龍門刨床自動化控制畢業(yè)設計書

天津職業(yè)技術師范大學成人教育專科畢業(yè)設計龍門刨床PLC與變頻技術化改造作者： 摘 要：龍門刨床是機械工業(yè)的主要工作母機之一，在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的位置，是常見的大型機械加工設備,老式的龍門刨床的拖動系統(tǒng)是交磁放大機的調(diào)壓調(diào)磁閉環(huán)系統(tǒng)。控制元件多且煩雜，元器件型勢老化，使用中控制水平及控制精度都較落后，且控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)問題，給維修帶來相當大的困難，維修成本不斷增大。但是由于數(shù)控機床的代價太高，對中小型企業(yè)來說成本太大，所以更新一臺機床不是很容易的，因此，就對于龍門刨床的傳動特點，加工性能，和要求進行分析，在此設計一套低成本低又能有效解決以上不足之處的方案。龍門刨床的主拖動采用調(diào)速范圍寬、節(jié)能效果顯著的變頻器,用PLC(可編程序控制器)實現(xiàn)開關量邏輯控制和變頻電動機的轉速控制。這種方法易學易用,設計復雜的控制程序可以節(jié)約大量的設計時間。文章采用了PLC程序設計控制的方法,用它設計了龍門刨床工作臺的自動運行程序和橫梁升降控制程序,還介紹了控制系統(tǒng)的硬件,根據(jù)原有直流調(diào)速系統(tǒng)的實際調(diào)速范圍和負荷,選擇了變頻電動機、變頻器的型號，給出了電力拖動系統(tǒng)的主回路電路圖、PLC 和變頻器的外部接線圖。因而，本設計通過對龍門刨床的運動特點進行分析，將以B2012A為例，根據(jù)龍門刨床的控制線路，用可編程控制器和變頻器對其進行改造。關鍵詞： 龍門刨床 PLC（可編程控制器） 變頻調(diào)速Abstract : longmen planer is the mechanical industry, one of the main machine tools in industrial production, occupies an important position is common large mechanical processing equipment, old-fashioned longmen planer drag system is FangDaJi into the pressure regulating adjustable magnetic magnetic loop system. Control elements and tumultuous, components, use of potential aging control accuracy and control level are relatively backward, and control system often appear problem, to maintenance brings considerable difficulty, maintenance costs continue to increase. But because the price is too high, nc machine for small and medium-sized enterprise that cost is too big, so update a machine is not easy, therefore, it is for the driving characteristics of longmen planer, processing properties, and requirements analysis, in this design a low-cost low and could effectively solve the above shortcomings scheme. Longmen planer Lord drag adopts wide speed range and frequency converter, remarkable energy saving with PLC (programmable controller) to implement the switch quantity logic control and frequency conversion motor speed control. This method is easy to use, easy control program design complex can save a lot of design time. This paper adopts the PLC program design control methods, and use it designed the longmen planer of workbench run the program automatically control procedures, lifting and beams of the control system are introduced, according to the original hardware dc speed control system with load the actual speed range, chose frequency conversion motor, frequency converter type electric drive system, and gives the main loop of the circuit diagram, PLC and inverter external hookup. Thus, this design through the movement of longmen planer, analyzes the characteristic with B2012A as an example, according to the control circuit, longmen planer with PLC and inverter to retrofit. Keywords: longmen planer PLC (programmable controller) frequency control 一、緒論（一）龍門刨床簡介：銑床是美國人惠特尼于1818年創(chuàng)制的臥式銑床；為了銑削麻花鉆頭的螺旋槽，美國人布朗于1862年創(chuàng)制了第一臺萬能銑床，這是升降臺銑床的雛形；1884年前后又出現(xiàn)了龍門銑床；二十世紀20年代出現(xiàn)了半自動銑床，工作臺利用擋塊可完成“進給-決速”或“決速-進給”的自動轉換。圖1-1 龍門刨床龍門刨床是各類機加工廠中較為常見的設備，是具有門式框架和臥式長床身的刨床。龍門刨床主要用于刨削大型工件，也可在工作臺上裝夾多個零件同時加工。龍門刨床的工作臺帶著工件通過門式框架作直線往復運動，空行程速度大于工作行程速度。橫梁上一般裝有兩個垂直刀架，刀架滑座可在垂直面內(nèi)回轉一個角度，并可沿橫梁作橫向進給運動；刨刀可在刀架上作垂直或斜向進給運動；橫梁可在兩立柱上作上下調(diào)整。一般在兩個立柱上還安裝可沿立柱上下移動的側刀架,以擴大加工范圍工作臺回程時能機動抬刀，以免劃傷工件表面。機床工作臺的驅動可用發(fā)電機電動機組或用可控硅直流調(diào)速方式,調(diào)速范圍較大,在低速時也能獲得較大的驅動力。(二) PLC的基本概念: PLC可編程序控制器： PLC英文全稱Programmable Logic Controller，中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是:一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂葡到y(tǒng)（Programmable Logic Controller）是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產(chǎn)過程。 可編程控制器是計算機技術與自動化控制技術相結合而開發(fā)的一種適用工業(yè)環(huán)境的新型通用自動控制裝置，是作為傳統(tǒng)繼電器的替換產(chǎn)品而出現(xiàn)的。隨著微電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展，可編程控制器更多地具有了計算機的功能，不僅能實現(xiàn)邏輯控制，還具有了數(shù)據(jù)處理、通信、網(wǎng)絡等功能。由于它可通過軟件來改變控制過程，而且具有體積小、組裝維護方便、編程簡單、可靠性高、抗干擾能力強等特點，已廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域，大大推進了機電一體化的進程。（三）本課題研究的目的及意義現(xiàn)在很多國內(nèi)龍門刨床的電氣控制系統(tǒng)個要包括工作臺的主傳動和進給機構的邏輯控制兩大部分。機床主傳動系統(tǒng)主要分兩種;一種是50年代的電機擴大機發(fā)電機電動機組（AGM）系統(tǒng);一種是80年代少數(shù)經(jīng)過改型的直流可控硅調(diào)速系統(tǒng)(SCRD 系統(tǒng))。這兩種系統(tǒng)的邏輯控制普遍采用繼電器控制，故障率高，低速時損耗大，功率因素低，且對電網(wǎng)和機械的沖擊很大，維修麻煩。近幾年來在工業(yè)自動化，機電一體化，改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面，PLC得到廣泛的應用。學習，掌握和應用PLC技術對提高我國工業(yè)自動化水平和生產(chǎn)效率具有十分重要的意義。隨著它與變頻技術的高速發(fā)展的不斷更新，它們結合為龍門刨床提供了一種更好的控制系統(tǒng)。用這種系統(tǒng)控制的龍門刨床不僅克服了以上其它控制系統(tǒng)的各個缺點，還大大提高了控制精度和加工質(zhì)量，更主要的是節(jié)約了大量的能源。因此，龍門刨床控制系統(tǒng)的變頻及PLC改造已成必然的趨勢。本文介紹了用交流變頻調(diào)速技術和可編程序控制器(PLC)改造成功了一臺B2012A型龍門刨床，且改造后系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定。二、龍門刨床(B2012A)的基本情況（一）主要結構龍門刨床(B2012A)主要由七大部分組成，床生、工作臺、橫梁、垂直刀架、側刀架、立柱、龍門頂梁。如圖2-1所示，其中(1)床身為箱體型零件，其上有V形導軌和凹形導軌。(2)工作臺B被放置在床身上，(2)工作臺下面有斜齒條，可以使其進行往復運動。(3)橫梁用于安裝(4)垂直刀架，刨削加工時必需鎖死不能移動，只有在(2)工作臺停止運動時才能移動，以調(diào)整刀架高度。兩個(4)垂直刀架可沿橫梁導軌在水平方向,或沿刀架本身的滑板導軌在垂直方向作快速移動或工作進給。(5)左右側刀架及進給箱可沿(6)立柱導軌上下快速移動或自動進給。 圖2-1 龍門刨結構圖（二）工作方式龍門刨床的加工過程是工件與刨刀作相對運動的過程。因此，工件必須與工作臺一起在床身上頻繁地進行往復運動，工件的切削加工僅在工作行程中，返回行程是空載不進行切削加工。在切削過程中只有工作臺由返回行程轉到工作行程的期間刀假才進行一定量的進給。其中，機床的主運動是工作臺縱向往復運動，而橫梁的上下移動，刀架沿橫梁的左右移動，以及側刀架在立柱的上下往復運動稱作往復運動。圖2-2 刨臺的運動（三）運動分析1主運動行程以及各階段工作狀況 我國現(xiàn)行生產(chǎn)的龍門刨床其主拖動方式以直流發(fā)電機電動機組及晶閘管電動機系統(tǒng)為主，以A系列龍門刨床為例，它采用電磁擴大機作為勵磁調(diào)節(jié)器的直流發(fā)電機電動機系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)直流電動機電壓來調(diào)節(jié)輸出速度，并采用兩級齒輪變速箱變速的機電聯(lián)合調(diào)節(jié)方法。其主運動為刨臺頻繁的往復運動，在往復一個周期中，對速度的控制有一定要求，如圖2-3所示:圖2-3 龍門刨行程圖 t1段表示刨臺起動，刨刀切入工件的階段，為了減小刨刀剛切入工件的瞬間，刀具所受的沖擊及防止工件被崩壞，此階段速度較低。 t2段為刨削段，刨臺加速至正常的刨削速度 t3段為刨刀退出工件段，為防止邊緣被崩裂，同樣要求速度較低。 t4段為返回段，返回過程中，刨刀不切削工件，為節(jié)省時間，提高加工效率，返回速度應盡可能高些。 t5段為緩沖區(qū)。返回行程即將結束，再反向到工作速度之前，為減小對傳動機械的沖擊，應將速度降低，之后進入下一周期。2刨臺運動的機械特性曲線與其它機床相同，刨臺運動特性分兩種情況分析。低速區(qū) 刨臺運動速度較低時，此時刨刀允許的切削力由電動機最大轉矩決定。電動機確定后，即確定了低速加工時的最大切削力。因此，在低速加工區(qū)，電動機為恒轉矩輸出。高速區(qū) 速度較高時，此時切削力受機械結構的強度限制，允許的最大切削力與速度成反比，因此，電動機為恒功率輸出。 由此可得，主拖動系統(tǒng)電動機的運行機械特性曲線分為如圖2-4所示兩段。圖2-4 負載機械特性3.橫梁運動特點橫梁只是在工作臺停止時方可調(diào)整，橫梁運動屬于“點動”性質(zhì) 。為了保證橫梁能按要求停在一定的位置上，還設有夾緊機構。4.傳動系統(tǒng)龍門刨（B2012A）主拖動系統(tǒng)以三相交流異步電動機為主，通過變頻器控制量的改變來調(diào)節(jié)其輸出速度，并采用兩級齒輪變速箱變速的機電聯(lián)合調(diào)節(jié)方法。其主運動為工作臺頻繁的往復運動，對速度的控制有一定的要求，采用機械速比為2：1和電氣調(diào)速范圍為10：1的機電聯(lián)合調(diào)速系統(tǒng)。主拖動系統(tǒng)調(diào)速分析如圖2-5所示。其中Fm 表示最大切削力，Vl表示切削速度，Pm表示最大切削功率。圖中，為對應于最大轉矩時的最高速度，稱為計算速度。在V1-V2范圍內(nèi)要求恒轉矩調(diào)速速；而在V2-V3范圍內(nèi)則要求恒功率調(diào)速。圖2-5 龍門刨主拖動調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性三、龍門刨床對控制系統(tǒng)的要求龍門刨床（B2012A）的工作臺是往返交替循環(huán)直線運動的，工件固定在工作臺上與刀具作相對運動。工作臺在工作行程是進行切削加工，各種臺返回時，刀具自動抬起，不進行切削加工。工作臺返回是速度快，以減小空行程時間。龍門刨床（B2012A）的主拖動系統(tǒng)要求比較高，它不僅要求足夠大的切削功率，較大的調(diào)速范圍，而且能夠按照要求實現(xiàn)自動的速度循環(huán)。對于刀架得移動進刀退刀抬刀橫梁放松與夾緊橫梁上升與下降工作臺步進與步退等各種電動機與控制電器配合實現(xiàn)電器配合實現(xiàn)。龍門刨床（B2012A）對電氣控制和PLC控制的系統(tǒng)要求綜合起來又以下幾個方面：（一）、 要求有寬廣的調(diào)速范圍由于在加工過程的材料和零件不同，所使用的刀具也會不同（例高速鋼刀具。硬質(zhì)合金刀具等），這就要求機床有不同的速度，以便滿足不同加工工藝的要求。龍們刨床（B2012A）采用電機放大機作為直流發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器的直流發(fā)電機-電動機組系統(tǒng)并加一級機械變速，從而保證工作臺調(diào)速范圍達到20：1工作臺在低速檔的速度為660m/min在高速檔的速度為990m/min在低速檔或高速檔范圍內(nèi)，可實現(xiàn)電氣的無機調(diào)速，以便生產(chǎn)時能選擇最合理的切削速度。（二）、 電氣控制電路能保證機床可靠地自動工作工作臺往復運動一次吼，刀架自動進給。后退行程中，刀架自動抬起。工作臺在行程末尾可進行減速、反向等運動的自動變換。（三）、工作臺能夠按照需要實現(xiàn)自動往返循環(huán)在高速切削時，是為了減小刀具的沖擊，應使刀具慢速切入工件。若切削速度與沖擊為刀具所能承受時，利用轉換開關，可以取消慢速切入。在工作臺前進與返回行程末尾，工作臺能自動調(diào)速，以保證刀具慢速離開工件，防止工件邊緣剝裂，同時可減小工作臺反向時的沖程和對電動機及其他機械的沖擊。 （四）、工作臺速度調(diào)整，且無須停車用于磨削時，工作臺應能降低速度至1m/min，以便保持磨削時工件的精度。能自動調(diào)速，以保證刀具慢速離開工件，防止工件邊緣剝裂，同時可減小工作臺反向時的沖程和對電動機及其他機械的沖擊。（五）、刀架能自動進給和快速移動進行加工時，工件裝在工作臺上，工作臺沿床身導軌作直線往復運動。橫梁上的垂直刀架和立柱上的側刀架都可以垂直或水平進給。（六）、系統(tǒng)的機械特性要有一定的硬度為了避免因起切削符合發(fā)生變化引起的工作臺速度有較大的波動，以至于影響加工工件表面的質(zhì)量，同時系統(tǒng)的機械特性應具有下垂特性，當負荷過大時，能使拖動工作臺的直流電動機的轉速迅速下降，直至停止，從而達到保護電動機及機械裝置的目的。（七）、有必要的聯(lián)鎖保護為了使電機能夠正常地運行，保證在工件加工過程中的安全，應在電機接觸器上有必要的電氣聯(lián)鎖。 四、 龍門刨床（B2012A）的電氣控制龍門刨床是制造重型機械設備不可缺少的工作母機，它的加工范圍非常廣泛。主要用來加工各種平面、斜面、槽，特別適宜加工大型的、狹長的機械零件。龍門刨床的電氣控制線路比較復雜，它的主拖動系統(tǒng)安全是依靠電氣自動控制來執(zhí)行的。龍門刨床（B2012A）系統(tǒng)框圖如圖4-1所示：圖4-1 PLC配合變頻器控制龍門刨床系統(tǒng)框圖（一）、選型計算書1、主電機的選擇根據(jù)龍門刨床床對主軸性能的要求和電機的工作環(huán)境，選擇三相交流異步電機的技術參數(shù)為：額定功率：Pn =55 KW 額定轉速：Nn =1000 r / min額定電壓：Un =380 V 額定電流：In =105 A 效率：=85 額定轉矩：Tn =525 Nm電機空載電流 I0=36.4 A電機定子電阻0.047電機繞組采用接法。2、PLC的選擇（1）I/O點數(shù)的確定 由I/O分配可得：I=31 O=20 I/O總點數(shù)為31+20=51點（2）PLC容量為8000步實際PLC編程總步數(shù)為234步234步8000步所以PLC的型號選用根據(jù)需要所用為：FX2N64MR 3、變頻器的選用變頻器的選用應滿足以下規(guī)定（1）滿足負載輸出：KPn/COS變頻器容量Pn負載要求的電機軸輸出（KW）電機效率（通常取0.85）COS電機功率因素（約0.87）K電流波形補償系數(shù)（1.051.1）1.155/（0.850.87）81.81KVA變頻器容量81.81KVA（2）滿足電動機容量：K3nUnIn10-3變頻器容量1.11.73238010510-3=76.02 KVA變頻器容量76.02 KVA（3）滿足電動機電流：KIn變頻器的電流1.1*105=115.5變頻器的電流115.5A故選擇山宇變頻器SY-8000-055G/075P-4輸入電壓（V） 38015% V 額定輸入電流（A） 105/140 A 適配電動機功率（KW） 55/75 KW額定輸出功率（KW） 55/75 KW額定輸出電流（A） 110/150 A最高輸出頻率（HZ） 通過參數(shù)設定可達600 HZ4、導線的選擇導線截面積選擇按公式I/J選擇，考慮到現(xiàn)在的導線質(zhì)量，將其中的J（電流密度）取4A/mm2，I為負載電流。（1）主電機導線的選擇按額定電流In =105 A，考慮到損耗和沖擊電流截面積為4A/mm2：S= In/J=105/4=26.25 mm2 選擇導線：35 mm2 （2）油泵電機導線的選擇油泵電機只有250W,其額定電流為0.5A，故采用1 mm2導線。（3）橫梁電機導線的選擇橫梁電機功率為5.5KW，其額定電流為12A，則S= In/J=12/4=3 mm2，考慮到損耗和沖擊電流，故選擇4 mm2的導線。（4）夾緊電機導線的選擇夾緊電機的功率為0.6KW,其額定電流為1.5A，由于其夾緊到位后容易產(chǎn)生過電流，故其導線截面積選擇為1.5 mm2。（5）垂直、左側和右側刀架電機導線的選擇這三個刀架的電機功率都是1.7KW，額定電流都是3.7A，考慮到它們在加工過程中啟動的頻繁性，故其導線截面積分別都選擇為2.5 mm2。5、變壓器的選擇在用于抬刀控制的變壓器上，根據(jù)抬刀機構的力矩和實際需求,選擇兩個抬刀變壓器的型號為BK-300。同時，在用于PLC供電、控制線路及照明電路的變壓器上，根據(jù)實際的需要，選擇變壓器的型號為BK-300。6、過電流繼電器（JL）的選擇在橫梁夾緊過程中，如果已經(jīng)夾緊到位還沒有斷開夾緊電動機的話，就會產(chǎn)生過電流，長時間這樣運行就會燒壞夾緊電機，因此在夾緊電動機的主電路中串入一個過電流繼電器，由于夾緊電機的額定電流是1.5A，再配合機械動作的需要，選擇設置過電流繼電器的值為7.5A。7、空氣斷路器的選擇空氣斷路器可按以下條件選用：A.空氣斷路器的額定電壓和額定電流 應不小于電路的正常工作電壓和工作電流。B.熱脫扣器的整定電流 應與所控制的電動機的額定電流或負載額定電流一致。C.電磁脫扣器的瞬時脫扣整定電流應大于負載正常工作時的尖峰電流。對于電動機來說，DZ型空氣斷路器電磁脫扣器的瞬時脫扣整定電流值Iz可按下式計算：IzKIst式中，K-安全系數(shù)，可取1.7。 Ist電動機的起動電流（1）總斷路器（QF）的選擇.額定電壓：380V.額定電流：根據(jù)電動機的額定總電流In=In1+In2+In3+In4+In5+In6+In7=105+0.5+12+1.5+3.7+3.7+3.7=130.1A.熱脫扣器的額定電流為150A?？紤]到主電機是由變頻器控制(起動、停止過程中的頻率是遞增和遞減的,相當于軟起動)和幾個電機起動的不同時性,因此可選擇空氣斷路器型號為：DZ10-200（2）油泵電機空氣斷路器的選擇.額定電壓：380V.熱脫扣器的額定電流：根據(jù)油泵電動機的額定電流In=0.5A，查表可知熱脫扣器的額定電流應為0.65A，相應的整定電流調(diào)節(jié)范圍為0.450.65A。.效驗電磁脫扣器的瞬時動作整定電流：電磁脫扣器的瞬時動作整定電流為100.65=6.5A。根據(jù)公式，它應滿足Iz1.7Ist=1.770.5=5.95A,因此是可用的。.確定空氣斷路器的型號：根據(jù)電動機的電壓、電流和脫扣器的型式，應選DZ5-6型。（3）夾緊電機空氣斷路器的選擇.額定電壓：380V.熱脫扣器的額定電流：根據(jù)夾緊電動機的額定電流In=1.5A，查表可知熱脫扣器的額定電流應為2A，相應的整定電流調(diào)節(jié)范圍為1.52A。.效驗電磁脫扣器的瞬時動作整定電流：電磁脫扣器的瞬時動作整定電流為102=20A。根據(jù)公式，它應滿足Iz1.7Ist=1.771.5=17.85A,因此是可用的。.確定空氣斷路器的型號：根據(jù)電動機的電壓、電流和脫扣器的型式，應選DZ5-6型。（4）橫梁電機空氣斷路器的選擇.額定電壓：380V.熱脫扣器的額定電流：根據(jù)橫梁電動機的額定電流In=12A，查表可知熱脫扣器的額定電流應為15A，相應的整定電流調(diào)節(jié)范圍為1015A。.效驗電磁脫扣器的瞬時動作整定電流：電磁脫扣器的瞬時動作整定電流為1015=150A。根據(jù)公式，它應滿足Iz1.7Ist=1.7712=142.8A,因此是可用的。.確定空氣斷路器的型號：根據(jù)電動機的電壓、電流和脫扣器的型式，應選DZ5-20型。（5）垂直刀架、左側刀架和右側刀架電機空氣斷路器的選擇.額定電壓：380V.熱脫扣器的額定電流：根據(jù)每個刀架電動機的額定電流In=3.7A，查表可知熱脫扣器的額定電流應為4.5A，相應的整定電流調(diào)節(jié)范圍為34.5A。.效驗電磁脫扣器的瞬時動作整定電流：電磁脫扣器的瞬時動作整定電流為104.5=45A。根據(jù)公式，它應滿足Iz1.7Ist=1.773.7=44.03A,因此是可用的。.確定空氣斷路器的型號：根據(jù)電動機的電壓、電流和脫扣器的型式，應選DZ5-10型。（二）、交流機組拖動系統(tǒng)組成龍門刨床（B2012A）交流機組拖動系統(tǒng)主電路原理圖如圖4-2所示。從圖中可以看出，龍門刨床（B2012A）交流機組共由7臺電動機拖動，即拖動用交流主軸電動機1M，潤滑泵電動機2M，橫梁升降電動機3M,夾緊電動機4M，垂直刀架電動機5M，左側刀架電動機6M，右側刀架電動機7M。圖4-2 龍門刨床主電路原理圖（三）、供電控制實現(xiàn)方式當需要進行工件加工的時候，先將工件固定在龍門刨工作臺上，然后合上總斷路器QF，則變壓器TC1、TC2、TC3的一次側接通電源（空氣開關QF7、QF8已經(jīng)合上），從而可以為左側垂直刀架、右側垂直刀架、左側抬刀線圈、右側抬刀線圈、PLC控制器、控制電路以及照明提供電源，如圖4-3所示:圖4-3 控制電源（四）、外部控制電路圖4-4 控制電路圖（五）、各控制電路概述1、 橫梁控制電路圖4-5 橫梁控制梯形圖結合I/O分配圖、控制接線圖和梯形圖，當需要橫梁上升時，按下SB6按鈕則Y15得電橫梁先放松，放松到位后SQ4閉合，相應地X17接通，Y12得電，橫梁上升中間繼電器KA2線圈通電閉合，接觸器KM2通電閉合，橫梁電動機3M正轉，使得橫梁上升。當橫梁上升到要求高度時，松開橫梁上升啟動按鈕SB6，則Y12斷開，橫梁上升中間繼電器KA2線圈斷電使接觸器KM2線圈失電釋放，橫梁停止上升。在Y12斷開瞬間，Y14接通，橫梁夾緊中間繼電器KA4得電繼而接觸器KM4閉合，交流電動機4M正向啟動運轉，使橫梁夾緊，經(jīng)加緊過電流開關檢測出其電流過大而動作斷開夾緊電機（表明夾緊已經(jīng)到位）。然后行程開關SQ4常開觸點復位斷開，為下一次橫梁升降控制作準備。橫梁下降控制。當需要橫梁下降時，按下橫梁下降啟動按鈕SB7，則Y15得電橫梁先放松，放松到位后SQ4閉合，相應地X17接通，Y13得電，橫梁下降中間繼電器KA3線圈通電閉合，接觸器KM3通電閉合，橫梁電動機3M反轉，使得橫梁下降。當橫梁下降到要求高度時，松開橫梁下降啟動按鈕SB7，Y13斷開，橫梁停止下降，同時輔助繼電器M0接通并自鎖，經(jīng)0.5秒后T1接通又讓Y12再次接通，橫梁上升中間繼電器KA2線圈通電閉合，接觸器KM2通電閉合，橫梁電動機3M正轉，使得橫梁回升，0.5秒后自動斷開，重復一次夾緊動作，最后停止在需要的加工位置。在橫梁上升過程中，有必要的極限位置電氣保護，當達到上升極限時，SQ5閉合，對應于梯形圖中的X20接通，其常閉斷開，阻止橫梁進一步上升，達到保護設備的目的。同樣，在橫梁下降過程中，也有必要的極限位置電氣保護，當達到下降極限時，左右側防撞行程開關SQ6/SQ7閉合，對應于梯形圖中的X21/X22接通，其常閉斷開，阻止橫梁進一步下降，起到保護作用。2、工作臺步進、步退控制電路圖4-6 工作臺步進、步退控制梯形圖當需要對工作臺作細小位置的調(diào)動的時候，按下步進/步退控制按鈕SB4/SB5，對應于梯形圖中代表工作臺前進/后退的Y0/Y1接通，并將控制信號傳輸至變頻器的信號輸入端，通過變頻器驅動工作臺作前進/后退運動。由于變頻器的驅動頻率是逐漸增加或減小的，則可以減小對電動機的沖擊電流，起到保護電動機的作用。并且，由梯形圖可以看出，當松開步進/步退控制按鈕SB4/SB5后，輔助繼電器M3接通，此時不能連續(xù)對電機進行步進/步退控制，要等到1.5秒之后才能繼續(xù)進行步進/步退控制，其目的也是為了保護電機不至于被過于頻繁的啟動、停止所產(chǎn)生的熱燒壞。3.工作臺自動循環(huán)控制電路圖4-7 工作臺自動循環(huán)控制梯形圖工作臺自動循環(huán)控制電路分為慢速切入控制、工作臺工進速度前進控制、工作臺前進減速運動控制、工作臺后退返回控制、工作臺返回減速控制、工作臺返回結束并轉入慢速控制等。當按下工作臺自動循環(huán)前進/后退按鈕后，對應于梯形圖中的前進/后退輔助開關M10/M20接通并自鎖，并由手動控制前進減速/后退減速行程開關SQ8/SQ11的通斷從而控制輸出繼電器Y30、Y31、Y32、Y33的通斷，再將通斷信號經(jīng)電位器將不同的點位信號傳入變頻器，以此來分段速控制工作臺的前進/后退間的速度轉換。在前進時，當工作臺碰到前進換向行程開關SQ9后，梯形圖中的X24常閉斷開，使得M10也斷開；X24的常開閉合，使得M20接通而使工作臺后退運動。當工作臺碰到后退換向行程開關SQ912后，梯形圖中的X27常閉斷開，使得M20也斷開；X27的常開閉合，使得M10接通而使工作臺前進運動，同時抬刀線圈斷電刨刀落下對工件進行加工。自動切換，周而復始，并且在自動循環(huán)過程中由于M4的接通其常閉斷開而讓工作臺手動步進、步退控制失去作用，達到保護的目的。4.刀架控制電路圖4-8 刀架控制梯形圖在龍門刨床上裝有左側刀架、右側刀架和垂直刀架，分別由交流電動機6M、7M、5M拖動。各刀架可實現(xiàn)自動進給運動和快速移動運動，由裝在刀架進刀箱上的機械手柄來進行控制。刀架的自動進給采用撥叉盤裝置來實現(xiàn)，撥叉盤由交流電動機拖動，依靠改變旋轉撥叉盤角度的大小來控制每次的進倒量。在每次進刀完成后，讓拖動刀架的電動機反向旋轉，使撥叉盤復位，以便為第二次自動進刀做準備。刀架控制電路由自動進刀控制、刀架快速移動控制電路組成。視加工需要來操作機械手柄以通斷控制刀架電動機的正反轉。如在工作臺自動往返循環(huán)中，使垂直刀架進給行程開關閉合，在工作臺前進的時候讓垂直刀架電機正轉而自動進刀，在工作臺后退的時候讓垂直刀架電機反轉而使撥叉盤復位，以便再次進刀。5抬刀控制電路 圖4-9 抬刀控制線路 在后退時，Y24接通，使得抬刀控制中間繼電器KA12得電常開閉合,再使KM12接通，從而將變壓器輸出的交流電經(jīng)二極管整流成直流電輸?shù)教У毒€圈將刨刀抬起以免刮傷工件。注意：由于工作臺是在龍門刨床的導軌上進行往返運動，工作臺和導軌槽之間必須要用潤滑油潤滑，故本設計采用PLC編寫梯形圖時采用了主控指令，即必須要等到油泵電機開啟80秒后，當油壓檢測行程開關SQ14閉合了才能進行對工作臺的控制，如圖4-10所示:圖4-10 油泵控制梯形圖五、龍門刨床（B2012A）PLC控制系統(tǒng)組成（一）、PLC用于龍門刨床的特點龍門刨床的龍門架定在床身上，在龍門架上裝有可以上下移動的刨頭架，切削刀固定在刨頭架上，工作臺安裝在床身導軌上，工件固定在工作臺上，工作過程中，工作臺帶動工件低速進給，快速退回，工件在裝夾過程中，為了對準刨削位置，工作臺的來回運動控制，是既自鎖又點動的方式。龍門刨床的電氣控制系統(tǒng)分主傳動系統(tǒng)和輔助運動控制系統(tǒng)兩部分。PLC用于龍門刨床控制系統(tǒng)改造方案之一就是:主傳動系統(tǒng)即工作臺電力拖動系統(tǒng)，仍然保留目前最廣泛使用的邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)，其調(diào)速換向控制以及輔助運動控制系統(tǒng)采用可編程序控制器替代舊的繼電控制系統(tǒng)，各部分的信號檢測、動作執(zhí)行機構也基本上保留原有的不變。特點是投資小、見效快。 (二)、 PLC類型選定1、選型PLC的設計選型包括運算功能,控制功能,通信功能,編程功能,診斷功能和處理速度等特性的選擇。選擇PLC時,應考慮性能價格比.考慮經(jīng)濟性時,應同時考慮應用的可擴展性,可操作性,投入產(chǎn)出比等因素,進行比較和兼顧,最終選出較滿意的產(chǎn)品. 輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響，每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后,相應的存儲器容量,母板等也要相應增加,因此,點數(shù)的增加對CPU選用,存儲器容量,控制功能范圍等選擇都有影響.在估算和選用時應充分考慮,使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。在設計PLC控制系統(tǒng)時，應遵循以下基本原則：、 最大限度地滿足被控對象的控制要求設計人員在設計前就要深入現(xiàn)場進行調(diào)查研究，收集控制現(xiàn)場的資料，收集相關先進的國內(nèi)、國外資料。同時要注意和現(xiàn)場的工程管理人員、工程技術人員、現(xiàn)場操作人員緊密配合，擬定控制方案，共同解決設計中的重點問題和疑難問題。、 保證PLC控制系統(tǒng)安全可靠設計者在系統(tǒng)設計、元器件選擇、軟件編程上要全面考慮，以確?？刂葡到y(tǒng)安全可靠、 力求簡單、經(jīng)濟、使用及維修方便設計者不僅應該使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟，而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護方便、成本低，不宜盲目追求自動化和高指標。、 適應發(fā)展的需要在選擇PLC、輸入/輸出模塊、I/O點數(shù)和內(nèi)存容量時，要適當留有余量，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進。2、 FX2n 系列PLC根據(jù)前面對龍門刨床PLC的輸入/輸出點分配的分析以及以后性能擴展的需要，選用三菱公司FX2n系列的小型PLCFX2n-64MR，它是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。FX2n系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此FX2n 系列具有極高的性能/價格比。 FX2n系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面： 、極高的可靠性 、極豐富的指令集 、易于掌握 、便捷的操作 、豐富的內(nèi)置集成功能 、實時特性 、強勁的通訊能力 、豐富的擴展模塊 FX2n 系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調(diào)，電梯控制，運動系統(tǒng)。（三）、 工作臺控制流程與程序設計為了充分利用PLC的硬件與軟件的資源，在程序中設計與確定了I/O點數(shù)不可局限于原繼電接觸器控制線路。應該根據(jù)龍門刨床的工藝要求，硬件僅保留知節(jié)面向人和設備的輸入、輸出點，主程序用常規(guī)的繼電器梯形圖指令設計。 龍門刨床PLC控制系統(tǒng)主要有:主傳動調(diào)速換向控制(包括工作臺步進、步退)，刀架進給、抬刀和快速移動控制，橫梁的移動、夾緊、放松和升降控制，其他系統(tǒng)保障控制等部分組成。系統(tǒng)控制器選用FX2n-64MR型可編程序控制器，輸入點采用220V AC，輸出點采用繼電器輸出，可直接驅動22Ov交流接觸器或中間繼電器。I/O輸入輸出點分配如表5-1所示。如前所述，工作臺電力拖動系統(tǒng)，采用目前生產(chǎn)中最廣泛使用的變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)，其調(diào)速換向控制采用PLC實現(xiàn)。PLC輸出經(jīng)電位器后輸出到變頻器的控制信號端，通過手動改變對變頻器的輸入電位量值大小，實現(xiàn)工作臺的高速、低速、前進、后退、自動、手動控制。工作臺前進為切削行程，開始時低速切入，接近工件尾端時減速切出，而后經(jīng)前進換向行程開關后，抬刀、換向，然后加速返回，又經(jīng)后退換向開關動作后，換向、落刀、進刀，進人下一個切削行程。龍門刨床有三個刀架，他們是左刀架、右刀架和垂直刀架。三個刀架由PLC控制實現(xiàn)各自獨立的自動進給、抬刀和落刀動作，并可手動控制快速移動。刀架進給和快速移動的方向是通過調(diào)節(jié)機械裝置改變的。抬刀、落刀動作由PLC控制電磁鐵實現(xiàn)。（四）、 輸入/輸出分配表表5-1龍門刨床（B2012A）PLC的I/O分配表輸 入 信 號輸 出 信 號名稱代號輸入點編號名稱代號輸出點編號變頻器啟動SB11X0主接觸器KA13Y10變頻器停止SB12X1油泵電機KA1Y11工作臺停止SB1X2橫梁上升KA2Y12工作臺自動循環(huán)前進SB2X3橫梁下降KA3Y13工作臺自動循環(huán)后退SB3X4橫梁夾緊KA4Y14工作臺步進SB4X5橫梁放松KA5Y15工作臺步退SB5X6垂直刀架正轉KA6Y16橫梁上升SB6X7垂直刀架反轉KA7Y17橫梁下降SB7X10左側刀架正轉KA8Y20垂直刀架快移按鈕SB8X11左側刀架反轉KA9Y21左側刀架快移按鈕SB9X12右側刀架正轉KA10Y22右側刀架快移按鈕SB10X13右側刀架反轉KA11Y23垂直刀架快移行程開關SQ1X14抬刀線圈KA12Y24左側刀架快移行程開關SQ2X15工作臺前進變頻器11端Y0右側刀架快移行程開關SQ3X16工作臺后退變頻器12端Y1橫梁放松到位SQ4X17工作臺前進高速RP1Y30橫梁上升極限SQ5X20工作臺前進低速RP2Y31橫梁左側防撞SQ6X21工作臺后退高速RP3Y32橫梁右側防撞SQ7X22工作臺后退低速RP4Y33工作臺前進減速SQ8X23工作臺步進步退速度RP5Y34工作臺前進換向SQ9X24工作臺前進限位SQ10X25工作臺后退減速SQ11X26工作臺后退換向SQ12X27工作臺后退限位SQ13X30油壓控制SPX31夾緊過電流開關SB13X32變頻器RUNSB14X33垂直刀架進給行程開關SQ14X34左側刀架進給行程開關SQ15X35右側刀架進給行程開關SQ16X36（五）、PLC控制接線圖 5-2 PLC接線原理圖六、變頻器拖動方案的確定（一）、變頻技術的簡介所謂變頻，簡單說就是改變電源頻率。變頻技術的核心是它的變頻器，變頻器是20世紀80年代問世的一種高新技術產(chǎn)品，它通過對電流的轉換來實現(xiàn)電動機運轉頻率的自我調(diào)節(jié)，把固定的電網(wǎng)頻率改為可變化的頻率，同時還可以將電源電壓范圍擴大。 (二)、交流變頻調(diào)速的優(yōu)勢與節(jié)能20世紀70年代后，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應用，使得交流電力拖動系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動態(tài)響應以及在四象限作可逆運行等良好的技術性能，在調(diào)速性能方面可以與直流電力拖動媲美。在交流調(diào)速技術中，變頻調(diào)速具有絕對優(yōu)勢，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價格不斷降低，特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，而且易于實現(xiàn)過程自動化，深受工業(yè)行業(yè)的青睞。 1、交流變頻調(diào)速的優(yōu)異特性 （1）、調(diào)速時平滑性好，效率高。低速時，特性靜關率較高，相對穩(wěn)定性好。 （2）、易于實現(xiàn)過程自動化。 （3）、必須有專用的變頻電源，目前造價較高。 （4）、在恒轉矩調(diào)速時，低速段電動機的過載能力大為降低。 2、與其它調(diào)速方法的比較 交流電動機的調(diào)速方法有三種：變極調(diào)速、改變轉差率調(diào)速和變頻調(diào)速。其中，變頻調(diào)速最具優(yōu)勢。這里僅就交流變頻調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)做一比較。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，由于直流電動機具有電刷和整流子，因而必須對其進行檢查，電機安裝環(huán)境受到限制。例如：不能在有易爆氣體及塵埃多的場合使用。此外，也限制了電機向高轉速、大容量發(fā)展。而交流電機就不存在這些問題，主要表現(xiàn)為以下幾點： 第一，直流電機的單機容量一般為12 - 14MW，還常制成雙電樞形式，而交流電機單機容量卻可以數(shù)倍于它。第二，直流電機由于受換向限制，其電樞電壓最高只能做到一千多伏，而交流電機可做到6 - 10kV。第三，直流電機受換向器部分機械強度的約束，其額定轉速隨電機額定功率而減小，一般僅為每分鐘數(shù)百轉到一千多轉，而交流電機的達到每分鐘數(shù)千轉。第四，直流電機的體積、重量、價格要比同等容量的交流電機大。最后，特別要指出的是交流調(diào)速系統(tǒng)在節(jié)約能源方面有著很大的優(yōu)勢。一方面，交流拖動的負荷在總用電量中占一半或一半以上的比重，這類負荷實現(xiàn)節(jié)能，可以獲得十分可觀的節(jié)電效益。另一方面，交流拖動本身存在可以挖掘的節(jié)電潛力。在交流調(diào)速系統(tǒng)中，選用電機時往往留有一定余量，電機又不總是在最大負荷情況下運行；如果利用變頻調(diào)速技術，輕載時，通過對電機轉速進行控制，就能達到節(jié)電的目的。工業(yè)上大量使用風機、水泵、壓縮機等，其用電量約占工業(yè)用電量的50%；如果采用變頻調(diào)速技術，既可大大提高其效率，又可減少10%的電能消耗。 3、合理應用 交流變頻調(diào)速技術在工業(yè)發(fā)達國已得到廣泛應用。美國有60% - 65%的發(fā)電量用于電機驅動，由于有效地利用了變頻調(diào)速技術，僅工業(yè)傳動用電就節(jié)約了15% - 20%的電量。 采用變頻調(diào)速，一是根據(jù)要求調(diào)速用，二是節(jié)能。它主要基于下面幾個因素： （1）、變頻調(diào)速系統(tǒng)自身損耗小，工作效率高。 （2）、電機總是保持在低轉差率運行狀態(tài)，減小轉子損耗。 （3）、可實現(xiàn)軟啟、制動功能，減小啟動電流沖擊。 4、選擇變頻器的方法在采用變頻調(diào)速時，需從工藝要求、節(jié)約效益、投資回收期等各方面考慮。如果僅從工藝要求、節(jié)約效益考慮，下面幾種情況選用變頻調(diào)速較有利： （1）、根據(jù)工藝要求，生產(chǎn)線或單臺設備需要按程序或按要求調(diào)整電機速度的。如：包裝機傳送系統(tǒng)，根據(jù)不同品種的產(chǎn)品，需要改變系統(tǒng)傳送速度，使用變頻調(diào)速可使調(diào)速控制系統(tǒng)結構簡單，控制準確，并易于實現(xiàn)程序控制。 （2）、用變頻調(diào)速代替機械變速。如：機床，不僅可以省去復雜的齒輪變速箱，還能提高精度、滿足程序控制要求。 （3）、用變頻調(diào)速代替用閘門或擋板調(diào)整流量適于風機、水泵、壓縮機等。例如：鍋爐上水泵、鼓風機、引風機實行了變頻調(diào)速控制，不僅省去了伺服放大器、電動操作器、電動執(zhí)行器和給水閥門（或擋風板），而且使得整個鍋爐鍋爐控制系統(tǒng)得到了快速的動態(tài)響應、高的控制精度和穩(wěn)定性。5、變頻技術在本設計中的優(yōu)越性在龍門刨床（B2012A）上使用變頻器主要有以下優(yōu)點：（1）、變頻器調(diào)速范圍寬達1：100，更換不同的工作組件就可使刨床用于刨、銑、磨，一機三用。為提高加工精度，工作臺的速度不隨切削量