学习案例 11 龙门刨床电控系统的 PLC 改造威海职业学院

学习案例11 龙门刨床电控系统的PLC改造威海职业学院

学习目标 基本要求： ◆熟悉可编程控制器与变频器通讯协议、通讯指令、通讯参数的设定、编程软件的应用方法、调试方法、监控运行方法。 ◆分配PLC输入输出接口，通讯电缆的连接 ◆硬件连接，外围电路的连接分配PLC输入输出接口，通讯电缆的连接。重点内容： ◆PLC的综合应用

案例背景 威海精密机床附件厂的龙门刨床主要用来加工大型工件的各种平面、斜面和槽，由于使用日久，出现精度降低，调速性差，生产效率低等问题，需要进行维修及改造。考虑到原有设备与加工要求调速比达到40：1以上，可用于刨、铣削，静差度小于5%，切削力恒定、平稳、冲击小，刀具切入切出时自动减速，功耗低，安全可靠、易于维护等要求。因此我们决定采用变频器结合PLC对其进行改造。

龙门刨床的基本结构 • 龙门刨床主要由七部分组成，如图所示。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与传动机构齿轮相啮合，可作往复运动。横梁用于安装垂直刀架，刨削加工时严禁动作，只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。

龙门刨床结构图 1－床身 2－工作台 3－横梁 4－垂直刀架 5－侧刀架 6－立柱 7－龙门顶

龙门刨床的工作特点 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。在切削过程中只有在工作台由返回行程转到工作行程的期间刀架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，以及侧刀架在立柱上的上下往复运动称作辅助运动。

龙门刨床的运动特点 主运动行程以及各阶段的工作状况 • 图2中LQ为工作行程长度，LH为返回行程长度，VJ，VQ和VH分别为慢速切入速度、切削速度和返回速度。各时间段的工作状况如下： • 0～t1：工作台前进起动阶段 • t1～t2：刀具慢速切入阶段 • t2～t3：加速至稳定工作速度阶段 • t3～t4：稳定工作速度阶段

龙门刨床的运动特点 • t4～t5：减速退出工作阶段 • t5～t6：反接制动到后退工作阶段 • t6～t7：后退稳定速度阶段 • t7～t8：后退减速阶段 • t8～t9：后退反接制动阶段 • 其中慢速切入切出，既可防止因撞击而崩坏工件与刀具又可以提高刀具使用寿命，空行程高速返回可以提高加工效率。

龙门刨床的运动特点 龙门刨床行程图

龙门刨床的运动特点 • 横梁运动的特点 • 横梁只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。

原拖动系统工作状况 主拖动系统以直流发电机－电动机（G-M）及晶闸管－电动机系统为主，如下图所示。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，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。

原拖动系统工作状况 龙门刨床主拖动G－M系统图

主拖动调速系统的调速特性分析 • 主拖动系统调速分析如图4所示。其中FM表示最大切削力，V1表示切削速度，PM表示最大切削功率。图中，V2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；而在V2~V3范围内则要求恒功率调速。

主拖动调速系统的调速特性分析 龙门刨床主拖动调速系统的调速特性

主拖动调速系统的调速特性分析 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

变频器的基本结构 • 变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

变频器的分类 • 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

龙门刨床变频调速系统的设计 • 变频调速系统组成工作台的主运动只需一台59KV·A 交－直－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6.5KV·A小变频器分别控制垂直刀架和左右侧刀架3台2.2KW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11KW的变频器控制的铣刀头，作为附加组件。系统原理图如图所示。

变频调速系统组成 龙门刨床变频调速系统原理图

变频调速系统的特性 采用交流变频调速系统，可以通过灵活的预置恒转矩与恒功率调速的转换点，使调速系统的特性更好地满足龙门刨床主拖动负载的调速特性要求，进而降低主拖动电动机的设计功率。调速范围可以达到40:1，静差度小于3%，更换不同的工作组件就可使刨床一机多用。为提高加工精度，工作台的速度不随切削量的变化而变化，自动调速，达到速度曲线的要求，提高了加工质量与效率。

变频调速系统的特性 变频调速的机械特性

PLC控制电路及软件流程 • 控制部分采用PLC可编程控制器控制，其功能强、速度快、接点数少、可靠性高，这是有触点的继电器系统无法比拟的。

电气控制电路 • 全部工艺过程及联锁、信号、报警由1台PLC控制，其控制端子功能及接线图如图所示。 • 为了操作方便，变频器设置成外部控制状态，实现远控。由A10和A11按编码组合为4种运行速度，A12为点动控制，T17为反转控制，T14为停车控制，GM1～GM4来自光电编码盘的反馈输入信号。PLC的X0～X35为操作和工艺控制的输入信号端，输出端Y0～Y5控制横梁升降、刀架进给及铣、磨头用变频器。

PLC控制端子功能及接线图

PLC编程软件流程 • 龙门刨床工作台的工艺流程由PLC控制主变频器驱动交流电动机来实现。刨床工作台自动、手动进（退）、点动、换向、速度变换，垂直刀架和左右刀架的自动进给及人工快速移动的控制，横梁升降和夹紧控制，以及互相的联锁和显示等功能都由PLC软件来实现[3]。前进和后退速度及加、减速时间可以任意调节。为方便操作，在控制柜面板上装有床身运动速度显示及各种运行指示及报警信号，并且操作箱完全符合原操作习惯。现给出工作台控制的主程序流程图如图所示

PLC编程软件流程

系统改造前后比较 • 与直流发电机组调速系统相比较，改造后的变频调速系统主传动装机容量比原来节省300kW；传动效率提高一倍；调速范围为1:35；静差度<3%；吃刀时进线电流为12.2A，是原来的1/5；可靠性、经济性都有很大提高。 • 在整个机床的改造过程中涉及到了许多测试、调试的问题，在硬件设备安装好后又进行了许多调试工作。PLC程序的编制综合考虑了工艺与加工要求的问题，变频器参数设置也需考虑具体的加工要求。经过如此改造，能大大简化拖动系统，减小维护工作量，提高运行可靠性。

欢迎使用本课件 谢谢！

学习案例 11 龙门刨床电控系统的 PLC 改造 威海职业学院