龙门刨床电气控制系统改造设计毕业设计说明书

1西华大学毕业设计说明书摘 要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 技术的不断 发展，用 PLC 设计电气控制系统是 简便可行的方法。本文介 绍的用 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功能，而且在节省资金的前提下，还具有 结构简单，运行 稳定和便于 维护等特点。特 别是其硬件简单可靠,软件丰富灵活,运行效果好。以可编程控制器检测速度过零为换向条件实现了工作台的无冲击换向。以精密电位计为速度给定元件，可手动实时精确地调节主电机转速，从根本上克服了 龙门刨床换向冲击大、工作效率不高、耗 电量大等一系列缺点。系统以数字显示 输出主电机实时转速和电枢电流值，显示准确、直 观。利用 PLC 改造老式 龙门刨床用的电控部分。根据 龙门 刨床工艺对控制系统的要求, 对电气控制系统进行重新设计。主拖动采用调速范围宽、节能效果显著的变频器, 用 PLC 实现 开关量逻辑控制和变频电动机的转速控制。控制系统选用触摸屏作人机界面, 实时显 示龙门刨床的运行状态和故障信息。给出了电力拖动系统的主回路电路图、 PLC 的外部接线图。改造后的 龙门刨铣 床大大提高了机床的性能和加工精度, 达到了预期效果。利用 PLC 对龙门 刨床电控系统进行设计的途径和方法，为改进机床设计提供了新的思路, 对促进工业企业技术进步具有一定意义。【关键词】编程逻辑控制器，龙门刨床，控制系 统，直流调速，刨台运动控制2西华大学毕业设计说明书AbstractThe traditional control system of gantry planer has the shortcomings in reliability, maintenance,processing of quality and efficiency of production. Now as a result of the PLC technology unceasing development, designing the electrical control system with PLC is a simple and feasible method.This paper presents the design of gantry planer with PLC for the electrical control system,which will satisfy the needs of control functions.Moreover, under the premise of saveing money it is also simple, stable and easy to maintain operational characteristics.Especially its hardware is simple and reliable,and its software is rich and nimble.The movement effect is good.The system realizes zero-speed reversing of the work platform and eliminates the impact of original system.The precise potentionmeters are in this system as the speed regulating elements.It can regulate the real-time rotational speed of the main electromotor accurately,and the disadvantages of the original system are hurdled in this system.The real-time rotational speed and the armature current of the main electromotor can be shown accurately and digitally.The ways and means that designing gantry planer electrical control system with PLC provide a new approach for improving the machines design and promote industrial enterprises with a certain sense of technological progress.Keywords：Programmable Logic Controller (PLC)，Gantry Planer，Control System，Direct Current Speed Regulating，Table Movement Control3西华大学毕业设计说明书1西华大学毕业设计说明书目录摘要 1Abstract 21 引言 11.1 选题背景 11.2 龙门刨床的结构特点 11.3 本论文的研究目的及意义 11.4 国内外研究现状 21.5 本论文的研究方法 32 改造前原龙门刨床存在的问题及缺点 42.1 存在的缺点 42.2 刨床的机械特性 43 系统总体方案设计 63.1 几种可行性方案比较 63.1.1 理想的速度运行曲线 63.1.2 实现理想速度运行曲线的几种方法比较 63.2 总体方案设计 73.2.1 PLC 的选型 73.2.2 系统总体方案83.2.3 系统主要配置和设置83.2.4 系统工作流程和控制功能实现93.3 本章小结 94 系统硬件电路设计 114.1 电机原理图设计 114.1.1 电机拖动电路工艺介绍114.2 电源电路设计124.2.1 DC 电源原理124.3 BK 变压器 154.4 励磁单元164.4.1 励 磁 电 源 164.4.2 FXMP25 磁 场 控 制 器 164.4.3 变频器故障诊断与日常维护 172西华大学毕业设计说明书4.5 直流驱动器 MENTORII 184.6 PLC 可编程控制器224.6.1 PLC 的基本组 234.6.2 PLC 的 发 展 趋 势 24 4.6.3 PLC 技术发展呈现新的动向 254.6.4 三菱 PLC 的选型方法264.6.5 三菱 plc 程序设计 275 软件设计部分315.1 系统流程图设计 315.2 程序设计步骤及要点315.3 三菱 PLC 控制系统一般设计方法335.4 横梁升降控制345.5 刀架进给、制动控制356 预计改造后变化376.1 用 PLC 实现机床的自动控制376.2 改造后龙门刨控制系统的特点376.3 应用情况及效果 376.3.1 比较结果 376.3.2 提高效率 39总结40致谢41参考文献421西华大学毕业设计说明书1 引 言1.1 选题背景传统的龙门刨床可靠性差，维护困难，影响了加工质量及生产效率。本文着重介绍了利用 PLC 及直流调速器对其电气系统进行的设计。本文以龙门刨床的电气控制系统为研究对象。龙门刨床是工厂的大型关键设备之一，是制造重型机械不可缺少的工作母机，电气设备较为复杂，生产工艺对刨床电力拖动自动控制系统的要求也越来越高。龙门刨床主要被用来加工大型狭长平面、斜面或槽，对主拖动系统有很高的要求,不仅要求有足够大的切削功率和较宽的调速范围，而且要求其在工作循环中能自动调节速度，以满足不同的工作需要。1.2 龙门刨床的结构特点龙门刨床主要由七部分组成，如图 1.2 所示。17635241床身 2工作台 3横梁 4左右垂直刀架 5左右侧刀架及进给箱 6立柱 7龙门顶 图 1.2 龙门刨床结构简图 床身是一个箱形体，其上有 V 形和 U 形导轨。工作台或称刨台，下面有齿条与传动机构齿轮相啮合，可作往复运动。横梁平常加工时严禁动作，只在更换工件时才移动，以调整刀架的高度。左右垂直刀架可沿横梁导轨在水平方向或沿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。1.3 本论文的研究目的及意义2西华大学毕业设计说明书国内、外在大型龙门刨床的电气控制方面先后也应用了较多的调速技术。为了克服 F-D 调速系统的缺点，70 年代以来出现了晶闸管直流电动机模拟调速系统(SCR-D 调速系统)，取代 F-D 调速系统，缩小占地面积，减少了噪音，节能等，但系统性能差，当电阻及电容参数发生变化时，系统静态及动态性能恶化 1。其次，众多功能单元连线多，因而可靠性不理想，维护、维修难度较大，现在应用的三菱 FX 系列及欧陆 590 系列，调速装置性能越来越完善，通用性强，操作方便，具有自动定相功能，具有电流环自整定功能，具有自适应寻优功能，保证系统工作在最佳状态，具有完善的过流、过压，缺相，欠磁，超速等保护功能，但诸多企业在使用中还是采用机械限位开关或晶体管接近开关来完成换向，其故障率高，在现场经常撞坏；同时操作者要经常调节标铁的位置，以改变刨台的行程，这就给人工操作带来许多不便，无工作行程数控定位，本设计将应用系统中先进的数字定位技术，能使刨刀及工作台按设定的行程和速度进行有序的运行，按着刀架进给刀架落刀工作台前进工作台加速工作台速度保持工作台减速工作台前进到位刀架后退工作台后退到位刀架进给自动循环工作停机。本文研究目的主要为了龙门刨床的自动控制设计及其相关理论研究，包括直流调速系统工作原理及电路设计，可编程控制器工作原理及逻辑控制电路设计与程序实现，系统参数优化原理及设置等。龙门刨床如控制和使用得当，不仅能提高效率，节约成本，还可大大延长使用寿命。龙门刨床主要分为机械和电气控制两大组成部分，机械部分相对比较稳定，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。1.4 国内外研究现状上世纪 60 年代在龙门刨床上广泛使用的是 JF-D 调速系统，目前该系统在国有大中型企业仍然占有相当大的比重，但是 JF-D 型的龙门刨床的电气系统存在许多问题。上世纪 80 年代初，许多企业对龙门刨床进行电气改造时，用晶闸管-直流电动机(SCR-D)模拟直流调速系统取代 JF-D 调速系统。但是该系统的主要问题是：众多功能单元之间接插件多，接插件的触点容易出现接触不良的故障，影响了系统的可靠性， 维护和检修难度大。1990 年左右，随着半导体和计算机技术的不断发展和完善，工业先进国家研制出成套的全数字晶闸管直流调速装置，并成功地应用在工业实践中。全数字直流调速系统存在的问题是低速性能不好，所有的电气参数均是英文显示，对电气3西华大学毕业设计说明书维护人员的技术水平要求很高 2。1996 左右，由于变频器性能的不断完善和推广，尝试将变频器运用于拖动系统，将 PLC 和变频器成功地应用于龙门刨床，使龙门刨床的电气性能和各项技术指标都得到了极大的改善。如今 PLC 技术的发展和成熟，用 PLC 设计刨床的电气控制系统是行之有效的方法。龙门刨床的运动可分为主运动、进给运动及辅助运动。主运动是指工作台连续重复往返运动，进给运动是指刀架的进给，辅助运动是为了调整刀具而设置的，如横梁的夹紧放松，横梁的上、下移动，刀架的快速移动、润滑等。龙门刨床工作台是做往复直线运动的，前进时为工作行程，此时带动工作台的电机有负载。后退时为返回行程，刀具抬起，电机为空载 3。1.5 本论文的研究方法本文以 PLC 作为主控制器，它是整个系统的核心部件，通过输入接收来自按钮操作站和转换开关的操作信号及其它设备的状态信息，将这些信号经 PLC 内部的用户程序运算，根据运算结果通过输出点，控制直流调速器完成主拖动，同时控制各交流电动机的接触器完成辅助拖动。从整个系统来看是一个多输入多输出的自动控制系统，而且输入输出大多为开关量，但由于本系统的主要被控量只有一个工作台的速度，这就使得以主拖动系统局部优化而使整个系统达到优化成为可能， 应用 PLC，可使各电机的运行，各刀架的移动、抬刀、横梁夹紧等，主传动电磁制动器的动作实现程序控制。同时，与直流调速器配合使用，可使工作台实现自动减速、换向、多步速度变化及往复运行等，大大简化了操作步骤4西华大学毕业设计说明书2 改造前原龙门刨床存在的问题及缺点2.1 存在的缺点设备使用年代以久，电器控制元件严重老化，设备故障率高，维修费用大，已不能满足目前生产加工的需要。由于采用的是交直流机组，故其效率只有0.50.68,且能耗高).主传动及控制部分电气操作条件较多，不但增加了维护工作量，也使整个系统可靠性大大降低。工作台调速范围小，精度（D30）,加工工件的表面质量差。占地面积大，噪音高。我们知道龙门刨床这种 A-G-M 调速系统，它具有占地面积大、噪声污染严重、尤其交流电动机拖动发电机浪费电能很严重。从工作情况来看，直流电动机的功率并没有得到充分利用，并且维护保养较困难。目前许多在使用该系统工作的厂家都在想办法解决以上问题。从 70 年代至目前有极少部分采用晶闸管-直流电动机机组（V-M 调速系统）。该系统低速时损耗大、功率因数低、对电网污染严重，而使用的还是直流电动机，维护保养困难的问题还是没有解决。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, 设备操作及维护人员要消化和掌握系统的性能, 需花费较长的时间和具备一定的技术水平。而变频调速系统经过多年的推广和使用, 各项性能和技术指标不断趋于完善和成熟, 节能效果显著。并且由于变频调速系统的各种运行状况和故障情况都可以通过监示器显示,2.2 刨床的机械特性龙门刨床对电力拖动的技术要求-龙门刨床是频繁往复运动的生产机械，它的工作方式为循环方式。前进行程是切削行程；后退行程是不作切削的，只让工作台驶回为下一步切削作准备。实际工作中为了提高劳