B2012a型龙门刨床的自动化改造

毕业设计 论文 毕业设计 论文 题题 目目 B2012aB2012a 型龙门刨床基于型龙门刨床基于 PLCPLC 的自动的自动 化改造化改造 2 毕 业 论 文 课题名称 课题名称 B2012aB2012a 型龙门刨床基于型龙门刨床基于 PLCPLC 的自动的自动 化改造化改造 专 业 机电一体化 3 目 录 前言前言 3 摘要摘要 3 第一章第一章绪论绪论 4 1 1 龙门刨床简介 5 1 2 PLC 的基本概念 1 3 本文研究的目的及意义 第二章第二章 B2012AB2012A 龙门刨床的基本情况龙门刨床的基本情况 2 1 基本结构 2 2 工作过程 2 3 运动分析 2 4 传动系统 第三章第三章 龙门刨床对控制系统的要求龙门刨床对控制系统的要求 3 1 要求有宽广的调速范围 3 2 电气控制电路能保证机床可靠地自动工作 3 4 工作台速度调整 3 5 刀架能自动进给和快速移动 3 6 系统的机械特性要有一定的硬度 3 7 有必要的联锁保护 第四章第四章 B2012AB2012A 型龙门刨床的型龙门刨床的电气控制电气控制 4 1 交流机组拖动系统组成 4 2 直流发电 拖动系统组成 4 3 各控制电路概述 4 3 1 主拖动机组电动机 M1 控制电路 4 3 2 横梁控制电路 4 3 3 工作台自动循环控制电路 4 3 4 工作台步进 步退控制 4 3 5 刀架控制电路 第五章第五章 变频技术变频技术 5 1 变频技术的优越性 5 2 系统对变频器的控制要求 5 3 变频器的选型 5 4 设备组成 5 5 组成框图 第六章第六章 B2012AB2012A 型龙门刨床型龙门刨床 PLCPLC 控制系统组成控制系统组成 6 1 龙门刨床的特点 6 2 输入 输出分配表 6 3 PLC 类型选定 6 4 工作台控制流程 6 5 PLC 控制接线图 6 6 设计控制程序 第七章第七章 B2012AB2012A 型龙门刨床改造效果型龙门刨床改造效果 毕业设计总结毕业设计总结 参考文献参考文献 4 摘摘 要要 分析了龙门刨床的运动特点 利用 PLC 和变频技术对 B2012A 型龙门刨床进行自动化改造 以 提高其加工效率和精度 关键词 龙门刨床 PLC 变频 前 言 龙门刨床是机械工业的主要工作母机之一 在工业生产中占有重要的位置 其电气控制系统包 括工作台的主传动和进给机构逻辑时序控制两大部分 龙门刨床工作台的行程控制多采用传统的继 电器 行程开关控制方式来实现 该方式存在着故障率高 接线复杂 灵活性小 检修不方便等缺 点 这对加工性能及成本有很大的影响 有的甚至无法在一些加工要求稍高的工件场合下使用 但是 目前部分中小型企业及高校仍广泛使用这种传统的继电器控制机床 在资金紧张的情况 下 更新机床是不太现实的 因此 对龙门刨床加工性能和要求进行分析研究 设计一套低成本高 性能的控制方案 应用于实践 可最大限度发挥龙门刨床的加工潜力 提高可靠性 降低运行成本 对老式龙门刨床的改造提高有很大的实际意义 随着 PLC 在工业控制中的迅猛发展 为改变上述缺点提供了有效途径 因此 本文作者将以 B2012A 型龙门刨床为例 根据龙门刨床的加工工艺特点 采用可编程序控制器 PLC 对其传统控制 系统进行改造 第一章 绪论 1 1 龙门刨床简介 铣床是美国人惠特尼于 1818 年创制的卧式铣床 为了铣削麻花钻头的螺旋槽 美国人布朗于 1862 年创制了第一台万能铣床 这是升降台铣床 的雏形 1884 年前后又出现了龙门铣床 二十世 纪 20 年代出现了半自动铣床 工作台利用挡块可 完成 进给 决速 或 决速 进给 的自动转换 龙门刨床是各类机加工厂中较为常见的设备 是具有门式框架和卧式长床身的刨床 龙门刨床主 要用于刨削大型工件 也可在工作台上装夹多个零 件同时加工 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 空行程速度大于工作行程速 5 度 横梁上一般装有两个垂直刀架 刀架滑座可在垂直面内回转一个角度 并可沿横梁作横向进给 运动 刨刀可在刀架上作垂直或斜向进给运动 横梁可在两立柱上作上下调整 一般在两个立柱上 还安装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能机动抬刀 以免划伤工件表面 机床工作台的驱动可用发电机 电动机组或用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 龙门铣床还有一些变型以适应不同的加工对象 龙门铣镗床 横梁上装有可铣可镗的铣镗头 其主轴 套筒或滑枕 能作轴向机动进给并有运动微调装置 微调速度可低至 5 毫米 分 桥式龙 门铣床 加工时工作台和工件不动 而由龙门架移动 其特点是占地面积小 承载能力大 龙门架行 程可达 20 米 便于加工特长或特重的工件 其外形与龙门刨床相似 区别在于它的横梁和立柱上 装的不是刨刀刀架而是带有主轴箱的铣刀架 并且龙门铣床的纵向工作台的往复运动不是主运动 而是进给运动 而铣刀的旋转运动是主运动 在龙门铣床上可以用多把铣刀同时加工表面 所以生 产效率比较高 适用与成批和单件生产 用以加工中型和大型工件 1 2 PLC 的基本概念 PLC 可编程序控制器 PLC 英文全称 Programmable Logic Controller 中文全称为可编程逻 辑控制器 定义是 一种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境应用而设计的 它采用一类可编 程的存储器 用于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数与算术操作等面向用户的 指令 并通过数字或模拟式输入 输出控制各种类型的机械或生产过程 可编程控制系统 Programmable Logic Controller 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系 统 它采用一种可编程的存储器 在其内部存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算 等操作的指令 通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程 可编程控制器是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自 动控制装置 是作为传统继电器的替换产品而出现的 随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展 可编程控制器更多地具有了计算机的功能 不仅能实现逻辑控制 还具有了数据处理 通信 网络 等功能 由于它可通过软件来改变控制过程 而且具有体积小 组装维护方便 编程简单 可靠性 高 抗干扰能力强等特点 已广泛应用于工业控制的各个领域 大大推进了机电一体化的进程 1 2 1 PLC 的分类 1 小型 PLC 小型 PLC 的 I O 点数一般在 128 点以下 其特点是体积小 结构紧凑 整个硬件融为一体 除 了开关量 I O 以外 还可以连接模拟量 I O 以及其他各种特殊功能模块 它能执行包括逻辑运算 6 计时 计数 算术运算 数据处理和传送 通讯联网以及各种应用指令 2 中型 PLC 中型 PLC 采用模块化结构 其 I O 点数一般在 256 1024 点之间 I O 的处理方式除了采用一般 PLC 通用的扫描处理方式外 还能采用直接处理方式 即在扫描用户程序的过程中 直接读输入 刷新输出 它能联接各种特殊功能模块 通讯联网功能更强 指令系统更丰富 内存容量更大 扫 描速度更快 3 大型 PLC 一般 I O 点数在 1024 点以上的称为大型 PLC 大型 PLC 的软 硬件功能极强 具有极强的自 诊断功能 通讯联网功能强 有各种通讯联网的模块 可以构成三级通讯网 实现工厂生产管理自 动化 大型 PLC 还可以采用三 CPU 构成表决式系统 使机器的可靠性更高 1 2 2 PLC 的主要特点 1 结构灵活 不受环境的限制 有电即可组建网络 同时可以灵活扩展接入端口数量 使资 源保持较高的利用率 在移动性方面可与 WLAN 媲美 2 传输质量高 速度快 带宽稳定 可以很平顺的在线观赏 DVD 影片 它所提供的 14Mbps 带宽可以为很多应用平台提供保证 最新的电力线标准 HomePlug AV 传输速度已经达到了 200Mbps 为了确保 QoS HomePlug AV 采用了时分多路访问 TDMA 与带有冲突检测机能的载 体侦听多路访问 CSMA 协议 两者结合 能够很好地传输流媒体 3 范围广 无所不在的电力线网络也是这种技术的优势 虽然无线网络可以做到不破墙 但 对于高层建筑来说 其必需布设 N 多个 AP 才能满足需求 而且同样不能避面信号盲区的存在 而 电力线是最基础的网络 它的规模之大 是其他任何网络无法比拟的 由此 运营商就可以轻松地 把这种网络接入服务渗透到每一处有电力线的地方 这一技术一旦全面进入商业化阶段 将给互联 网普及带来极大的发展空间 终端用户只需要插上电力猫 就可以实现因特网接入 电视频道接收 节目 打电话或者是可视电话 4 低成本 充分利用现有的低压配电网络基础设施 无需任何布线 节约了资源 无需挖沟 和穿墙打洞 避免了对建筑物 公用设施 家庭装潢的破坏 同时也节省了人力 相对传统的组网 技术 PLC 成本更低 工期短 可扩展性和可管理性更强 目前国内已开通电力宽带上网的地方 其包月使用费用一般为 50 80 元 月左右 这样的价格和很多地方的 ADSL 包月相持平 5 适用面广 PLC 作为利用电力线组网的一种接入技术 提供宽带网络 最后一公里 的解 决方案 广泛适用于居民小区 酒店 办公区 监控安防等领域 它是利用电力线作为通信载体 使得 PLC 具有极大的便捷性 只要在房间任何有电源插座的地方 不用拨号 就立即可享受 4 5 45Mbps 的高速网络接入 来浏览网页 拨打电话 和观看在线电影 从而实现集数据 语音 视频 以及电力于一体的 四网合一 7 1 3 本文研究的目的及意义 近几年来在工业自动化 机电一体化 改造传统产业等方面 PLC 得到广泛的应用 学习 掌 握和应用 PLC 技术对提高我国工业自动化水平和生产效率具有十分重要的意义 采用可编程序控制 器 PLC 对龙门刨床的传统控制系统进行改造 将具有投资小 改造周期短 节能降耗 提高功效显 著的优点 第二章 B2012A 龙门刨床的基本情况 2 1 基本结构 B2012A 型龙门刨床主要由 7 部分组成 如图 1 所示 其中床身 为箱体型零件 其上有 V 形导轨 工作台安放在床身上 工作台下 面有斜齿条 可以往复运动 横梁用于安装垂直刀架 刨削加工时严 禁动作 只有在工作台停止运动时才能移动 以调整刀架高度 两个 垂直刀架可沿横梁导轨在水平方向 或沿刀架本身的滑板导轨在垂直 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 2 2 工作过程 龙门刨床的刨削过程是工件与刨刀作相对运动的过程 为此 工件必须与工作台一起频繁地进 行往复运动 工件的切削加工仅在工作行程中 返回行程是空行程 在切削过程中只有工作台由返 回行程转到工作行程的期间刀假才进行一定量的进给 其中 机床的主运动是工作台纵向往复运动 而横梁的上下移动 刀架沿横梁的左右移动 以及侧刀架在立柱的上下往复运动称作往复运动 2 3 B2012A 龙门刨床的运动分析 2 3 1 主运动行程以及各阶段工作状况 我国现行生产的龙门刨床其主拖动方式以直流发电机 电动机组及晶闸管 电动机系统为主 以 A 系列龙门刨床为例 它采用电磁扩大机作为励磁调节器的直流发电机 电动机系统 通过调节 直流电动机电压来调节输出速度 并采用两级齿轮变速箱变速的机电联合调节方法 其主运动为刨 台频繁的往复运动 在往复一个周期中 对速度的控制有一定要求 如图 2 所示 8 图中 t1 段表示刨台起动 刨刀切入工件的阶段 为了减小刨刀刚切入工件的瞬间 刀具所受 的冲击及防止工件被崩坏 此阶段速度较低 t2 段为刨削段 刨台加速至正常的刨削速度 t3 段为刨刀退出工件段 为防止边缘被崩裂 同样要求速度较低 t4 段为返回段 返回过程中 刨刀不切削工件 为节省时间 提高加工效率 返回速度 应尽可能高些 t5 段为缓冲区 返回行程即将结束 再反向到工作速度之前 为减小对传动机械的冲击 应将速度降低 之后进入下一周期 2 3 2 刨台运动的机械特性曲线 与很多切削机床相同 刨台运动特性分两种 情况分析 1 低速区 刨台运动速度较低时 此时刨刀允许 的切削力由电动机最大转矩决定 电动机确定后 即确定了低速加工时的最大切削力 因此 在低 速加工区 电动机为恒转矩输出 2 高速区 速度较高时 此时切削力受机械结构的强度限制 允许的最大切削力与速度成反比 因 此 电动机为恒功率输出 由此可得 主拖动系统直流电动机的运行机械特性曲线分为如图 3 所示两段 9 2 3 3 横梁运动特点 横梁只是在工作台停止时方可调整 横梁运动属于 点动 性质 为了保证横梁能按要求停在 一定的位置上 还设有夹紧机构 2 4 传动系统 龙门刨主拖动系统以直流发电机 组 电动机 G M 及晶闸管 电动机系 统为主 如图 4 所示 国产 A 系列龙 门刨的主拖动系统采用电磁扩大机作 为励磁调节器的直流发电机 电动机系 统 通过调节直流发电机电压来调节 输出速度 并采用两级齿轮变速箱变 速的机电联合调节方法 其主运动为刨台频繁的往复运动 对速度的控制有一定的要求 采用机械 速比为 2 1 和电气调速范围为 10 1 的机电联合调速系统 主拖动系统调速分析如图 5 所示 其中 Fm 表示最大切削力 Vl 表示切削速度 Pm 表示最大切 削功率 图中 为对应于最大转矩时的最高速度 称为计算速度 在 V1 V2 范围内要求恒转矩调速 速 而在 V2 V3 范围内则要求恒功率调速 机电联合调速与单纯调压调速比较 电动机的设计功率可以缩小一半 但是电动机的功率仍然 比负载所需要的功率大接近一倍 因此 A 系列龙门刨床直流电动机的功率并没有得到充分利用 同 时因为进刀机构采用进刀继电器控制进刀 而继电器 铁心和圆盘齿因频繁运动而磨损 使精度下降 第三章 龙门刨床对控制系统的要 求 10 B2012A 型龙门刨床的工作台是往返交替循环直线运动的 工件固定在工作台上与刀具作相对运 动 工作台在工作行程是进行切削加工 各种台返回时 刀具自动抬起 不进行切削加工 工作台 返回是速度快 以减小空行程时间 B2012A 型龙门刨床的主拖动系统要求比较高 它不仅要求足够大的切削功率 较大的调速范围 而且能够按照要求实现自动的速度循环 对于刀架得移动 进刀 退刀 抬刀 横梁放松与夹 紧 横梁上升与下降 工作台步进与步退等各种电动机与控制电器配合实现电器配合实现 B2012A 型龙门刨床对电气控制和 PLC 控制的系统要求综合起来又以下几个方面 3 1 要求有宽广的调速范围 由于在加工过程的材料和零件不同 所使用的刀具也会不同 例高速钢刀具 硬质合金刀具等 这就要求机床有不同的速度 以便满足不同加工工艺的要求 B2012A 型龙们刨床采用电机放大机作为直流发电机励磁调节器的直流发电机 电动机组系统并 加一级机械变速 从而保证工作台调速范围达到 20 1 工作台在低速档的速度为 6 60m min 在高速 档的速度为 9 90m min 在低速档或高速档范围内 可实现电气的无机调速 以便生产时能选择最合 理的切削速度 3 2 电气控制电路能保证机床可靠地自动工作 工作台往复运动一次吼 刀架自动进给 后退行程中 刀架自动抬起 工作台在行程末尾可进 行减速 反向等运动的自动变换 3 3 工作台能够按照需要实现自动往返循环 在高速切削时 是为了减小刀具的冲击 应使刀具慢速切入工件 若切削速度与冲击为刀具所 能承受时 利用转换开关 可以取消慢速切入 在工作台前进与返回行程末尾 工作台能自动调速 以保证刀具慢速离开工件 防止工件边缘剥裂 同时可减小工作台反向时的冲程和对电动机及其他 机械的冲击 3 4 工作台速度调整 且无须停车 用于磨削时 工作台应能降低速度至 1m min 以便保持磨削时工件的精度 能自动调速 以保 证刀具慢速离开工件 防止工件边缘剥裂 同时可减小工作台反向时的冲程和对电动机及其他机械 的冲击 11 3 5 刀架能自动进给和快速移动 进行加工时 工件装在工作台上 工作台沿床身导轨作直线往复运动 横梁上的垂直刀架和立 柱上的侧刀架都可以垂直或水平进给 3 6 系统的机械特性要有一定的硬度 为了避免因起切削符合发生变化引起的工作台速度有较大的波动 以至于影响加工工件表面的 质量 同时系统的机械特性应具有下垂特性 当负荷过大时 能使拖动工作台的直流电动机的转速 迅速下降 直至停止 从而达到保护电动机及机械装置的目的 3 7 有必要的联锁保护 为了使发电机和电动机的换向器不致过大的换向火花而烧坏 第四章 B2012A 型龙门刨床的电气控制 龙门刨床是机械加工工业中的重要工作母机 龙门刨床主要用于加工各种平面 槽及斜面 特 别是大型及狭长的机械零件和各种机床床身 工作导轨等 龙门刨床的电气控制线路比较复杂 它的主拖动系统安全是依靠电气自动控制来执行的 B2012A 型龙门刨床接触器 继电器控制电路原理如图 6 a 所示 其中图 6 a 为主拖动控 制系统及抬刀电路原理图 图 6 b 为交流机组拖动系统主电路原理图 图 6 c 为主拖动机组启 动及刀架控制电路原理图 图 6 d 为横梁及工作台控制电路原理图 4 1 交流机组拖动系统组成 B2012A 型龙门刨床交流机组拖动系统主电路原理图如图 6 b 所示 从图 6 b 可以看出 S2012A 型龙门刨床交流机组共由 9 台电动机拖动 即拖动直流发电机 G 励磁发电机 GE 用交流电动 机 M1 拖动电机放大机用电动机 M2 拖动通风用电动机 M3 润滑泵电动机 M4 垂直刀架电动机 M5 右侧刀架电动机 M6 左侧电动机 M7 横梁升降电动机 M8 横梁放松 加紧电动机 M9 12 4 2 直流发电 拖动系统组成 直流发电 拖动系统主电路如图 6 a 所示 它包括电机放大机 AG 直流发电机 G 直流电动机 M 和励磁电动机 GE 电机放大机 AG 由交流电动机 M2 拖动 电机放大机 AG 的主要作用是根据机床刨台各种运动的需 要 通过控制绕组 WC 的各个控制量调节其向直流发电机 G 励磁绕组供电的输出电压 从而调节直流 发电机发出的电压 直流发电机 G 和励磁发电机 GE 由交流电动机 M2 拖动 直流发电机 G 的主要作用是发出支流电 动机 N 所需要的直流电压 满足直流电动机 M 拖动刨台运动的需要 励磁发电机的主要作用是由交流电动机 M1 拖动 发出直流电压 向支流电动机 M 的励磁绕组供 给励磁电源 直流电动机 M 的主要作用是拖动刨台往返交替作直线运动 对工件进行切削加工 13 14 15 16 17 4 3 各控制电路概述 4 3 1 主拖动机组电动机 M1 控制电路 由交流电动机 M1 拖动直流发电机 G 和励磁发电机 GE 组成主拖动机组 其控制电路如图 6 c 所示 其中 33 区中的按钮 SB2 为交流电动机 M1 的启动按钮 按钮 SN1 为交流电动机 M1 的停止按钮 当需要主拖动电动机 M1 拖动直流发电机 G 和励磁发电机 GE 工作时 按下 33 区中的主拖动交流 电动机 M1 的启动按钮 SB2 33 区中的接触器 KM1 线圈 35 区中的时间继电器 KT2 线圈 36 区中的 接触器 KMY 线圈通电吸合 主拖动交流电动机 M1 的定子绕组接成 Y 接法降压启动 被拖动的直流励 磁发电机 CE 利用剩磁开始发电 接触器 KM2 通电闭合自琐 其在 20 区中的主触点闭合 接通交流电动机 M2 M3 的电源 交流 电动机 M2 M3 分别拖动电机放大机 AG 和通风机工作 同时接触器 KM 通点闭合 此时接触器 KM1 和接触器 KM 的主触点将交流电动机 M1 的定子绕组接成 接法全压运行 交流电动机 M1 拖动发电 机 G 和励磁发电机 GE 全速运行 完成主拖动机组的启动控制过程 4 3 2 横梁控制电路 在图 6 d 中 50 区总共的按钮 SB6 为横梁上升启动按钮 51 区中的按钮 SB7 为横梁下降启 动按钮 53 区中的行程开关 ST7 为横梁上升的上限位行程保护行程开关 55 区中的行程开关 ST8 和 ST9 为横梁下降的下限位保护行程开关 52 区和 59 区中的行程开关 ST10 为横梁放松及上升和下 降动作行程开关 横梁的上升控制 当需要横梁上升时 按下 50 区中的横梁上升启动按钮 SB6 中间继电器 K2 线圈通电闭合 接触器 KM13 通电闭合并自锁 横梁放松 夹紧电动机 M9 通电反转 使横梁放松 此时 行程开关 ST10 在 59 区中的常闭触点断开 接触器 KM13 失电释放 横梁放松 夹紧电 动机 M9 停止反转 行程开关 ST10 在 52 区中的常开触点闭合 接触器 KM10 通电闭合 交流电动 机 M8 正向运转 带动横梁上升 当横梁上升到要求高度时 松开衡量上升启动按钮 SB6 接触器 KM10 线圈失电释放 横梁停止上升 继而接触器 KM12 闭合 交流电动机 M9 正向启动运转 使 横梁夹紧 然后行程开关 ST10 常开触点复位断开 59 区中的行程开关 ST10 常闭触点复位闭合 为 下一次横梁升降控制作准备 横梁下降控制 当需要横梁下降时 按下 51 区中的横梁下降启动按钮 SB7 中间继点器 K2 线 圈通电闭合 接触器 KM13 通电闭合并自锁 横梁放松 夹紧电动机 M9 通电反转 使横梁放松 18 当横梁放松后 行程开关 ST10 在 59 区中的常开触点闭合 接触器 KM11 通电闭合 横梁升降电动 机 M8 反向运转 带动衡梁下降 当横梁下降到要求高度时 松开横梁下降启动按钮 SB7 衡量停 止下降 接触器 KM12 接通横梁放松 夹紧电动机 M9 的正转电源 交流电动机 M9 正向启动运转 使横梁夹紧 继而接触器 KM10 通电闭合 电动机 M8 启动正向旋转 带动横梁作短暂的回升后停 止上升 然后横梁的进一步夹紧 特性曲线分为如图 3 所示两段 4 3 3 工作台自动循环控制电路 工作台自动循环控制电路分为慢速切入控制 工作台工进速度前进控制 工作台前进减速运动 控制 工作台后退返回控制 工作台返回减速控制 工作台返回结束并转入慢速控制等 工作台自动循环控制主要由安装在龙门刨床工作台侧面上的四个撞块 A B C D 按一定的规 律撞击安装在机床床身上的四个行程开关 ST1 ST2 ST3 ST4 使行程开关 ST1 ST2 ST3 ST4 的触点按照一定的规律闭合或断开 从而控制工作台按预定运动的要求进行 运动 4 3 4 工作台步进 步退控制 工作台的步进 步退控制主要用于在加工工件设计调整机床工作台的位置 当需要工作台步进时 按下 62 区中的工作台补进启动按钮 SB8 工作台即可努进 松开工作台 步进启动按钮 SB8 工作台即可迅速制动停止 当需要工作台步退时 按下 68 区中的工作台步退启动按钮 SB12 工作台即可步退 松开工作 台步退启动按钮 SB12 工作台即可迅速制动停止 4 3 5 刀架控制电路 在龙门刨床上装有左侧刀架 右侧刀架和垂直刀架 分别由交流电动机 M7 M6 M5 拖动 各 刀架可实现自动进给运动和快速移动运动 由装在刀架进刀箱上的机械手柄来进行控制 刀架的自 动进给采用拨叉盘装置来实现 拨叉盘由交流电动机拖动 依靠改变旋转拨叉盘角度的大小来控制 每次的进倒量 在每次进刀完成后 让拖动刀架的电动机反向旋转 使拨叉盘复位 以便为第二次 自动进刀作准备 刀架控制电路由自动进刀控制 刀架快速移动控制电路组成 第五章 变频技术 5 1 变频技术的优越性 所谓变频 简单说就是改变电源频率 变频技术的核心是它的变频器 变频器是20世纪80年 19 代问世的一种高新技术产品 它通过对电流的转换来实现电动机运转频率的自我调节 把固定的电 网频率改为可变化的频率 同时还可以将电源电压范围扩大 在B2012A型龙门刨床上使用变频器主要有以下优点 1 变频器调速范围宽达40 1 更换不同的工作组件就可使刨床用于刨 铣 磨 一机三用 为提高加 工精度 工作台的速度不随切削量的变化而变化 静差度小于3 自动 调速 达到速度曲线的要求 提高加工 质量与效率 2 变频器调速控制系统的保护功能强 变频调速以其体积小 通用性强 动态响应快 工作频率高 保护性能完善 可靠性好 使用 方便等卓越的性能而优于以往的任何调速方式 使用变频器控制电机的运行控制 可以进行电机的 软启动 而让电机具有很快的动态响应并且实现无级调速 另外对电机的一些参数做到补偿 对电 源的缺相 欠压 过压 过流等都能做到很及时很准确的检测而自动采取应变措施保护电机 3 工作可靠性显著提高 主要有以下几个方面 1 电磁铁的寿命可大大延长 原拖动系统是在运动的状态下进行抱闸的 采用变频调速后 可以 在基本停住的状态下进行抱闸 闸皮的磨损情况大为改善 2 操作手柄不易损坏 原系统的操作手柄因常常受力过大 属于易损件 采用变频调速后 操作 手柄的受力将大大的减小 不容易损坏 3 控制系统的故障率大为下降 原系统是由于十分复杂的接触器 继电器系统进行控制的 故障 率较高 采用了变频调速控制系统后 控制系统可大大简化 可靠性大为提高 5 2 系统对变频器的控制要求 变频器的正反转由继电器 K1 K2 控制 速度的切换由继电器 K3 K4 完成 变频器故障报警输 出触点 30A 30C 触点 用于立即停止高速计数器运行 并由指示灯 HR 指示 变频器具有多段速度设定功能 当 K3 K4 两个继电器触点都断开时 高速行驶 第一速度 K3 闭合 K4 断开时 中速行驶 第二速度 K3 断开 K4 闭合时 低速行驶 第三速度 K3 K4 都闭合 时 手动调节行驶 第四速度 旋钮 SF 用于手动 自动切换 并用指示灯 HG1 表示自动状态 手动时 能够通过按钮 SA1 电机 正转 和 SA2 电机反转 手动调节传动系统的位置 按钮 SA 用于传动系统在自动状态下的启动 停止控制 采用 一键开关机 方式实现启动 停止 控制 用指示灯 HG2 表示启动状态 行程开关 SQ 用于自动启动时 确定传动系统在原点位置 自动停止时 传动系统必须返回原点 行程开关 SQ1 SQ2 用于传动系统的两端限位 确保传动系统不能脱离设备 20 5 3 变频器的选型 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 选择高性能可靠矢量型的变频器尤其关键 通过查阅有关资料 深入了解国内外同类变频器 反复比较论证 从性价比上选择了美国 EMERSON 公司出产的预磁通矢量控制型变频器 TD2000 系 列产品 TD2000 系列变频器在性能上完全符合 B2012A 型龙门刨床拖动系统的要求 它通过对交流 电机磁通电流和转矩电流的解耦控制 实现了转矩的快速响应和准确控制 能以很高的控制精度进 行宽范围的调速运行 而且我们还采用了有速度传感器 PG 反馈矢量控制方式 根据我们在实际应用 中确实感到 TD2000 矢量控制变频器稳定可靠 对于象龙门刨床这种从安全可靠性要求很高的大型设 备 选用该矢量控制型变频器非常合适 TD2000 系列变频器是美国 EMERSON 公司自主开发生产的高 品质 多功能 低噪音的矢量控制通用变频器 具有电机参数自动调谐 零伺服控制 速度控制和 转矩控制在线切换 转速跟踪 内置 PLC 内置 PID 控制器 编码器和给定及反馈信号断线监测 掉载保护 内置 PG 接口 故障信号追忆 28 种故障监控 丰富的 I O 端子和多达十种的速度设定 方式 能满足各类负荷对传动控制的要求 TD2000 系列变频器的优越性能主要体现在 1 1 高性能 高性能 宽电压工作范围 额定电压 20 适应恶劣电网环境 优化的 PWM 算法和死区补偿技术 0 5HZ 满转矩输出 输出电流波形好 适合大惯性负载的直接启动 具有检测电机转速和方向的再启动功 能 特别适合对各种风机平滑启动 2 2 低成本 低成本 内置具有 7 段速度的简易 PLC 功能 每段时间最长达 6 小时 适合纺织机械等的匀降速控制和周期 运行控制 自带脉冲编码器 PG 反馈卡 适合高精度速度控制的需求 7 5KW 以下内置制动单元 内置 PI 直接提供 24V 电源 方便组成多种闭环控制系统 3 3 网络化 网络化 标准 RS485 接口或 PROFIBUS 现场总线接口 开放的通信协议 方便地实现网络化控制 4 4 客户化 客户化 可选中英文液晶操作面板 带外引和热插拔功能 操作更方便灵活 容许电网波动范围 额定电压 20 输出频率范围 0 400Hz 频率精度 0 01 最高频率 显示方式 四位 LED 显示 LCD 中 英 LED 可选 核心硬件 IPM DSP MCU 21 PWM 控制方式 电压矢量控制 防护等级 IP20 安装方式 5 5KW 90KW 壁挂 110KW 220KW 装机装柜 走线方式 5 5 90KW 下进下出 110 220KW 上进下出 5 3 1 电机 变频系统选型 1 主拖动 55KW 交流变频电机 TD3000 4T0750G 变频器 2 垂直刀架 1 5KW 交流电机 TD1000 4T0022G 变频器 3 左刀架 1 5KW 交流电机 TD1000 4T0022G 变频器 4 右刀架 1 5KW 交流电机 TD1000 4T0022G 变频器 5 主拖动制动单元 两台 TDB 4C01 0300 制动单元 两只 10 10KW 制动电阻 5 4 设备组成 工作台的主运动只需一台55 kV A交一直一交 电压型变频器和能量回馈装置作为主拖动控制 装置 实现无级变速 工作台换向制动利用变频器自带的能量反馈装置 使制动速度快 能量又反 馈到电网中 对于进刀机构可以采用3台1 5 kV A小变频器分别控制垂直刀架和左右侧刀架3台2 2 kW异步电动机 实现无级调速 形成了新的进给系统 使进刀量准确 提高了加工精度 另外增加 一个11 kW 的变频器控制的铣刀头 作为附加组件 5 5 变频器组成框图及接线图 系统以 PLC 为核心 组成框图如图 7 所示 接线图如图 8 所示 22 23 第六章 B2012A 型龙门刨床 PLC 控制系统组成 24 6 1 龙门刨床的特点 龙门刨床的龙门架定在床身上 在龙门架上装有可以上下移动的刨头架 切削刀固定在刨 头架上 工作台安装在床身导轨上 工件固定在工作台上 工作过程中 工作台带动工件低速进给 快速退回 工件在装夹过程中 为了对准刨削位置 工作台的来回运动控制 是既自锁又点动的方 式 龙门刨床的电气控制系统分主传动系统和辅助运动控制系统两部分 PLC 用于龙门刨床控制系 统改造方案之一就是 主传动系统即工作台电力拖动系统 仍然保留目前最广泛使用的逻辑无环流可 逆调速系统 其调速换向控制以及辅助运动控制系统采用可编程序控制器替代旧的继电控制系统 各部分的信号检测 动作执行机构也基本上保留原有的不变 特点是投资小 见效快 6 2 输入 输出分配表 表表 1 1 B2012AB2012A 型龙门刨床型龙门刨床 PLCPLC 的输入的输入 输出点分配表输出点分配表 输 入 信 号输 出 信 号 名称代号输出点编号名称代号输出点编号 热继电器KR1 KR4I0 0 交流电动机 M1 启动接触 器 KM1Q0 0 电动机 M1 停 止按钮 SB1I0 1 交流电动机 M2 M3 接触 器 KM2Q0 1 电动机 M1 启 动按钮 SB2I0 2 交流电动机 M1Y 启动接触 器 KMYQ0 2 垂直刀架控制 按钮 SB3I0 3 交流电动机 M1 运行接触 器 KM Q0 3 右侧刀架控制 按钮 SB4I0 4 交流电动机 M4 接触器 KM3Q0 4 左侧刀架控制 按钮 SB5I0 5 交流电动机 M5 正转接触 器 KM4Q0 5 横梁上升启动 按钮 SB6I0 6 交流电动机 M5 反转接触 器 KM5Q0 6 横梁下降启动 按钮 SB7I0 7 交流电机 M6 正转接触器 KM6Q0 7 工作台步进启 动按钮 SB8I1 0 交流电动机 M6 反转接触 器 KM7Q1 0 工作台自动循 环启动按钮 SB9I1 1 交流电动机 M7 正转接触 KM8Q1 1 25 器 工作台自动循 环停止按钮 SB10I1 2 交流电动机 M7 反转接触 器 KM9Q1 2 工作台自动循 环后退按钮 SB11I1 3 交流电动机 M8 正转接触 器 KM10Q1 3 工作台步进启 动按钮 SB12I1 4 交流电动机 M8 反转接触 器 KM11Q1 4 工作台循环前 进减速行程开 关 ST1 1I1 5 交流电动机 M9 正转接触 器 KM12Q1 5 工作台循环前 进换向行程开 关 ST2I1 6 交流电动机 M9 反转接触 器 KM13Q1 6 工作台循环后 退减速行程开 关 ST3I1 7 工作台步进控 制继电器 K3Q1 7 工作台循环后 退换向行程开 关 ST4I2 0 工作台自动循 环控制继电器 K4Q2 0 工作台前进终 端限位行程开 关 ST5I2 1 工作台步退控 制继电器 K5Q2 1 工作台后退终 端限位行程开 关 ST6I2 2 工作台后退换 向继电器 K6Q2 2 横梁上升限位 行程开关 ST7I2 3 工作台前进换 向继电器 K7Q2 3 横梁下降限位 行程开关 ST8I2 4 工作台前进减 速继电器 K8Q2 4 横梁下降限位 行程开关 ST9I2 5 工作台低速运 行继电器 K9Q2 5 横梁放松动作 行程开关 ST10I2 6 磨削控制继电 器 K10Q2 6 工作台低速运 行行程开关 ST11I2 7 工作台低速运 行行程开关 ST12I3 0 自动进刀控制 行程开关 ST13I3 1 自动进刀控制 行程开关 ST14I3 2 自动进刀控制ST15I3 3 26 行程开关 润滑泵电动机 M4 手动控制 SA7 1I3 4 润滑泵电动机 M4 自动控制 SA7 2I3 5 磨削控制开关SA8I3 6 压力继电器KPI3 7 过电流继电器KA1I4 0 过电流继电器KA2I4 1 时间继电器KT1I4 2 手动控制开关SA6I4 3 6 3 PLC 类型选定 6 3 1 PLC 类型的选择 PLC 的设计选型包括运算功能 控制功能 通信功能 编程功能 诊断功能和处理速度等特性的选 择 选择 PLC 时 应考虑性能价格比 考虑经济性时 应同时考虑应用的可扩展性 可操作性 投入产出 比等因素 进行比较和兼顾 最终选出较满意的产品 输入输出点数对价格有直接影响 每增加一块输 入输出卡件就需增加一定的费用 当点数增加到某一数值后 相应的存储器容量 机架 母板等也要相 应增加 因此 点数的增加对 CPU 选用 存储器容量 控制功能范围等选择都有影响 在估算和选用时应 充分考虑 使整个控制系统有较合理的性能价格比 在设计 PLC 控制系统时 应遵循以下基本原则 1 最大限度地满足被控对象的控制要求 充分发挥 PLC 的功能 最大限度地满足被控对象的控制要求 是设计 PLC 控制系统的首要前提 这也是设计中最重要的一条原则 这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究 收集控 制现场的资料 收集相关先进的国内 国外资料 同时要注意和现场的工程管理人员 工程技术人 员 现场操作人员紧密配合 拟定控制方案 共同解决设计中的重点问题和疑难问题 2 保证 PLC 控制系统安全可靠 保证 PLC 控制系统能够长期安全 可靠 稳定运行 是设计控制系统的重要原则 这就要求设 计者在系统设计 元器件选择 软件编程上要全面考虑 以确保控制系统安全可靠 例如 应该保 证 PLC 程序不仅在正常条件下运行 而且在非正常情况下 如突然掉电再上电 按钮按错等 也能 正常工作 3 力求简单 经济 使用及维修方便 一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量 带来巨大的经济效益和社会效益 但新工程 27 的投入 技术的培训 设备的维护也将导致运行资金的增加 因此 在满足控制要求的前提下 一 方面要注意不断地扩大工程的效益 另一方面也要注意不断地降低工程的成本 这就要求设计者不 仅应该使控制系统简单 经济 而且要使控制系统的使用和维护方便 成本低 不宜盲目追求自动 化和高指标 4 适应发展的需要 由于技术的不断发展 控制系统的要求也将会不断地提高 设计时要适当考虑到今后控制系统 发展和完善的需要 这就要求在选择 PLC 输入 输出模块 I O 点数和内存容量时 要适当留有裕 量 以满足今后生产的发展和工艺的改进 6 3 2 西门子 S7 200S7 200 PLCPLC 根据前面对龙门刨床 PLC 的输入 输出点分配的分析以及以后性能扩展的需要 选用德国西门子 公司 S7 200 系列的 CPU224 型 PLC SIMATIC S7 200 是一种小型的可编程序控制器 适用于各行各业 各种场合中的检测 监测 及控制的自动化 S7 200 系列的强大功能使其无论在独立运行中 或相连成网络皆能实现复杂控制 功能 因此 S7 200 系列具有极高的性能 价格比 S7 200 系列出色表现在以下几个方面 极高的可靠性 极丰富的指令集 易于掌握 便捷的操作 丰富的内置集成功能 实时特性 强劲的通讯能力 丰富的扩展模块 S7 200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能 使用范围可覆盖从替代继电器的简单控 制到更复杂的自动化控制 应用领域极为广泛 覆盖所有与自动检测 自动化控制有关的工业及民 用领域 包括各种机床 机械 电力设施 民用设施 环境保护设备等等 如 冲压机床 磨床 印刷机械 橡胶化工机械 中央空调 电梯控制 运动系统 S7 200 系列 PLC 一共有 4 个不同的 基本型号的 8 种 CPU 可供选择 本文根据需要只对 CPU224 型加以介绍 CPU 224 集成 14 输入 10 输出共 24 个数字量 I O 点 可连接 7 个扩展模块 最大扩展至 168 路数字量 I O 点或 35 路模拟量 I O 点 13K 字节 程序和数据存储空间 6 个独立的 30kHz 高速 28 计数器 2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出 具 有 PID 控制器 1 个 RS485 通讯 编程口 具有 PPI 通讯协议 MPI 通讯协议和自由方式通讯能 力 I O 端子排可很容易地整体拆卸 是具有较 强控制能力的控制器 6 4 工作台控制流程与程序设计 为了充分利用 PLC 的硬件与软件的资源 在程序中设计与确定了 I O 点数不可局限于原继电接 触器控制线路 应该根据龙门刨床的工艺要求 硬件仅保留知节面向人和设备的输入 输出点 省 去一切中间环节软件采用灵活编程方式 主程序用常规的继电器梯形图指令设计 龙门刨床 PLC 控制系统主要有 主传动调速换向控制 包括工作台步进 步退 刀架进给 抬刀 和快速移动控制 横梁的移动 夹紧 放松和升降控制 其他系统保障控制等部分组成 系统控制 器选用 S7 200 CPU224 型可编程序控制器 输入点采用 24VDC 输人 输出点采用继电器输出 可直 接驱动 22Ov 交流接触器或中间继电器 I O 输入输出点分配如表 1 所示 如前所述 工作台电力拖 动系统 仍然保留目前生产中最广泛使用的逻辑无环流可逆调速系统 其调速换向控制采用 PLC 实 现 PLC 输出经中间继电器 KAI KAZ KA3 KA4 控制逻辑无环流系统的给定电压发生电路 实现工 作台的高速 低速 前进 后退 自动 手动控制 工作台前进为切削行程 开始时低速切人 SQRD 复位后进入高速切削行程 接近工件尾端时 SQFD 动作 减速切出 而后 SQFR 动作 抬刀 换 向 然后加速返回 当 SQRR 动作时 进刀 落刀 换向 进人下一个切削行程 龙门刨床有三个刀架 他们是左刀架 右刀 67B6 和垂直刀架 三个刀架由 PLC 控制实现各自独 立的自动进给 抬刀和落刀动作 并可手动控制快速移动 刀架进经和快速移动的方向是通过调节 机械装置改变的 抬刀 落刀动作由 PLC 控制电磁铁实现 6 5 PLC 控制接线图 29 1L I0 1Q0 0 Q0 1 KM10 I0 3 I0 4 Q0 2 Q0 3 KM11 KMY Q0 5 Q0 6 Q0 4 2L Q0 7 I0 5 I0 6 I1 0 I0 7 I1 1 KM3 KM6 KM4 I1 2 SB1 I2 4 I2 2 I2 3 I1 7 I2 0 I2 1 I1 5 I1 6 I1 3 I1 4 I2 5 I2 6 Q1 1 Q1 2 Q1 3 3L Q1 0 Q1 7 Q1 6 Q1 5 4L Q1 4 Q2 0 5L Q2 1 Q2 2 Q2 3 KM8 KM9 KM7 KM5 KM13 K4 K3 KM12 K6 K5 KM I0 0 I0 2 I2 7 I4 2 I4 3 I4 0 I4 1 I3 5 I3 6 I3 7 I3 3 I3 4 I3 0 I3 1 I3 2 6L Q2 4 Q2 5 SB3 SB4 SB5 SB6 SB7 SB8 SB9 SB10 SB11 SB12 SB2 ST3 ST1 ST5 ST4 ST6 K7 KR1KR2KR1KR2 ST9 ST10 ST7 ST8 ST14 ST15 ST12 ST13 ST11 ST2 KP SA7 1 SA7 2 SA8 KA2 KA1 KT1 SA6 KM2 KM1 K10 K9 K8 1M 9M Q2 6 6 6 设计控制程序 30 6 6 1 PLC 程序设计方法简介 PLC 程序设计方法一般有三种 继电器控制线路移植法 经验设计法 顺序控制法 本课题将 采用继电器控制线路移植法 这种方法一般不需要更改控制面板 保持系统原有的外部特性 操作 人员不用改变长期形成的操作习惯 比较适合对老装备的改造 而且新手比较容易上手 1 继电器控制线路移植法的基本方法和步骤 1 了解和熟悉被控设备的工艺过程和机械的动作情况 根据继电器电路图分析和掌握控制系统 的工作原理 2 确定 PLC 的输入信号和输出负载 画出 PLC 的外部接线图 3 确定与继电器电路图中的中间继电器和时间继电器对应的梯形图中的辅助继电器和定时器的 元件号 4 根据上述对应关系画出梯形图 2 继电器控制线路移植法特点 1 与电气操作原理图相对应 具有直观性和对应性 2 与原有继电器逻辑控制技术相一致 对电气技术人员来说 易于撑握和学习 3 与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是 梯形图中的能流 Power FLow 不是实际意义的 电流 内部的继电器也不是实际存在的继电器 因此 应用时 需与原有继电器逻辑控制技术的有 关概念区别对待 4 与语句表有一一对应关系 便于相互的转换和程序的检查 6 6 2 PLC 控制梯形图 可编程控制器 PLC 的梯形图编制是最常用的编程方式 使用中一般有经验设计法 逻辑设计法 继电器控制电路移植法和顺序控制设计法 其中顺序控制设计法也叫功能表图设计法 功能表图是 一种用来描述控制系统的控制过程功能 特性的图形 它主要是由步 转换 转换条件 箭头线