所示：图 4-2 龙门刨床变频控制系统框图4.3 系统硬件实现4.3.1 电动机主电路设计1314控制系统设计时，只是将主拖动的直流电动机变换为输出力矩相等的变频调速电动机型号为 YBP315-8，功率为 55kW。各电动机主电路如图 4-3 所示。图4-3龙门刨床控制系统各电动机主电路图4.3.2 B2012A型龙门刨床主要电气部分控制分析 B2012A系列龙门刨床主要电气原理图如图4-4所示： 图4-4 B2012A型龙门刨床的电气原理图4.3.2.1刀架控制电路B2012A系列龙门刨床采用交流电动机拖

5、动的机械进刀方法，这种方法在电气上比较简单。以垂直刀架控制为例。垂直刀架有两个，每个刀架有快速移动、自动进给两种工作状态，每种工作状态有水平进刀（左右）、垂直进刀（上下）四个方向的动作，这些都由一个垂直刀架电动机来完成的。当调整时，K4的触点是闭合的，装在进刀箱上的快速移动与自动进给转换手柄放在快速移动位置，开关SQ13的常闭触点接通，常开触点断开，选择刀架运动方向后，操纵SB3就使KM4线圈通电，垂直刀架电动机按所需的方向快速移动。当自动工作时，快速移动与自动进给转换手柄放在自动进给位置，SQ13的常闭触点断开，常开触点接通，同时自动工作触点K4的触点也断开，保证了工作台自动工作时不能进行快

6、速移动。当工作台后退换向时，触点K6闭合，KM3线圈通电，电动机使刀架进刀，前进换向时，触点K7闭合，KM5线圈通电，电动机使进刀机构复位，准备下一次进刀。左、右刀架的工作情况和垂直刀架基本相似，所不同点是左、右刀架只有上、下两个方向移动。另一个不同点是，控制左、右刀架进给的交流接触器一端电源不是直接接在同一处，而是经过SQ8、SQ9后再接到同一根线上的。其目的是防止刀架与横梁碰撞。4.3.2.2 横梁控制电路横梁有放松、夹紧以及上、下移动等动作，横梁放松夹紧的动力有电动机、液压及压缩空气等几种方式，B2012A系列龙门刨床是采用电动机来实现的，横梁升降由电动机来完成的。只有在工作台停止工作时

7、，K4触点闭合，才能操作横梁电路。如果需要横梁升降时，电路会自动地放松横梁。如横梁上升，按下按钮SB7，K2线圈通电，其触点K2闭合，KM12线圈通电，使横梁夹紧放松电动机工作，横梁逐渐放松。横梁放松时，控制位置开关SQ10的制子往横梁方向移动，移动到一定程度，使SQ10动作，SQ10-2断开，KM12线圈断电，横梁放松完毕。 此时，SQ6-1接通，由于K2已经闭合，所以，KM9线圈通电，横梁升降电动机运转，横梁上升，横梁升到所需的位置时松开SB7，K2、KM9线圈失电，横梁升降电动机停止运转，横梁停止上升。SQ7是横梁上升到极限位置时避免与龙门顶相碰的保护开关。这时KM11线圈通电，横梁放松

8、夹紧电动机工作，开始横梁夹紧，到SQ10复位后，SQ10-1断开，SQ10-2闭合，为以后横梁放松做准备，此时KM11线圈经过KA1以及KM11继续供电，横梁继续夹紧，因而电动机M8中电流增大，通过KA1线圈的电流亦增大。当电流增加到整定值时，KA1动作，触点KA1断开，KM11线圈断电。由于KM12的存在，即使横梁没有放松完毕，松开按钮，也能保证横梁放松完毕后再自动夹紧。当按下横梁下降按钮SB6时，也是先放松，后下降，下降到所需要的位置时，松开按钮SB6，这时除了夹紧电动机工作外，还有消除丝杠与丝母间隙的横梁稍微回升的动作，这个动作过程是由时间继电器KT3完成的。当横梁下降时，接触器触点KM

9、10闭合，时间继电器KT1线圈通电，其触点KT1闭合，由于接触器KM11触点断开，所以KM9线圈不通电，当横梁下降完毕，开始横梁夹紧时，接触器KM11触点闭合，而KT1的触点是延时释放，所以KT1线圈断电后，其常开触点还是接通的，这时KM9线圈通电，横梁回升，由于KT1延时很短，KT1断开，KM9线圈断电，横梁回升完毕，继续夹紧到KA1动作为止。如果横梁回升比较多，是时间继电器KT3延时太长，可适当缩短延时时间。 4.3.2.3 控制工作台的位置控制龙门刨床的自动工作是由安装在床身侧的六个位置开关来控制的。为了熟悉工作台的控制电路以及试车、故障检修的方便，有必要熟悉位置开关的零位以及动作情况。

10、位置开关零位图如图所示。图4-5位置开关零位图在自动控制过程中各个制子碰撞各自的位置开关，前进末了时，制子A碰撞前进减速开关SQ1，然后制子B碰撞前进换向开关SQ5，工作台经过一段越位后开始后退，后退开始时，制子B使SQ2复位，然后制子A使SQ1复位。在后退末了时，制子C碰撞后退减速开关SQ3，然后制子D碰撞后退换向开关SQ4，亦是经过一段越位后换成前进，制子D将SQ4复位，然后制子C使SQ3复位。位置开关SQ5、SQ6是前进以及后退终端越位保护。由于不熟悉或不注意位置开关零位，损坏位置开关的现象比较多。所以，在安装或故障检修完毕试车时，应先将位置开关拨在零位，制子放在位置开关两侧，然后开步进

11、步退试验，正常后方可开启自动工作。制子A、B、C、D间的距离是可调的，在高速档工作时间距应该大些，一般减速制子A、C的提前量为换向制子B、D的250300毫米左右，低速档工作时间距小一些，避免低速行程太长，降低生产效率。4.3.2.4步进、步退与润滑泵控制电路按下步进按钮SB8时，K3线圈通电，使变频器发出相应的指令，以规定的速度步进。按下步退按钮SB12时，K5线圈通电，使变频器发出相应的指令电动机以步退速度带动工作台后退。在操作时，如果位置开关SQ1、SQ2没有复位，则接不通电路。步进、步退速度是可调的，一般低速档为34米/分，高速档为68米/分。润滑泵控制开关SA7有两个工作位置，工作台

12、不工作而需要润滑泵时，将开关SA8拨在连续位置。工作台自动工作时，SA8拨在自动位置。SA8拨在任意一个工作位置上，KM2线圈通电，润滑泵电动机工作。当润滑油达到一定压力时，压力继电器触点KP闭合，为自动工作准备条件。4.3.2.5工作台自动工作控制电路如果位置开关是零位，制子在位置开关两侧，按下前进按钮SB9，K4线圈通电，其触点K4闭合，K3线圈通电，工作台以调节好的前进速度前进。前进末了时，制子A碰撞前进减速开关SQ1，触点SQ1闭合，减速继电器K8线圈通电，工作台以减速速度前进，当制子B碰撞前进换向开关SQ2后，SQ2断开，K3线圈断电，触点K3接通，由于K3是接通的，因而K5线圈通电

13、，触点K5断开，K8线圈断电，工作台以调节好的后退速度开始后退。制子B使SQ2复位，在没有复位前，刀架控制电路中，由于触点SQ2闭合，K7线圈通电，触点K7闭合，接触器KM4线圈通电，进刀电动机转动使进刀机构复位，SQ2复位后，SQ1断开，K7线圈断电，触点K7断开，接触器KM4线圈断电，进刀电动机停转。SQ2复位后虽然使SQ11闭合，但是因K5断开，所以K3不会通电，工作台继续后退，制子A使SQ1复位。后退到末了时，制子C碰撞后退减速开关SQ3，触点SQ-3闭合，减速继电器K8线圈通电，工作台以减速速度后退，当制子D碰撞后退换向开关SQ4，触点SQ4断开，K5线圈断电，触点K5接通，由于K4

14、是接通的，因而K3线圈通电，触点K3断开，K8线圈断电，工作台以调节好的前进速度前进。制子D使SQ4复位，在没有复位前，刀架控制电路中，由于触点SQ1闭合，K6线圈通电，触点K6闭合，接触器KM3线圈通电，进刀电动机转动使进刀机构进刀，SQ1复位后，SQ2断开，K6线圈断电，触点K6断开，接触器KM3线圈断电，进刀电动机停转。进刀量的多少由调节进刀机构来完成的。工作台继续前进，制子C使SQ4复位，完成控制。4.4 PLC 设置4.4.1 PLC 的选型本控制系统共有输入设备 34 个，输出设备 26 个。根据此数据，并考虑一定的余量，选择 FX2N-80MR 型 PLC。FX2N是三菱公司 F

15、X 系列 PLC 中功能最强、速度最快的 PLC。其电源电压为交流 220V，有开关量输入、输出点各 40 个。输入回路电压为直流 24V，X0X7 的输入电流为 7mA，其余输入点为 5 mA。电阻性负载时输出点的额定输出为 2A、220V。4.4.2 PLC 的 主要接口I/O 分配表表4-1 PLC的输入输出地址分配代号I/0点功能代号I/O点功能SB1X1停止按钮KM1Y0主电动机M1启动SB2X2启动按钮KM2Y1电动机M2启动SB3X3垂直刀架控制按钮KM3Y4电动机M3启动SB4X4右侧刀架控制按钮KM4Y5电动机M4正转SB5X5左侧刀架控制按钮KM5Y6电动机M4反转SB6X

16、6横梁上升控制按钮KM6Y7电动机M5正转SB7X7横梁下降控制按钮KM7Y10电动机M5反转SB8X10工作台步进按钮KM8Y11电动机M6正转SB9X11工作台前进按钮KM9Y12电动机M6反转SB10X12工作台停止按钮KM10Y13电动机M7正转SB11X13工作台向后按钮KM11Y14电动机M7反转SB12X14工作台步退按钮KM12Y15电动机M8正转SQ1X15工作台前进减速KM13Y16电动机M8反转SQ2X16工作台前转后K3Y17工作台步进控制SQ3X17工作台后退减速K4Y20工作台自动循环控制SQ4X20工作台退转前K5Y21工作台步退控制SQ5X21工作台前进极限X1

17、Y22变频器运行频率选择SQ6 X22工作台后退极限X2Y23变频器运行频率选择SQ7X23横梁上升极限X3Y24变频器运行频率选择SQ8X24横梁下降刀架限位X4Y31变频器正转点动控制SQ9X25横梁下降刀架限位X5Y32变频器反转点动控制SQ10X26横梁放松检测FVDY27变频器正转控制SQ11X27工作台低速运行REVY30变频器反转控制SQ12X30横梁加紧继电器K9Y25工作台低速运行SQ13X31自动进刀行程开关K10Y26磨削控制SQ14X32自动进刀行程开关SQ15X33自动进刀行程开关SA7-1X34油泵手动控制开关SA7-2X35油泵自动控制开关SA6X36自动/手动控

18、制开关SA8X37磨削控制开关KPX40压力继电器TA/TCX41变频器软故障报警4.4.2 PLC外部主要部分接线图 PLC的外部接线图如下所示： 图4-6 PLC外部接线图4.5 变频器设置4.5.1 变频器选型根据前述龙门刨床直流拖动系统工作要求，对于取代直流拖动并超越直流拖动的交流变频调速来说，选择华为TD2000 系列产品。TD2000 系列通用变频器是高品质、多功能、低噪音变频器。具有丰富的功能，可满足各种不同的需求；变频器的控制为外部控制，而各速度段控制频率由 Y22、Y23、Y24 的组合来完成。例如：系统工作于正常切削状态，此前润滑已起动（即 Y14 为 ON），则 Y27

19、为 ON（正转）且 Y30-OFF，Y22-NO，Y23-OFF（由变频器设定对应运行频率），此时工作台电动机处于切削状态。其它控制过程与此相似。当电动机出现过载或缺相故障时，变频器停止输出并发出报警（TA、TC 为 ON），同时将此信号送入 PLC，PLC 根据程序做出相应处理（停车）。4.5.2变频器的外部接线图图4-7变频器外部接线图本系统循环工作时，要求有快速停车，所以利用变频器的特点，加装制动单元和制动电阻以吸收电动机产生的能量，实现快速安全制动停车。 4.5.3变频器系统功能设定 根据拖动系统的运行特性及系统的功能，要对变频器进行相关的系统设这里对其中的一些主要设定参数进行介绍。

20、F00=1；运行频率设定方式 1 F02=1；运行命令选择，用控制端子F04=50；最大输出频率 F05=50；基本运行频率 F07=0；通用负载选 0 F09=0.2；加速时间 1 F10=0.2；减速时间 1 F11=50；上限频率 F12=0；下限频率 F18=1；电机过载保护方式选择 1 F19=100.0%；电机过载保护系数 F20=1；功能块 20-45 选择 F31=2；停机直流制动起始频率 F32=15%；停机直流制动电压 F33=5s；停机直流制动时间 F46=1；功能块 4670 显示选择 F58=5；多段频率 1 F59= 10；多段频率 2 F60=15；多段频率 3

21、F61=20；多段频率 4 F62=25；多段频率 5 F63=30；多段频率 6 F64=50；多段频率 7 F119=1；控制端子 X1 功能选择 F120=2；控制端子 X2 功能选择 F121=3；控制端子 X3 功能选择 F122=12；控制端子 X4 功能选择，频率递增指令 UP F123=13；控制端子 X5 功能选择，频率递减指令 DOWN F127=0；FWD/REV 运转模式设定，两线控制模式 1 F165=2；参数写入保护，除本功能码外其余禁止改4.6 编程软件实现B2012A型龙门刨床主要控制系统的PLC控制梯形图如图4-8所示（部分）。编程软件包使用三菱的 GX Developer8.86 中文编程软件，是适用于三菱全系列PLC 的编程、调试软件，它是在国际标准 IECll313 的基础上建立的，可以用 LAD、CSF 和 STL 来编程。这是一种可以运行于通用微机中的 Windows 环境下进行编程的语言。将它通过计算机的串口和一根转接电缆与 PLC 的接口相连，即可以进行相互间的通信。