M7475B型平面磨床控制电路的改造.doc

M7475B型平面磨床控制电路的改造史文忠厦门群鑫机械有限公司【摘 要】M7475B型平面磨床是一种使用广泛的车床，多用于加工各种类型零件表面。本文采用了西门子S-700 PLC和三菱FR-A700变频器为控制，通过对M7475B型平面磨床的控制电路进行改造，从而实现“一体化”，自动化程度得到提高，以利于其更好的为生产服务。【关键词】平面磨床 PLC 变频器 随着我国的经济飞速发展，社会对工业生产的产品要求不断地提高。平面磨床作为工业生产内的重要生产工具，与人们的工作和产生息息相关。对平面磨床的性能要求很精确。传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，正逐渐被淘汰。本文平面磨床设计使用可编程控制器(PLC)和变频器，使平面磨床功能变化灵活而强大，编程简单，故障少，噪音低。从而提高生产效率，降低了生产成本，系统趋向自动化，可以更好地为人民生活和生产服务。一、平面磨床主要结构及运动形式1、主要结构磨床是用砂轮对工件的表面进行磨削加工的一种精密机床。其结构主要由床身、圆工作台、砂轮架和立柱等部分组成。它采用立式磨头，用砂轮的端面进行磨削加工，用电磁吸盘固定工件。2、平面磨床的拖动系统磨床的主运动是砂轮电动机M1带动砂轮的旋转运动。经给运动是工作台转动电动机M2拖动圆工作台转动。铺助运动是工作台移动电动机M3带动工作台的左右移动和磨头升降电动机M4带动砂轮架沿立柱导轨的上下移动，磨床的砂轮和工作台分别由单独的电动机拖动，并用继电器，接触器控制，属于纯电气控制。砂轮电动机M1只要求单方向旋转。由于容量较大，采用Y-降压启动以限制启动电流。工作台转动电动机M2选用双速异步电动机来实现工作台的高速和低速旋转，以简化传动机构。工作台低速转速时，电动机的定子绕组接成形，转速为940rmin。工作台高速旋转时，电动机定子绕组接成Y形，转速为1440 rmin。 工作台正反转电动机M3、磨头升降电动机M4快速移动电动机，由继电器控制它们正反转。通过KA2是否得电控制电磁吸盘的励磁，退磁采用电子线路控制。为了加工后能将工件取下，要求圆工作台的电磁吸盘在停止励磁后自动退磁。二、 电气控制线路分析1、主电路分析M74750B型平磨床的三相交流电源由低压断路器QF引入，由图1可知主电路共有五台三相交流异步电动机。M1是砂轮机电动机，由接触器KM1、KM2控制实现Y-降压启动，并由低压断路器QF兼做短路保护。M2是工作太转动电动机，由KM3和KM4控制其低速和高速运转，由熔断器FU1实现短路保护。M3是工作台移动电动机，由KM5、KM6控制其正反转，实现工作台的左右移动。M4是磨头升降电动机，由KM7KM8控制其正反转。冷却泵电动机M5 的启动停止由插接器X和接触器KM9控制。5台电动机均用热继电器做过载保护。M3M4和M5共用熔断器FU2作短路保护。2、控制电路的分析（如图1所示）控制电路由控制变压器TC1的一组抽头提供220V的交流电压，由熔断器FU3作短路保护。（1）零电压保护 磨床中工作台转动电动机M2和冷却泵电动机M5的启动和停止采用无自动复位功能的开关操作，当电源电压消失后开关仍保持原状。为防止电压恢复是M2M5自行启动，线路中设置了零压保护环节。在启动各电动机之前，必须先按下SB2（14区），零压保护继电器KA1得电自锁，其自锁常开触头接通控制电路电源。电路断电时，KA1释放；当恢复供电时，KA1不会自行得电，从而实现零压保护。图1 7475B型平面磨床主电路图2 7475B型平面磨床控制电路(2)砂轮电动机M1的控制 合上电源开关QF（1区），将工作台高、低速转换开关SA1（2325区）置于零位，按下SB2使KA1通电吸合后，再按下启动按钮SB3（16区），KT和KM1同时得电动作，KM1的常闭辅助触头（19区）断开对KM2联锁，的常开辅助触头闭合自锁，其主触头闭合使电动机的定子绕组接成Y形启动。经过延时，时间继电器KT延时断开的常闭触头（20区）断开，KM1断电释放，M1失电作惯性运转。KM1的常闭辅助触头(19区)闭合为KM2得电作准备。同时KT延时闭合的触头(21区)闭合,接触器KM2得电动作并自锁,其主触头(4区)闭合使M1的定子绕组接成形；而KM2的另一对常开辅助触头(22区)闭合,KM1从新得电动作,将电动机M1电源接通,使电动机定子绕组接成形进入正常运行状态。该控制线路在电动机M1的定子绕组Y-转换的过程中，要求KM1线断电释放，然后KM2得电吸合，接着KM再得电吸合。其原因是接触器KM2的触头容量（40A）比KM1（75A）小，且线路中用KM2的常闭辅助触头将电动机M1的定子绕组接成Y形，而辅助触头的断流能力又远小于主触头。因此，首先使KM1释放，切断电源，使KM2在触头没有通过电流的情况下动作，将电动机定子绕组接成形，再使KM1动作，重新接通电动机电源。如果KM1不先断电释放而直接使KM2动作，则KM2的辅助触头要断开大电流，这可能会将触头烧坏更严重的是，由于再断开大电流是要产生强烈的电弧，而辅助触头的灭弧能力又差，到KM2的主触头闭合时，它的辅助触头间的电弧可能尚未熄灭，从而将产生电源短路事故。停车时，按下停止按钮SB4（20区），接触器KM1KM2和时间继电器KT断电释放，砂轮电动机M1失电停转。（3）工作台转动电动机M2的控制 工作台转动电动机M2由转换开关SA1控制，有高速和低速两种旋转速度。将SA1扳到低速位置，接触器KM3得电吸合，M2定子绕组接成形低速运转，带动工作台低速运转。将SA1扳到高速位置，接触器KM4得电吸合，M2定子绕组接成双Y形，带动工作台高速转动。将SA1扳到中间位置，KM3和KM4均失电，M2停止运转。（4）工作台移动电动机M3的控制 工作台移动电动机采用点动控制，分别由按钮SB5（26区）SB6（27区）控制其正反转。按下按钮SB5，KM5吸合，M3正转，带动工作台向左移动；按下SB6，KM6吸合，M3反转带动带动工作台右移动。工作台的左移和右移分别用限位开关SQ1和SQ2作限位保护。当工作台移动到极限位置时，压动位置开关SQ1或SQ2，断开KM5或KM6线圈电路，使M3失电停转，工作台停止移动。 （5）磨头升降电动机M4的控制 磨头升降电动机也采用了点动控制。按下上升按钮SB7（28区），接触器KM7吸合，M4得电正转，拖动磨头向上运动。按下下降按钮SB8（29区），接触器KM8吸合，M4反转，拖动磨头向下运动。磨头的上升限位保护由位置开关SQ3实现。在磨头的下降过程中，不允许工作台转动，否则将发生机械事故。因此，再工作台转动控制线路中，串接磨头下降接触器KM8的常闭辅助触头（24区），当KM8吸合磨头下降时，切断工作台控制电路。在工作台转动时，不允许磨头下降，因此，再工作台转动控制线路中，串接磨头下降接触器KM3和KM4的常闭触头（29区），使工作台转动时切断磨头下降的控制电路，实现电器联锁。（6）冷却泵电动机M5的控制 冷却泵电动机M5由接插器X（12区）和接触器KM9控制。当加工过程中需要冷却液时，将接插器插好，然后将开关SA2（30区 ）接通，KM9通电吸合，M5启动运转，断开SA2，KM9断电释放，M5停转。三、硬件电路设计1、PLC与变频器选型对M7475B型平面磨床的PLC和变频器改造这里主要从选型和程序设计两个方面着手，从设计中寻找继电器-接触器线路的改造方法。西门子S7-200 PLC具有结构紧凑、指令系统功能强、程序编写和写入方便快捷、操作简单方便等优点。三菱FR-E700变频器具调速的性能好、调速范围宽、静态特性好，运行效率高、方便、工作可靠性高，运行效益显著。 2、变频器调速系统的控制电路设计本文变频器采用了交流直流交流的形式，将工频交流电通过整流器变成直流电，再把直流电转换成频率、电压均可控制的交流电。它主要由主电路和控制电路组成。（如图3所示）。图3 变频器的基本结构图在变频器中，控制电路完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。通过变频器自身的各种保护和改变频率减小电动机启动电流来取代Y-减压启动和能耗制动，可以更好、更安全、更可靠的使砂轮电动机运转。3、变频器基本参数设置例如： 1）75r/min，200 r/min，300 r/min，500 r/min，800 r/min，1200 r/min，2000 r/min，7档。2）电动机额定容量2.2KW3）电动机额定转速1440 r/min（1）计算数据1）调速范围D=nmax/mmim=2000/75=26.62)计算转速nD=300 r/min即：nL300 r/min为恒转矩区；nL500为恒功率区 。3） Tmn=9550.Pmn/ nmn=9550*22/1440=14.6 N.m表1 各挡转速下的负载转矩转速挡1234567转速（r/min）7520030050080012002000转矩（N.m）63.763763.738.223.915.99.5磨床加工零件的精度提供了选择的依据和标准。（如表1所示）变频器的设置参数较多，每个参数的有一定选择范围，如有参数设置不当，变频器将不能工作。因此必须对相关的基本参数进行正确的设定。设定参数（如表2所示）。表2 变频器的基本参数参数名称参数号设置数据提升转矩Pr.05上升时间Pr.74s下降时间Pr.83s加减速基准时间Pr.2050HZ基底频率Pr.350HZ上升频率Pr.150HZ下降频率Pr.20HZ电子过电流保护Pr.93s加减速基准频率Pr.203A运行模式Pr.791除了对基本参数设定外，还需要对Pr.4、Pr.5、Pr.6、Pr.24、Pr.25、Pr.26设置参数。实现对端子RH、RM、RL自由组合控制从而改变输入的运行指令，可以使变频器输出不同频率的3相交流电，实现了砂轮电动机七种转速，提高磨床精度的多样化（如表3所示）。表3 变频器的七种转速参数设置控制端子RHRMRLRMRLRHRLRHRMRHRMRL参数号Pr.4Pr5.Pr.6Pr.24Pr.25Pr.26Pr.27设定值HZ5025102045300变频器七种速度是通过PLC控制变频器的RH、RM、RL端子组合来实现切换，其端子组合与运行速度对应如图4所示。图4 变频器的七种转速的波形图图6中SB1和SB2用于控制变频器的运行，SB3用于变频器排除故障后的复位；SB4SB6是7挡转速的组合按钮。各挡转速与输入端状态之间的关系见表4。表4 7挡转速与输入端状态关系表各输入端的状态转速档次RHRMRLONOFFOFF1OFFONOFF2OFFOFFON3OFFONON4ONOFFON5ONONOFF6ONONON74、输入、输出分配根据改造的理念和输入/输出的信号的要求，得出I/O分配表如表5所示。表5 PLC输入/输出点分配表输入信号输出信号名称代号输入点编号名称代号输出点编号热继电器KR1KR6I0.0变频器复位端RESQ0.0总启动按钮SB1I0.1变频器正转端STFQ0.1停止按钮SB2I0.2变频器高速端RHQ0.2变频器复位按钮SB3I0.3变频器中速端RMQ0.3变频器正转按钮SB4I0.4变频器低速端RLQ0.4变频器高速启动按钮SB5I0.5工作台转电动机低速接触器KM4Q0.5变频器中速启动按钮SB6I0.6工作台转电动机高速接触器KM5Q0.6电动机M2高速转换开关SA1-1I1.0工作台转电动机正转接触器KM6Q0.7电动机M2低速转换开关SA1-2I1.1电动机M3正转点动按钮SB7I0.7工作台转电动机反转接触器KM7Q1.0电动机M3反转点动按钮SB8I1.2砂轮机升降电动机上升接触KM8Q1.1行程开关1SQ1I2.4砂轮机升降电动机下升接触器KM9Q1.2行程开关2SQ2I2.5冷却泵电动机M5接触器KM10Q1.3行程开关3SQ3I2.6电动机M4上升点动按钮SB9I1.3电动机M4下降点动按钮SB10I1.4冷却泵电动机M5手动按钮SA-2I2.1充磁按钮SB11I1.5退磁按钮SB12I1.6变频器高速停止SB13I1.7变频器中速停止SB14I2.2变频器低速停止SB15I2.35、PLC控制系统原理图根据对控制电路分析及改造的理念，绘制由一台FR-A700变频器拖动砂轮电动机M1，控制信号由S7-200PLC给定的，各按钮控制PLC由输出信号。其硬件接线图如图5所示。图5 PLC和变频器外部接线图四、软件设计1、流程图图6 M7475B型平面磨床工作流程图2、M7475B型平面磨床PLC的程序根据控制电路的分析和控制的要求编写出控制程序。本文给出梯形图程序，程序如下：PLC控制变频器的多转速控制程序如图7所示。图7 多段速控制程序按下启动按钮SB1M1得电动作。按下SB4I0.4动作Q0.1得电动作，自锁并变频器STF得电电动机M1得电正转。按下SB5IO.5动作Q0.2得电动作，自锁并变频器RH得电电动机M1得电高速旋转。按下SB6IO.6动作Q0.3得电动作，自锁并变频器RM得电电动机M1得电中速旋转。按下SB7IO.7动作Q0.4得电动作，自锁并变频器RL得电电动机M1得电低速旋转。按