仿真龙门刨床的变频调速改造的设计

1、绪论电气控制系统在现代技术屮起着重耍的神经屮枢作用，在设计电气控制系统的吋候，应根 据设备的控制特点和工艺流程选择合适的控制方案，随着plc控制技术日益成熟并得到越来越 广泛的应用。利用原宥的继电器一接触器控制电路设计plc控制系统，或直接进行plc控制 系统的设计，一般都满足控制要求。自从60年代末美国首先研制和使用可编程控制器之后，到80年代初，plc的应用已在工 业控制领域屮占据主导地位，进入90年代后，工业控制领域儿乎完全被plc占领。国外专家 预言，plc技术将在工业自动化的三大支柱（plc、机器人和cad/cam）中跃居首位。plc 的最大特点是控制过程以程序方式存放在存储器内，只

2、耍修改存储器屮的程序就得改变生产工 艺的控制过程，而不需要对硬件连线作多大的改变。我国从1974年开始研制可编程控制器，1977年应用于工业。如今可编程控制器已经大景应用 在引进设备和国产设备中，我国不少厂家引进或研制了一批叫编程控制器，各行各、ik也涌现出 大批应用可编程控制器改造设备的成果，电气行业生产的设备越来越多地采用可编程控制器作 为控制装置。本文亦是运用plc实现了对机床的控制，并配合变频技术进行本次设计。第一章龙门刨床的工作原理1.1龙门刨床控制系统的组成龙门刨床的电气控制系统的组成主要包括工作台的拖动控制系统和进给机构的逻辑自动控 制两大部分（如图1-1, 1-2所示）。前，国

3、内龙门刨床主要采用的主传动系统有两种：一种 是电机扩大机发动机电动机组（ag-g-m）系统;第二种是改型的晶闸管一一电动机组 （v-m）,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人，维修麻烦。随着变频技术的高逨发展和可编程控制器（plc）的 不断更新，结合起来川'以为龙门刨床提供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，更主耍是节约了 大量能源。组成一个基木的控制系统，必须由校制对象（受控对象），简称“对象”和控制装置两大部 分组成，而一个基木的控制装置

4、-般由检测器（反馈传感器）、给定器、控制器（包括放大器） 和执行器四个环节组成，如图1-1所示。为ag-g-m系统，由图1-2可见。是由电压反馈、电流正前馈、电流截止负前馈及电压微分 负反馈稳定环节所纟 11成的双闭环扰动补偿的复合控制系统。负反馈（双闭环）是按偏差控制原 则，前馈（双开环）是按扰动补偿控制原则。扰动前馈补侫控制令号主信丞一-1 綮钭拦b絨4定岩38 s图1-2主拖动控制原理图1.2龙门刨床的基本原理龙门刨床作为机械工业中的主要工作机床之一，在工业生产占有重要的地位。其运动方式 较多，结构复杂，拖动电路电机较多，控制复杂，维护、检修困难。在实际中，龙门刨床的电 路一直被作为考核

5、技师的难题之一。随着工业自动化的发展，变频器、plc在工厂设备改造中 的广泛使用，对龙门刨床进行改造，已越来越普遍。1.2. 1龙门刨床主拖动系统的运动特点我网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一一电动机系 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宵流发电机电动机 系统，通过调w直流电动机电压来调w输出速度，并采用两级齿轮变速箱变速的机电联合调w 方法。其主运动为刨台频繁的往复运动，在往复一个周期屮，对速度的控制有一定要求，如图 所示。图中：tl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

6、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段为返冋段，返冋过程中，刨刀不切削工件，为节省时间，提高加工效率，返冋速度应尽可能高些。t5段为缓冲区。返回行程即将结束，再反h'd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。1.2.2对电动机机械特性的要求为充分利用电动机的容量，同时满足负载电动机的要求，龙门刨床主拖动电动机运行时的 机械特性应与负载机械特性配合，即电动机机械特性应靠近并位于负载机械特性之上。1.2. 3变频器调速机械的特性从电动机调速理论对知，若采用变频调速，在频率低于额

7、定频率时，电动机调速具有恒转 矩输出特性，而在高于额定频率区，电动机电压不能升高，具有恒功率的输出特性。比较可知，采用变频调速吋，电动机的机械特性曲线刚好与刨台的运动所对应的特性曲线 相符。w此，适于采用变频调速对龙门刨床的主运动系统进行改造，并使电动机的工作频率适 当提高至额定频率以上。由于龙门刨床的传动机构从速度为45r/min分为两粹，故电动机的机械特性也以45r/min 分成曲线相似的两段。如图1-4所示。1.2. 4机械结构及控制要求用于实现刨台往返控制的六个行程开关仍如原来所示安装，工作台侧面的燕尾槽安装四个 撞块。依靠四个撞块相应的行程开关实现工作台的自动工作。前进撞块a、b,后

8、退撞块c、d 分布在行程开关两侧。图1-5所示为各行程开关的零位状态。图h4变频调速机械特性8q1 sq3 sq6 sqs sq4 sq2图1-4工作台行程开关零位状态运动控制过程：工作台前进时，撞块a撞击sq3, b撞击sq5,经过一段越位后，刨台后退。 后退吋，撞块b使sq5复位，撞块a使sq3复位。后退末了，工件退出刀具后，撞块c撞击sq4 使电机减速，d撞击sq6使电机换向，经过一段越位后，刨台从后退换成前进。刨台即按此方 式循环工作。sq2、sq1分别起前进、后退的限位保护。为简化校制电路，减少对龙门刨床的日 常维护工作暈，可采用plc作为控制元件与变频器结合实现刨床的自动化控制的改

9、造。1.3龙门刨床的调整试车机床电器全部安装、检齊完毕，必须经过止确仔细的试车测试调整，才能正式投入生产。 电气调试工作，必须有机械操作人员配合。1.3. 1试车前的准备(1) 仪器、仪表准备。(2) 电气控制设备的安全处理。1.3. 2控制电器动作检查(1) 交流控制回路电器动作检查。(2) 直流控制电路电器动作检查。(3) 故障停车检查。1.3. 3横梁升、降控制实验与调整(1) 加紧电动机旋转方向试验。(2) 加紧程度调整。(3) 升降试验。1.3. 4刨台控制系统的调试将机械变速箱调速手柄置于高速档(990mniin)，启动机组，按压前进按钮，使刨台自动 循环运行。逐步调整各级参数，使

10、刨台达到最高速。(1) 宵流给定控制电路参数调整。(2) 刨台高速档及低速档的调整。(3) 停车制动试验。(4) 系统稳定性试验。(5) 步进、步退速度调整。(6) 磨削速度及稳定性调试。1.3.5刨台控制系统各环节的试验与调整（1）电机放大机ag的试验与调整。1）转向检验2）极性检验3）补偿程度调整（2）发电机g的试验（极性）。（3）电压负反馈性试验与参数。1）反馈极性测试2）反馈系数调整（4）电压微分负反馈稳定环节极性及参数的测试。1）极性测试2）参数调整（5）宵流电动机的运转。（6）电流正前馈补偿环'w极性、参数测试与调整。（7）电流截止负前馈保护环节的极性测试与参数调整。1.3

11、. 6龙门刨床的综合试验（1）空载运行试验（2）负载运行试验第二章龙门刨床变频控制的设计2.1控制图控制信号输入端ml：刨台拖动电机m2：横梁传动电机m3：右侧刀架电机m4：左侧刀架电机m5：横梁刀架传动电机m6：滑润泵电机m7：横梁夹紧电机b：光电编码器此外，还必须具有必要的过载，连锁保护环节。2. 2 plc的选型plc是可编程逻辑控制器，是program logic controler的缩写，是一种数字运算的电了系 统，转为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在a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，并通过数字式、模拟式的输人和输fli。控制 各

12、种类型的机械或生产过程。plc及其有关设备，都是按易与工业控制器系统联成一体、易于 扩充功能的原则设计。plc是一种以微处理技术为基础，将控制处理规则存储于存储器中，应用于以控制开关量为 主或包括控制参景在内的逻辑控制、机电运动控制或过程控制等工业控制领域的新型工业控制 装。plc的特点：1. 可靠性高，抗干扰能力强2. 通用性强，控制程序可变，使用方便3. 功能强，适应面广4. 编程简单，容易掌握5. 减少了控制系统的设计及施工的工作量6. 体积小、重量轻、功耗低、维护方便plc的型号繁多，各种型号的plc功能不尽和同，但目前的plc般都就食下列功能：1. 条件控制2. 定时控制3. 计数控

13、制4. 步进控制5. 数据处理6. 通信和联网7. 对控制系统的监控plc的基本结构：结构图编程器a输!|1电路输v=>屮央处理单元（cpu）路ft<>_v系统程序储存器用户程序储存器电源图3-1 plc的简化樞图系列是fx系列plc家族中最先进的系列。由于fx2n系列具备如下特点：最大范围的 容丫标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需耍的大量特殊功能模块，它可以为你的丄厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 fx2n系列小型，高速，高性能，是fx系列中最先进的超级微型plc.控制规模：16256点（基本单元：16/32/48/64

14、/80/128点）特点：1、集成型&高性能cpu.电源.输入.输出三为一体2、 高速运算基本指令：0.08 us/指令应用指令：1.52数100113/指令3、安心、宽裕的存储器规格内置8000步ram存储器安装存储盒后，最大可以扩展到16000步4、丰富的软元件范 围辅助继电器：3072点，定时器：256点，计数器：235点数据寄存器：8000点第三章变频器的选择3.1变频调速技术变频调速技术是一种以改变电机频卒和改变电压来达到电机调速目的的技术。大家都知道， s前，无论哪种机械调速，都是通过电机来实现的。从人范围来分，电机有宵流电机和交流电 机。过去的调速，多数用直流电机，由于直流

15、机调速容易实现。但直流机固冇的缺点：滑环和 碳刷要经常拆换，给人们带来太大的麻烦。因此有人就想，如果把可靠简申的笼式交流电机用 来调速那该多好！因而就出现了定了调速、变极调速、滑差调速、转子申电阻调速、串极调速、 液力偶和调速等交流调速方式。当然也出现了滑差电机、绕线式电机、同步机、这些都是交流 电机。到20世纪80年代，由于电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，才出现了对交流 机来说最好的变频调速技术，它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式，乃 至直流电机调速，而成为电气传动的中枢。因而说变频调速是时代的产物，只有在技术高度发 展的今天，才能实现。为什么说它是基于电力电子、

16、微电子、信息技术发展的产物？ 是它的 逆变部分都基于电流很大、电压很高的scr、gtr、tgbt、gto、mct等电力电子器件來完成的。 什么叫逆变：就是直流变交流（dcac）那么交流变直流就叫整流（ac dc）。二是它的控制 部分和负载状态的检测是由cpu （32位计算机）来完成，这是微电子器件发展的结果。三是内 置4一20ma接口和rs485接口可以和仪表、dcs相接，通过总线profibus、interbus通讯。3. 2变频器的工作原理如图3-1所示图3-1变频器的工作原理图3.3变频调速系统的配置(1) 工作台主拖动用变频器驱动一台交流异步电动机，代替ag-g-m系统屮的机组，实现

17、多段速调速。(2) 电气控制部分采用plc可编程无触点控制，控制功能强，速度快，接点数量小。工作 台的减速、换向控制采用商可靠电子组合形成开关，带记忆功能。无机械磨损，寿命是机械组 合开关地倍，故障率是机械性电子组合开关的1/1003. 4变频器的分类从变频调逨的控制方式可知，实现异常电机的变频器调速需要一个具有电压，频率均可调 节的变频装置，其功能是将电网的恒压，恒频交流带内变换为变压变频(即vvvf)交流电，对 交流电动机实现无级调速，这种装置就称为vvvf装置。早期使用的旋转变频机组的vvvf装置 已被淘汰，现在广泛应用是静止的电力电了变频装置，静止变频装置宥交一交变频器和交_直- 交变

18、频器w大类。交-交变频器直接将电网交流电变为川调频调压的交流电输出，没有明妞的中间滤波环故乂称为直接变频器，而交-直-交变频器则先将电网交流电经整流器转换为直流电，经屮间滤液环节后再经逆变器变换为调频调压的交流电，故称为间接变频器。交-直-交电压型变频器的主电路结构形式如图3-3所示ac可控 =整流个调压ac二极管整流dc逆变ac>>>dcdc斩波逆变器个调压个调伍dcacpwm逆变器个调压调频ac二极管 整流图3-3 主电路结构形式图在变频调速时，需要同时调v变频器的输出电压和频率，以保证电机主磁通的愤定。对变 频器输出电压的调节主要有两种方式，即脉冲幅度调制（pam）方式

19、和脉冲宽度调制（pmv）方 式。pam方式是通过改变直流电压的幅值进行调节的方式，逆变器只负责调节输出频率，由相 挽晶闸管整流器，或直流斩波器通过调节直流电压vd来实现变频器输出电压的调节阁a、b所 示：pwm方式变频器屮的整流器釆用不可控二极管整流电路，变频器的输出电压和输出频率的 调节均由逆变器按p丽方式来完成。常见的p丽方式通过变频器的主电路结构如图所示。常见晶闸管交一直一交变频存在以不列：其主电路需要两套可控的品闸管变流器，可控开 关器件较多，控制线路复杂，装置庞大：由于电压的控制是采用晶闸管相控整流电路，升控时 会电网功率因素恶化，影响供电质量，由于逆变器输出的是阶梯波电压（或电流）

20、。使负载电 机中存在较大的低次谐波电流，从而产生较大的脉动转矩，影响电机的稳定工作，低速吋尤为 严重：由于屮间滤液环节有滤波电容或电抗器等大惯忭元件，使变频器的动态响应缓慢。随着现代电力电子器件和微电子的发展。中小容量变频器已广泛釆用了 pwm型交一直一交 变频器。pwm变频器的主电路采用不可控二极管整流器和p丽型逆变器，可控开关器件较少， 由控制电路按一定规律控制逆变器屮开关期间的高频率通断，逆变器的输出端可获得一系列的 等幅，而不等宽的矩形脉冲波，用这种波來近似等效正弦交流电压波形，就基木解决了阶梯pam 变频器中存在的脉冲为近代交流调速系统开辟了新的发展领域。3. 5变频器的使用主回路接

21、线图如3-4所示:fr-s5404). 4k. 0. 75k. 1. 5k. 2. 2k.3. 7k-ch (r)fr-s520s-0. 2k. 0. 4k. 0. 75k-ch (r)短路片fr-s520s-1.5k-ch(r)耀丝尺寸：m3. 5 电线尺寸：w (14 awg)ct线锱子：2-3.5#螺丝拧紧力矩：12 nn总线长100m以下注意0.2k的接线长为30m以上时.载波頻率谓使 用ikhz.螺丝尺寸：m4电线尺寸：2(14 awg)t线瑞子：2-4了煤丝拧紧力矩：1.5 nnn总线长*: 100m以下<fr-s54o-o 4k-ch： 50m以下 >注意fr-s54

22、0-0. 4k. 0 75k-ch的接线长为30m 以上时.载波频率谓使用1khz图3-4主冋路接线图三相电源li、l2、l3分别接r、s、t,可以不区分相序。单相电源l、n分别接li、n。u、v、w只能接负载电动机，绝不能接电源。木文使用的争相电源l、n分别接ll、n。单相220v电源输入接地图如图3-5所示：3.6控制端的接线本次毕业设计中只需接正、反转控制，多段速控制，其它控制端不用。将上述各控制端分 别与plc各输出点相连就可以由plc实现各种速度的控制。如阁3-6所示stf (fwd)正转 str (rev)反转 rh (ml)商速rm (m2)中速 rl(m3)低速 sd (dcm

23、)公共端图3-6控制端接线图3. 7多段速度设置v/ szkz图3-7多段速运行的接线例率定 频设it运行控制操作面板run显示运行时点亮/闪火賑xt键切换pu/外部操作模 式使用外部操作模式pu显示ext显示pu操作模式时点亮监视用3位led 1 表小调率、参数序号等外部操作模式时点亮设定用旋钮变更醇、参数 的设定值。不能取下进行运行的停止，报警的复 位（用另外连接的频率 设定旋钮和启动信号 运行）时，请按下此 键，使eh显示变为 点亮的状态。（组合模 式用pp79变更。）pu: pu操作模式 ext:外部操作模式run键运行指令正转、反转 用（pp17）设定stop/reset 键mode

24、 键set键切换设定模式确定各设定图3-8运行控制操作曲板第四章系统功能及工艺流程工作台自动循环动作与速度67前进换后退木人在这次毕业设计中，尝试用变频和plc改造龙门刨床主拖动系统。用一部交流电动机 来替代刨台电动机（即直流电动机）控制系统，从屮可解决原主拖动系统运行方式多，结构复 來，拖动电路电机多，控制复杂，维护，检修w难等问题。4.1设备硬件连接图信兮显示観盒行程开关运行指示膽plc可编程控制器cnc 接口4.2设备软件程序编辑变频器vvvfvef地址表表4-1 plc输入输出地址表输出输入功能名称地址功能名称地址正转stfy1启动（前进）sb1xi反转stry2停止sb2x2速度1rly3反转（v：退）sb4x3速度2rmy4后退限位sq1x4速度3rhy5前进限位sq2x5行程开关sq3x6行程开关sq4x7行程开关sq5x10行程开关sq6xii外部接线图xi x2x3x4x5x6x7x10xiiy4y5comy1plcstrstf变频器rmrhcomcomsd状态流程l割加工前应先按下sb3刨台后退到限位开关sq1进行幵机前复位。梯形图:通过本设计，我对三菱fx2n系列plc和变频调速系统也有了吏深入的了解，此外还增强 了我分析和解决实际工程的综合能力。同时也培养y严肃认真的科