M7475B型平面磨床控制电路的改造

M7475BM7475B 型平面磨床控制电路的改造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 摘摘 要要 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 关关键词键词 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一 平面磨床主要结构及运动形式 1 1 主要结构 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 2 平面磨床的拖动系统 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 第 1 页 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 940r min 工作台高速旋转时 电动机定 子绕组接成 Y 形 转速为 1440 r min 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 二 电气控制线路分析电气控制线路分析 1 1 主电路分析 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 2 控制电路的分析 如图 控制电路的分析 如图 1 1 所示 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 第 2 页 图 1 7475B 型平面磨床主电路 第 3 页 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 23 25 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 第 4 页 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 第 5 页 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 硬件电路设计三 硬件电路设计 1 1 PLCPLC 与变频器选型与变频器选型 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 2 变频器调速系统的控制电路设计 变频器调速系统的控制电路设计 第 6 页 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 3 变频器基本参数设置 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 2KW 3 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 6 2 计算转速 nD 300 r min 即 nL 300 r min 为恒转矩区 nL 500 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 7520030050080012002000 第 7 页 r min 转矩 N m 63 7 63 7 63 738 223 915 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 0 5 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 HZ 5025102045300 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 第 8 页 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 SB4 SB6 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 RHRMRL ONOFFOFF1 OFFONOFF2 OFFOFFON3 OFFONON4 ONOFFON5 ONONOFF6 ONONON7 4 4 输入 输出分配 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KR1 KR6 I0 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 第 9 页 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 1 SQ1I2 4 砂轮机升降电动 机下升接触器 KM9Q1 2 行程开关 2 SQ2I2 5 冷却泵电动机 M5 接触器 KM10Q1 3 行程开关 3 SQ3I2 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 3 5 5 PLCPLC 控制系统原理图控制系统原理图 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 第 10 页 图 5 PLC 和变频器外部接线图 四 软件设计四 软件设计 1 1 流程图 流程图 第 11 页 图 6 M7475B 型平面磨床工作流程图 2 2 M7475BM7475B 型平面磨床型平面磨床 PLCPLC 的程序的程序 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 第 12 页 图 7 多段速控制程序 按下启动按钮 SB1 M1 得电动作 按下 SB4 I0 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 SB5 IO 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 SB6 IO 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 SB7 IO 7 动作 Q0 4 得电动作 自锁并 变频器 RL 得