基于PLC及变频器的B2012A龙门刨床改造

课程设计任务书题目专业、班级学号0902120239姓名zhao主要内容:工作台变频调速及PLC控制刀架变频器调速及PLC控制横梁及辅助运动控制课程设计总结根本要求:龙门刨床的工艺加工方法不变在保存主电路的原有原件根底上，不改变原控制系统操作方法电气控制系统控制元件(包括按钮、行程开关、热继电器、接触器)，作用与原电气线路相同主轴和进给起动、制动和变速的操作方法不变改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC编程实现主要参考资料：刘洪涛，黄海《PLC应用开发从根底到实践》，北京：电子工业出版社，2007年卢伟岸《大型龙门刨床电控系统的研制》，[学位论文]，武汉，中南大学，2004年3.向六昭《龙门刨床电气控制系统的改造设计》，载《中国西部科技》2023年第10期4.李发海，王岩《电机与拖动根底》，北京:清华大学出版社,2005年5.蔡红斌《电气与PLC控制技术》，北京：清华大学出版社，2007年6.FR-A740变频器用户手册完成期限：指导教师签名：课程负责人签名：年月日目录1.龙门刨床运动形式及改造要求1龙门刨床结构及运动形式1龙门刨床电气控制改造目的及意义2龙门刨床电气控制改造总体要求3龙门刨床电气控制改造方案42.工作台变频调速及PLC控制5工作台运动及调速要求5工作台调速方案7工作台电气控制输入、输出确定8工作台电气控制接线图93.刀架变频调速及PLC控制12刀架运动及调速要求12刀架调速方案12刀架电气控制输入、输出确定13刀架电气控制接线图14刀架PLC电气控制程序154.横梁及辅助运动控制16横梁运动形式及拖动方式16油泵控制16铣磨头变频调速控制方案16横梁及其它辅助运动电气控制输入、输出确定17横梁及其它辅助运动PLC控制原理图18横梁及其它辅助运动控制程序195.课程设计总结20龙门刨床电气控制改造意义与可行性分析20龙门刨床电气控制改造效果和解决的主要问题20心得体会与建议20结束语211.龙门刨床运动形式及改造要求龙门刨床结构及运动形式龙门刨床主要由七局部组成，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。图1龙门刨床B2023A的组成：图2龙门刨床结构示意图从图2中所示，运动形式主要有工作台的往复运动，刀架的移动为进给运动。横梁上的刀架，可在横梁导轨上作横向进给运动，以刨削工作的水平面；立柱上的侧刀架，可沿立柱导轨作垂直进给运动，以刨削垂直面。刀架亦可偏转一定角度以刨削斜面。横梁可沿立柱导轨上下升降，以调节刀具和工件的相对位置。龙门刨床电气控制改造目的及意义今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。他们比以往的产品具有更高的可靠性。但是，这也是随之带来的一些问题。如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。再者，对一个具体使用的装有上百个继电器的设备，其控制箱将是庞大而笨重的。在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。传统的龙门刨床控制系统可靠性差、维护困难、加工质量及生产效率低。如今PLC技术的不断开展，用PLC设计电气控制系统是简便可行的方法。本次用PLC设计龙门刨床的电气控制系统，不但满足了所需的各种控制要求，在保存原始控制功能的前提下，还具有结构简单、运行稳定和便于维护等特点。特别是其硬件简单可靠，软件丰富灵活，运行效果好。对促进企业的技术进步具有一定意义。龙门刨床电气控制改造总体要求根据龙门刨床的生产工艺特点，对自动控制系统提出如下要求：1.调速范围宽，龙门刨床工作时既要求能适应不同刀具，又要求具有经济的切削速度。例如A系列龙门刨床最低刨削速度是ｍ／ｍｉｎ，最高刨削速度是90ｍ／ｍｉｎ，调速范围为20：1。龙门刨床的调速采取两级齿轮变速箱的机电联合调速方法，即45ｍ／ｍｉｎ以下为低速挡，45ｍ／ｍｉｎ以上为高速挡；2.静差度小。龙门刨负载变动时，要求工作台速度的变化不超过允许范围，驱动电动机要有较硬的机械特性。因此靜差率一般要求为～，B2023A型刨床为；3.具有较高的切削速度和足够的切削力；4.在低速范围内，切削力根本保持恒定；5.能单独调整工作行程与返回行程速度，且返回速度高于工作速度；6.工作台的运行速度能自动调整，在刀具切入与切出工件时，自动地减速；7.工作台运动方向应迅速而平滑地改变，动态品质好；8.操作简单，节省辅助工时，工作台要有可靠地自半动往复循环，调速时不必停车；9.平安可靠，为提高加工外表的精度，工作台反向时应迅速、平稳、冲击小；10.驱动效率高，耗电量小；11.系统简单，易于修理和维护；12.通用化程度高，本钱低；13.进刀机构要求：(1〕进刀准确；(2〕线路简单；(3〕工作可靠；进刀机构可分为：膨胀环，摆杆机构等机械传动；精到继电器控制；磁电机进刀控制；步进电机进刀的数字控制；晶体管延时进刀控制；计数管进刀控制和直流电动机进刀控制；14.抬刀机构:(1〕线路和结构简单；(2〕足够的抬刀高度；抬刀机构有：电磁铁抬高；电机旋转抬高；电机垂直位移抬刀；电磁铁抬刀的优点是线路和结构简单。缺点是抬刀角度较小，一般只有15°左右。龙门刨床电气控制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。系统图如图3所示。图3龙门刨床变频调速系统图2.工作台变频调速及PLC控制工作台运动及调速要求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。调速范围可以到达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，到达速度曲线的要求，提高了加工质量与效率。如图4所示。图4变频调速的机械特性工作台行程速度：〔1〕刨削：5~70m/min。；〔2〕铣削：0.08~2m/min；〔3〕磨削：1~3m/min；调速方案：〔1〕各段速度确定；〔2〕电动机的选择：原刨台电动机的数据、电动容量及选型、变频器容量及选型、空气开关、接触器、制动电阻；〔3〕控制要求；1.工作台正向运动〔1〕正向步进：点动，中速；〔2〕正向前进：自锁，高速；〔3〕工作台前进减速:自锁，低速；〔4〕工作台后退到位后自动换向；控制要求：总停、工作台停、油泵故障停、自动停。2.工作台反向运动〔1〕反向前进：自锁，高速；〔2〕工作台后退减速:自锁，低速；〔3〕工作台前进到位后自动换向；控制要求：总停、工作台停、油泵故障停、自动停。其中0-a工作台前进起动阶段a-b刀具慢速切入阶段；b-c加速至稳定工作速度c-d工作速度阶段d-e减速退出工件阶段f-l返回阶段慢速切入切出，即防止崩坏工件又可以提高刀具使用寿命。高速切削、返回以提高加工效率。工作台调速方案工作台往复循环中的速度变化。为防止刀具切人工件时的冲击，工作台开始前进时速度较慢，以使刀具慢速切人工件，而后再增加到规定速度。在工作台前进与后退的末尾，工作台能自动减速，以使刀具慢速离开工件，防止工件边缘剥落，同时可减少工作台反向时的超程和对电动机、机械的冲击。当工作台速度低于lOm/min时，减速环节不起作用。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PLC软件来实现[4]。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5所示。图5工作台控制主程序流程图1.变频调速的指标〔1〕工作台行程速度〔配刨、铣变速箱〕。1)刨削：5～70m／min无级调速。2)铣削：～2m／min无级调速。3)磨削：1～3m／min无级调速。工作台移动电机选用四极三相交流55kw电机，额定转速为1440转/分，变频器选择FR-A740-55k-CHT。变频器相关设置如表1表1：工作台变频器设置Pr01转矩提升Pr9150A过流保护Pr160Hz上限频率Pr130.5Hz启动频率Pr350Hz基底频率Pr793组合操作Pr450Hz高速Pr710电机选择Pr535Hz中速Pr8055kw电机容量Pr610Hz低速Pr814电机极数Pr74s加速时间Pr83380v额定电压Pr82s减速时间Pr8450Hz额定频率工作台电气控制输入、输出确定表2：变频器开关SB0X0后退减速SQ3X13变频器运行BCX1前进终端SQ5X14变频器故障ACX2后退终端SQ6X15工作台前进SB9X3变频器继电器KMY0工作台步进SB10X4变频器运行显示HL1Y1工作台停止SB11X5变频器故障显示HL2Y2工作台点进SB8X6变频器正转输入STFY3工作台点退SB12X7变频器反转输入STRY4前进换向SQ2X10变频器高速RHY5后退换向SQ4X11变频器中速RMY6前进减速SQ1X12变频器低速RLY7工作台电气控制接线图工作台PLC电气控制程序3.刀架变频调速及PLC控制刀架运动及调速要求1．刀架既可以自动进给，也可以TLE4241G快速移动，由进刀箱上的机械手柄的位置来决定。快速移动与自动进给不能同时进行。2．自动进给在每次刨台后退结束时进行，进刀量的多少由机械机构控制。3．在刨台自动循环时，刀架不能快速移动。4．刀架的移动都有限位控制。5．刀架在切削完毕、返回之前，必须“抬刀〞，以免刨刀在返回过程中在工件上留下划痕，影响光洁度。抬刀动作由抬刀电磁铁来完成。刀架调速方案由于变频器能够准确地控制运行频率和升降时间，而PLC又计时精确，所以，利用PLC配合变频器控制进刀量，不但简化了系统的机械机构，还能控制进刀量的精度。因此，采用垂直刀架和左、右侧刀架分别由变频器驱动进刀电动机实现进刀量的无级调速方案。1．刨刀架进给量范围。〔1)垂直刀架：垂直方向为～25mm／次；水平方向为～50mm／次。〔2)侧刀架：垂直方向为～50mm／次。刀架移动电机选用四极三相交流1.5kw电机，额定转速为1440转/分，变频器选择FR-A740--CHT。变频器相关设置如表3表3：刀架变频器设置Pr01转矩提升Pr94A过流保护Pr1120Hz上限频率Pr130.5Hz启动频率Pr350Hz基底频率Pr793组合操作Pr450Hz高速Pr710电机选择Pr525Hz中速Pr80电机容量Pr610Hz低速Pr814电机极数Pr74s加速时间Pr83380v额定电压Pr82s减速时间Pr8450Hz额定频率刀架电气控制输入、输出确定表4：变频器1开关SB1X16变频器1故障显示HL5Y12变频器2开关SB2X17变频器2故障显示HL6Y13变频器1运行BC1X20变频器1继电器KM1Y14变频器2运行BC2X21变频器2继电器KM2Y15变频器1故障AC1X22左侧刀架继电器KM3Y16变频器2故障AC2X23右侧刀架继电器KM4Y17左侧刀架开关SA5X24垂直刀架继电器KM5Y20右侧刀架开关SA6X25变频器1正转输入STFY21垂直刀架开关SA7X26变频器1反转输入STRY22电磁阀下刀SQ4X11变频器1高速RHY23电磁阀抬刀SQ2X12变频器1中速RMY24左侧刀架退刀SB5X27变频器1低速RLY25右侧刀架退刀SB4X30变频器2正转输入STFY26垂直刀架退刀SB3X31变频器2反转输入STRY27左侧退刀限位SQZX32变频器2高速RHY30右侧退刀限位SQYX33变频器2中速RMY31垂直退刀限位SQCX34变频器2低速RLY32变频器1运行显示HL3Y10电磁阀输出YAY33变频器2运行显示HL4Y11刀架电气控制接线图刀架PLC电气控制程序4.横梁及辅助运动控制4.1横梁运动形式及拖动方式横梁有放松、夹紧及上、下移动等动作。横梁上、下移动那么是由横梁升降电动机来完成的。只有工作台停止工作时，才能使横梁控制电路工作。如果需要横梁上、下移动时，在电路中自动地使横梁先放松后移动，如按下按钮站上的横梁上升按钮SB6时，使横梁放松接触器KM11线圈通电，使横梁放松夹紧电动机工作，横梁逐渐放松。横梁放松时，行程开关SQ10闭合，因此KM8线圈断电，横梁放松完毕。当按下横梁下降按钮SB7时，亦是横梁先放松然后下降，下降到所需位置时，松开SB7按钮，这时除了加紧电动机开始工作外，尚有消除丝杠和螺母间隙的横梁稍许上升的动作。油泵控制油泵只有简单的起停控制，本次设计油泵独立于其它运动形式，但当油泵油压不正常时工作台变频器不能带电，故其它运动也无法实现。铣磨头变频调速控制方案〔1〕铣头主轴转速：72～540r／min无级调速。〔2〕刨刀架横铣速度：～／min无级调速。〔3〕刨刀架纵铣速度：～／min无级调速。〔4〕静差度≤3%〔低速时〕。〔5〕换向距离≤250nun。2．铣磨用电机铣磨电机选用六极三相交流电机，额定转速为940转/分，因涉及到调速，变频器选用FR-A740--CHT，油泵及风机因不涉及调速仍使用原有电机。变频器设置如表5表5：磨铣变频器设置Pr01转矩提升Pr9过流保护Pr160Hz上限频率Pr130.5Hz启动频率Pr350Hz基底频率Pr794组合操作Pr450Hz高速Pr710电机选择Pr535Hz中速Pr80电机容量Pr615Hz低速Pr816电机极数Pr74s加速时间Pr83380v额定电压Pr82s减速时间Pr8450Hz额定频率横梁及其它辅助运动电气控制输入、输出确定表6：变频器3开关SB12X35变频器3故障显示HL8Y35变频器3运行BC3X36变频器3继电器KM6Y36变频器3故障AC3X37油泵继电器KM7Y37油泵开关SB13X40横梁上升继电器KM8Y40横梁上升SB6X41横梁下降继电器KM9Y41横梁下降SB7X42横梁夹紧继电器KM10Y42横梁夹紧限位SQ10X43横梁放松继电器KM11Y43磨铣开关SA8X44变频器3转输入STFY44磨铣正传SB12X45变频器3反转输入STRY45磨铣反转SB12X46变频器3低速RLY46变频器3运行显示HL7Y344.5横梁及其它辅助运动PLC控制原理图图6横梁运动电机接线图4.6横梁及其它辅助运动控制程序5.课程设计总结龙门刨床电气控制改造意义与可行性分析传统的龙门刨床控制系统可靠性差、维护困难、加工质量及生产效率低。如今PLC技术的不断开展，用PLC设计电气控制系统是简便可行的方法。本次用PLC设计龙门刨床的电气控制系统，不但满足了所需的各种控制要求，在保存原始控制功能的前提下，还具有结构简单、运行稳定和便于维护等特点。特别是其硬件简单可靠，软件丰富灵活，运行效果好。对促进企业的技术进步具有一定意义。龙门刨床电气控制改造效果和解决的主要问题从电动机调速理论可知，假设采用变频调速，在频率低于额定频率时，电动机调速具有恒转矩输出特性，而在高于额定频率区，电动机电压不能升高，具有恒功率输出特性。比拟可知，采用变频调速时，电动机的机械特性曲线刚好与刨台的运动所对应的特性曲线相符。因此，适宜于采用变频调速对龙门刨床主运动系统进行改造，并使电动机的工作频率适当提高至额定频率以上。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。心得体会与建议时间过的很快，经过半个月的学习和工作，我的毕业设计终于完成了。在这段时间中，我曾遇到过很多不同的问题，幸好好老师和同学闷得热心帮助，这些问题都能很快的得到解决。在这份毕业设计完成之时，我也从这一过程中学到了很多知识。首先，在我们这以小组接受这一毕业设计课题任务时，我们遇到的第一问题就是我们对龙门刨床的了解程度远远不及课程的要求。对其的改造就更不用说了。为了快速的学习掌握龙门刨床方面的知识