龙门刨床自动化控制毕业设计书

天津职业技术师范大学成人教育专科毕业设计龙门刨床PLC与变频技术化改造作者： 摘 要：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，是常见的大型机械加工设备,老式的龙门刨床的拖动系统是交磁放大机的调压调磁闭环系统。控制元件多且烦杂，元器件型势老化，使用中控制水平及控制精度都较落后，且控制系统经常出现问题，给维修带来相当大的困难，维修成本不断增大。但是由于数控机床的代价太高，对中小型企业来说成本太大，所以更新一台机床不是很容易的，因此，就对于龙门刨床的传动特点，加工性能，和要求进行分析，在此设计一套低成本低又能有效解决以上不足之处的方案。龙门刨床的主拖动采用调速范围宽、节能效果显著的变频器,用PLC(可编程序控制器)实现开关量逻辑控制和变频电动机的转速控制。这种方法易学易用,设计复杂的控制程序可以节约大量的设计时间。文章采用了PLC程序设计控制的方法,用它设计了龙门刨床工作台的自动运行程序和横梁升降控制程序,还介绍了控制系统的硬件,根据原有直流调速系统的实际调速范围和负荷,选择了变频电动机、变频器的型号，给出了电力拖动系统的主回路电路图、PLC 和变频器的外部接线图。因而，本设计通过对龙门刨床的运动特点进行分析，将以B2012A为例，根据龙门刨床的控制线路，用可编程控制器和变频器对其进行改造。关键词： 龙门刨床 PLC（可编程控制器） 变频调速Abstract : longmen planer is the mechanical industry, one of the main machine tools in industrial production, occupies an important position is common large mechanical processing equipment, old-fashioned longmen planer drag system is FangDaJi into the pressure regulating adjustable magnetic magnetic loop system. Control elements and tumultuous, components, use of potential aging control accuracy and control level are relatively backward, and control system often appear problem, to maintenance brings considerable difficulty, maintenance costs continue to increase. But because the price is too high, nc machine for small and medium-sized enterprise that cost is too big, so update a machine is not easy, therefore, it is for the driving characteristics of longmen planer, processing properties, and requirements analysis, in this design a low-cost low and could effectively solve the above shortcomings scheme. Longmen planer Lord drag adopts wide speed range and frequency converter, remarkable energy saving with PLC (programmable controller) to implement the switch quantity logic control and frequency conversion motor speed control. This method is easy to use, easy control program design complex can save a lot of design time. This paper adopts the PLC program design control methods, and use it designed the longmen planer of workbench run the program automatically control procedures, lifting and beams of the control system are introduced, according to the original hardware dc speed control system with load the actual speed range, chose frequency conversion motor, frequency converter type electric drive system, and gives the main loop of the circuit diagram, PLC and inverter external hookup. Thus, this design through the movement of longmen planer, analyzes the characteristic with B2012A as an example, according to the control circuit, longmen planer with PLC and inverter to retrofit. Keywords: longmen planer PLC (programmable controller) frequency control 一、绪论（一）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。图1-1 龙门刨床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。(二) 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。（三）本课题研究的目的及意义现在很多国内龙门刨床的电气控制系统个要包括工作台的主传动和进给机构的逻辑控制两大部分。机床主传动系统主要分两种;一种是50年代的电机扩大机发电机电动机组（AGM）系统;一种是80年代少数经过改型的直流可控硅调速系统(SCRD 系统)。这两种系统的逻辑控制普遍采用继电器控制，故障率高，低速时损耗大，功率因素低，且对电网和机械的冲击很大，维修麻烦。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。随着它与变频技术的高速发展的不断更新，它们结合为龙门刨床提供了一种更好的控制系统。用这种系统控制的龙门刨床不仅克服了以上其它控制系统的各个缺点，还大大提高了控制精度和加工质量，更主要的是节约了大量的能源。因此，龙门刨床控制系统的变频及PLC改造已成必然的趋势。本文介绍了用交流变频调速技术和可编程序控制器(PLC)改造成功了一台B2012A型龙门刨床，且改造后系统运行可靠稳定。二、龙门刨床(B2012A)的基本情况（一）主要结构龙门刨床(B2012A)主要由七大部分组成，床生、工作台、横梁、垂直刀架、侧刀架、立柱、龙门顶梁。如图2-1所示，其中(1)床身为箱体型零件，其上有V形导轨和凹形导轨。(2)工作台B被放置在床身上，(2)工作台下面有斜齿条，可以使其进行往复运动。(3)横梁用于安装(4)垂直刀架，刨削加工时必需锁死不能移动，只有在(2)工作台停止运动时才能移动，以调整刀架高度。两个(4)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。(5)左右侧刀架及进给箱可沿(6)立柱导轨上下快速移动或自动进给。 图2-1 龙门刨结构图（二）工作方式龙门刨床的加工过程是工件与刨刀作相对运动的过程。因此，工件必须与工作台一起在床身上频繁地进行往复运动，工件的切削加工仅在工作行程中，返回行程是空载不进行切削加工。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。图2-2 刨台的运动（三）运动分析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2-3所示:图2-3 龙门刨行程图 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刨台运动的机械特性曲线与其它机床相同，刨台运动特性分两种情况分析。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。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，主拖动系统电动机的运行机械特性曲线分为如图2-4所示两段。图2-4 负载机械特性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。4.传动系统龙门刨（B2012A）主拖动系统以三相交流异步电动机为主，通过变频器控制量的改变来调节其输出速度，并采用两级齿轮变速箱变速的机电联合调节方法。其主运动为工作台频繁的往复运动，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2-5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。图2-5 龙门刨主拖动调速系统的调速特性三、龙门刨床对控制系统的要求龙门刨床（B2012A）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。龙门刨床（B2012A）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。龙门刨床（B2012A）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：（一）、 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。龙们刨床（B2012A）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660m/min在高速档的速度为990m/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。（二）、 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。（三）、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。 （四）、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。（五）、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。（六）、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。（七）、有必要的联锁保护为了使电机能够正常地运行，保证在工件加工过程中的安全，应在电机接触器上有必要的电气联锁。 四、 龙门刨床（B2012A）的电气控制龙门刨床是制造重型机械设备不可缺少的工作母机，它的加工范围非常广泛。主要用来加工各种平面、斜面、槽，特别适宜加工大型的、狭长的机械零件。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。龙门刨床（B2012A）系统框图如图4-1所示：图4-1 PLC配合变频器控制龙门刨床系统框图（一）、选型计算书1、主电机的选择根据龙门刨床床对主轴性能的要求和电机的工作环境，选择三相交流异步电机的技术参数为：额定功率：Pn =55 KW 额定转速：Nn =1000 r / min额定电压：Un =380 V 额定电流：In =105 A 效率：=85 额定转矩：Tn =525 Nm电机空载电流 I0=36.4 A电机定子电阻0.047电机绕组采用接法。2、PLC的选择（1）I/O点数的确定 由I/O分配可得：I=31 O=20 I/O总点数为31+20=51点（2）PLC容量为8000步实际PLC编程总步数为234步234步8000步所以PLC的型号选用根据需要所用为：FX2N64MR 3、变频器的选用变频器的选用应满足以下规定（1）满足负载输出：KPn/COS变频器容量Pn负载要求的电机轴输出（KW）电机效率（通常取0.85）COS电机功率因素（约0.87）K电流波形补偿系数（1.051.1）1.155/（0.850.87）81.81KVA变频器容量81.81KVA（2）满足电动机容量：K3nUnIn10-3变频器容量1.11.73238010510-3=76.02 KVA变频器容量76.02 KVA（3）满足电动机电流：KIn变频器的电流1.1*105=115.5变频器的电流115.5A故选择山宇变频器SY-8000-055G/075P-4输入电压（V） 38015% V 额定输入电流（A） 105/140 A 适配电动机功率（KW） 55/75 KW额定输出功率（KW） 55/75 KW额定输出电流（A） 110/150 A最高输出频率（HZ） 通过参数设定可达600 HZ4、导线的选择导线截面积选择按公式I/J选择，考虑到现在的导线质量，将其中的J（电流密度）取4A/mm2，I为负载电流。（1）主电机导线的选择按额定电流In =105 A，考虑到损耗和冲击电流截面积为4A/mm2：S= In/J=105/4=26.25 mm2 选择导线：35 mm2 （2）油泵电机导线的选择油泵电机只有250W,其额定电流为0.5A，故采用1 mm2导线。（3）横梁电机导线的选择横梁电机功率为5.5KW，其额定电流为12A，则S= In/J=12/4=3 mm2，考虑到损耗和冲击电流，故选择4 mm2的导线。（4）夹紧电机导线的选择夹紧电机的功率为0.6KW,其额定电流为1.5A，由于其夹紧到位后容易产生过电流，故其导线截面积选择为1.5 mm2。（5）垂直、左侧和右侧刀架电机导线的选择这三个刀架的电机功率都是1.7KW，额定电流都是3.7A，考虑到它们在加工过程中启动的频繁性，故其导线截面积分别都选择为2.5 mm2。5、变压器的选择在用于抬刀控制的变压器上，根据抬刀机构的力矩和实际需求,选择两个抬刀变压器的型号为BK-300。同时，在用于PLC供电、控制线路及照明电路的变压器上，根据实际的需要，选择变压器的型号为BK-300。6、过电流继电器（JL）的选择在横梁夹紧过程中，如果已经夹紧到位还没有断开夹紧电动机的话，就会产生过电流，长时间这样运行就会烧坏夹紧电机，因此在夹紧电动机的主电路中串入一个过电流继电器，由于夹紧电机的额定电流是1.5A，再配合机械动作的需要，选择设置过电流继电器的值为7.5A。7、空气断路器的选择空气断路器可按以下条件选用：A.空气断路器的额定电压和额定电流 应不小于电路的正常工作电压和工作电流。B.热脱扣器的整定电流 应与所控制的电动机的额定电流或负载额定电流一致。C.电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流应大于负载正常工作时的尖峰电流。对于电动机来说，DZ型空气断路器电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流值Iz可按下式计算：IzKIst式中，K-安全系数，可取1.7。 Ist电动机的起动电流（1）总断路器（QF）的选择.额定电压：380V.额定电流：根据电动机的额定总电流In=In1+In2+In3+In4+In5+In6+In7=105+0.5+12+1.5+3.7+3.7+3.7=130.1A.热脱扣器的额定电流为150A。考虑到主电机是由变频器控制(起动、停止过程中的频率是递增和递减的,相当于软起动)和几个电机起动的不同时性,因此可选择空气断路器型号为：DZ10-200（2）油泵电机空气断路器的选择.额定电压：380V.热脱扣器的额定电流：根据油泵电动机的额定电流In=0.5A，查表可知热脱扣器的额定电流应为0.65A，相应的整定电流调节范围为0.450.65A。.效验电磁脱扣器的瞬时动作整定电流：电磁脱扣器的瞬时动作整定电流为100.65=6.5A。根据公式，它应满足Iz1.7Ist=1.770.5=5.95A,因此是可用的。.确定空气断路器的型号：根据电动机的电压、电流和脱扣器的型式，应选DZ5-6型。（3）夹紧电机空气断路器的选择.额定电压：380V.热脱扣器的额定电流：根据夹紧电动机的额定电流In=1.5A，查表可知热脱扣器的额定电流应为2A，相应的整定电流调节范围为1.52A。.效验电磁脱扣器的瞬时动作整定电流：电磁脱扣器的瞬时动作整定电流为102=20A。根据公式，它应满足Iz1.7Ist=1.771.5=17.85A,因此是可用的。.确定空气断路器的型号：根据电动机的电压、电流和脱扣器的型式，应选DZ5-6型。（4）横梁电机空气断路器的选择.额定电压：380V.热脱扣器的额定电流：根据横梁电动机的额定电流In=12A，查表可知热脱扣器的额定电流应为15A，相应的整定电流调节范围为1015A。.效验电磁脱扣器的瞬时动作整定电流：电磁脱扣器的瞬时动作整定电流为1015=150A。根据公式，它应满足Iz1.7Ist=1.7712=142.8A,因此是可用的。.确定空气断路器的型号：根据电动机的电压、电流和脱扣器的型式，应选DZ5-20型。（5）垂直刀架、左侧刀架和右侧刀架电机空气断路器的选择.额定电压：380V.热脱扣器的额定电流：根据每个刀架电动机的额定电流In=3.7A，查表可知热脱扣器的额定电流应为4.5A，相应的整定电流调节范围为34.5A。.效验电磁脱扣器的瞬时动作整定电流：电磁脱扣器的瞬时动作整定电流为104.5=45A。根据公式，它应满足Iz1.7Ist=1.773.7=44.03A,因此是可用的。.确定空气断路器的型号：根据电动机的电压、电流和脱扣器的型式，应选DZ5-10型。（二）、交流机组拖动系统组成龙门刨床（B2012A）交流机组拖动系统主电路原理图如图4-2所示。从图中可以看出，龙门刨床（B2012A）交流机组共由7台电动机拖动，即拖动用交流主轴电动机1M，润滑泵电动机2M，横梁升降电动机3M,夹紧电动机4M，垂直刀架电动机5M，左侧刀架电动机6M，右侧刀架电动机7M。图4-2 龙门刨床主电路原理图（三）、供电控制实现方式当需要进行工件加工的时候，先将工件固定在龙门刨工作台上，然后合上总断路器QF，则变压器TC1、TC2、TC3的一次侧接通电源（空气开关QF7、QF8已经合上），从而可以为左侧垂直刀架、右侧垂直刀架、左侧抬刀线圈、右侧抬刀线圈、PLC控制器、控制电路以及照明提供电源，如图4-3所示:图4-3 控制电源（四）、外部控制电路图4-4 控制电路图（五）、各控制电路概述1、 横梁控制电路图4-5 横梁控制梯形图结合I/O分配图、控制接线图和梯形图，当需要横梁上升时，按下SB6按钮则Y15得电横梁先放松，放松到位后SQ4闭合，相应地X17接通，Y12得电，横梁上升中间继电器KA2线圈通电闭合，接触器KM2通电闭合，横梁电动机3M正转，使得横梁上升。当横梁上升到要求高度时，松开横梁上升启动按钮SB6，则Y12断开，横梁上升中间继电器KA2线圈断电使接触器KM2线圈失电释放，横梁停止上升。在Y12断开瞬间，Y14接通，横梁夹紧中间继电器KA4得电继而接触器KM4闭合，交流电动机4M正向启动运转，使横梁夹紧，经加紧过电流开关检测出其电流过大而动作断开夹紧电机（表明夹紧已经到位）。然后行程开关SQ4常开触点复位断开，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，按下横梁下降启动按钮SB7，则Y15得电横梁先放松，放松到位后SQ4闭合，相应地X17接通，Y13得电，横梁下降中间继电器KA3线圈通电闭合，接触器KM3通电闭合，横梁电动机3M反转，使得横梁下降。当横梁下降到要求高度时，松开横梁下降启动按钮SB7，Y13断开，横梁停止下降，同时辅助继电器M0接通并自锁，经0.5秒后T1接通又让Y12再次接通，横梁上升中间继电器KA2线圈通电闭合，接触器KM2通电闭合，横梁电动机3M正转，使得横梁回升，0.5秒后自动断开，重复一次夹紧动作，最后停止在需要的加工位置。在横梁上升过程中，有必要的极限位置电气保护，当达到上升极限时，SQ5闭合，对应于梯形图中的X20接通，其常闭断开，阻止横梁进一步上升，达到保护设备的目的。同样，在横梁下降过程中，也有必要的极限位置电气保护，当达到下降极限时，左右侧防撞行程开关SQ6/SQ7闭合，对应于梯形图中的X21/X22接通，其常闭断开，阻止横梁进一步下降，起到保护作用。2、工作台步进、步退控制电路图4-6 工作台步进、步退控制梯形图当需要对工作台作细小位置的调动的时候，按下步进/步退控制按钮SB4/SB5，对应于梯形图中代表工作台前进/后退的Y0/Y1接通，并将控制信号传输至变频器的信号输入端，通过变频器驱动工作台作前进/后退运动。由于变频器的驱动频率是逐渐增加或减小的，则可以减小对电动机的冲击电流，起到保护电动机的作用。并且，由梯形图可以看出，当松开步进/步退控制按钮SB4/SB5后，辅助继电器M3接通，此时不能连续对电机进行步进/步退控制，要等到1.5秒之后才能继续进行步进/步退控制，其目的也是为了保护电机不至于被过于频繁的启动、停止所产生的热烧坏。3.工作台自动循环控制电路图4-7 工作台自动循环控制梯形图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。当按下工作台自动循环前进/后退按钮后，对应于梯形图中的前进/后退辅助开关M10/M20接通并自锁，并由手动控制前进减速/后退减速行程开关SQ8/SQ11的通断从而控制输出继电器Y30、Y31、Y32、Y33的通断，再将通断信号经电位器将不同的点位信号传入变频器，以此来分段速控制工作台的前进/后退间的速度转换。在前进时，当工作台碰到前进换向行程开关SQ9后，梯形图中的X24常闭断开，使得M10也断开；X24的常开闭合，使得M20接通而使工作台后退运动。当工作台碰到后退换向行程开关SQ912后，梯形图中的X27常闭断开，使得M20也断开；X27的常开闭合，使得M10接通而使工作台前进运动，同时抬刀线圈断电刨刀落下对工件进行加工。自动切换，周而复始，并且在自动循环过程中由于M4的接通其常闭断开而让工作台手动步进、步退控制失去作用，达到保护的目的。4.刀架控制电路图4-8 刀架控制梯形图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6M、7M、5M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做准备。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。视加工需要来操作机械手柄以通断控制刀架电动机的正反转。如在工作台自动往返循环中，使垂直刀架进给行程开关闭合，在工作台前进的时候让垂直刀架电机正转而自动进刀，在工作台后退的时候让垂直刀架电机反转而使拨叉盘复位，以便再次进刀。5抬刀控制电路 图4-9 抬刀控制线路 在后退时，Y24接通，使得抬刀控制中间继电器KA12得电常开闭合,再使KM12接通，从而将变压器输出的交流电经二极管整流成直流电输到抬刀线圈将刨刀抬起以免刮伤工件。注意：由于工作台是在龙门刨床的导轨上进行往返运动，工作台和导轨槽之间必须要用润滑油润滑，故本设计采用PLC编写梯形图时采用了主控指令，即必须要等到油泵电机开启80秒后，当油压检测行程开关SQ14闭合了才能进行对工作台的控制，如图4-10所示:图4-10 油泵控制梯形图五、龙门刨床（B2012A）PLC控制系统组成（一）、PLC用于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。 (二)、 PLC类型选定1、选型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,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：、 最大限度地满足被控对象的控制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。、 保证PLC控制系统安全可靠设计者在系统设计、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、 力求简单、经济、使用及维修方便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。、 适应发展的需要在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有余量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。2、 FX2n 系列PLC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，选用三菱公司FX2n系列的小型PLCFX2n-64MR，它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。FX2n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FX2n 系列具有极高的性能/价格比。 FX2n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 FX2n 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。（三）、 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，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FX2n-64MR型可编程序控制器，输入点采用220V AC，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5-1所示。如前所述，工作台电力拖动系统，采用目前生产中最广泛使用的变频器调速控制系统，其调速换向控制采用PLC实现。PLC输出经电位器后输出到变频器的控制信号端，通过手动改变对变频器的输入电位量值大小，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，开始时低速切入，接近工件尾端时减速切出，而后经前进换向行程开关后，抬刀、换向，然后加速返回，又经后退换向开关动作后，换向、落刀、进刀，进人下一个切削行程。龙门刨床有三个刀架，他们是左刀架、右刀架和垂直刀架。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。刀架进给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。（四）、 输入/输出分配表表5-1龙门刨床（B2012A）PLC的I/O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变频器启动SB11X0主接触器KA13Y10变频器停止SB12X1油泵电机KA1Y11工作台停止SB1X2横梁上升KA2Y12工作台自动循环前进SB2X3横梁下降KA3Y13工作台自动循环后退SB3X4横梁夹紧KA4Y14工作台步进SB4X5横梁放松KA5Y15工作台步退SB5X6垂直刀架正转KA6Y16横梁上升SB6X7垂直刀架反转KA7Y17横梁下降SB7X10左侧刀架正转KA8Y20垂直刀架快移按钮SB8X11左侧刀架反转KA9Y21左侧刀架快移按钮SB9X12右侧刀架正转KA10Y22右侧刀架快移按钮SB10X13右侧刀架反转KA11Y23垂直刀架快移行程开关SQ1X14抬刀线圈KA12Y24左侧刀架快移行程开关SQ2X15工作台前进变频器11端Y0右侧刀架快移行程开关SQ3X16工作台后退变频器12端Y1横梁放松到位SQ4X17工作台前进高速RP1Y30横梁上升极限SQ5X20工作台前进低速RP2Y31横梁左侧防撞SQ6X21工作台后退高速RP3Y32横梁右侧防撞SQ7X22工作台后退低速RP4Y33工作台前进减速SQ8X23工作台步进步退速度RP5Y34工作台前进换向SQ9X24工作台前进限位SQ10X25工作台后退减速SQ11X26工作台后退换向SQ12X27工作台后退限位SQ13X30油压控制SPX31夹紧过电流开关SB13X32变频器RUNSB14X33垂直刀架进给行程开关SQ14X34左侧刀架进给行程开关SQ15X35右侧刀架进给行程开关SQ16X36（五）、PLC控制接线图 5-2 PLC接线原理图六、变频器拖动方案的确定（一）、变频技术的简介所谓变频，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。 (二)、交流变频调速的优势与节能20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。 1、交流变频调速的优异特性 （1）、调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。 （2）、易于实现过程自动化。 （3）、必须有专用的变频电源，目前造价较高。 （4）、在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。 2、与其它调速方法的比较 交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中，变频调速最具优势。这里仅就交流变频调速系统与直流调速系统做一比较。在直流调速系统中，由于直流电动机具有电刷和整流子，因而必须对其进行检查，电机安装环境受到限制。例如：不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用。此外，也限制了电机向高转速、大容量发展。而交流电机就不存在这些问题，主要表现为以下几点： 第一，直流电机的单机容量一般为12 - 14MW，还常制成双电枢形式，而交流电机单机容量却可以数倍于它。第二，直流电机由于受换向限制，其电枢电压最高只能做到一千多伏，而交流电机可做到6 - 10kV。第三，直流电机受换向器部分机械强度的约束，其额定转速随电机额定功率而减小，一般仅为每分钟数百转到一千多转，而交流电机的达到每分钟数千转。第四，直流电机的体积、重量、价格要比同等容量的交流电机大。最后，特别要指出的是交流调速系统在节约能源方面有着很大的优势。一方面，交流拖动的负荷在总用电量中占一半或一半以上的比重，这类负荷实现节能，可以获得十分可观的节电效益。另一方面，交流拖动本身存在可以挖掘的节电潜力。在交流调速系统中，选用电机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；如果利用变频调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能达到节电的目的。工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电量的50%；如果采用变频调速技术，既可大大提高其效率，又可减少10%的电能消耗。 3、合理应用 交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60% - 65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15% - 20%的电量。 采用变频调速，一是根据要求调速用，二是节能。它主要基于下面几个因素： （1）、变频调速系统自身损耗小，工作效率高。 （2）、电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。 （3）、可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击。 4、选择变频器的方法在采用变频调速时，需从工艺要求、节约效益、投资回收期等各方面考虑。如果仅从工艺要求、节约效益考虑，下面几种情况选用变频调速较有利： （1）、根据工艺要求，生产线或单台设备需要按程序或按要求调整电机速度的。如：包装机传送系统，根据不同品种的产品，需要改变系统传送速度，使用变频调速可使调速控制系统结构简单，控制准确，并易于实现程序控制。 （2）、用变频调速代替机械变速。如：机床，不仅可以省去复杂的齿轮变速箱，还能提高精度、满足程序控制要求。 （3）、用变频调速代替用闸门或挡板调整流量适于风机、水泵、压缩机等。例如：锅炉上水泵、鼓风机、引风机实行了变频调速控制，不仅省去了伺服放大器、电动操作器、电动执行器和给水阀门（或挡风板），而且使得整个锅炉锅炉控制系统得到了快速的动态响应、高的控制精度和稳定性。5、变频技术在本设计中的优越性在龙门刨床（B2012A）上使用变频器主要有以下优点：（1）、变频器调速范围宽达1：100，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