基于PLC及變頻器的B2012A龍門刨床改造

課程設(shè)計任務(wù)書題目專業(yè)、班級學(xué)號0902120239姓名zhao主要內(nèi)容:工作臺變頻調(diào)速及PLC控制刀架變頻器調(diào)速及PLC控制橫梁及輔助運動控制課程設(shè)計總結(jié)根本要求:龍門刨床的工藝加工方法不變在保存主電路的原有原件根底上，不改變原控制系統(tǒng)操作方法電氣控制系統(tǒng)控制元件(包括按鈕、行程開關(guān)、熱繼電器、接觸器)，作用與原電氣線路相同主軸和進給起動、制動和變速的操作方法不變改造原繼電器控制中的硬件接線，改為PLC編程實現(xiàn)主要參考資料：劉洪濤，黃?！禤LC應(yīng)用開發(fā)從根底到實踐》，北京：電子工業(yè)出版社，2007年盧偉岸《大型龍門刨床電控系統(tǒng)的研制》，[學(xué)位論文]，武漢，中南大學(xué)，2004年3.向六昭《龍門刨床電氣控制系統(tǒng)的改造設(shè)計》，載《中國西部科技》2023年第10期4.李發(fā)海，王巖《電機與拖動根底》，北京:清華大學(xué)出版社,2005年5.蔡紅斌《電氣與PLC控制技術(shù)》，北京：清華大學(xué)出版社，2007年6.FR-A740變頻器用戶手冊完成期限：指導(dǎo)教師簽名：課程負責(zé)人簽名：年月日目錄1.龍門刨床運動形式及改造要求1龍門刨床結(jié)構(gòu)及運動形式1龍門刨床電氣控制改造目的及意義2龍門刨床電氣控制改造總體要求3龍門刨床電氣控制改造方案42.工作臺變頻調(diào)速及PLC控制5工作臺運動及調(diào)速要求5工作臺調(diào)速方案7工作臺電氣控制輸入、輸出確定8工作臺電氣控制接線圖93.刀架變頻調(diào)速及PLC控制12刀架運動及調(diào)速要求12刀架調(diào)速方案12刀架電氣控制輸入、輸出確定13刀架電氣控制接線圖14刀架PLC電氣控制程序154.橫梁及輔助運動控制16橫梁運動形式及拖動方式16油泵控制16銑磨頭變頻調(diào)速控制方案16橫梁及其它輔助運動電氣控制輸入、輸出確定17橫梁及其它輔助運動PLC控制原理圖18橫梁及其它輔助運動控制程序195.課程設(shè)計總結(jié)20龍門刨床電氣控制改造意義與可行性分析20龍門刨床電氣控制改造效果和解決的主要問題20心得體會與建議20結(jié)束語211.龍門刨床運動形式及改造要求龍門刨床結(jié)構(gòu)及運動形式龍門刨床主要由七局部組成，如圖1所示。其中床身為箱體型零件，其上有V形導(dǎo)軌。工作臺安放在床身上，工作臺下面有斜齒條與傳動機構(gòu)齒輪相嚙合，可作往復(fù)運動。橫梁用于安裝垂直刀架，刨削加工時嚴禁動作，只在工作臺停止運動時才能移動，以調(diào)整刀架高度。兩個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或工作進給。左右側(cè)刀架及進給箱可沿立柱導(dǎo)軌上下快速移動或自動進給。圖1龍門刨床B2023A的組成：圖2龍門刨床結(jié)構(gòu)示意圖從圖2中所示，運動形式主要有工作臺的往復(fù)運動，刀架的移動為進給運動。橫梁上的刀架，可在橫梁導(dǎo)軌上作橫向進給運動，以刨削工作的水平面；立柱上的側(cè)刀架，可沿立柱導(dǎo)軌作垂直進給運動，以刨削垂直面。刀架亦可偏轉(zhuǎn)一定角度以刨削斜面。橫梁可沿立柱導(dǎo)軌上下升降，以調(diào)節(jié)刀具和工件的相對位置。龍門刨床電氣控制改造目的及意義今天繼電器已應(yīng)用到家庭及工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。他們比以往的產(chǎn)品具有更高的可靠性。但是，這也是隨之帶來的一些問題。如絕大多數(shù)控制繼電器都是長期磨損和疲勞工作條件下進行的，容易損壞。而且繼電器的觸點容易產(chǎn)生電弧，甚至?xí)墼谝黄甬a(chǎn)生誤操作，引起嚴重的后果。再者，對一個具體使用的裝有上百個繼電器的設(shè)備，其控制箱將是龐大而笨重的。在全負荷運載的情況下，大的繼電器將產(chǎn)生大量的熱及噪聲，同時也消耗了大量的電能。并且繼電器控制系統(tǒng)必須是手工接線、安裝，如果有簡單的改動，也需要花費大量時間及人力和物力去改制、安裝和調(diào)試。傳統(tǒng)的龍門刨床控制系統(tǒng)可靠性差、維護困難、加工質(zhì)量及生產(chǎn)效率低。如今PLC技術(shù)的不斷開展，用PLC設(shè)計電氣控制系統(tǒng)是簡便可行的方法。本次用PLC設(shè)計龍門刨床的電氣控制系統(tǒng)，不但滿足了所需的各種控制要求，在保存原始控制功能的前提下，還具有結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定和便于維護等特點。特別是其硬件簡單可靠，軟件豐富靈活，運行效果好。對促進企業(yè)的技術(shù)進步具有一定意義。龍門刨床電氣控制改造總體要求根據(jù)龍門刨床的生產(chǎn)工藝特點，對自動控制系統(tǒng)提出如下要求：1.調(diào)速范圍寬，龍門刨床工作時既要求能適應(yīng)不同刀具，又要求具有經(jīng)濟的切削速度。例如A系列龍門刨床最低刨削速度是ｍ／ｍｉｎ，最高刨削速度是90ｍ／ｍｉｎ，調(diào)速范圍為20：1。龍門刨床的調(diào)速采取兩級齒輪變速箱的機電聯(lián)合調(diào)速方法，即45ｍ／ｍｉｎ以下為低速擋，45ｍ／ｍｉｎ以上為高速擋；2.靜差度小。龍門刨負載變動時，要求工作臺速度的變化不超過允許范圍，驅(qū)動電動機要有較硬的機械特性。因此靜差率一般要求為～，B2023A型刨床為；3.具有較高的切削速度和足夠的切削力；4.在低速范圍內(nèi)，切削力根本保持恒定；5.能單獨調(diào)整工作行程與返回行程速度，且返回速度高于工作速度；6.工作臺的運行速度能自動調(diào)整，在刀具切入與切出工件時，自動地減速；7.工作臺運動方向應(yīng)迅速而平滑地改變，動態(tài)品質(zhì)好；8.操作簡單，節(jié)省輔助工時，工作臺要有可靠地自半動往復(fù)循環(huán)，調(diào)速時不必停車；9.平安可靠，為提高加工外表的精度，工作臺反向時應(yīng)迅速、平穩(wěn)、沖擊??；10.驅(qū)動效率高，耗電量??；11.系統(tǒng)簡單，易于修理和維護；12.通用化程度高，本錢低；13.進刀機構(gòu)要求：(1〕進刀準確；(2〕線路簡單；(3〕工作可靠；進刀機構(gòu)可分為：膨脹環(huán)，擺桿機構(gòu)等機械傳動；精到繼電器控制；磁電機進刀控制；步進電機進刀的數(shù)字控制；晶體管延時進刀控制；計數(shù)管進刀控制和直流電動機進刀控制；14.抬刀機構(gòu):(1〕線路和結(jié)構(gòu)簡單；(2〕足夠的抬刀高度；抬刀機構(gòu)有：電磁鐵抬高；電機旋轉(zhuǎn)抬高；電機垂直位移抬刀；電磁鐵抬刀的優(yōu)點是線路和結(jié)構(gòu)簡單。缺點是抬刀角度較小，一般只有15°左右。龍門刨床電氣控制改造方案基于以上分析，我們采用PLC和變頻器對其進行改造。工作臺的主運動只需一臺59KV··A小變頻器分別控制垂直刀架和左右側(cè)刀架3臺2.2KW異步電動機，實現(xiàn)無級調(diào)速，形成了新的進給系統(tǒng)，使進刀量準確，提高了加工精度。另外增加一個11KW的變頻器控制銑刀頭，作為附加組件。系統(tǒng)圖如圖3所示。圖3龍門刨床變頻調(diào)速系統(tǒng)圖2.工作臺變頻調(diào)速及PLC控制工作臺運動及調(diào)速要求采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以通過靈活的預(yù)置恒轉(zhuǎn)矩與恒功率調(diào)速的轉(zhuǎn)換點，使調(diào)速系統(tǒng)的特性更好地滿足龍門刨床主拖動負載的調(diào)速特性要求，進而降低主拖動電動機的設(shè)計功率。調(diào)速范圍可以到達40:1，靜差度小于3%，更換不同的工作組件就可使刨床一機多用。為了提高加工精度，工作臺的速度不隨切削量的變化而變化，自動調(diào)速，到達速度曲線的要求，提高了加工質(zhì)量與效率。如圖4所示。圖4變頻調(diào)速的機械特性工作臺行程速度：〔1〕刨削：5~70m/min。；〔2〕銑削：0.08~2m/min；〔3〕磨削：1~3m/min；調(diào)速方案：〔1〕各段速度確定；〔2〕電動機的選擇：原刨臺電動機的數(shù)據(jù)、電動容量及選型、變頻器容量及選型、空氣開關(guān)、接觸器、制動電阻；〔3〕控制要求；1.工作臺正向運動〔1〕正向步進：點動，中速；〔2〕正向前進：自鎖，高速；〔3〕工作臺前進減速:自鎖，低速；〔4〕工作臺后退到位后自動換向；控制要求：總停、工作臺停、油泵故障停、自動停。2.工作臺反向運動〔1〕反向前進：自鎖，高速；〔2〕工作臺后退減速:自鎖，低速；〔3〕工作臺前進到位后自動換向；控制要求：總停、工作臺停、油泵故障停、自動停。其中0-a工作臺前進起動階段a-b刀具慢速切入階段；b-c加速至穩(wěn)定工作速度c-d工作速度階段d-e減速退出工件階段f-l返回階段慢速切入切出，即防止崩壞工件又可以提高刀具使用壽命。高速切削、返回以提高加工效率。工作臺調(diào)速方案工作臺往復(fù)循環(huán)中的速度變化。為防止刀具切人工件時的沖擊，工作臺開始前進時速度較慢，以使刀具慢速切人工件，而后再增加到規(guī)定速度。在工作臺前進與后退的末尾，工作臺能自動減速，以使刀具慢速離開工件，防止工件邊緣剝落，同時可減少工作臺反向時的超程和對電動機、機械的沖擊。當工作臺速度低于lOm/min時，減速環(huán)節(jié)不起作用。龍門刨床工作臺的工藝流程由PLC控制主變頻器驅(qū)動交流電動機來實現(xiàn)。刨床工作臺自動、手動進〔退〕、點動、換向、速度變換，垂直刀架和左右刀架的自動進給及人工快速移動的控制，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軟件來實現(xiàn)[4]。前進和后退速度及加、減速時間可以任意調(diào)節(jié)。為方便操作，在控制柜面板上裝有床身運動速度顯示及各種運行指示及報警信號，并且操作箱完全符合原操作習(xí)慣。工作臺控制的主程序流程圖如圖5所示。圖5工作臺控制主程序流程圖1.變頻調(diào)速的指標〔1〕工作臺行程速度〔配刨、銑變速箱〕。1)刨削：5～70m／min無級調(diào)速。2)銑削：～2m／min無級調(diào)速。3)磨削：1～3m／min無級調(diào)速。工作臺移動電機選用四極三相交流55kw電機，額定轉(zhuǎn)速為1440轉(zhuǎn)/分，變頻器選擇FR-A740-55k-CHT。變頻器相關(guān)設(shè)置如表1表1：工作臺變頻器設(shè)置Pr01轉(zhuǎn)矩提升Pr9150A過流保護Pr160Hz上限頻率Pr130.5Hz啟動頻率Pr350Hz基底頻率Pr793組合操作Pr450Hz高速Pr710電機選擇Pr535Hz中速Pr8055kw電機容量Pr610Hz低速Pr814電機極數(shù)Pr74s加速時間Pr83380v額定電壓Pr82s減速時間Pr8450Hz額定頻率工作臺電氣控制輸入、輸出確定表2：變頻器開關(guān)SB0X0后退減速SQ3X13變頻器運行BCX1前進終端SQ5X14變頻器故障ACX2后退終端SQ6X15工作臺前進SB9X3變頻器繼電器KMY0工作臺步進SB10X4變頻器運行顯示HL1Y1工作臺停止SB11X5變頻器故障顯示HL2Y2工作臺點進SB8X6變頻器正轉(zhuǎn)輸入STFY3工作臺點退SB12X7變頻器反轉(zhuǎn)輸入STRY4前進換向SQ2X10變頻器高速RHY5后退換向SQ4X11變頻器中速RMY6前進減速SQ1X12變頻器低速RLY7工作臺電氣控制接線圖工作臺PLC電氣控制程序3.刀架變頻調(diào)速及PLC控制刀架運動及調(diào)速要求1．刀架既可以自動進給，也可以TLE4241G快速移動，由進刀箱上的機械手柄的位置來決定。快速移動與自動進給不能同時進行。2．自動進給在每次刨臺后退結(jié)束時進行，進刀量的多少由機械機構(gòu)控制。3．在刨臺自動循環(huán)時，刀架不能快速移動。4．刀架的移動都有限位控制。5．刀架在切削完畢、返回之前，必須“抬刀〞，以免刨刀在返回過程中在工件上留下劃痕，影響光潔度。抬刀動作由抬刀電磁鐵來完成。刀架調(diào)速方案由于變頻器能夠準確地控制運行頻率和升降時間，而PLC又計時精確，所以，利用PLC配合變頻器控制進刀量，不但簡化了系統(tǒng)的機械機構(gòu)，還能控制進刀量的精度。因此，采用垂直刀架和左、右側(cè)刀架分別由變頻器驅(qū)動進刀電動機實現(xiàn)進刀量的無級調(diào)速方案。1．刨刀架進給量范圍?！?)垂直刀架：垂直方向為～25mm／次；水平方向為～50mm／次?！?)側(cè)刀架：垂直方向為～50mm／次。刀架移動電機選用四極三相交流1.5kw電機，額定轉(zhuǎn)速為1440轉(zhuǎn)/分，變頻器選擇FR-A740--CHT。變頻器相關(guān)設(shè)置如表3表3：刀架變頻器設(shè)置Pr01轉(zhuǎn)矩提升Pr94A過流保護Pr1120Hz上限頻率Pr130.5Hz啟動頻率Pr350Hz基底頻率Pr793組合操作Pr450Hz高速Pr710電機選擇Pr525Hz中速Pr80電機容量Pr610Hz低速Pr814電機極數(shù)Pr74s加速時間Pr83380v額定電壓Pr82s減速時間Pr8450Hz額定頻率刀架電氣控制輸入、輸出確定表4：變頻器1開關(guān)SB1X16變頻器1故障顯示HL5Y12變頻器2開關(guān)SB2X17變頻器2故障顯示HL6Y13變頻器1運行BC1X20變頻器1繼電器KM1Y14變頻器2運行BC2X21變頻器2繼電器KM2Y15變頻器1故障AC1X22左側(cè)刀架繼電器KM3Y16變頻器2故障AC2X23右側(cè)刀架繼電器KM4Y17左側(cè)刀架開關(guān)SA5X24垂直刀架繼電器KM5Y20右側(cè)刀架開關(guān)SA6X25變頻器1正轉(zhuǎn)輸入STFY21垂直刀架開關(guān)SA7X26變頻器1反轉(zhuǎn)輸入STRY22電磁閥下刀SQ4X11變頻器1高速RHY23電磁閥抬刀SQ2X12變頻器1中速RMY24左側(cè)刀架退刀SB5X27變頻器1低速RLY25右側(cè)刀架退刀SB4X30變頻器2正轉(zhuǎn)輸入STFY26垂直刀架退刀SB3X31變頻器2反轉(zhuǎn)輸入STRY27左側(cè)退刀限位SQZX32變頻器2高速RHY30右側(cè)退刀限位SQYX33變頻器2中速RMY31垂直退刀限位SQCX34變頻器2低速RLY32變頻器1運行顯示HL3Y10電磁閥輸出YAY33變頻器2運行顯示HL4Y11刀架電氣控制接線圖刀架PLC電氣控制程序4.橫梁及輔助運動控制4.1橫梁運動形式及拖動方式橫梁有放松、夾緊及上、下移動等動作。橫梁上、下移動那么是由橫梁升降電動機來完成的。只有工作臺停止工作時，才能使橫梁控制電路工作。如果需要橫梁上、下移動時，在電路中自動地使橫梁先放松后移動，如按下按鈕站上的橫梁上升按鈕SB6時，使橫梁放松接觸器KM11線圈通電，使橫梁放松夾緊電動機工作，橫梁逐漸放松。橫梁放松時，行程開關(guān)SQ10閉合，因此KM8線圈斷電，橫梁放松完畢。當按下橫梁下降按鈕SB7時，亦是橫梁先放松然后下降，下降到所需位置時，松開SB7按鈕，這時除了加緊電動機開始工作外，尚有消除絲杠和螺母間隙的橫梁稍許上升的動作。油泵控制油泵只有簡單的起?？刂?，本次設(shè)計油泵獨立于其它運動形式，但當油泵油壓不正常時工作臺變頻器不能帶電，故其它運動也無法實現(xiàn)。銑磨頭變頻調(diào)速控制方案〔1〕銑頭主軸轉(zhuǎn)速：72～540r／min無級調(diào)速?！?〕刨刀架橫銑速度：～／min無級調(diào)速?！?〕刨刀架縱銑速度：～／min無級調(diào)速?！?〕靜差度≤3%〔低速時〕?！?〕換向距離≤250nun。2．銑磨用電機銑磨電機選用六極三相交流電機，額定轉(zhuǎn)速為940轉(zhuǎn)/分，因涉及到調(diào)速，變頻器選用FR-A740--CHT，油泵及風(fēng)機因不涉及調(diào)速仍使用原有電機。變頻器設(shè)置如表5表5：磨銑變頻器設(shè)置Pr01轉(zhuǎn)矩提升Pr9過流保護Pr160Hz上限頻率Pr130.5Hz啟動頻率Pr350Hz基底頻率Pr794組合操作Pr450Hz高速Pr710電機選擇Pr535Hz中速Pr80電機容量Pr615Hz低速Pr816電機極數(shù)Pr74s加速時間Pr83380v額定電壓Pr82s減速時間Pr8450Hz額定頻率橫梁及其它輔助運動電氣控制輸入、輸出確定表6：變頻器3開關(guān)SB12X35變頻器3故障顯示HL8Y35變頻器3運行BC3X36變頻器3繼電器KM6Y36變頻器3故障AC3X37油泵繼電器KM7Y37油泵開關(guān)SB13X40橫梁上升繼電器KM8Y40橫梁上升SB6X41橫梁下降繼電器KM9Y41橫梁下降SB7X42橫梁夾緊繼電器KM10Y42橫梁夾緊限位SQ10X43橫梁放松繼電器KM11Y43磨銑開關(guān)SA8X44變頻器3轉(zhuǎn)輸入STFY44磨銑正傳SB12X45變頻器3反轉(zhuǎn)輸入STRY45磨銑反轉(zhuǎn)SB12X46變頻器3低速RLY46變頻器3運行顯示HL7Y344.5橫梁及其它輔助運動PLC控制原理圖圖6橫梁運動電機接線圖4.6橫梁及其它輔助運動控制程序5.課程設(shè)計總結(jié)龍門刨床電氣控制改造意義與可行性分析傳統(tǒng)的龍門刨床控制系統(tǒng)可靠性差、維護困難、加工質(zhì)量及生產(chǎn)效率低。如今PLC技術(shù)的不斷開展，用PLC設(shè)計電氣控制系統(tǒng)是簡便可行的方法。本次用PLC設(shè)計龍門刨床的電氣控制系統(tǒng)，不但滿足了所需的各種控制要求，在保存原始控制功能的前提下，還具有結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定和便于維護等特點。特別是其硬件簡單可靠，軟件豐富靈活，運行效果好。對促進企業(yè)的技術(shù)進步具有一定意義。龍門刨床電氣控制改造效果和解決的主要問題從電動機調(diào)速理論可知，假設(shè)采用變頻調(diào)速，在頻率低于額定頻率時，電動機調(diào)速具有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性，而在高于額定頻率區(qū)，電動機電壓不能升高，具有恒功率輸出特性。比擬可知，采用變頻調(diào)速時，電動機的機械特性曲線剛好與刨臺的運動所對應(yīng)的特性曲線相符。因此，適宜于采用變頻調(diào)速對龍門刨床主運動系統(tǒng)進行改造，并使電動機的工作頻率適當提高至額定頻率以上。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(yīng)的存儲器容量、機架、母板等也要相應(yīng)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(yīng)充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。心得體會與建議時間過的很快，經(jīng)過半個月的學(xué)習(xí)和工作，我的畢業(yè)設(shè)計終于完成了。在這段時間中，我曾遇到過很多不同的問題，幸好好老師和同學(xué)悶得熱心幫助，這些問題都能很快的得到解決。在這份畢業(yè)設(shè)計完成之時，我也從這一過程中學(xué)到了很多知識。首先，在我們這以小組接受這一畢業(yè)設(shè)計課題任務(wù)時，我們遇到的第一問題就是我們對龍門刨床的了解程度遠遠不及課程的要求。對其的改造就更不用說了。為了快速的學(xué)習(xí)掌握龍門刨床方面的知識