1、學(xué)習(xí)案例11龍門刨床電控系統(tǒng)的PLC改造 1學(xué)習(xí)目標(biāo)基本要求：熟悉可編程控制器與變頻器通訊協(xié)議、通訊指令、通訊參數(shù)的設(shè)定、編程軟件的應(yīng)用方法、調(diào)試方法、監(jiān)控運(yùn)行方法。分配PLC輸入輸出接口，通訊電纜的連接硬件連接，外圍電路的連接分配PLC輸入輸出接口，通訊電纜的連接。 重點(diǎn)內(nèi)容：PLC的綜合應(yīng)用 2案例背景 威海精密機(jī)床附件廠的龍門刨床主要用來(lái)加工大型工件的各種平面、斜面和槽，由于使用日久，出現(xiàn)精度降低，調(diào)速性差，生產(chǎn)效率低等問題，需要進(jìn)行維修及改造。考慮到原有設(shè)備與加工要求調(diào)速比達(dá)到40：1以上，可用于刨、銑削，靜差度小于5%，切削力恒定、平穩(wěn)、沖擊小，刀具切入切出時(shí)自動(dòng)減速，功耗低，安全可

2、靠、易于維護(hù)等要求。因此我們決定采用變頻器結(jié)合PLC對(duì)其進(jìn)行改造。 3龍門刨床的基本結(jié)構(gòu) 龍門刨床主要由七部分組成，如圖所示。其中床身為箱體型零件，其上有V形導(dǎo)軌。工作臺(tái)安放在床身上，工作臺(tái)下面有斜齒條與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪相嚙合，可作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。橫梁用于安裝垂直刀架，刨削加工時(shí)嚴(yán)禁動(dòng)作，只在工作臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)時(shí)才能移動(dòng)，以調(diào)整刀架高度。兩個(gè)垂直刀架可沿橫梁導(dǎo)軌在水平方向，或沿刀架本身的滑板導(dǎo)軌在垂直方向作快速移動(dòng)或工作進(jìn)給。左右側(cè)刀架及進(jìn)給箱可沿立柱導(dǎo)軌上下快速移動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)給。 4龍門刨床結(jié)構(gòu)圖1床身 2工作臺(tái) 3橫梁 4垂直刀架 5側(cè)刀架6立柱 7龍門頂5龍門刨床的工作特點(diǎn) 龍門刨床的刨削過(guò)程是工件與刨

3、刀作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。為此，工件必須與工作臺(tái)一起頻繁地進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工件的切削加工僅在工作行程中，返回行程是空行程。在切削過(guò)程中只有在工作臺(tái)由返回行程轉(zhuǎn)到工作行程的期間刀架才進(jìn)行一定量的進(jìn)給。其中，機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)是工作臺(tái)縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而橫梁的上下移動(dòng)，刀架沿橫梁的左右移動(dòng)，以及側(cè)刀架在立柱上的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)稱作輔助運(yùn)動(dòng)。6龍門刨床的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)主運(yùn)動(dòng)行程以及各階段的工作狀況圖2中LQ為工作行程長(zhǎng)度，LH為返回行程長(zhǎng)度，VJ，VQ和VH分別為慢速切入速度、切削速度和返回速度。 各時(shí)間段的工作狀況如下：0t1：工作臺(tái)前進(jìn)起動(dòng)階段t1t2：刀具慢速切入階段t2t3：加速至穩(wěn)定工作速度階段t3t4：穩(wěn)定工作速度

4、階段7龍門刨床的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)t4t5：減速退出工作階段t5t6：反接制動(dòng)到后退工作階段t6t7：后退穩(wěn)定速度階段t7t8：后退減速階段t8t9：后退反接制動(dòng)階段其中慢速切入切出，既可防止因撞擊而崩壞工件與刀具又可以提高刀具使用壽命，空行程高速返回可以提高加工效率。8龍門刨床的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)龍門刨床行程圖 9龍門刨床的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)橫梁運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)橫梁只在工作臺(tái)停止時(shí)方可調(diào)整，橫梁運(yùn)動(dòng)屬于“點(diǎn)動(dòng)”性質(zhì)，為了保證橫梁能按要求停在一定的位置上，還設(shè)有夾緊機(jī)構(gòu)。10原拖動(dòng)系統(tǒng)工作狀況 主拖動(dòng)系統(tǒng)以直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)（G-M）及晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)為主，如下圖所示。以A系列龍門刨床為例，它采用電磁擴(kuò)大機(jī)作為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的直流發(fā)電

5、機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)電壓來(lái)調(diào)節(jié)輸出速度，并采用兩級(jí)齒輪變速箱變速的機(jī)電聯(lián)合調(diào)節(jié)方法。其主運(yùn)動(dòng)為刨臺(tái)頻繁的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)速度的控制有一定的要求，采用機(jī)械速比為2:1和電氣調(diào)速范圍為10:1的機(jī)電聯(lián)合調(diào)速系統(tǒng)。11原拖動(dòng)系統(tǒng)工作狀況龍門刨床主拖動(dòng)GM系統(tǒng)圖 12主拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性分析 主拖動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速分析如圖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。圖中，V2為對(duì)應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的最高速度，稱為計(jì)算速度。在V1V2范圍內(nèi)要求恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；而在V2V3范圍內(nèi)則要求恒功率調(diào)速。13主拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性分析龍門刨床主拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性 14主拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的

6、調(diào)速特性分析 機(jī)電聯(lián)合調(diào)速與單純調(diào)壓調(diào)速比較，電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)功率可以縮小一半，但是電動(dòng)機(jī)的功率仍然比負(fù)載所需要的功率大接近一倍，因此A系列龍門刨床直流電動(dòng)機(jī)的功率并沒有得到充分利用。同時(shí)因?yàn)檫M(jìn)刀機(jī)構(gòu)采用進(jìn)刀繼電器控制進(jìn)刀，而繼電器鐵心和圓盤齒因頻繁運(yùn)動(dòng)而磨損，使精度下降 15變頻器的基本結(jié)構(gòu)變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備，其中控制電路完成對(duì)主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對(duì)于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來(lái)說(shuō)，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的C

7、PU以及一些相應(yīng)的電路。 16變頻器的分類 變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。 17龍門刨床變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 變頻調(diào)速系統(tǒng)組成 工作臺(tái)的主運(yùn)動(dòng)只需一臺(tái)59KVA 交直交、電壓型變頻器和能量回饋裝置作為主拖動(dòng)控制裝置，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。工作臺(tái)換向制動(dòng)利用變頻器自帶的能量反饋裝置，使制動(dòng)速度快，能

8、量又反饋到電網(wǎng)中。對(duì)于進(jìn)刀機(jī)構(gòu)可以采用3臺(tái)6.5KVA小變頻器分別控制垂直刀架和左右側(cè)刀架3臺(tái)2.2KW異步電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，形成了新的進(jìn)給系統(tǒng)，使進(jìn)刀量準(zhǔn)確，提高了加工精度。另外增加一個(gè)11KW的變頻器控制的銑刀頭，作為附加組件。系統(tǒng)原理圖如圖所示。18變頻調(diào)速系統(tǒng)組成龍門刨床變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖 19變頻調(diào)速系統(tǒng)的特性 采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以通過(guò)靈活的預(yù)置恒轉(zhuǎn)矩與恒功率調(diào)速的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，使調(diào)速系統(tǒng)的特性更好地滿足龍門刨床主拖動(dòng)負(fù)載的調(diào)速特性要求，進(jìn)而降低主拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)功率。調(diào)速范圍可以達(dá)到40:1，靜差度小于3%，更換不同的工作組件就可使刨床一機(jī)多用。為提高加工精度，工作臺(tái)的速度不隨

9、切削量的變化而變化，自動(dòng)調(diào)速，達(dá)到速度曲線的要求，提高了加工質(zhì)量與效率。 20變頻調(diào)速系統(tǒng)的特性變頻調(diào)速的機(jī)械特性 21PLC控制電路及軟件流程 控制部分采用PLC可編程控制器控制，其功能強(qiáng)、速度快、接點(diǎn)數(shù)少、可靠性高，這是有觸點(diǎn)的繼電器系統(tǒng)無(wú)法比擬的。22電氣控制電路 全部工藝過(guò)程及聯(lián)鎖、信號(hào)、報(bào)警由1臺(tái)PLC控制，其控制端子功能及接線圖如圖所示。 為了操作方便，變頻器設(shè)置成外部控制狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控。由A10和A11按編碼組合為4種運(yùn)行速度，A12為點(diǎn)動(dòng)控制，T17為反轉(zhuǎn)控制，T14為停車控制，GM1GM4來(lái)自光電編碼盤的反饋輸入信號(hào)。PLC的X0X35為操作和工藝控制的輸入信號(hào)端，輸出端Y0

10、Y5控制橫梁升降、刀架進(jìn)給及銑、磨頭用變頻器。23PLC控制端子功能及接線圖 24PLC編程軟件流程 龍門刨床工作臺(tái)的工藝流程由PLC控制主變頻器驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。刨床工作臺(tái)自動(dòng)、手動(dòng)進(jìn)（退）、點(diǎn)動(dòng)、換向、速度變換，垂直刀架和左右刀架的自動(dòng)進(jìn)給及人工快速移動(dòng)的控制，橫梁升降和夾緊控制，以及互相的聯(lián)鎖和顯示等功能都由PLC軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)3。前進(jìn)和后退速度及加、減速時(shí)間可以任意調(diào)節(jié)。為方便操作，在控制柜面板上裝有床身運(yùn)動(dòng)速度顯示及各種運(yùn)行指示及報(bào)警信號(hào)，并且操作箱完全符合原操作習(xí)慣?，F(xiàn)給出工作臺(tái)控制的主程序流程圖如圖所示 25PLC編程軟件流程26系統(tǒng)改造前后比較與直流發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)相比較，改造后的變頻調(diào)速系統(tǒng)主傳動(dòng)裝機(jī)容量比原來(lái)節(jié)省300kW；傳動(dòng)效率提高一倍；調(diào)速范圍為1:35；靜差度3%；吃刀時(shí)進(jìn)線電流為12.