基于PLC的大型龙门刨床工作台传动系统设计

I基于 PLC 的大型龙门刨床传动系统设计摘要 以前的龙门刨床控制系统可靠性差，维护也特别困难，制造的产品质量不行，而且还比较慢，随着技术的发展，可以用 PLC 来设计电气控制系统。此文相关的 PLC 技术可以控制龙门刨床的电气控制系统，即能实现各种控制功能，并能节省成本，设计结构简单易懂，维护费用低，质量可靠等优点。硬件非常简单，软件多并且实用性一流。用编程的控制器检测速度过零位换向的条件可以实现工作台的无冲击换向。用精密的电位计将速度给定原件，能实现手动控制电机的转速等，可以从根本上克服龙门刨床工作效率不高，换向冲击大，耗电量大等一系列的缺点。此系统用数字宣示主电机的实时转速，和电枢的电流值，显示直观准确。将 PLC 对龙门刨床的电控系统设计的方法与途径，用于改进机床的设计提供了新的思路，对促进技术进步也有一定的意义。 B2012A 型龙门刨床主要用来加工大型工件的各种平面、斜面、凹槽等，特别适应于加工大型的、狭长的机械零件，是常见的大型机械加工设备。传统龙门刨床的电气控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组成控制逻辑，其连线多而复杂，体积大，功耗大，其改造或增加功能较为困难，而且继电器控制系统依靠机械触点的动作实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题，且由于使用大量的机械触点，存在机械磨损、电弧烧伤等问题，寿命短，系统的大量连线使得机床的可靠性和可维护性较差。本设计提出通过采用 PLC 对其传统的龙门刨床进行电气改造是因为 PLC 很容易实现比较复杂的控制逻辑，在同种要求下，PLC 可省去大量的控制继电器，节能降耗，降低运行成本，且改变工艺控制简便易行，而且 PLC 是无触点电路，反应快、噪音小、寿命长。关键词 B2012A 型龙门刨床；PLC；电气控制系统改造IIB2012A Gantry Planer Electrical Control System Based on PLC TechnologyAbstract Double housing planer are mainly used for processing large workpieces, such as various plane, inclined plane and grooves.Especially suitable for processing large, long and narrow mechanical parts, which is a common large-scale mechanical processing equipment. Traditional electrical control system of double housing planer that use the hardware connection to control the system logic, and take advantage of mechanical contact of the relays that it is in series or parallel to control logic, which wires are more and complex, large volume and large power consumption, and it is difficult to modify or add its features. Otherwise, relay control system depends on the mechanical contact of movement to control, which has low working frequency and occurs mechanical contacts jitter problem, and also due to the use of a large number of mechanical contact, some problems such as mechanical wear, arc burns.Because the short of life, a large number of the system wiring make the machine poor reliability and maintainability. This design is putting forward through the adoption of PLC to renovate electrical double housing planer. Because of PLC is easy to implement more complex control logic. Under the same requirement, PLC cant only save a lot of to control relay, save energy and reduce consumption, lower operation cost, and easy change of process control,and also the PLC is non-contact circuits, quick reaction, low noise and long service life.Key words Type B2012A gantry planer；PLC；Control system transformationIII目录0 引言 -11 PLC 与继电器控制系统的比较- 12 龙门刨床的结构及电气分析 -22.1 龙门刨床的结构 -22.2 龙门刨床的加工工艺特点 -22.3 龙门刨床的工作特点 -32.4 龙门刨床电力拖动系统主回路分析 -43. PLC 的选型及控制接线- 53.1 龙门刨床 PLC 控制系统构成 -53.2 PLC 的选型- 53.3 PLC I/O 输入点数分配表- 63.4 PLC 控制接线图- 84 PLC 的控制程序设计- 114.1 PLC 程序设计概述- 114.2 GX Developer 梯形图编程的特点- 114.3 控制程序设计分析 -114.3.1 风机油泵控制程序设计分析 -114.32 工作台控制程序设计分析- 124.3.3 刀架运行控制程序设计分析 -134.3.4 横梁升降控制程序设计分析- 144.3.5 变频器报警控制程序设计分析- 154.4 控制程序的仿真 -154.4.1 仿真软件 GX Simulator 的简介- 154.4.2 控制程序仿真分析 -164.5 PLC 控制程序指令- 19IV结论 -22致谢语 -24参考文献 -25附录 -26湖南理工学院毕业论文10 引言传统龙门刨床的电气控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组成控制逻辑，其连线多而复杂，体积大，功耗大，其改造或增加功能较为困难，而且继电器控制系统依靠机械触点的动作实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题，且由于使用大量的机械触点，存在机械磨损、电弧烧伤等问题，寿命短，系统的大量连线使得机床的可靠性和可维护性较差。本设计提出采用 PLC 对其传统的龙门刨床进行电气改造是因为 PLC 很容易实现比较复杂的控制逻辑，在同种要求下，PLC 可省去大量的控制继电器，节能降耗，降低运行成本，且改变工艺控制简便易行，而且 PLC 是无触点电路，反应快、噪音小、寿命长。1 PLC 与继电器控制系统的比较在 PLC 出现以前，继电器硬件接线电路是逻辑、顺序控制的唯一执行者，它结构简单、价格低廉，一直被广泛应用。PLC 出现之后，在几乎所有方面都大大超过了继电器控制，两者的性能比较如表 1 所示。表 1 PLC 与继电器控制系统的比较比较项目 继电器控制 PLC控制逻辑 硬件接线多，体积大，连线复杂 软件逻辑，体积小，接线少，控制灵活控制速度 通过触电开关实现控制，动作速度受继电器硬件限制，一般十几毫秒由半导体电路实现控制，指令执行时间短，一般为微秒级定时控制 由时间继电器控制，精度差 由集成电路实现，精度高设计与实施 设计、施工、调试必须按照顺序进行，周期长系统设计完成后，施工与程序设计同时进行，周期短可靠性与维护性 继电器触点寿命短，可靠性与维护性差无触点，寿命长，可靠性高，有自诊断功能湖南理工学院毕业论文22 龙门刨床的结构及电气分析2.1 龙门刨床的结构龙门刨床主要用于刨削大型工件，外貌整体结构如图 1 所示。1-右侧刀架 ; 2-横梁; 3-右立柱; 4-顶梁; 5-垂直右刀架; 6-垂直左刀架 ;7-左立柱; 8-左侧刀架;9-工作台; 10-机座图 1 龙门刨床示意图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，其空行程速度大于工作行程速度。横梁上装有两个垂直刀架，刀架滑座可以在垂直面内回转一个角度，并可以沿横梁作横向进给运动，横梁也可在两立柱上作上下调整，一般在两个立柱上还安装有可沿立柱上下移动的侧刀架，以扩大加工范围。工作台回程时刀架可机动抬刀，以免滑伤工作表面。机床工作台的驱动可用发电机电动机组或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。从整体上看，工作加工过程较为简单。2.2 龙门刨床的加工工艺特点龙门刨床主要用来加工大型工件的各种平面、斜面、槽，特别适宜于加工大型的、价格 使用继电器、接触器等元件，价格低 使用大规模集成电路，价格高湖南理工学院毕业论文3狭长的机械零件，但加工精度要求不高，且机械加工制造业中广泛使用的大型工件加工设备。其加工工艺特点是：被加工的工件固定在工作台上，工件连同工作台频繁地进行往复运动，工件地切削加工仅在工作进程内进行，而返回进程只作空运转。刀架地进给运动是在工作台于返回行程到工作行程地换向期间内进行的，故龙门刨床的主运动是工件连同工作台的纵向往复，辅助运动是刀架的进给，抬刀、落刀和快速移动，横梁的夹紧、放松和升降，以及工作台的步进、步 退等辅助动作。2.3 龙门刨床的工作特点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。前进进程是切削行程，后退不作切削，只让工作台为下一步切 削做准备，工作台运动示意图如图 2 所示。图 2 龙门刨床工作台自动运行图在实际工作中为了提高生产的效率，返回行程的速度大于前进切削速度。由于不同的金属材料和不同的加工工艺，必须要求控制系统具备：1）工作台传动具有比较宽的调速范围和较硬的机械特性；2）工作台前进切削和后退的过程中运行平稳，不振荡，速度能单独地作无级调速，无须停车；3）运动方向地改变要平滑、迅速、冲击力小，动作反应快；湖南理工学院毕业论文44）在低速范围内切削力基本保持恒定状态，静差率小于 3；5）前进与后退行程的末尾工作台自动减速，反向准确；6）传动效率高，耗电量小；7）控制系统简单，可靠安全，易于维修保养。本设计将根据龙门刨床加工工艺的特点，以及控制系统所具备的要求，运用所学的电气控制方面的专业知识，采用 PLC 对其 B2010A 型龙门刨床传统的控制系统进行简单的改造，以达到投资小、改造周期短、节能降耗等目的，弥补继电器控制的不足，充分发挥 PLC 的优势，以提高龙门刨床的生产效率 1。2.4 龙门刨床电力拖动系统主回路分析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运行时才可启动，其余电机在正反向运行之间形成电气互锁，主回路如图3所示。 变 频 器M13 2L123L12FRSTKMM43 5 L321KK6M7横 梁 升 降油 泵 横 梁 松 紧主 拖 动 电 机 风 机L2M63 M734K89M83K10K12垂 直 刀 架 左 侧 刀 架 右 侧 刀 架图3 电力拖动系统主回路设计3. PLC的选型及控制接线湖南理工学院毕业论文53.1 龙门刨床PLC控制系统构成龙门刨床PLC控制系统构成主要有：主传动调速换向控制，刀架进给、抬刀和快速移动控制，以及横梁的移动、夹紧、放松、升降等部分组成 2。3.2 PLC 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 3：1）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1520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 4。2）对存储容量的选择一般按估算容量的50100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 5。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，本设计中输入点数为39个，输出点数为24个。所以选择PLC的基本单元的型号为FX2N-80MR-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 6。FX2N-80MR-001 的电源电压为 AC220V，有 40 个开关量输入点和 40 个继电器型开关量输出点。输入电压为