銑床改造(變頻調(diào)速)

銑床改造(變頻調(diào)速)第16頁共18頁第17頁共18頁第1章X6132銑床簡介1.1銑床的外觀（如圖1.1所示）圖1.1圖1.11.2銑床的性能及用途X6132銑床，外觀大方，移動方便，占用場地小，結(jié)構(gòu)合理，操作靈活，突破了機床教具平面化的模式，能模擬銑床所有電氣動作及相關的機械動作，電氣柜無油膩，并裝有接零插座，左，右壁門加裝了開關限位固定裝置，適用于大，中專，技校，職業(yè)中學及職業(yè)培訓等維修電工專業(yè)課堂話教學，亦可用于維修電工中級工考核培訓。X6132銑床原理圖（如圖1.2所示）圖1.2圖1.21.3萬能銑床的運動形式主運動銑床的主軸帶動銑刀的作旋轉(zhuǎn)運動。進給運動銑床的工作臺帶動工件在上、下、左、右、前、后六個方向上作直線運動或圓工作臺帶動工件作旋轉(zhuǎn)運動。輔助運動銑床工作臺帶動工件在上、下、左、右、前、后六個方向上的快速移動。1.4原理分析主電路中M1是主軸電動機，它有左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)并有熱繼電器保護；M2是冷卻泵電動機并有熱繼電器保護；M3是進給電動機，它能正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)并且也有熱繼電器保護。TC3輸出36V照明電壓用于照明燈，TC2輸出24V整流電壓，TC1輸出110V交流電壓供給控制回路。控制回路中，當按下主軸電動機啟動按鈕SB5，主軸電動機M1啟動，主軸按預定方向，帶動銑刀轉(zhuǎn)動。即KM1經(jīng)線圈TC1（110V）1-3-5-7-9-13-15-SB5（啟動）同時KM1（自鎖）-17-11-KM1線圈-TC1（0）回路得電。當按下停止按鈕SB1或SB2時主軸電動機M1停止，為使主軸能迅速停車，控制電路采用電磁離合器YC3進行主軸的停車制動。工作臺還可以在6個方向上作直線運動，即工作臺在回轉(zhuǎn)盤上的左右運動；工作臺與回轉(zhuǎn)盤隨滑板的前后運動；升降臺在床身的垂直導軌上的上下運動。這些進給運動是通過兩個手柄、快速移動按鈕、電磁離合器YC1、YC2和機械聯(lián)動機構(gòu)控制相應的位置開關，使進給電動機M3正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)工作臺的常速或快速移動，并且6個方向是連鎖的，不能同時進行。常速時，電磁離合器YC1線圈得電；快速時電磁離合器YC2線圈得電；熱繼電器FR3作過載保護。1.5銑床的使用本銑床采用三相交流電源電壓380V。1．將電源總開關SA1接通位置，打開照明開關，工作燈接通，提供照明。2．主軸運行；將主軸的“倒順開關SA2”扳到所需的方向，“松緊開關SA4”打至“松”位置，按起動按鈕SB5，主軸電動機起動，當主軸需變速時，只要將主軸“沖動手柄3．冷卻泵運行：在主軸電動機工作的前提下，將冷卻磅開關SA3扳至“通”的位置，冷卻電動機轉(zhuǎn)動，提供冷卻液。4．工作臺運行：在主軸電動機工作的前提下，把SA5扳至“關“位置，當需要上，下，前，后移動時，將”橫向垂直受柄“扳到所需方向即可，工作臺左右運動，可用‘縱向操作手柄”控制，工作臺左，右運動至極限位置時，撞鐵撞動“縱向操作手柄”動作臺自行停止，工作臺上，下，前，后運動依靠行程開關進行終端限位保護。5．工作臺進給變速沖動：將“蘑菇”手柄向外拉至極限位置，進給電動機瞬時沖動一下，保證變速時齒輪齒合，沖動結(jié)束后，將蘑菇手柄復位。6．工作臺快速移動：當工作臺在垂直方向運動時，按下快速按鈕SB3（SB4）工作臺可快速移動。7．如試車時，發(fā)現(xiàn)機床運動方向與手柄操作方向相反，應及時調(diào)換總電源線的相序。第2章控制系統(tǒng)設計2.1改造思想與方案我們在改造的過程中，以節(jié)約為原則，無論是需要什么元件或工具都盡量使用我們周圍可以找到的，而且我們要以切合實際的要求來改造.改造銑床的目的主要是符合當今實際的形勢.用PLC實現(xiàn)自動控制與電腦監(jiān)控.更是為節(jié)約而改造的.用電甚少。我在方案設計時，我對電控系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)和工作思想進行了認真的分析和消化吸收，并結(jié)合實際生產(chǎn)情況，制訂了一套完善的設計方案，即采用了PLC可編程序控制器作為控制系統(tǒng)的核心，PLC具有系統(tǒng)響應快，功能強，運行穩(wěn)定可靠，控制線路簡單，維修方便等優(yōu)點。PLC設計了許多邏輯指令，可以處理繼電器接點的串聯(lián)，并聯(lián)，串并聯(lián)等各種連接；同時它也為用戶提供了能滿足各種控制要求的定時器和計數(shù)器。在程序運行的過程中可以對時間值和計數(shù)值進行有效的監(jiān)控,還有無數(shù)多對的觸點可用。它還提供了諸如步進控制；數(shù)字之間的相互轉(zhuǎn)換的功能；強大的數(shù)據(jù)處理功能和通訊功能。它本身又有許多的保護措施；另外相較于繼電器控制電路來講它的接線簡單，具有一定的電學方面的知識就可以理解甚至于編寫程序而無須掌握復雜的計算機匯編語言和一些高級語言。同時在調(diào)試和日后的設備維護修理過程中體現(xiàn)出比繼電器線路更為優(yōu)越的性能。2.2PLC的選型我在做這個課題中首先要選擇做出來最能得心應手的一些材料或者器件在這個課題中PLC占主導作用基本上都靠它來完成對PLC進行選擇,主要有西門子S7-200系列、松下FP系列、歐姆龍C200H系列和三菱FX系列，下面就各自介紹一下它們：2.2.1西門子S7-200系列PLCS7-200系列PLC是西門子公司1995年底推出的具有很高性能價格比的微型PLC。由于它體積小、運行速度高、功能強等特點，在自動控制領域廣泛應用。（如圖2.1所示）圖2.1圖2.1S7-200PLC結(jié)構(gòu)特點機械結(jié)構(gòu)特性PLC上設計有標準的DIN導軌安裝機構(gòu)，可以垂直或水平方向安裝。（2）S7-200的主要功能執(zhí)行指令速度高。②豐富的指令功能。③靈活的中斷功能。④輸入和輸出的直查詢與賦值。⑤很好的調(diào)試和故障診斷功能。⑥輸入或輸出的強制功能2.2.2歐姆龍C200H系列PLCC200HPLC系統(tǒng)的基本組成是：一個母板（安裝機架）提供系統(tǒng)總線和模塊插槽、一個CPU單元、一個存儲器單元、一個編程器及基本I/O單元若干個。基本I/O單元的個數(shù)視系統(tǒng)I/O點數(shù)及母板上的槽位而定。C200HPLC系統(tǒng)還有兩種擴展方式可滿足用戶的不同需求。一種是在CPU單元所在的母板上用電纜連接I/O擴展母板，采用串聯(lián)方式連接，擴展母板上可根據(jù)需要配置I/O單元，不需要再配CPU單元，但要配置擴展電源單元。另一種擴展方式是建立遠程I/O系統(tǒng)，即在CPU母板或擴展母板上配置遠程I/O主單元，而在另外的擴展母板上配置遠程I/O從單元，用雙絞線或其他通信電纜將遠程I/O主單元和遠程I/O擴展單元連接起來構(gòu)成遠程I/O系統(tǒng)，這樣既可以擴展系統(tǒng)的I/O點數(shù)，又可以控制遠距離的I/O點。2.2日本三菱電機公司生產(chǎn)的可編程序控制器主要有F、F1、F2系列， FX0、FX2系列以及A系列。F、F1、F2系列是整體式結(jié)構(gòu)的小型PLC。FX系列是繼F、F1、F2系列之后推出的新產(chǎn)品。FX系列兼有整體式PLC簡單、PLC功能強大，組合靈活的優(yōu)點。FX2N系列是功能很強大的微PLC，可擴展到多達128I/O點，并且能增加特殊功能模塊或擴展板。通信和數(shù)據(jù)鏈接功能選項使得FX2N在體積、通信和特殊功能模塊等重要的應用方面非常完美。（如圖2.2所示）圖2.2圖2.2FX2N系列是FX系列PLC家族中最先進的系列。由于FX2N系列具備如下特點：最大范圍的包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為自動化應用提供最大的靈活性和控制能力。（如圖2.3所示）圖2.3圖2.3綜合上述本人對PLC優(yōu)缺點的了解，課題中決定采用三菱FX2N-48點數(shù)系列的PLC。第3章三菱PLC的系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理3.1三菱可編程控制器的基本組成從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。3.2三菱可編程序控制器的功能特點目前PLC一般都具有下列功能：（1）條件控制PLC具有邏輯運算功能，它能根據(jù)輸入繼電器觸點的與（AND）、(OR)、等邏輯關系決定輸出繼電器的狀態(tài)（ON或OFF），它可代替繼電器進行開關控制。（2）定時控制一般PLC都為用戶提供足夠的定時器，如三菱FX2型PLC共有256個定時器。所有定時器的定時值可由用戶在編程時設定，在運行定時值可被讀出或修改。(3)計數(shù)控制為滿足對計數(shù)控制的需要，PLC向用戶提供上百個功能較強的計數(shù)器，如FX2型PLC可向用戶提供241個計數(shù)器。其中6個高速計數(shù)器，121個電池后備計數(shù)器。（4）步進控制步進順序控制PLC的最基本的控制方式，但是PLC為方便用戶編制較復雜的步進控制程序，設置了專門的步進控制指令。（5）數(shù)據(jù)控制PLC具有較強的數(shù)據(jù)處理能力，除能進行加減乘除四則運算甚至開方運算外，還能進行字操作、移位操作、數(shù)制轉(zhuǎn)換、譯碼等數(shù)據(jù)處理。（6）通信和聯(lián)網(wǎng)PLC可進行遠程的I/O控制。多臺PLC之間可進行同位鏈接（7）對控制系統(tǒng)的監(jiān)控PLC具有較強的監(jiān)控功能，記憶異常情況或發(fā)生異常情況時自動終止運行。操作人員通過監(jiān)控命令，可以監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以便程序的調(diào)試?？删幊绦蚩刂破鞅徽J為是真正的工業(yè)控制計算機，占有極其重要的地位，最重要的原因是它具有如下獨特的優(yōu)點：（1）可靠性高可編程序控制器的平均無故障時間可達幾十萬小時，一般來說，可編程序控制系統(tǒng)中發(fā)生的故障絕大多數(shù)是由傳感器、執(zhí)行器等外圍部件所造成的。（2）編程方便能在較短的時間內(nèi)掌握,從硬件方面來說，使用可編程序控制器時,一般在實驗室編程模擬調(diào)試后，在現(xiàn)場很快就能安裝調(diào)試成功。（3）對環(huán)境要求低可編程序控制器可在較大的溫度、濕度變化范圍內(nèi)正常工作，抗震動、抗沖擊的性能好，對電源電壓的穩(wěn)定性要求較低，特別是抗電磁干擾能力。這一點較之一般單片機控制系統(tǒng)尤為突出。(4)與其它裝置配置連接方便可編程序控制器與其他裝置、配置的連接基本都是直接的。3.3三菱可編程控制器的基本工作原理可編程控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)，其中運行狀態(tài)是執(zhí)行應用程序的狀態(tài)，停止狀態(tài)一般用于程序的編制與修改。在運行狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時的響應隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復不斷的重復執(zhí)行，直至可編程控制器停機或切換到停止工作狀態(tài)。3.4三菱PLC各部分名稱①35mm寬DIN導軌②安裝孔4個（?4.5）③電源、輔助電源、輸入信號用的④輸入指示燈⑤擴展單元、擴展模塊、特殊單元、特殊模塊、接線插座蓋板⑥輸出用的裝卸式端子臺⑦輸出動作指示燈⑧DIN導軌裝卸用卡子⑨面蓋板⑩外圍設備接線插座、蓋板eq\o\ac(○,11)動作指示燈eq\o\ac(○,12)鋰電池（F2-40BL，標準裝備）BATT.V：電池電壓下降指示裝卸式端子臺（帶蓋板）PROG-E：出錯指示燈閃爍（程序錯）CPU-E：出錯指示亮燈（CPU出錯）eq\o\ac(○,13)鋰電池接線插座eq\o\ac(○,14)另選存儲器濾波器安裝插座eq\o\ac(○,15)功能擴展板安裝插座eq\o\ac(○,16)內(nèi)置RUN/STOP開關eq\o\ac(○,17)編程設備、數(shù)據(jù)存儲單元接線插eq\o\ac(○,18)產(chǎn)品型號指示3.5編程軟件的操作界面①進入三菱可編程控制器編程軟件界面如圖3.5.1所示。②若是要編寫新的程序，則點擊“新文件”快捷按鈕，并選擇PLC類型，如圖3.5.2所示；若不是新程序，則點擊“打開”快捷按鈕，打開原有文件。新文件新文件功能圖圖3.5.1三菱PLC編程界面圖圖3.5.2選擇機型圖3.5.4選擇寫出圖3.5.3選擇端口③把可編程序控制器面板上的“選擇開關”放置在“調(diào)試”位置上，選擇電腦端口見圖3.5.3所示。④點擊“PLC”菜單，選擇“傳送”及圖3.5.4選擇寫出圖3.5.3 ⑥把可編程序控制器面板上的“選擇開關”放置在“運行”位置上。點擊“監(jiān)控”單，選擇“開始監(jiān)控”子菜單。⑦按下“開始”按鈕，電腦程序監(jiān)控界面上，凡是通電或是接通的元件都顯示綠色。第4章變頻器4.1變頻器調(diào)速的基本原理變頻器的調(diào)速原理是通過改變電動機的定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)交流電動機調(diào)速的一種方法，變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬，平滑性好，具有優(yōu)良的動，靜態(tài)特性，是一種理想的高效率，高性能的調(diào)速手段。根據(jù)電機學原理可知，交流電動機的同步轉(zhuǎn)速.而且價格比較便宜,具有良好的發(fā)展前景.4.2變頻器的簡介變頻技術是建立在電力電子技術基礎之上的。目前，采用溝道型柵極技術、非穿通技術等方法大幅度降低了集電極一發(fā)射極之間的飽和電壓。第四代IGBT的應用使變頻器的性能有了很大的提高。其一是ICBT開關器件發(fā)熱減少。其二是高載波控制，使輸出電流波形有明顯改善；其三是開關頻率提高；其四是驅(qū)動功率減少，體積趨于更小。目前，在模塊額定由流10－600A范圍內(nèi)，通用變頻器，其優(yōu)點是：（l）開關速度快，驅(qū)動電流小，控制驅(qū)動更為簡單。（2)內(nèi)含電流傳感器可以迅速地檢測出過電流和短路電流，故障率大大降低。（3）由于在器件內(nèi)部電源電路和驅(qū)動電路的配線設計上做到優(yōu)化，所以浪涌電壓，門極振蕩，噪聲引起的干擾等問題能有效得到控制。（4）保護功能較為豐富，如電流保護、電壓保護、溫度保護一應俱全，隨著技術的進步，保護功能將進一步日臻完善。為此經(jīng)濟型的民用品如家用空調(diào)變頻器，冰箱變頻器、洗衣機變頻器中得到應用。日本三菱電機最近開發(fā)的專用智能模塊ASIPM將不需要外接光耦，通過內(nèi)部自舉電路可單電源供電并采用了低電感的封裝技術，在實現(xiàn)系統(tǒng)小型化，專用化，高性能，低成本方面又推進了一步。變頻器是運用近代電力電子與微電腦控制技術的一項新興產(chǎn)品。其用途在于借著它改變供電頻率，來控制電機轉(zhuǎn)速，進而達到提升機械自動化程度與節(jié)約能源的目的。通過個品牌變頻器的產(chǎn)品特點.驅(qū)動回路.控制方式.輸出頻率范圍等的選擇和比較我選用三菱FR-A500系列變頻器。4.3FR－A500系列-多功能、通用型變頻器介紹圖4.3.11產(chǎn)品特點：不均勻旋轉(zhuǎn)與普通三菱變頻器比較，幅度小于原先的一半（在1KHz時）。功率范圍：0.4--800KW（三相380VFR-A540（L）系列）；實現(xiàn)更低噪音運行；2智能驅(qū)動回路

采用直接監(jiān)視并控制主回路的智能驅(qū)動回路，使低速時不均勻旋轉(zhuǎn)得到大幅度的改善。圖4.3.2接線圖:見圖4.3.3圖4.3.34.3.1頻率給定的方式與選擇要調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，必須首先向變頻器提供改變頻率的信號，這個信號，稱為頻率給定信號，也有稱為頻率指令信號或頻率參考信號的。通過面板上的鍵盤或電位器進行頻率給定的方式，稱為面板給定方式，見圖4.3.2,面板給定又有兩種情況:鍵盤給定頻率的大小通過鍵盤上的升鍵(▲鍵)和降鍵(q鍵)來進行給定。(b)電位器給定部分變頻器在面板上設置了電位器。頻率大小可以通過電位器來調(diào)節(jié)。圖4.3.4從外接輸入端子輸入頻率給定信號，來調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率的大小，稱為外部給定，或遠控給定,見圖4.3.4。主要的外部給定方式有通過外接給定端子從變頻器外部輸入模擬量信號(電壓或電流)進行給定，并通過調(diào)節(jié)給定信號的大小來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率。模擬量給定信號的種類有:電壓信號,電流信號。數(shù)字量給定時頻率精度較高;通常用觸點操作，非但不易損壞，且抗干擾能力強。優(yōu)先選擇電流信號。因為電流信號在傳輸過程中，不受線路電壓降、接觸電阻及其壓降、雜散的熱電效應以及感應噪聲等等的影響，抗干擾能力較強，但由于電流信號電路比較復雜，故在距離不遠的情況下，以選用電壓給定方式居多。預置給定信號的上、下限值。給定信號的最大限值用Xmax表示;最小限值用Xmin表示，也可以用百分數(shù)Xmin％來表示，預置給定頻率的上、下限值。給定信號可“－”可“＋”，正信號控制正轉(zhuǎn)，負信號控制反轉(zhuǎn)。4.3.2轉(zhuǎn)速公式理想的轉(zhuǎn)速為n＝60f∕p異步電動機的轉(zhuǎn)速n＝60f﹝1-s﹞／p式中，f為定子頻率，p為電動機對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率。4.3.3變頻器的速度段的真值表速度段1234567RL1001101RM0101011RH0010111該變頻器共有七段調(diào)速,本文采用其中的兩段即第一段與第三段的速度。當RL為1時為正常進給的速度,當RH為1時為快速進給。由此可由轉(zhuǎn)速算的所需的頻率。頻率可在變頻器上設定。 第5章X6132銑床的PLC改造過程5.1根據(jù)原理圖（圖1.2）列出輸入輸出地址表：輸入元件輸入地址名稱及用途輸入元件輸出地址名稱及用途SA3X3冷卻泵組合開關KM1Y0主軸啟動接觸器SA4X4換刀組合開關KM2Y1控制冷卻泵接觸器SA5X5圓工作臺組合開關KM3Y2正轉(zhuǎn)接觸器SB1X6主軸電動機停止按鈕KM4Y3反轉(zhuǎn)接觸器SB2X7主軸電動機停止按鈕KM5Y4快速進給控制接觸器SB3X10快速進給點動按鈕KM6Y5主軸制動電磁接觸器SB4X11快速進給點動按鈕KM7Y6正常進給速度SB5X12主軸啟動按鈕KM8Y7快速進給速度SQ1X13向右位置開關KM9Y10變頻器正轉(zhuǎn)SQ2X14向左位置開關KM10Y11變頻器反轉(zhuǎn)SQ3X15向后、上位置開關SQ4X16向前、下位置開關SQ5X17進給沖動位置開關SQ6X20主軸沖動位置開關根據(jù)原理圖與輸入輸出地址表畫出梯形圖。見附錄一5.2根據(jù)原理圖（圖1.2）畫出狀態(tài)流程圖主軸沖動按下SB5主軸啟動主軸沖動按下SB5主軸啟動扳動SA5圓工作臺做旋轉(zhuǎn)運動扳動SA5圓工作臺做旋轉(zhuǎn)運動拉動蘑菇按鈕作進給運動扳動SA3啟動冷卻泵扳動手柄作進給運動按下快速按鈕作快速進給拉動蘑菇按鈕作進給運動扳動SA3啟動冷卻泵扳動手柄作進給運動按下快速按鈕作快速進給按下停止按鈕或SA4主軸制動5.3根據(jù)原理圖畫出PLC的硬件連接圖5.4程序原理的解釋本文通過原理圖來編寫程序，當按下主軸電動機啟動按鈕X12，主軸電動機M1啟動，主軸按預定方向，帶動銑刀轉(zhuǎn)動。在PLC的外圍設備硬件上添加110V的交流電。PLC上的輸出，即Y1燈亮，KM1線圈對應得電同時Y1自鎖。當按下停止按鈕X6或X7時Y1失電，PLC上線路失電，導致KM1線圈失電，主軸電動機M1停止。為使主軸能迅速制動，控制電路采用電磁離合器YC3進行主軸的停車制動。工作臺還可以在6個方向上作直線運動，即工作臺在回轉(zhuǎn)盤上的左右運動；工作臺與回轉(zhuǎn)盤隨滑板的前后運動；升降臺在床身的垂直導軌上的上下運動。這些進給運動是通過兩個手柄、快速移動按鈕（X3、X4）、還有通過變頻器的調(diào)速使用來控制進給速度?？焖龠M給使的PLC的輸出Y5得電從而控制硬件KA1線圈。正反轉(zhuǎn)與速度控制由PLC的輸出Y22與Y23的得失電來控制變頻器的正反轉(zhuǎn)即STF，STR。而正常的進給速度與快速進給是通過控制PLC的輸出Y20與Y21的得失電輸出來控制，從而控制變頻器的RLRH再由變頻器來控制電機的速度即銑床的正常進給速度與快速進給速度。從而使的進給電動機M3正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)工作臺的常速運行或快速移動。并且它們6個方向是互相連鎖的，不能同時進行。常速正轉(zhuǎn)時，PLC的輸出Y20與Y22得電來控制變頻器的輸入RL（正常速度）與STF（正轉(zhuǎn)）；從而控制電機的速度。常速反轉(zhuǎn)時是PLC的輸出Y20與Y23得電來控制變頻器的正常速度（RL）與變頻器的反轉(zhuǎn)（STR）?？焖俜崔D(zhuǎn)時PLC的輸出Y21與Y23來控制變頻器的快速進給速度（RH）與反轉(zhuǎn)（STR）；快速正轉(zhuǎn)時PLC的輸出Y21與Y22來控制變頻器的快速進給（RH）與正轉(zhuǎn)（STF）。當主軸啟動后冷卻泵電機（M2）才能啟動。前提下是PLC的內(nèi)部程序運行下使得PLC的輸出Y2得電才能使得硬件接