PLC和变频器在龙门刨床控制系统改造中的应用 王海平 （常州铁道高等职业技术学校机械工程系 江苏 常州 213011） 摘 要：针对龙门刨床主传动系统的结构及控制特点，本文采用PLC和变频技术对传统的B2016龙门刨床控制系统进行改造。工作台的主运动及进刀机构分别采用变频器进行控制，制动系统采用能量回馈装置，全部工艺过程及相关信号由PLC进行控制。与原系统相比较，改造后的变频调速系统主传动装置容量节省了300kW，传动效率提高了一倍，调速范围增大到1:35，静差度<3%，同时还大大简化了拖动系统，减小了维护工作量，经济性和可靠性都有了很大的提高。 关键词：龙门刨床；PLC；变频器；控制系统 1 引言 龙门刨床的电气控制系统主要包括工作台的主传动和进给机构的逻辑控制两大部分。目前，国内龙门刨床主要采用的主传动系统有三种：一种是50年代的电机扩大机—发电机—电动机组（A—G—M）系统，第二种70年代改型的晶闸管—电动机2组（V—M）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。80年代后随着变频技术的高速发展和可编程控制器(PLC)的不断更新，为龙门刨床提供了一种更好的[1]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。 本文结合变频技术和PLC控制，对传统的B2016龙门刨床控制系统进行改造，有很好的应用价值。 74631354122 龙门刨床的基本结构 2.1 龙门刨床的基本结构 龙门刨床主要由七部分组成，如图1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2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。 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 图1 龙门刨床的基本结构 2.2 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。图2是刨床的往复周期运行图。 v34vJ0t1t2t3vQtLQt4t5t6vHLHt7t8t9L-v 图2 刨床往复周期运行图 其中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表1。 表1 龙门刨床工作情况 时间 运行阶段 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 5t4～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 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。 3 系统改造 3.1 原拖动系统概况 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，如图3所示。 M22kWM2～M1～M55kW70kW60kW+K－G－MG1M3－ 图3 龙门刨床主拖动G－M系统图 系统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。 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。 F,PPm3PFmm2Pm10v11v2v3/2v3v 图4 龙门刨床主拖动调速系统的调速特性 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B2016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。 3.2 改造方案 基于以上分析，我们采用PLC和变频器对其进行改造。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的变频器控制铣刀头，作为附加组件。系统原理图如图5所示。 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[2，3]。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。为了提高加工精度，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。如图6所示。 vf(Hz)5045r/min25r/min500T 图6 变频调速的机械特性 4 控制系统设计 控制部分采用PLC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。 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7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。PLC2的X0～X35为操作和工艺控制的输入信号端，3DCBA输出端Y0～Y5控制横梁升降、刀架进给及铣、磨头用变频器。
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
[4]
PLC软件来实现。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。工作台控制的主程序流程图如图8所示。
5 结语
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。
参考文献
[1]兰蓉，李斌贵.变流变频调速技术在龙门刨床电气改造中的应用，机械研究与应用，2007，Vol.20,N0.1,56-58.
[2]刘小春.龙门刨床主拖动系统变频调速改造，电气开关，2004，N0.6，25-27.
[3] 刘东.龙门刨床变频调速系统的研制， 洛阳工学院学报，2000，Vol.21，N0.3，17-19.
[4]廖常初.可编程序控制器应用技术.重庆：重庆大学出版社，2007.
2323 信号显示按钮盒行程开关运行指示报警CNC接口PLC可编程控制器VEF变频器VVVF回馈装置GM主传动电动机变频器变频器变频器变频器MMMMMMMMYA铣头M1垂M2右M3左M4横M5直侧侧梁刀刀刀升架架架降M7风M8横M6油泵冷梁电电夹动动紧机机抬刀电磁铁 图5 龙门刨床变频调速系统原理图 输入侧工作台步进 5QA工作台步退 6QA工作台前进 7QA工作台后退 8QA总停 OTA前进换向 Q-HX前进减速 Q-JX后退换向 H-HX后退减速 H-JS垂直刀架按钮 9QA右侧刀架按钮 13QA左侧刀架按钮 11QA横梁上升 15QA横梁下将 16QA横梁夹紧限位 6WK横梁夹紧过流 GL横梁上升限位 3WK横梁下降限位 4WK垂直刀架重复进刀 10QA右侧刀架重复进刀 14QA左侧刀架重复进刀 12QA铣头起动 3QA铣头停止 3TA越位极限 1WKAC～220V 04B03BPLCRUNX0X1X2X3X4X5Y0Y1Y2Y3Y4T14A12T17A11A10GM1GM2光电编码盘GM3输入信号GM4输出侧VVVF1Y5COM1X6COM2X7X10Y10X11X14X17X22X23X24X25X26X27X30X31X32X33X34X35NLCOM4COM5Y11Y12Y13COM3Y20Y24Y25Y26Y27主拖动变频器VVVF2铣头控制变频器3HS 垂直刀架控制4HS－1 右侧刀架控制5HS－1 左侧刀架控制抬刀控制横梁上升横梁下降横梁夹紧横梁放松N L～220VN 04A磨头与主拖动联锁Y14 图7 PLC外部接线图 23 开机PLC运行Y系统故障？N故障处理报 警限位？NY位置调整工作状态？磨头工作横梁工作刨台工作Y磨头停止横梁停止位置正确？Y点动调整人工操作方式？自动转自动循环程序单步操作刨台停止电磁抱闸END 图8 工作台控制主程序流程图 TitleSizeBDate:File:5NumberRevision2-Aug-2005 E:\\LCW\\论文\\电基电拖\\龙门刨床.DdbSheet of Drawn By:6
