龍門刨床的PLC電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SHANDONG 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 龍門刨床的龍門刨床的 PLC 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 電氣與電子工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 彭笑笑 學(xué) 號(hào)： 0812204679 指導(dǎo)教師： 李素玲 2012 年 6 月 摘 要 - 摘 要 在分析和研究龍門刨床（B2012A）控制原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求， 設(shè)計(jì)了龍門刨床基于變頻調(diào)速的 PLC 控制。該系統(tǒng)以西門子公司的 TD3000 為 主要調(diào)速控制器件，PLC 選用西門子公司的 S7-200 系列的 CPU224。 根據(jù)刨床的實(shí)際調(diào)速范圍和負(fù)荷，選擇了變頻異步電動(dòng)機(jī)、變頻器和測(cè)量 轉(zhuǎn)速的編碼器型號(hào)；繪制了電力拖動(dòng)系統(tǒng)的主回路電路圖、PLC 和變頻器的外 部接線圖。并且，對(duì)變頻器接口電路的設(shè)計(jì)方法和變頻器參數(shù)的設(shè)置方法也做 了詳細(xì)說(shuō)明。 刨床各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件采用 PLC 邏輯控制，根據(jù)工藝要求可實(shí)現(xiàn)各部分的單獨(dú) 運(yùn)動(dòng)及聯(lián)動(dòng)。用可編程控制器進(jìn)行檢測(cè)過(guò)零為轉(zhuǎn)換條件，實(shí)現(xiàn)了工作臺(tái)的無(wú)沖 擊換向。以精密電位計(jì)為速度給定元件，可手動(dòng)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)主電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 從根本上解決了龍門刨床換向沖擊大、工作頻率不高、耗電量大等缺點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：龍門刨床，變頻器調(diào)速，PLC Abstact - Abstract On the basis of the analysis and research of the original control system of double housing planer (B2012A), according to the special requirements of production process, designed a system with a the inverter direct current speed control based on PLC control. The system chooses the Siemens TD3000 as the main speed control devices, and the PLC selected the Siemens S7-200 series CPU224. First, the dissertation introduces the hardware design of the control system. According to actual speed regulation range and loads of the original DC drive system, the model of variable frequency induction motor, inverter and encoder to measure the speed are chosen. It presents the main circuit schematics of electric drive system, and the external wire-connection diagrams of PLC and inverter. Furthermore, a description of the interface circuit design fashions and parameters setting of inverter are described. The system use the programmable controller, as to realize zero-speed examining and logical controlling, and the linkage of the motile parts can be achieved according to its process requirements. In this system , zero-speed reversing of the work platform and no impact of original system can be realized. Precise potentiometers are chosen as the speed regulation components in this system, it can regulate the Real-time rotational speed of the main electromotor accurately, and the disadvantages of the original system, such as the large reversing impact of planer, the inadequate operating frequency and too high power consumption, are hurdled in this system. Key words: planer, inverter, PLC Abstact - 目 錄 摘 要. ABSTRACT . 目 錄 第一章 緒 論 1 1.1 課題的目的和意義. 1 1.1.1 本課題的目的. 1 1.1.2 本課題的研究意義 1 1.2 龍門刨床電氣控制的發(fā)展. 1 1.2.1 龍門刨床電氣控制的歷史與現(xiàn)狀. 1 1.2.2 龍門刨床電氣控制的發(fā)展. 3 1.3 課題設(shè)計(jì)參數(shù)及主要內(nèi)容 3 第二章 龍門刨床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 5 2.1 現(xiàn)有龍門刨床存在的問(wèn)題 5 2.2 龍門刨床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)5 2.3 龍門刨床的工藝特點(diǎn)及技術(shù)要求6 2.4 總體設(shè)計(jì)方案的確定 9 第三章 龍門刨床控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) . 11 3.1 系統(tǒng)邏輯控制程序設(shè)計(jì)的主要組成. 11 3.2 電力拖動(dòng)系統(tǒng)的主回路設(shè)計(jì). 11 3.3 PLC 的選型及外部接線圖. 13 3.3.1 PLC 的特點(diǎn) 13 3.3.2 PLC 的選型. 14 3.3.3 PLC 的外部接線圖 . 15 3.4 變頻裝置的選型和硬件配置. 17 Abstact - 3.4.1 電機(jī)選型 17 3.4.2 變頻器選型 .17 3.4.3 變頻器接口電路設(shè)計(jì)與參數(shù)設(shè)置 .19 3.4.4 編碼器與 PG 速度卡選型 .21 3.5 傳感器的選型. 22 第四章 PLC 邏輯控制程序設(shè)計(jì). 24 4.1 PLC 邏輯控制程序設(shè)計(jì)方法概述 24 4.2 工作臺(tái)控制程序設(shè)計(jì). 24 4.2.1 工作臺(tái)點(diǎn)動(dòng)程序設(shè)計(jì)25 4.2.2 工作臺(tái)自動(dòng)往返控制程序設(shè)計(jì) 27 4.3 輔助部分控制程序設(shè)計(jì) 30 4.3.1 橫梁升降邏輯控制程序設(shè)計(jì) . 30 4.3.2 刀架運(yùn)動(dòng)邏輯控制程序設(shè)計(jì) . 31 4.3.3 風(fēng)機(jī)、油泵邏輯控制程序設(shè)計(jì) . 33 4.4 PLC 若干技術(shù)的實(shí)現(xiàn) . 33 4.4.1 工作臺(tái)無(wú)沖擊換向技術(shù)的實(shí)現(xiàn) . 33 4.4.2 多件聯(lián)動(dòng)安全性與可靠性的實(shí)現(xiàn) 33 4.4.3 工作臺(tái)切削過(guò)載自動(dòng)返回的實(shí)現(xiàn) . 34 結(jié) 論.35 參考文獻(xiàn) 36 致 謝. 37 附 錄 系統(tǒng) PLC 邏輯控制程序梯形圖 38 第一章 緒 論 - 1 - 第一章 緒 論 1.1 課題的目的和意義 1.1.1 本課題的目的 龍門刨床電氣設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的工廠大型零件生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，刨床 電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制系統(tǒng)有很高的要求，并且也在不斷提高。 舊刨床，由于使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，生產(chǎn)精確度差，生產(chǎn)效率低，調(diào)速能力下降，這 是為什么必需進(jìn)行維修和翻新。使現(xiàn)有設(shè)備必須滿足以下要求：加工速度比 40:1；靜態(tài)誤差率小于 5；刀具的切入、切出能夠自動(dòng)減速，切割過(guò)程中切 割強(qiáng)度保持恒定，機(jī)械沖擊小，功耗低，安全性、可靠性也要得到提高。所以 采用 PLC 與變頻器調(diào)速對(duì)龍門刨床進(jìn)行電氣化改造，可解決以上問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)工 藝要求。 1.1.2 本課題的研究意義 合理控制和得當(dāng)使用龍門刨床，不僅可以提高效率，節(jié)約成本，還可在很 大程度上延長(zhǎng)使用壽命。龍門刨床控制主要由機(jī)械控制和電氣控制兩大部分組 成。其中，機(jī)械部分相對(duì)比較穩(wěn)定，電氣控制系統(tǒng)控制決定龍門刨床的運(yùn)行狀 態(tài)。在老式龍門刨床中，這種現(xiàn)象尤其明顯。老式龍門刨床的機(jī)械部分硬度好， 精度較高，基本性能可達(dá)到現(xiàn)代同類機(jī)械的水平，但控制和驅(qū)動(dòng)部分則出現(xiàn)不 同程度的老化，這對(duì)加工性能及成本有很大的影響，有些甚至無(wú)法在一些加工 要求稍高的工件場(chǎng)合下使用，本科題通過(guò)對(duì)原系統(tǒng)以及龍門刨床加工運(yùn)行性能 和要求進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)了性能比較好的控制方案，可最大限度發(fā)揮龍門刨 床的加工潛力，提高可靠性，降低運(yùn)行成本，對(duì)老式龍門刨床的改造提高有很 大的實(shí)際意義。 1.2 龍門刨床電氣控制的發(fā)展 1.2.1 龍門刨床電氣控制的歷史與現(xiàn)狀 龍門刨床的電氣控制系統(tǒng)主要包括工作臺(tái)主拖動(dòng)和其他輔助設(shè)備的控制兩 第一章 緒 論 - 2 - 大部分。龍門刨床的控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了四代的發(fā)展： 首先是鼠籠式交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，使用皮帶、齒輪傳動(dòng)或電磁離合器來(lái)改變 刀架的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度。雖然這種拖動(dòng)電氣設(shè)備簡(jiǎn)單，但其機(jī)械結(jié)構(gòu)非常 復(fù)雜、速度控制困難，皮帶和離合器經(jīng)常受到損壞，目前這種古老的龍門刨床 幾乎已經(jīng)被淘汰了。 20 世紀(jì) 60 年代開(kāi)始，電機(jī)放大機(jī)-直流發(fā)電機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)組合成的調(diào)速系 統(tǒng)（簡(jiǎn)稱為 KFD 系統(tǒng)）的出現(xiàn)使電機(jī)對(duì)龍門刨床工作臺(tái)的主拖動(dòng)進(jìn)入了一個(gè) 新階段。這種速度控制原理是：通過(guò)改變交磁擴(kuò)大機(jī)控制繞組上的電壓來(lái)改變 發(fā)電機(jī)的輸出電壓，從而改變電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電壓達(dá)到調(diào)速的目的。當(dāng)時(shí)， 這種調(diào)速方式是龍門刨床應(yīng)用最多的一種。利用這種直流機(jī)組傳動(dòng)克服了古老 刨床機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以調(diào)速的問(wèn)題，系統(tǒng)可靠性和調(diào)速性能均相對(duì)提高了一 些。但 K-F-D 系統(tǒng)存在的最大缺陷是能耗較高、效率低，系統(tǒng)的慣性不僅受直 流電動(dòng)機(jī)的影響還受到直流發(fā)電機(jī)和電磁擴(kuò)大機(jī)的電磁慣性的影響，所以系統(tǒng) 慣性大，過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)，換向沖擊也大。 到了 20 世紀(jì) 80 年代，出現(xiàn)了少數(shù)可控硅-開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)改造的調(diào)速 系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 SCR-D 系統(tǒng)） 。SCR-D 系統(tǒng)可省掉擴(kuò)大機(jī)組和發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了系 統(tǒng)能耗小、效率高的要求，且可控硅基本上不存在慣性環(huán)節(jié)，故系統(tǒng)反應(yīng)速度 快，電磁慣性小，工作臺(tái)換向時(shí)平穩(wěn)、迅速、沖擊小。但 SCR-D 系統(tǒng)線路復(fù)雜、 可靠性較差，因?yàn)榭煽毓柽^(guò)載能力小，在過(guò)壓、過(guò)流、或電流、電壓上升率太 大的情況下容易損壞，且觸發(fā)部分用的半導(dǎo)體元件其特性易受溫度影響，故受 外界干擾時(shí)容易產(chǎn)生故障；同時(shí) SCR-D 系統(tǒng)調(diào)速范圍較窄且在低速時(shí)靜差度大， 因而 SCR-D 調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用并不廣泛。 近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，以及控制領(lǐng)域的數(shù) 字化進(jìn)程加快，全數(shù)字式直流調(diào)速技術(shù)也不斷地完善，因此應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。 但是由于全數(shù)字式調(diào)速系統(tǒng)價(jià)格較貴，且設(shè)備基本是通過(guò)國(guó)外進(jìn)口，對(duì)維修和 操作人員的要求較高，所以不宜實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)以變頻器為調(diào)速單元的交流調(diào)速 系統(tǒng)已日臻完善，因此采用變頻器對(duì)老式龍門刨床的 K-F-D 機(jī)組進(jìn)行改造，將 原來(lái)的直流調(diào)速系統(tǒng)改造成交流調(diào)速系統(tǒng)的方案也越來(lái)越流行。該方案是基于 第一章 緒 論 - 3 - 交流變頻無(wú)級(jí)調(diào)速的方案，具有控制線路簡(jiǎn)單，調(diào)速平滑性好，調(diào)速范圍較大， 穩(wěn)定性高，節(jié)能效果好等優(yōu)點(diǎn)，完全能夠滿足刨削加工的要求。 龍門包床技術(shù)自從用變頻器改造以來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行工作穩(wěn)定，工作臺(tái)的低速、 高速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，能可靠的制動(dòng)，完全滿足生產(chǎn)使用要求，用 PLC 可編程控制器 代替了原來(lái)的繼電器邏輯控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化，故障率降低，可靠性 增加，效果很好，由于去掉了擴(kuò)大機(jī)組，其節(jié)能效果顯著，根據(jù)一年多的使用 統(tǒng)計(jì)，在電量節(jié)省方面也有突出效果。 1.2.2 龍門刨床電氣控制的發(fā)展趨勢(shì) 隨著科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，控制技術(shù)也漸漸進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代， 直流拖動(dòng)的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯露出來(lái)。由于換向器的存在，直流電機(jī)的維護(hù)量加 大，單機(jī)容量、最高轉(zhuǎn)速以及使用環(huán)境都受到限制。人們開(kāi)始轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉的異步電動(dòng)機(jī)。但異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能難以 滿足生產(chǎn)的需要。人們開(kāi)始致力于交流調(diào)速技術(shù)的研究，雖然進(jìn)展緩慢。在相 當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，電氣傳動(dòng)領(lǐng)域還是主要采用直流調(diào)速。直到 20 世紀(jì) 60 年代以 后，特別是 70 年代以來(lái)，電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展， 使得交流調(diào)速性能有了很大的提高。目前，交流調(diào)速已經(jīng)逐步代替直流調(diào)速。 變頻器技術(shù)的另外一個(gè)層面是應(yīng)用技術(shù)。多年來(lái)，國(guó)家經(jīng)貿(mào)委一直會(huì)同國(guó) 家有關(guān)部門致力于變頻器技術(shù)的開(kāi)發(fā)及推廣應(yīng)用，在技術(shù)開(kāi)發(fā)及技術(shù)改造方面 給予了重點(diǎn)扶持，組織了變頻調(diào)速技術(shù)的評(píng)測(cè)推薦工作，并把推廣應(yīng)用變頻調(diào) 速技術(shù)作為風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能技改專項(xiàng)的重點(diǎn)投資方向，同時(shí)鼓勵(lì)單位開(kāi)展同貸 同還方式，抓開(kāi)發(fā)、抓示范工程、抓推廣應(yīng)用，還處理了風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能中心， 開(kāi)展信息咨詢和培訓(xùn)。近年來(lái)，變頻器在功能上，利用先進(jìn)的控制理論，開(kāi)發(fā) 出了諸如卷取、提升、主從等控制功能，使應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成更加方便和容易， 使變頻器的應(yīng)用技術(shù)提高到一個(gè)新的水平。 1.3 課題的設(shè)計(jì)參數(shù)及主要內(nèi)容 1）工作臺(tái)長(zhǎng) 8 米，寬 1.6 米； 2）工作臺(tái)最大拉力：60kN（相應(yīng)的最高速度 40 米分） ； 第一章 緒 論 - 4 - 3）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率：0.7； 4）調(diào)速范圍（機(jī)械變速比 2：1；電氣調(diào)速范圍 10：1）： 20D 高速 440 米分； 低速 220 米分。 5) 工件長(zhǎng) 7m，寬 1m 6） 刀架進(jìn)給量范圍 垂直刀架：垂直方向?yàn)?0.225mm/次;水平方向?yàn)?0.450mm/次。側(cè)刀架： 垂直方向?yàn)?0.450mm/次。 1、闡明龍門刨床的工藝特點(diǎn)、工藝要求及其結(jié)構(gòu)。 2、根據(jù)龍門刨床的工藝要求，選擇合理的 PLC 型號(hào)。 3、根據(jù)龍門刨床工作臺(tái)的行程要求選擇合適的行程傳感器型號(hào)。 4、由 PLC 根據(jù)龍門刨床的工藝要求，實(shí)現(xiàn)各種邏輯關(guān)系，控制龍門刨床 工作臺(tái)的運(yùn)行，滿足生產(chǎn)的需要。設(shè)計(jì)電氣控制梯形圖并編寫相應(yīng)的程序。 5、設(shè)計(jì)刀架、橫梁、抬刀控制電路梯形圖并編寫相應(yīng)的程序。 6、繪制主程序流程圖和各子程序流程圖。 第一章 緒 論 - 5 - 第二章 龍門刨床 PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) -6- 第二章 龍門刨床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 2.1 現(xiàn)有龍門刨床控制存在的問(wèn)題 從速度運(yùn)行圖(圖 2-3)可以看出，龍門刨床的工作過(guò)程中對(duì)起動(dòng)、制動(dòng)性能 要求很高，由于工作臺(tái)具有換向快，正反向起動(dòng)、制動(dòng)頻繁的特點(diǎn)，而且刨床 大部分時(shí)間是工作在過(guò)渡過(guò)程中的，所以為了提高生產(chǎn)效率，必須盡量縮短換 向過(guò)渡時(shí)間。但是由于換向的時(shí)間愈短，起、制動(dòng)電流就愈大，這樣電機(jī)就愈 容易損壞，而且換向時(shí)由于速度突變就會(huì)使刨床產(chǎn)生較大的機(jī)械沖擊，這在很 大程度上對(duì)工作臺(tái)主拖動(dòng)交流電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)造成嚴(yán)重的損害，降低刨削加工 質(zhì)量。而且現(xiàn)在的龍門刨床大多數(shù)采用的是“電機(jī)擴(kuò)大機(jī)-發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)(K-F-D) 主拖動(dòng)系統(tǒng)，只有少數(shù)改進(jìn)為可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)(SCR-D 系統(tǒng))，都還存在耗 電量大、占地面積寬、投資大、用料多、噪音大、難維護(hù)等一系列缺點(diǎn)。因此， 無(wú)級(jí)調(diào)速，提高調(diào)速精度和工作效率，消除換向沖擊，保護(hù)主電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)， 并改善操作性能，成為大型龍門刨床期待解決的技術(shù)問(wèn)題。 2.2 龍門刨床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 刨床是用刨刀對(duì)加工工件的平面，溝槽或成形表面進(jìn)行刨削的機(jī)床。用刨 床刨削窄長(zhǎng)表面時(shí)具有較高的效率。龍門刨床的工作臺(tái)帶著工件通過(guò)門式框架 作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，空行程速度大于工作行程速度，橫梁上一般裝有兩個(gè)垂直刀 架，刀架滑座可在垂直面內(nèi)回轉(zhuǎn)一個(gè)角度，并可沿橫梁作橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，它也 是制造重型設(shè)備，如氣輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、大型軋鋼機(jī)、電動(dòng)機(jī)、礦山設(shè)備等不可 缺少的工作母機(jī)。應(yīng)用非常廣泛，具有多種控制要求。 龍門刨床的平面布置圖如圖 2-1 所示(立柱和龍門頂見(jiàn)圖 2-2)，其橫向布置 圖如圖 2-2 所示。 1 由圖 2-1 可知，龍門刨床主要由七部分組成： 1、床身：是一個(gè)箱形體，其上有 v 形和 u 形兩種導(dǎo)軌。 2、工作臺(tái)：又稱作刨臺(tái)，下亟有與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪相嚙合的齒條，在主拖 第二章 龍門刨床 PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) -7- 動(dòng)電機(jī)的控制下可作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 3、橫梁：平常在加工工件時(shí)必須處于靜止?fàn)顟B(tài)，只在換向和更換工件時(shí) 才移動(dòng)，以調(diào)整刀架的高度。 4、左右垂直刀架：可沿橫梁導(dǎo)軌在水平方向或沿滑板導(dǎo)軌在垂直方向作快 速移動(dòng)或自動(dòng)工作進(jìn)給。 5、左右側(cè)刀架及進(jìn)給箱：可以沿立柱導(dǎo)軌作上下快速移動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 6、立柱。 7、龍門頂。 2.3 龍門刨床的工藝特點(diǎn)及控制要求 (1)調(diào)速范圍、靜差率 為了達(dá)到調(diào)速范圍要求，采用交流電動(dòng)機(jī)變頻器調(diào)速，并加入一級(jí)機(jī)械變 速，使工作臺(tái)調(diào)速范圍達(dá)到 1：20。B2012A 龍門刨床對(duì)靜差率的要求是 s1。 對(duì)靜差度的要求實(shí)際上也就是對(duì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性硬度的要求，即要求電動(dòng)機(jī)的 機(jī)械特性越硬越好。 (2)工作臺(tái)的自動(dòng)循環(huán)運(yùn)動(dòng) 龍門刨床主要用來(lái)加工大型工件的各種平面、斜面、槽，特別是加工大型 的、狹長(zhǎng)的機(jī)械零件，如箱體，機(jī)床的床身，導(dǎo)軌等。其生產(chǎn)工藝特點(diǎn)是要求 工作臺(tái)與工件頻繁地進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。工件在工作行程內(nèi)進(jìn)行切削加工，在返回 圖 2-1 龍門刨床平面布置圖 圖 2-2 龍門刨床橫向布置圖 第二章 龍門刨床 PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) -8- 行程只做空運(yùn)轉(zhuǎn)。在切削時(shí)沒(méi)有進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，只在工作臺(tái)返回行程轉(zhuǎn)到工作行程 的期間內(nèi)刀架才位移一定的距離。因而，龍門刨床的主運(yùn)動(dòng)是工作臺(tái)和工件的 縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，輔助運(yùn)動(dòng)是刀架沿橫梁的左右移動(dòng)。龍門刨床工作臺(tái)速度運(yùn)行 圖如圖 2-3 所示。 大型的、狹長(zhǎng)的機(jī)械零件，如箱體，機(jī)床的床身，導(dǎo)軌等。其生產(chǎn)工藝特 點(diǎn)是要求工作臺(tái)與工件頻繁地進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。工件在工作行程內(nèi)進(jìn)行切削加工， 在返回行程只做空運(yùn)轉(zhuǎn)。在切削時(shí)沒(méi)有進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，只在工作臺(tái)返回行程轉(zhuǎn)到工 作行程的期間內(nèi)刀架才位移一定的距離。因而，龍門刨床的主運(yùn)動(dòng)是工作臺(tái)和 工件的縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，輔助運(yùn)動(dòng)是刀架沿橫梁的左右移動(dòng)。龍門刨床工作臺(tái)速 度運(yùn)行圖如圖 2-3 所示。 V -V t1 t2 t3 t4 t5 t6t7t8 LQ LH V1 V2 V3 圖中：LQ工作前進(jìn)行程； LH工作返回行程； V1慢速切入速度； V2快速切削速度； V3快速返回速度； 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 圖 2-3 龍門刨床工作臺(tái)速度運(yùn)行圖 第二章 龍門刨床 PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) -9- 高速穩(wěn)定工作階段； 43 tt 減速退出工作階段； 54 tt 反接制動(dòng)到后退工作階段； 65 tt 后退穩(wěn)定速度階段； 76 tt 后退減速階段； 87 tt 后退反接制動(dòng)階段。 98 tt 在主拖動(dòng)電機(jī)的控制下工作臺(tái)在工作時(shí)應(yīng)能自動(dòng)進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動(dòng)。刀具切入 工件之前慢速運(yùn)動(dòng)是為了減少刀具在切入時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械沖擊，可以延長(zhǎng)刀具的 使用壽命，稱為慢速切入。切入工件后速度增加到規(guī)定的切削速度。切出工 Q V 件之前減速是為了防止工件邊緣的崩裂，獲得理想的工件。為提高生產(chǎn)率，反 向運(yùn)動(dòng)時(shí)的空轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直接加速到高速返回速度。返回行程再反向到工作速度 H V 之前，為避免反向運(yùn)行時(shí)的超過(guò)限位位置，還必須進(jìn)行一個(gè)減速過(guò)程。 工件在加工過(guò)程中，橫梁是保持靜止的，只有在加工完一個(gè)工件，準(zhǔn)備加 工另一個(gè)工件時(shí)，根據(jù)工件的要求調(diào)整刀架，這時(shí)才需要移動(dòng)橫梁。移動(dòng)的距 離視工件尺寸而定。橫梁運(yùn)動(dòng)是指橫梁的快速運(yùn)動(dòng)。為了保證橫梁能按要求停 在設(shè)定的位置上，還應(yīng)該設(shè)有夾緊機(jī)構(gòu)。 橫梁運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下： 上升過(guò)程：按橫梁上升按鈕夾緊機(jī)構(gòu)自動(dòng)放松放松后橫梁開(kāi)始上升 上升完畢后橫梁自動(dòng)夾緊上升過(guò)程完成。 下降過(guò)程：按橫梁下降按鈕夾緊機(jī)構(gòu)自動(dòng)放松放松后橫梁下降下降 完畢后橫梁回升回升完畢橫梁自動(dòng)夾緊下降過(guò)程完成。 回升的目的是保證母絲桿和橫梁臂之間的縫隙最小，這樣橫梁能可靠地夾 緊在應(yīng)有的位置上，保證較高的精確度。 (3)設(shè)置必要的連鎖 為了保證各部件的協(xié)調(diào)動(dòng)作、安全可靠的工作，避免機(jī)床的誤動(dòng)作引起事 故，機(jī)床必須設(shè)置必要的連鎖裝置。例如，在工作臺(tái)越位時(shí)、橫梁或刀架運(yùn)動(dòng) 第二章 龍門刨床 PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) -10- 速度太快時(shí)時(shí)，連鎖功能會(huì)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)停止按鈕使工作臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)。 2.4 設(shè)計(jì)方案的確定 龍門刨床的電氣控制系統(tǒng)主要包括：工作臺(tái)的主傳動(dòng)、輔助機(jī)構(gòu)的邏輯控 制。龍門刨床主要采用的主傳動(dòng)系統(tǒng)可以概括為四類：電機(jī)擴(kuò)大機(jī)-發(fā)電機(jī)-電 動(dòng)機(jī)(K-F-D 調(diào)速系統(tǒng))、直流可控硅調(diào)速系統(tǒng)（SCR-D 系統(tǒng)） 、全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng) 和交流變頻器調(diào)速系統(tǒng)。控制系統(tǒng)主要分為繼電器邏輯控制系統(tǒng)和繼電器與 PLC 結(jié)合的控制系統(tǒng)。 由于前兩種調(diào)速方式存在諸多弊端，無(wú)法滿足當(dāng)前龍門刨床的工藝需求， 所以目前，改造龍門刨床的主拖動(dòng)部分通常用兩種方法：一是采用全數(shù)字直流 調(diào)速系統(tǒng)，二是采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。控制部分選擇 PLC。由于全數(shù)字直流 調(diào)速系統(tǒng)大多是國(guó)外的成套設(shè)備，運(yùn)行參數(shù)用英文顯示的，所以對(duì)設(shè)備操作及 維護(hù)人員的整體素質(zhì)要求較高。而且，操作人員消化和掌握系統(tǒng)的性能也需花 費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。 上世紀(jì) 50 年代末，電氣傳動(dòng)領(lǐng)域發(fā)生了一場(chǎng)重要的技術(shù)改革：交流電動(dòng)機(jī) 開(kāi)始用于速度控制，本來(lái)只用于恒速傳動(dòng)。慢慢替代了昂貴、復(fù)雜、維護(hù)不便 的直流電動(dòng)機(jī)。變頻器具有驅(qū)動(dòng)效率高，控制性能好的特點(diǎn)，所以它漸漸被廣 泛應(yīng)用到交流電動(dòng)機(jī)的速度控制中。變頻器調(diào)速和 PLC 控制龍門刨床的改造能 夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械特性好、調(diào)速范圍寬、節(jié)能效果顯著的工藝要求。另外，變頻器還 有故障代碼顯示的功能，為排除故障提供了大量信息，大大縮短了排除故障的 時(shí)間，這是該系統(tǒng)的另一優(yōu)點(diǎn)。所以，本課題采用變頻器調(diào)速、PLC 對(duì)龍門刨 床進(jìn)行控制。 在低速運(yùn)行狀態(tài)下，希望龍門刨床的輸出轉(zhuǎn)矩恒定，負(fù)載具有恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)。 在高速運(yùn)行時(shí)，希望龍門刨床的輸出功率恒定，負(fù)載具有恒功率性質(zhì)。為了滿 足技術(shù)要求，龍門刨床采用機(jī)電聯(lián)合調(diào)速方案，采用機(jī)械傳動(dòng)比為 2：1 的齒 輪變速與變頻器調(diào)速配合。其中，齒輪調(diào)速具有恒功率調(diào)速特性。工作臺(tái)換向 制動(dòng)采用能量回饋裝置，制動(dòng)速度快，能量又回饋給電網(wǎng)，還可以降低主拖動(dòng) 電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)功率。 第二章 龍門刨床 PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) -11- 根據(jù)當(dāng)前電氣控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和龍門刨床的實(shí)際狀況，提出如圖 2-4 所示的電氣控制技術(shù)改造原理框圖。 在改造方案中，保留了原來(lái)的按鈕分布，為了使原來(lái)操作人員操作起來(lái)更 為方便，運(yùn)用按鈕可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的大部分操作。PLC 控制系統(tǒng)接收到操作指令， 然后對(duì)這些指令進(jìn)行處理，來(lái)控制相應(yīng)的設(shè)備。PLC 將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)傳 送給按鈕站，然后指示燈顯示相應(yīng)的信息。 PLC 主要用于開(kāi)關(guān)量邏輯和變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速的方向和大小的控制。按鈕站的 按鈕、外部行程開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)和操作手柄通過(guò) PLC，對(duì)橫梁升降、橫梁夾緊、 風(fēng)機(jī)、油泵、右側(cè)刀架、左側(cè)刀架、垂直刀架的電動(dòng)機(jī)以及后退行程抬刀電磁 鐵線圈進(jìn)行控制。 圖 2-4 B2012A 龍門刨床電氣控制改造原理框圖 第三章 基于變頻器的龍門刨床系統(tǒng) -12- 第三章 龍門刨床 PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)邏輯控制程序設(shè)計(jì)的主要組成 根據(jù)總體方案的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)電氣控制主要包括 PLC 控制、變頻器控制和電 機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)控制三部分。本系統(tǒng)龍門刨床的運(yùn)動(dòng)控制程序主要包括工作臺(tái) 的點(diǎn)動(dòng)和自動(dòng)循環(huán)邏輯控制，左、右刀架和垂直刀架的運(yùn)動(dòng)控制，橫梁的升降 邏輯控制，以及設(shè)備如：油泵、風(fēng)機(jī)、拖動(dòng)電機(jī)和變頻器的控制等，系統(tǒng)控制 面板圖如圖 3-1 所示。 3.2 電力拖動(dòng)系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì) 進(jìn)行電氣改造時(shí)主回路基本不變，只是將主拖動(dòng)電機(jī)由直流電動(dòng)機(jī)換為交 流變頻電機(jī)。一般空氣開(kāi)關(guān) 1，4，5處于閉合狀態(tài)，設(shè)備運(yùn)行時(shí)合ZKZKZK 上總空氣開(kāi)關(guān)，不工作時(shí)斷開(kāi)。ZK 圖 3-2 是控制龍門刨床的各電動(dòng)機(jī)的主回路電氣控制電路圖。主拖動(dòng)機(jī) 是交流變頻電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為 AKvf-8，功率為 55，額定轉(zhuǎn)速M(fèi)KW 圖 3-1 系統(tǒng)控制面板圖 油泵風(fēng) 機(jī)運(yùn)行 變頻器 運(yùn)行 故障 橫梁 上升 橫梁 下降 電源 工作臺(tái) 步退 右側(cè)刀 架運(yùn)行 垂直刀 架運(yùn)行 左側(cè)刀 架運(yùn)行 工作臺(tái)自 動(dòng)運(yùn)行 變頻器運(yùn)行橫梁運(yùn)行油泵運(yùn)行風(fēng)機(jī)運(yùn)行工作臺(tái)運(yùn)行 工作臺(tái) 急停 工作臺(tái) 步進(jìn) 第三章 基于變頻器的龍門刨床系統(tǒng) -13- 750。1、4、5的型號(hào)為,電流整定值 20?？諝忾_(kāi)min/rZKZKZK3/25DZA 關(guān)的型號(hào)為，整定電流為 200；是橫梁加緊電機(jī)主回路ZK3/250DZAJLJ 的電流繼電器，電流整流值 2.5。風(fēng)機(jī)是變頻電機(jī)自帶，作用在交頻狀態(tài)AFB 下的低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的冷卻和降溫。 主接觸器控制回路電路圖如圖 3-3 所示。變壓器 1將電壓轉(zhuǎn)換KBACV380 為和。控制回路電源為，信號(hào)的指示燈電源是。ACV110ACV3 . 6V110V3 . 6 主接觸器用來(lái)控制變頻器的電源，線圈在油泵和風(fēng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)行后動(dòng)作。QC 電磁鐵線圈的抬刀控制電路圖如圖 3-4 所示。接觸器的線圈由 PLC 控TD 制。當(dāng)?shù)闹鹘佑|點(diǎn)閉合時(shí)，二極管整流橋?qū)?20V 電壓變?yōu)?200V TD 2BZAC 直流電壓，這就是電磁鐵線圈的電壓。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) 1、2分別控制左、右HKHK 兩側(cè)垂直刀架，3、4分別控制左、右兩側(cè)刀架。當(dāng)某個(gè)刀架需要?jiǎng)幼鱄KHK 時(shí)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)就被置于閉合狀態(tài)。電磁鐵的電流為 1A，因此，變壓器 2 選型為。BKVABK1000 圖 3-2 電力拖動(dòng)系統(tǒng)主回路電路圖 第三章 基于變頻器的龍門刨床系統(tǒng) -14- 3.3 PLC的選型與外部接線圖 3.3.1 PLC 概述 可編程邏輯控器(Programmable Logic Controller)的簡(jiǎn)稱為 PLC，第一臺(tái) PLC 是 1969 年在美國(guó)面世的。最早的 PLC 只能進(jìn)行一些開(kāi)關(guān)量的邏輯控制， 可編程邏輯控制器就是因此而得名的。但是近幾年來(lái)，大型成電路技術(shù)、電力 電子技術(shù)、微電子技術(shù)及通信技術(shù)都在 PLC 上得到充分應(yīng)用。PLC 采用微處理 器（即 CPU）作為中央處理單元，可以進(jìn)行邏輯控制、算術(shù)運(yùn)算、模擬量處理 甚至網(wǎng)絡(luò)通信等。經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)的發(fā)展，PLC 己經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛、最重要、 最可靠的工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)（或 PC 機(jī)） ，依然稱其為 PLC 是為與個(gè)人計(jì)算 機(jī)區(qū)別開(kāi)來(lái)。 從外型看 PLC 的結(jié)構(gòu)主要由輸入、輸出端子、電源端子、接地端子以及各 圖 3-3 主接觸器控制回路圖 圖 3-4 抬刀線圈電路圖 第三章 基于變頻器的龍門刨床系統(tǒng) -15- 部分的 LED 指示燈組成；從內(nèi)部看 PLC 可區(qū)分為六個(gè)部分即：輸入、輸出、 存儲(chǔ)器、CPU、電源及操作顯示部分。其工作過(guò)程大致上可分為輸入處理、程 序處理、輸出處理三大部分。 現(xiàn)在的 PLC 具備許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，能較好的解決工業(yè)控制領(lǐng)域普遍關(guān)心的 可靠、抗干擾、安全、靈活、方便及經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題，所以得到了迅速發(fā)展。其特 點(diǎn)為：1）可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)；2）編程簡(jiǎn)單、使用方便；3）功能齊全、 通用性強(qiáng)、靈活性好；4）設(shè)計(jì)、安裝容易，維護(hù)工作量??；5）體積小、耗能 低，便于機(jī)電一體化；6）聯(lián)網(wǎng)方便，便于系統(tǒng)集成，性價(jià)比高。PLC 網(wǎng)絡(luò)與 其他工業(yè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)相比，具有更高的性價(jià)比，這是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。 3.3.2 PLC 的選型 綜合考慮工藝要求與 PLC 性能，選擇 PLC 的基本型號(hào)為 S7-200 系列的 CPU224。S7-200 系列 CUP 是德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的一種小型 PLC，其許多功 能達(dá)到大、中型 PLC 的水平，而價(jià)格卻和小型 PLC 一樣，因此，它已成為小 型 PLC 市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。 S7-200 系列的 CPU224 的基本單元（即 CPU 模塊）本機(jī)數(shù)字量的輸入和 輸出點(diǎn)數(shù)分別是：14 和 10；模擬量的輸入和輸出點(diǎn)數(shù)分別是：2 和 1；可待擴(kuò) 展模塊數(shù)都為 7 個(gè)。擴(kuò)展單元的數(shù)字量 I/O 擴(kuò)展模塊選擇的型號(hào)為 EM223，模 擬量 I/O 擴(kuò)展模塊的型號(hào)和規(guī)格選擇 EM235。因?yàn)樗鼈兌际禽斎肱c輸出量的混 合模塊。另外，還有定位擴(kuò)展模塊 EM253，SIWAREX MS 稱重模塊，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò) 展模塊：PROFIBUS-DP 總線連接模塊 EM277、調(diào)制解調(diào)模塊 EM241、工業(yè)以 太網(wǎng)連接模塊、遠(yuǎn)程 I/O 連接模塊 CP234-2、SINAUT MD720-3。 CPU224 基本指令執(zhí)行時(shí)間每條 0.22s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)多種大型 PLC。用戶存 儲(chǔ)器容量可擴(kuò)展到 8K 步，最大可擴(kuò)展到 168 個(gè)點(diǎn)。電源電壓有兩種情況：一 種是 DC 24V 電源，DC 24V 輸入、DC 24V 晶體管輸出；另一種是 AC120240V 電源，DC24V 輸入、繼電器輸出。ON 狀態(tài)下輸入電流額定值為 7mA。確保輸入啟動(dòng)的最小電流為 4mA。確保 OFF 狀態(tài)的最大輸入電流為 1mA。輸入電流可由外部電源提供，也可由 PLC 自身的 24V DC 電源（直流輸 入型）提供。PLC 的內(nèi)部電源還可作為外部傳感器的工作電源。 第三章 基于變頻器的龍門刨床系統(tǒng) -16- 3.3.3 PLC 的外部接線圖 圖 3-5 為 PLC 的外部接線圖。輸入部分可分為外部工作環(huán)境和運(yùn)動(dòng)過(guò)程。 圖 3-5 PLC 外部接線圖 第三章 基于變頻器的龍門刨床系統(tǒng) -17- 運(yùn)動(dòng)過(guò)程包括主運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)。主運(yùn)動(dòng)指交流電動(dòng)機(jī)直接拖動(dòng)龍門刨床 的工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。輔助運(yùn)動(dòng)指的是刀架的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，橫梁的加緊放松、上下移動(dòng) 和刀架的快速移動(dòng)、抬刀。油壓繼電器 (I2.5)、變頻器提供的“變頻器正常YLK 運(yùn)行”信號(hào)（I2.7） 、油泵風(fēng)機(jī)控制輸入端（I2.6） 、油泵熱繼電器（Q0.5） 、FIR 風(fēng)機(jī)熱繼電器（Q0.6） 、電機(jī)熱繼電器（Q0.4） 、故障復(fù)位按鈕2FR3FR （Q2.6）組成外部環(huán)境部分。限位開(kāi)關(guān) I0.2、I0.3，行程開(kāi)關(guān) I0.5I1.0 和按鈕 I0.0、I0.1、I1.1、I1.2 配合，完成工作臺(tái)的手動(dòng)和自動(dòng)循環(huán)過(guò)程。限位開(kāi)關(guān) I2.0、I2.1，快速移動(dòng)按鈕 I2.2、I2.3、I2.4 組合完成刀架快速運(yùn)動(dòng)、自動(dòng)進(jìn)刀和 退刀等控制運(yùn)動(dòng)。限位開(kāi)關(guān) I1.7，快速運(yùn)動(dòng)按鈕 I1.3I1.6 共同完成橫梁的控 制運(yùn)動(dòng)。 在梯形圖中，只對(duì)控制拖動(dòng)電機(jī)正傳和反轉(zhuǎn)的輸出繼電器的進(jìn)行互鎖，原 則上只能保證與他們?cè)?PLC 輸出模塊中相對(duì)應(yīng)的硬件繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)不會(huì)同 時(shí)閉合接通。但是，主觸點(diǎn)電弧熔焊的出現(xiàn)，采用元件互鎖措施來(lái)避免故障的 發(fā)生是非常必要的。 PLC 的 Q2.4 和 Q2.5 給變頻器提供正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)指令，Q2.73.3 給變頻器提 供速度切換指令與點(diǎn)動(dòng)指令。變頻器的輸出端子 Y1 和 Y2 輸出“變頻器故障”和 “變頻器運(yùn)行”信號(hào)。Q2.6 是變頻器出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)出故障封鎖指令。 變頻器有兩個(gè)模擬信號(hào)輸入端（AI1 和 AI2） ，用它們來(lái)輸入工作臺(tái)前進(jìn)和 后退的速度給定值。操作者可通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)改變工作臺(tái)的前進(jìn)和后退轉(zhuǎn)速。 工作臺(tái)自動(dòng)循環(huán)的 3 個(gè)不同的速度采用與之多段速度控制，只需在 PLC 增加 3 個(gè)輸出控制端接至變頻器的多功能輸入端 X2X4，通過(guò)變頻器參數(shù)設(shè)定滿足 工作要求。PLC 輸入、輸出列表見(jiàn)表 3-1。 表 3-1 PLC 輸入、輸出端子列表 輸入端子輸入端子輸出端子輸出端子 I0.0手動(dòng)按鈕I2.2垂直刀架點(diǎn) 動(dòng) Q0.0自動(dòng)運(yùn)行指 示燈 Q2.2右側(cè)刀架點(diǎn) 動(dòng) I0.1自動(dòng)按鈕I2.3左側(cè)刀架點(diǎn) 動(dòng) Q0.1橫梁運(yùn)行指 示燈 Q2.3左側(cè)刀架點(diǎn) 動(dòng) I0.2前進(jìn)終端限 位 I2.4右側(cè)刀架限 位 Q0.2油泵運(yùn)行指 示燈 Q2.4報(bào)警 第三章 基于變頻器的龍門刨床系統(tǒng) -18- I0.3后退終端限 位 I2.5油泵壓力正 常 Q0.3變頻器運(yùn)行 指示燈 Q2.5工作臺(tái)前進(jìn) I0.4總停I2.6油泵/風(fēng)機(jī)控 制 Q0.4風(fēng)機(jī)運(yùn)行指 示燈 Q2.6工作臺(tái)后退 I0.5工作臺(tái)前進(jìn)I2.7變頻器運(yùn)行Q0.5風(fēng)機(jī)運(yùn)行Q2.7故障復(fù)位 I0.6前進(jìn)換向I3.0變頻器故障Q0.6油泵運(yùn)行Q3.0速度指令 1 I0.7工作臺(tái)后退I3.1油泵過(guò)載Q0.7橫梁上升Q3.1速度指令 2 I1.0后退換向I3.2風(fēng)機(jī)過(guò)載Q1.0橫梁下降Q3.2速度指令 3 I1.1工作臺(tái)點(diǎn)動(dòng)I3.3電機(jī)過(guò)載Q1.1橫梁夾緊Q3.3工作臺(tái)點(diǎn)動(dòng) I1.2工作臺(tái)停車I3.4過(guò)流Q1.2橫梁松開(kāi)Q3.4刀架進(jìn)刀 I1.3橫梁上升I3.5工作臺(tái)點(diǎn)動(dòng) 前進(jìn) Q1.3垂直刀架進(jìn) 到 Q3.5刀架退刀 I1.4橫梁下降I3.6工作臺(tái)點(diǎn)動(dòng) 后退 Q1.4垂直刀架退 刀 I1.5橫梁夾緊I3.7垂直刀架手 柄 Q1.5右側(cè)刀架進(jìn) 刀 I1.6橫梁放松I4.0左側(cè)刀架手 柄 Q1.6右側(cè)刀架退 到 I1.7橫梁上升限 位 I4.1右側(cè)刀架手 柄 Q1.7左側(cè)刀架進(jìn) 刀 I2.0左側(cè)刀架限 位 I4.2 故障復(fù)位Q2.0左側(cè)刀架退 刀 I2.1右側(cè)刀架限 位 Q2.1垂直刀架點(diǎn) 動(dòng) 3.4 變頻裝置的選型與硬件配置 3.4.1 電機(jī)的選型 根據(jù)工藝要求，龍門刨床的主拖動(dòng)在采用變頻器調(diào)速后，電機(jī)的容量為 43KW，為留有余地，選擇 AKvf-8 型異步電動(dòng)機(jī)，主要參數(shù)為：，kwPmN55 ，最大電流為，其工作頻率范圍為：0100的無(wú)級(jí)調(diào)mNTmN.7 .700A118Hz 速，050為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，50100是恒功率調(diào)速。在變頻電動(dòng)機(jī)上配置HzHz 了一個(gè)風(fēng)機(jī)，用于低速工作時(shí)散熱，變頻電動(dòng)機(jī)工作時(shí)風(fēng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)。龍 門刨床的主電動(dòng)機(jī)在工作臺(tái)前進(jìn)（切削工件）時(shí)的最大轉(zhuǎn)速約為 500，min/r 工作臺(tái)后退時(shí)的最大轉(zhuǎn)速約為 700。55的 8 極變頻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩能min/rKW 夠滿足調(diào)速范圍要求。 第三章 基于變頻器的龍門刨床系統(tǒng) -19- 其他電機(jī)選用異步電動(dòng)機(jī)，功率為 1.5，380，3.7，刀架490LYKWVA 電機(jī)轉(zhuǎn)速為 1400，其他 750。min/rmin/r 3.4.2 變頻器選型 通過(guò)對(duì)各個(gè)多方面的對(duì)比研究，選用美國(guó) EMERSON 公司的 TD3000 系列 變頻器。TD3000 系列變頻器有以下控制方式： （1）無(wú) PG（脈沖編碼器）矢量控制； （2）帶 PG 矢量控制； （3）無(wú) PG V/F 控制； （4）帶 PG V/F 控制。 V/F 指電圧與頻率比，變頻器一般用 PG 作為速度反饋裝置，來(lái)實(shí)現(xiàn)速度 閉環(huán)控制，其效果要比測(cè)速發(fā)電機(jī)好得多，并且價(jià)格合適，安裝方便，測(cè)量精 度完全能夠滿足要求。 ，可以像矢量控制分別獨(dú)立控制磁場(chǎng)電流與力矩電流， 可以像直流電機(jī)調(diào)速一樣，對(duì)電磁力矩進(jìn)行控制。表 3-1 是各種控制方式的性 能比較。對(duì)于調(diào)速范圍要求不高的住拖動(dòng)系統(tǒng)，可以選擇無(wú) PG 的開(kāi)環(huán)控制。 對(duì)調(diào)速范圍要求寬的系統(tǒng)選用速度閉環(huán)控制。 帶 PG 矢量控制方式的調(diào)速范圍寬廣，速度控制的精度高，可以用于各種 伺服驅(qū)動(dòng)、高精度速度控制和力矩控制。但是帶有 PG 矢量控制功能的變頻器 的價(jià)格相當(dāng)高，為減少改造成本，選用帶 的控制方式調(diào)速范圍為GPFV / 1:40，速度控制精度可以達(dá)到0.05，完全能夠滿足系統(tǒng)調(diào)速要求。 表 3-2 變頻器各種控制方式的性能 矢量控制V/F 控制 無(wú) PG帶 PG無(wú) PG帶 PG 速度控制范圍1：100 1:10001:401:40 速度控制精度0.50.5230.07 啟動(dòng)力矩1時(shí) 150Hz0時(shí) 150min/r3時(shí) 150Hz 如果用 PLC 的 PID 調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)調(diào)速控制，需要模擬量輸入模塊 第三章 基于變頻器的龍門刨床系統(tǒng) -20- 和模擬量輸出模塊來(lái)進(jìn)行數(shù)字量與模擬量之間的轉(zhuǎn)換，硬件成本較高，程序設(shè) 計(jì)復(fù)雜。因此選擇用 PG 作為反饋原件，用變頻器內(nèi)部的 PID 控制器實(shí)現(xiàn)速度 閉環(huán)控制。 變頻器、PG（脈沖發(fā)生器） 、PG 卡和變頻電機(jī)構(gòu)成了速度閉環(huán)控制系統(tǒng)， 由于變頻器內(nèi)部自帶電流閉環(huán)系統(tǒng)，因此主拖動(dòng)是電流和速度雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 3.4.3 變頻器接口電路設(shè)計(jì)與參數(shù)設(shè)置 變頻器接口電路如圖 3-6 所示。變頻器的輸入端和分別用于控FWDREV 制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)運(yùn)行和反轉(zhuǎn)運(yùn)行，和均為 OFF 時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。FWDREV 圖 3-6 變頻器接口電路 第三章 基于變頻器的龍門刨床系統(tǒng) -21- TD3000 系列變頻器的頻率設(shè)置方式有以下 6 種： （1）用數(shù)字式操作器輸入頻率指令； （2）用 010的電壓輸入頻率指令；V （3）用 010的電壓輸入頻率指令，負(fù)電壓時(shí)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)；V （4）用 520的電流輸入頻率指令；mA （5）用變頻器的 4 個(gè)輸入點(diǎn)切換 9 種頻率指令； （6）用脈沖序列輸入頻率指令。 本系統(tǒng)采用模擬量頻率指令輸入端 AI1 和 AI2 來(lái)輸入工作臺(tái)前進(jìn)和后退的 頻率指令，頻率值由操作人員調(diào)節(jié)電位器來(lái)設(shè)定，另外 3 種頻率由 F2.24F2.27 預(yù)先進(jìn)行設(shè)定。Q2.5 和 Q2.6 控制變頻器正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，即工作臺(tái) 的前進(jìn)和后退。 變頻器的 X2、X3 和 X4 端子由 Q3.1、Q3.2 和 Q3.3 控制，三個(gè)不同端子 代表不同的頻率指令，Q3.3 控制工作臺(tái)點(diǎn)動(dòng)。電位器和用來(lái)調(diào)節(jié)工作 1RP2RP 臺(tái)的前進(jìn)和后退速度大小。Y1 和 Y2 給 PLC 提供“變頻器運(yùn)行”和“變頻器故障” 信號(hào)。需要用變頻器的參數(shù)來(lái)設(shè)置這兩個(gè)端子的功能。變頻器接口電路圖如圖 3-6 所示。 變頻器設(shè)置了兩套制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻單元，可以避免變頻電機(jī)速度快速 下降時(shí)，變頻器產(chǎn)生過(guò)流而出現(xiàn)的故障，還可以讓變頻器速度在短時(shí)間內(nèi)很快 降到零，節(jié)約電機(jī)的換向時(shí)間。 TD3000 系列變頻器共有 8 個(gè)多功能開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)端子 X1X8。設(shè)置 F5.01=6/7，X1 端子的功能為故障復(fù)位。設(shè)定參數(shù) F5.02=1，X2 端子為速度指令 1；F5.03=2，X3 端子為速度指令 2；F5.04=3，X4 端子為速度 指令 3；F5.09=0，表示變頻器準(zhǔn)備就緒；F5.10=10，表示變頻器有故障。 表 3-3 中的數(shù)據(jù)是根據(jù)改造要求確定的。龍門刨床要求除切削速度和返回 第三章 基于變頻器的龍門刨床系統(tǒng) -22- 速度外，適當(dāng)提高各輔助階段的速度盡量縮短輔助運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，根據(jù)實(shí)際情況 調(diào)節(jié)慢速切入、切出速度。 表 3-3 速度設(shè)定范圍 頻率指令符號(hào)階段同步轉(zhuǎn)速（r/min）頻率 1T1 慢速切入 1509.99 2T2 前進(jìn)35050023.3333.33 3T3 慢速切出 1509.99 4T4 后退6007004046.67 5T5 減速后退 1509.99 6T6 點(diǎn)動(dòng)頻率 25016.66 3.4.4 編碼器與 PG 速度卡選型 圖 3-7 為變頻器調(diào)速系統(tǒng)的接線圖。在選擇編碼器 PG 的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)時(shí)， 要求電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速時(shí)編碼器輸出的脈沖是 20kHz，即 最高頻率輸出時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速/60*PG 每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)=20kHz ； PG 每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)=1600 個(gè)脈沖/轉(zhuǎn)； 圖 3-7 變頻器調(diào)速系統(tǒng) 第三章 基于變頻器的龍門刨床系統(tǒng) -23- 因此，選雙通道增量式編碼器的型號(hào)為，每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為116003BGGZSP 1600，雙通道增量式編碼器又稱兩相（A 相、B 相）型編碼器，內(nèi)部有兩對(duì)光 電耦合器，能輸出相位差為 90 度的兩組獨(dú)立脈沖序列，旋轉(zhuǎn)的方向能夠被 A 相和 B 相的編碼器識(shí)別出。需要增加測(cè)量精度時(shí)可以采用 4 倍頻方式，即將 A 相、B 相波型的上升沿和下降沿分別進(jìn)行微分，得到四倍的輸出脈沖，分辨率 可提高四倍。選擇變頻器的 PG 卡型號(hào)為，裝在變頻器內(nèi)部，用于反2BPG 饋速度的檢測(cè)。 3.5 傳感器的選型 傳感器的選用原則： （1）總體來(lái)說(shuō)，傳感器的類型由測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境決定； （2）靈敏度的選擇：原則上靈敏度越高越好，但應(yīng)該適度，過(guò)高會(huì)影響精 確度。傳感器的靈敏度是具有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單向量，而且對(duì)其方向性 要求較高時(shí)，應(yīng)選擇在其它方向上靈敏度小的傳感器；如果被測(cè)量是多維向量， 則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 （3）頻率響應(yīng)特性：傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，測(cè) 量條件是必須保證在測(cè)量頻率范圍內(nèi)保持信號(hào)不失真，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總 會(huì)有定延遲，但延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率 范圍就寬。 （4）線性范圍：傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論 上，靈敏度在此范圍內(nèi)保持定值。傳感器的線性范圍與其量程成正比，并且能 保證一定的測(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，保證其量程滿足要求是選擇傳感器的 種類的首要條件。 （5）穩(wěn)定性：有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，是保證傳感器穩(wěn)定性的決定因素。 在選擇傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合 適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧瑴p小環(huán)境的影響。 （6）精度：精度是傳感器的又一重要指標(biāo)。一般精度越高，傳感器價(jià)格就 會(huì)越貴，選擇時(shí)只需滿足條件即可。 第三章 基于變頻器的龍門刨床系統(tǒng) -24- 進(jìn)過(guò)反復(fù)的性能比較和對(duì)工藝要求的分析，檢測(cè)限位開(kāi)關(guān)的位置傳感器選 直線位移傳感器。通用型號(hào)為拉桿式直線位移傳感器，通用拉桿導(dǎo)電塑膠膜系 列，其有效行程為 751250，兩端均有 4緩沖行程，精度mmmmmm 0.05%0.04%FS。該傳感器的外殼表面陽(yáng)極處理，防腐蝕；內(nèi)置導(dǎo)電塑料測(cè)量 單元，無(wú)溫漂，壽命長(zhǎng)；并具有自動(dòng)電氣接地功能。密封等級(jí)為 IP67，DIN430650 標(biāo)準(zhǔn)插頭插座，可以適用在大多數(shù)通用場(chǎng)合；拉桿球頭具有 0.5自動(dòng)對(duì)中功能，允許極限運(yùn)動(dòng)速度為 10。mmsm/ 檢測(cè)工作臺(tái)運(yùn)行速度的傳感器選用光電式速度傳感器。光電式速度傳感器 是非接觸式轉(zhuǎn)速表，采用光學(xué)原理制造，測(cè)量距離一般可達(dá)到 200左右。mm 傳感器不需要與被測(cè)對(duì)象接觸，不會(huì)對(duì)測(cè)量軸形成額外的負(fù)載，因此測(cè)量誤差 小，測(cè)量精度高。此外，光電式速度傳感器還有結(jié)構(gòu)緊湊，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè) 量能力好等有點(diǎn)。 第四章 PLC 邏輯控制的設(shè)計(jì) -25- 第四章 PLC 邏輯控制程序的設(shè)計(jì) 4.1 PLC邏輯控制程序設(shè)計(jì)方法 PLC 程序設(shè)計(jì)常用的方法有： （1）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法：顧名思義就是要有經(jīng)驗(yàn)才方便運(yùn)用。它的基礎(chǔ)是一些古