龙门刨床电气控制系统设计.doc

龙门刨床电气控制系统设计龙门刨床电气控制系统设计 茹亮 摘 要 目前中国在世界上是机床消费的第一大国，并正在由制造大国向制造强国发 展，数控机床是制造业的关键设备，数控维修和改造正在成为制造业的新兴产业， 其产生和发展有着深刻的社会背景和经济背景。 （1）我国现有数以万计的陈旧落后的机床，这些是机床大修和数控化改造 业赖以生存的现实基础之一。 （2）20 世纪进口的大量二手数控设备已进入维修和改造的高峰期。 （3）机床及数控设备造价高昂，显著的经济效益是数控改造行业发展的动 力，一般改造的费用仅为购置新设备费用的 30%左右。 （4）通过数控改造可以进一步满足用户对设备的工艺要求以获取更大的效 益。 本文目的就是对龙门刨床进行 PLC 改造，提高其工作的效率。PLC 作为一种 新型的控制装置与传统的继电器控制系统相比具有时间响应快、可靠性好、控制 程序可随工艺改变、易与计算机连接、维修方便、体积小、重量轻和功耗底等诸 多高品质与功能。从而减少其维修时间，提高其工作效率。对于电气车间龙门刨 床 PLC 的研究和实际应用都具有非常高的价值。 关键词：龙门刨床,改造,数控化,PLC Electrical control system design of Planning machine Abstract At present China is the worlds largest machine tool consumer and is manufactured by the manufacturing power to power the development of CNC machine tools is the key to manufacturing equipment, maintenance and improvement of numerical control manufacturing is becoming an emerging industry, its emergence and development of There is a profound social background and economic background. (1) tens of thousands of Chinas current outdated and backward in mind the machine, these are major repairs and CNC machine tool industry in the transformation of the reality of survival one of the bases. (2) 20th century, a large number of imported second-hand CNC equipment has entered the maintenance and improvement of the peak. (3) And CNC machine tool equipment will cost a significant transformation of the economic benefits of the NC driving force for the development of the industry, the general transformation of the cost of the acquisition of new equipment only costs about 30%. (4) Through the NC can be further modified to meet user requirements for process equipment in order to obtain greater benefits. The purpose of this paper is the transformation of double-housing planer to PLC to enhance the efficiency of its work. PLC as a new type of control device with the traditional relay control systems with fast response time, reliability, and control procedures may change with technology, easy computer connectivity, easy maintenance, small size, light weight and power consumption at the end of and many other high- quality and function. So as to reduce their maintenance time and improve their work efficiency. Workshop for the electrical double-housing planer PLC research and practical applications have very high value. Key words: Gantry planer, alteration, NC, PLC 目目 录录 1 绪论 .1 1.1 龙门刨床简介.1 1.1.1 龙门刨床定义 .1 1.1.2 龙门刨床的分类 .1 1.1.3 龙门刨床的工作情况 .1 1.2 PLC 简介 .2 1.2.1 PLC 简述.2 1.2.2 PLC 定义.2 1.2.3 PLC 的发展历程.3 1.2.4 PLC 的构成.3 1.2.5 PLC 的特点.3 1.2.6 PLC 分类.3 1.2.7 PLC 应用.4 1.3 设计的提出和主要工作.5 2 龙门刨床电气控制电路解析 .6 2.1 刀架控制电路.6 2.2 横梁控制电路.6 2.3 工作台控制电路.6 2.4 龙门刨床的主回路设计及变频器的选择.7 2.4.1 龙门刨床电力拖动系统主回路设计 .7 2.4.2 主拖动电机的选型 .8 2.4.3 变频器的选择 .8 3 控制程序设计分析及故障控制分析 .15 3.1 控制程序设计分析.12 3.1.1 工作台控制程序设计分析 .12 3.1.2 风机油泵控制程序设计分析 .12 3.1.3 横梁升降控制程序设计分析 .12 3.1.4 刀架运行控制程序设计分析 .13 3.2 故障控制分析.13 3.2.1 综述 .13 3.2.2 辅助设备常见故障及措施 .13 3.2.3 工作台常见故障及措施 .13 3.2.4 横梁常见故障及措施 .13 4 龙门刨床 PLC 控制系统组成 .14 4.1 龙门刨床运动特点.14 4.2 PLC 的类型的选定 .14 4.3 工作台控制流程图与程序设计.14 5 结论 .23 6 谢辞 .24 7 参考文献 .25 1 1 绪论绪论 1.11.1 龙门刨床简介龙门刨床简介 1.1.1 龙门刨床定义 龙门刨床是用来刨削大型零件（如箱体）的刨床。对中、小型零件，也可以 一次装夹几个零件，用几把刨刀同时进行刨削。龙门刨床主要由床身、立柱、横 梁、工作台、两个垂直刀架、两个侧刀架等组成。龙门刨床是机械工业的主要工 作母机之一，在工业生产中占据重要的地位。刨床可分粗加工和精加工水平面、 垂直面、倾斜面以及各种平面组合的导轨面，还可更换磨头和铣削装置，对被加 工零件进行铣削和磨削加工。 1-右侧刀架 ; 2-横梁； 3-右立柱； 4-顶梁； 5-垂直右刀架； 6-垂直左刀架; 7-左立柱； 8-左侧刀架； 9-工作台； 10-机座 图 1.1 龙门刨床示意图 1.1.2 龙门刨床的分类 按刨床的结构特征可分为二类：牛头刨床、龙门刨床和插床。其应用范围各 有不同。 1.1.3 龙门刨床的工作情况 进行加工时，工件装在工作台上，工作台沿床身导轨作直线往复运动。横梁 上的垂直刀架和立柱上的侧刀架都可以垂直或水平进给。刨削斜面时，可以将垂 直刀架转动一定的角度。当刨削高度不同的工件时，可调整横梁在立柱上的高低 位置。 t2t3t4t5 高速空车返回 后退减速 t v 低速切入前进加工低速切出 t1 图 1.2 龙门刨床工作台自动运行图 刨削方法必须针对不同表面加以制定，而且不同的表面应用不同刨刀才能加 工。刨刀常用的有平面刨刀、偏刀、角度偏刀、切刀、成形刨刀等几种。按所刨 平面倾斜方向不同，又可将偏刀分为左、右偏刀。 1.21.2 PLCPLC 简介简介 1.2.1 PLC 简述 多年来，可编程控制器（以下简称 PLC）从其产生到现在，实现了接线逻辑 到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应 用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控 制等各种任务的跨越。今天的 PLC 在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的 各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥 着越来越大的作用。 1.2.2 PLC 定义 PLC 可编程序控制器：PLC 英文全称 Programmable Logic Controller ,中文 全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业 环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻 辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模 拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 1.2.3 PLC 的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作， 并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上， 这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 GM（通用汽车）公 司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电 路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一 代可编程序控制器，称 Programmable Controller（PC） 。 个人计算机（简称 PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的 功能特点，可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller（PLC） ，现 在，仍常常将 PLC 简称 PC。 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持 为 3040%。在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力 和网络能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了 在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。 1.2.4 PLC 的构成 从结构上分，PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC 包括 CPU 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的 整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这 些模块可以按照一定规则组合配置。 1.2.5 PLC 的特点 为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC 有以下特点： 1可靠性高，抗干扰能力强。 2通用性强，控制程序可变，使用方便 PLC 品种齐全的各种硬件装置，可 以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户 在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变 PLC 的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC 除应用于单机控制外，在 工厂自动化中也被大量采用。 3功能强，适应面广。现代 PLC 不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制 等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、 记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。 4编程简单，容易掌握。目前，大多数 PLC 仍采用继电控制形式的“梯形 图编程方式” 。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电 气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编 程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读 PLC 的用 户手册或短期培训，电气技术人员和技术工人很快就能学会用梯形图编制控制程 序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。PLC 在执行梯形图程序时，用解 释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC 内部增加了解释程序） 。与直接执行汇 编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机 电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。 5减少了控制系统的设计及施工的工作量。由于 PLC 采用了软件来取代继 电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计 安装接线工作量大为减少。同时，PLC 的用户程序可以在实验室模拟调试，更减 少了现场的调试工作量。并且，由于 PLC 的低故障率及很强的监视功能，模块化 等等，使维修也极为方便。 6体积小、重量轻、功耗低、维护方便。PLC 是将微电子技术应用于工业设 备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于 PLC 的强抗 干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 1.2.6 PLC 分类 1 按结构形式分类 根据 PLC 的结构形式，可将 PLC 分为整体式和模块式两类。 （1）整体式 PLC 整体式 PLC 是将电源、CPU、I/O 接口等部件都集中装在一 个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型 PLC 一般采用这种整体 式结构。 （2）模块式 PLC 模块式 PLC 是将 PLC 各组成部分，分别作成若干个单独的 模块，如 CPU 模块、I/O 模块、电源模块（有的含在 CPU 模块中）以及各种功能 模块。模块式 PLC 由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。 这种模块式 PLC 的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配 方便，便于扩展和维修。 2 按功能分类 根据 PLC 所具有的功能不同，可将 PLC 分为低档、中档、高档三类。 （1）低档 PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本 功能，还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。 主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。 （2）中档 PLC 除具有低档 PLC 的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、 算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程 I/O、子程序、通信联网等功能。 有些还可增设中断控制、PID 控制等功能，适用于复杂控制系统。 （3）高档 PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运 算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能 等。高档 PLC 机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式 网络控制系统，实现工厂自动化。 3 按 I/O 点数分类 根据 PLC 的 I/O 点数的多少，可将 PLC 分为小型、中型和大型三类。 (1)小型 PLCI/O 点数 2048 点；多 CPU，16 位、32 位处理器，用户存 储器容量 816K。 1.2.7 PLC 应用 目前，在国内外 PLC 已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、 汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着 PLC 性能价格比的不断提高，其 应用领域不断扩大。从应用类型看，PLC 的应用大致可归纳为以下几个方面： 1开关量逻辑控制 利用 PLC 最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传 统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等。 2运动控制 大多数 PLC 都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。这一 功能广泛用于各种机械设备，如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。 3过程控制 大、中型 PLC 都具有多路模拟量 I/O 模块和 PID 控制功能，有的小型 PLC 也 具有模拟量输入输出。所以 PLC 可实现模拟量控制，而且具有 PID 控制功能的 PLC 可构成闭环控制，用于过程控制。 4数据处理 现代的 PLC 都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可进行 数据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置， 如计算机数值控制（CNC）设备，进行处理。 5通信联网 PLC 的通信包括 PLC 与 PLC、PLC 与上位计算机、PLC 与其它智能设备之间的 通信，PLC 系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构 成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控 制系统，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。 1.31.3 设计的提出和主要工作设计的提出和主要工作 传统龙门刨床的电气控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点 的串联或并联等组成控制逻辑，其连线多而复杂，体积大，功耗大，其改造或增 加功能较为困难，而且继电器控制系统依靠机械触点的动作实现控制，工作频率 低，机械触点还会出现抖动问题，很大程度上提高了故障发生率，且由于使用大 量的机械触点，存在机械磨损、电弧烧伤等问题，寿命短，系统的大量连线使得 机床的可靠性和可维护性较差。 本设计提出通过采用PLC对其传统的龙门刨床进行电气改造改造是因为PLC很 容易实现比较复杂的控制逻辑，与其传统的继电器实现同样的功能则需要大量的 控制继电器，在同种要求下，PLC可省去大量的控制继电器，节能降耗，降低运 行成本，且改变工艺控制简便易行，而且PLC是无触点电路，反应快、噪音小、 寿命长等优点，在实现同样功能的基础上还可以弥补继电器逻辑控制的不足，可 以大大提高机床的工作效率，完全可以达到预期电气改造的目的。 2 2 龙门刨床电气控制电路解析龙门刨床电气控制电路解析 2.12.1 刀架控制电路刀架控制电路 刀架的控制电机由机械与电器共同完成，因此必须了解一些机械操作手柄与 电器关系，才能更好地了解刀架控制。本刨床有两个垂直刀架，每个刀架有快速 移动和自动进给两种工作状态，每种工作状态有水平进刀，（左右两个方向）、 垂直进刀（上下两个方向）四个放方向的动作，这些都由一个垂直刀架来完成。 刀架的进给运动是进给电动机驱动经过进给变速箱和光杠、丝杠、螺母等传 动件实现的。为了解决间隙的进给运动和连续的电动机转动的矛盾，旧型号刨床 采用紧张环机构，而 A 系列刨床则采用拔叉式双向离合器。 左、右侧刀架的情况基本和垂直刀架相似，所不同的是左、右只有上、下两 个方向移动；另外一个不同点是左、右侧控制电路经过中间继电器常闭点接到电 源上去的。 2.22.2 横梁控制电路横梁控制电路 横梁有放松、夹紧及上、下移动等动作。横梁放松夹紧的动力有电动机、液 压及压缩空气等几种方式，A 系列刨床是采用横梁夹紧电动机来实现的。横梁上、 下移动则是由横梁升降电动机来完成的。 2.32.3 工作台控制电路工作台控制电路 工作台控制电路，有步进，步退，前进，后退，减速，换向等环节。要掌握 工作台控制的电路，必须先了解工作台的运动规律。图 4-1 为工作台速度图，其 中 0t1 为工作台前进起动阶段，t1-t2 为刀具慢速切入阶段，t2-t3 为加速 至稳定工作速度阶段，t3-t4 为稳定工作速度阶段，t4-t5 为减速退出阶段， t5-t6 为反接制动到后退起动阶段，t6-t7 围殴后退稳定速度阶段，t7-t8 为 后退减速阶段，t8-t9 为后退反接制动阶段。 SQFD动作 SQFR动作 SQRR动作 SQRD动作 返回 SQRD复位 切削 t V 图 2.1 工作台的工作循环速度 2.42.4 龙门刨床的主回路设计及变频器的选择龙门刨床的主回路设计及变频器的选择 2.4.1 龙门刨床电力拖动系统主回路设计 龙门刨床主要涉及的有：主拖动、油泵、风机、横梁升降、横梁夹紧，垂直 及左、右侧刀架等电机。油泵和风机只有在主拖动电机启动运行时才可启动，其 余电机在正反向运行之间形成电气互锁，主回路设计如下图所示。 变频器 M1 3 M2 3 L1 L2 L3 L11 L21 L31 L12 L22 L32 FR2FR1 STR KM1 M4 3 M5 3 M3 3 FR3 L33 L23 L13 KM2KM3 KM4KM5KM6KM7 横梁升降油泵横梁松紧主拖动电机风机 L1 L2 L3 M6 3 M7 3 L34 L24 L14 KM8KM9 M8 3 KM10KM11KM12KM13 垂直刀架左侧刀架右侧刀架 图2.2 电力拖动系统主回路设计 2.4.2 主拖动电机的选型 B2010A型龙门刨床原直流调速系统的直流电机型号是ZBD-93-BL,功率为60KW,额 定转速为1000r/min,额定转矩为 mN n P T 3 . 573 1000 6095559555 式中P为功率(KW)；T为转矩()；n为转速(r/min) 6。mN 通过计算比较,与直流电动机参数比较接近的交流电机式55KW的6极电机,其 额定转矩为525.53。由于变频器的低速调速性能不是很好,为了提高实际使mN 用的变频器最低频率,决定选用55KW的8极变频电动机,其额定转矩为700.7。mN 为了解决低速时电动机的散热问题，变频电动机上还安装配备了一个风机，变频 电动机工作时风机处于运转状态。通过以上计算，55KW的8极变频电动机的转矩 比原来的直流电动机大，能够满足系统调速范围的要求。 2.4.3 变频器的选择 1.调速系统简述 B2010A型龙门刨床的主拖动采用最初50年代的A-G-M调速系统，即电机扩大 机直流发电机直流电动机组系统，如下图所示。采用的是机械比2：1和电气 调速范围为10：1的机电联合调速系统。 交流电动机 1.5KW 交流电动机 55KW 励磁电动机 60KW 电机扩大机 直流电动机 70KW 直流电动机 1.5KW LGLG MG 3MGMA 图2.3 A-G-M调速系统图 电机扩大机-直流发电机-直流电动机（A-G-M）调速系统，它涉及电机多， 占地面积大、噪声污染严重、调速范围很窄，尤其交流电动机拖动发电机浪费电 能很严重，而且电控部分采用继电器逻辑控制，线路复杂，故障率高，检修、维 修困难。 随着科技的进步，电力电子技术和微电子技术得到飞速的发展，以及矢量控 制技术的完善，A-G-M调速系统在技术方面远远落后于日新月异的变频调速技术， 使得变频调速技术被广泛使用在调速方面。 2.变频器选型 根据前述龙门刨床拖动系统的工作要求，通过查阅有关资料，造多种同类变 频器反复比较论证后，决定选用TD3000系列变频器。 TD3000系列变频器是美国EMERSON公司资助研发生产的高品质、多功能、低 噪音的矢量控制通用变频器，优越性主要表现在： （1）有速度传感器矢量控制，调速范围为1：1000，稳态控制精度0.05； （2）低频启动转矩10100rpm时，200的额定转矩； （3) 启动预励磁，加快矢量控制快速反应； （4) 动态转矩响应小于150ms； （5) 零伺服锁定功能，可以保护零速时150的转矩输出； （6）可靠的转矩限定，防止频繁跳闸； （7）功能丰富的对话式操作面板，全系列LCD+LED显示中英文可选； （8）具备参数的上传拷贝和下传复写功能； （9）功能强大的后台调试监控软件，可通过内置RS485接口组网监控。 根据以上介绍，电机、变频系统选型如下： 主拖动：55KW交流变频电机选用TD3000-4T0550G变频器； 主拖动制动单元：两台TDB-4C01-0300控制单元，两只10欧/10KW制动电阻. 3.主拖动与变频器的连接 主拖动与变频器的连接如下图所示。 FR1 R S T PE PE PE PE PE PE RST UVW TD-3000 M1 3 交流输入电抗器 输入ENI滤波器 变频器 输出ENI滤波器 图2.4 主拖动与变频器的连接 通过参考艾默生TD3000变频器说明书： 输入、输出ENI滤波器选择：EBT系列 5A-80A，它可以有效抑制从变频器电 源线发出的高频噪声干扰和变频器输出侧产生的干扰噪音和导线漏电流。 交流输入电抗器选择TDL-4A01-0550，当电网波形畸变严重时，它可以提高 变频器输入侧的功率因数，满足变频器和电源之间高次谐波的影响。 4.变频器的基本运行配线图 变频器的基本运行配线图如下图所示。 V U W PE R S T PLC FWD REV X1 X2 X3 X4 接地 正转/停止命令 反转/停止命令 转速指令2 故障复位 P1 直流电抗器 变频器 三相输入 电源380V 50/60Hz 转速指令1 转速指令3 点动正转控制 点动反转控制 +10 GND AI1 转速指令 0+10V PE PGP COM A+ A- B+ B- PE FAM COM 制动单元2 R 制动单元1 P COM X5 X6 输出0-24V脉冲信号 频率表 变频器运行 变频器故障 TD3000- 4T0550G 用户电源输入 N NP P P R 图 2.5 变频器的基本运行配线 端子功能介绍： FAM 为频率表输出，输出频率范围：500Hz10kHz/24V； PGP 为开关量端子码盘供电电源，+24V，最大输出电流 100mA； A+、A- 为码盘信号 A，差动输入时码盘电源电压范围：+824V，最高输入 频率 120kHz； B+、B- 为码盘信号 B，差动输入时码盘电源电压范围：+824V，最高输入 频率 120kHz； P1、(+) 为外接直流电抗器预留端子(连接电抗器可以改善功率因数)； (+)、(-) 外接制动单元预留端子(一般情况下,电机进行制动时,由于电机内 部存在损耗可产生约 20%电机额定转矩的制动转矩，若损耗转矩不够使用,则需要 在(+)、(-)端外接制动电阻)， (+)、(-)分别是直流母线的正、负输出端子。 3 3 控制程序设计分析及故障控制分析控制程序设计分析及故障控制分析 3.13.1 控制程序设计分析控制程序设计分析 3.1.1 工作台控制程序设计分析 龙门刨床工作台主要控制方式分为点动和自动循环两种，点动包括点进和点 退，目的是调整工作台到达合适的位置，以便摆放、固定加工工件。点进、点退 阶段是工件加工前的准备阶段，工作台点进和点退时，不能压住前进换向行程 SQ3 和后退换向行程 SQ4。 在工作台点进和点退之前，首先要求油泵压力正常并起动，另外要求风机和 变频器运行正常，在满足以上条件的情况下，梯形图中M0的线圈得电。当按下工 作台点进按钮SB1时，Y033线圈得电，工作台点进，到达合适位置时，松开SB1, 工作台停止运动。工作台点退过程和点进类似，点进和点退控制主拖动电机正转 和反转的输出继电器是互锁关系，在画梯形图时应将其常闭触点串入对方的线圈 电路中。 工作台的自动往返运动是对工件进行加工的过程，是龙门刨床的主运动，它 是由装在床身的六只行程开关来控制的。在工作台自动运行的开始阶段，要求工 作台处于前进减速行程 SQ5 和后退减速行程 SQ6 之间，如果工作台没有在该范围 内，要点动调整到该范围。 工作台在自动运行之前，要求油泵、风机和变频器运行正常，要求横梁动处 于夹紧状态不能动作。工作台工作时，工作台先低速切入，Y025 和 Y30 输出，然 后至加工速度，Y31 输出，碰到 SQ5 后，工作台减速，Y30 输出，碰到 SQ3 后， 工作台换向并高速空车返回，Y26 和 Y32 输出，在此期间刀架抬刀辅助继电器 Y022、Y023、Y024 动作，完成前进换向后的抬刀动作，碰到 SQ6 后，工作台减速， Y30 输出，在后退减速过程中完成刀架回到动作，碰到 SQ4 后，工作台换向并低 速切入，Y30 输出，如此反复工作台就能实现自动循环。另外在工作台后退结束 之后与前进开始之前，刀架要自动进刀。工作台前进和后退控制主拖动电机正转 和反转的输出继电器是互锁关系，在画梯形图时应将其常闭触点串入对方的线圈 电路中。 3.1.2 风机油泵控制程序设计分析 油泵、风机和变频器必须处于正常状态的情况下工作台才可加工运行.在工 作台工作之前，这些辅助设备都必须正常且处于运行状态，在主回路通电，在未 按下工作台控制按钮前，在横梁、刀架和工作台动作前，KA1动作，在油泵压力 及风机正常的启情况下，使Y006和Y007输出，油泵和风机启动。只有当油泵（用 于液压控制及各部位润滑） 、风机及传动电机（用于各刀架进给）启动后，才能 进行各种动作，并为刀架走到做好准备。同时在运行中，当油泵或传动电机失电 后，系统停止，防止无润滑运行和走到不切削 3.1.3 横梁升降控制程序设计分析 横梁升降可以加大加工工作的范围，在横梁动作期间工作台不可以动作，横 梁的移动是点动方式，在横梁上升时，按照横梁放松横梁上升横梁夹紧的顺 序动作；横梁下降时，按照横梁放松横梁下降横梁夹紧的顺序动作。 横梁上升时，按下横梁上升按钮 SB6,使 Y011 得电输出横梁放松，碰到 SQ7 后使 Y012 得电输出，横梁上升，到合适位置后松开 SB6, 横梁停止上升，使 KM4 得电，Y010 输出横梁夹紧，夹紧到位后，横梁夹紧过电流继电器 KA3 得电，横梁 夹紧停止。横梁下降时与横梁上升时类似。横梁上升和横梁下降时，如果碰到横 梁上升限位开关 SQ8,则横梁停止运动。横梁上升和横梁下降按钮控制横梁电机正 转和反转是互锁关系，横梁放松和横梁夹紧也是互锁关系，在画梯形图时应将其 常闭触点串入对方的线圈电路中。 3.1.4 刀架运行控制程序设计分析 由龙门刨床结构示意图，龙门刨床主要用垂直刀架、右侧刀架和左侧刀架来 加工工件，其中垂直刀架有两个。刀架的控制电路用于实现刀架的手动、自动移 动和快速移动，快速移动以点动控制为主。另外，各刀架的进刀和退刀是互锁关 系，在画梯形图时应将其常闭触点串入对方的线圈电路中。 右侧刀架快速进刀时，在主回路通电且辅助设备正常的情况下，按下右侧刀 架进刀按钮 SB10, 右侧刀架进刀继电器 KM12 得电，右侧刀架正转进刀，进刀到 合适位置，松开 SB10,继电器 KM12 失电，右侧刀架进刀结束。右侧刀架手动退刀 时与右侧刀架手动进刀类似，其它刀架的运动情况和右侧刀架的运动类似，在此 不再赘述。 3.23.2 故障控制分析故障控制分析 3.2.1 综述 传统的龙门刨床的电控部分采用继电器逻辑控制，线路复杂，功耗大，在运 行过程中经常会出现各种各样的故障，查找继电器逻辑控制系统的故障非常困难。 通过采用可编程序控制器对传统的电控部分经过改造后，故障率明显降低，而且 PLC 有故障报警及处理能力，查找故障相对容易。 3.2.2 辅助设备常见故障及措施 辅助设备正常是龙门刨床正常工作的前提，主要包括风机、油泵和变频器。 只有在这些辅助设备正常的情况下才可以工作，风机和油泵常见的故障是过载， 过载时热继电器 FR2 和 FR3 动作，变频器的故障可用其复位输入进行复位。 3.2.3 工作台常见故障及措施 龙门刨床在工作过程中，会出现各种各样的故障，其中工作台的故障是最常 见的。工作台的自动往返运行过程涉及的控制因素比较多，首先在运行之前要求 辅助设备正常才可以，除此之外在运行过程的不同位置要及时触发前进减速行程 SQ5、前进换向行程 SQ3、后退减速行程 SQ、后退换向行程 SQ4，以上环节中的任 何一项异常就会发生故障。另外，工作台加工工件时，工件冲出台面也是一种常 见的故障。工作台在工作过程中，如果前进换向行程 SQ3 和前进终端限位行程 SQ1 或后退换向行程 SQ4 和后退终端限位行程 SQ2 出现异常而未及时触发，就会 使工件冲出台面，所以如果工作台碰到前进终端限位行程 SQ1 或后退终端限位行 程 SQ2 时应立即停止。 3.2.4 横梁常见故障及措施 横梁有两个电机控制，运动主要包括横梁的上升、下降、放松、夹紧，主要 是为了调整横梁的高度以适应不同大小的工件的加工，扩大加工范围。横梁运行 过程中常见的故障有：碰到上升限位行程 SQ8、放松限位行程 SQ7 损坏和横梁夹 紧过电流继电器 KA3 故障。当横梁上升或下降过程中，如果碰到 SQ8,横梁应立即 停止。横梁放松过程中，如果 SQ7 损坏，则横梁可能放松太大，造成故障。为此 横梁放松过程可用 PLC 内部定时器 T1 来监视，如果放松过程超过了 T1 的设定时 间，则使横梁放松继电器 KM5 失电，横梁停止放松。横梁夹紧过程中，如果 KA3 损坏，则横梁可能一直夹紧，也会造成故障。横梁夹紧过程可用 PLC 内部定时器 T2 来监视，如果夹紧过程超过了 T2 的设定时间，则使横梁夹紧继电器 KM4 失电， 横梁停止夹紧。 4 4 龙门刨床龙门刨床 PLCPLC 控制系统组成控制系统组成 4.14.1 龙门刨床运动特点龙门刨床运动特点 龙门刨床的龙门架定在床身上，在龙门架上装有可以上下移动的刨头架，切 削刀固定在刨头架上，工作台安装在床身导轨上，工件固定在工作台上，工作过 程中，工作台带动工件低速进给，快速退回，工件在装夹过程中，为了对准刨削 位置，工作台的来回运动控制，是既自锁又点动的方式。龙门刨床的电气控制系 统分主传动系统和辅助运动控制系统两部分。PLC 用于龙门刨床控制系统改造方 案之一就是:主传动系统即工作台电力拖动系统，仍然保留目前最广泛使用的逻 辑无环流可逆调速系统，其调速换向控制以及辅助运动控制系统采用可编程序控 制器替代旧的继电控制系统，各部分的信号检测、动作执行机构也基本上保留原 有的不变。特点是投资小、见效快。 4.24.2 PLCPLC 的类型的选定的类型的选定 因为本文只研究龙门刨床工作台的传动,即主传动,所以作为核心控制部件的 PLC 选用日本欧姆龙公司生产的 C20P 小型机,它具有功能全,体积小,重量轻,价格 低等优点。它可以根据现场信号,按照事先编好的程序对变频器和刀具进行手动 或自动控制,以便满足各种加工工艺要求。 4.34.3 工作台控制流程图与程序设计工作台控制流程图与程序设计 为了充分利用 PLC 的硬件与软件的资源，在程序中设计与确定了 I/O 点数不 可局限于原继电接触器控制线路。应该根据龙门刨床的工艺要求，硬件仅保留知 节面向人和设备的输入、输出点，省去一切中间环节软件采用灵活编程方式，主 程序用常规的继电器梯形图指令设计 龙门刨床 PLC 控制系统主要有:主传动调速换向控制(包括工作台步进、步退) ，刀架进给、抬刀和快速移动控制，横梁的移动、夹紧、放松和升降控制，其他 系统保障控制等部分组成。系统控制器选用 OMRONC6O 一 CDR 一 D 型可编程序控 制器，输入点采用 24VDC 输人，输出点采用继电器输出，可直接驱动 22Ov 交流 接触器或中间继电器。I/O 输入点分配如表 4-1 所示，I/O 输出点分配如表 4-2 所示。如前所述，工作台电力拖动系统，仍然保留目前生产中最广泛使用的逻辑 无环流可逆调速系统，其调速换向控制采用 PLC 实现。PLC 输出经中间继电器 KAI、KA2、KA3、KA4 控制 表 4.1 I/O 输入点分配表 I/O 地址信号名称符号 0001 0002 工作台主回路通电 KM1 0003 油压正常 KP1 0004 工作台前进 SB1 0005 工作台后退 SB2 0006 工作台步进 SB3 0007 工作台步退 SB4 0008 工作台停止 SB5 0009 工作台进减速限位 SQFD 0010 工作台进换向限位 SQFR 0011 工作台退减速限位 SQRD 0012 工作台退换向限位 SQRR 0013 工作台进安全限位 SQFL 0014 工作台退安全限位 SQRL 0015 0100 垂直刀架自动 SA1 0101 右刀架自动 SA2 0102 左刀架自动 SA3 0103 垂直刀架手动 SB6 0104 右刀架手动 SB7 0105 左刀架手动 SB8 0106 横梁上升 SB9 0107 横梁下降 SB10 0108 右刀架上限位 SQ1 0109 左刀架上限位 SQ2 0110 横梁上限位 SQ3 0111 0112 横梁放松 SQ4 0113 横梁加紧 KA 0114 0115 表 4.2 I/O 输出点分配表 I/O 地址信号名称符号 0500 工作台前进 KA1 0501 工作台后退 KA2 0502 工作台自动循环 KA3 0503 工作台低速 KA4 0504 垂直刀架进刀 KM4 0505 垂直刀架复位 KM5 0506 右刀架进刀 KM6 0507 右刀架复位 KM7 0508 左刀架进刀 KM8 0509 左刀架复位 KM9 0510 抬刀 KA5 0601 横梁上升 KM10 0602 横梁下降 KM11 0603 横梁加紧 KM12 0604 横梁放松 KM13 0605 0606 油压正常 HL2 0607 工作台主回路通电 HL3 0608 工作台自动循环 HL4 逻辑无环流系统的给定电压发生电路，实现工作台的高速、低速、前进、后 退、自动、手动控制。工作台的自动循环运动流程如图 5-3 所示，其中 SQFD、SQFR、SQRD、SQRR、SQFL、SQRL 是安装在床身侧面的 6 个行程开关，其触 点接入 PLC 的轴人点。工作台前进为切削行程，开始时低速切人，SQRD 复位后进 入高速切削行程，接近工件尾端时 SQFD 动作、减速切出，而后 SQFR 动作、抬刀、 换向，然后加速返回，当 SQRR 动作时，进刀、落刀、换向，进人下一个切削行 程。 龙门刨床有三个刀架，他们是左刀架、右刀架和垂直刀架。三个刀架由 PLC 控制 实现各自独立的自动进给、抬刀和落刀动作，并可手动控制快速移动。刀架进经 和快速移动的方向是通过调节机械装置改变的。抬刀、落刀动作由 PLC 控制电磁 铁实现。 SQRR 动作 SQRD 动作 SQFD 复位 SQFR 复位 SQFR 动作 SQFD 动作 SQRD 复位 SQRR 复位 低速 切入 高速 切削 低速 切出 返回 加速 高速 返回 减速 抬刀 换向 落刀 进刀 换向 图 4.3 工作台的自动循环运动流程 开机 运行 系统故障? 限位? 工作状态? 横梁工作 横梁停止 磨头工作 磨头停止 故障处理 报警 位置调整 刨台工作 位置正确? 操作方式? 转自动循环方式 刨台停止 电磁抱阀 自动调整 单步操作 人工 自动 图 4.4 PLC 主程序流程图 工作台前进 工作台后退 工作台自动循环 工作台低速 垂直刀架进刀 垂直刀架复位 右刀架进刀 左刀架复