基于PLC和变频器的龙门刨床的工学论文
论文关键词：龙门刨床 可编程序控制器 变频调速 能量回馈
论文摘要：用可编程序控制器和交流变频调速技术对B220龙门刨床进行改造。刨床的主传动采用转差频率闭环控制，能较好的满足工作台静、动态特性要求；制动采用了能量回馈制动。改造后系统达到了预期效果。
龙门刨床的电气控制系统主要包括工作台的主传动和进给机构的逻辑控制两大部分。目前，国内龙门刨床主要采用的主传动系统有两种：一种是50年代的电机扩大机一发电机一电动机组(K—F—D系统)；一种是80年代少数经过改型的直流可控硅调速系统(SCR—D 系统)。这两种系统的逻辑控制普遍采用继电器控制，故障率高，维修困难，生产效率低，因此，采用变频调速系统已成趋势。作者用交流变频调速技术和可编程序控制器(PLC)改造成功了一台B220龙门刨床，且改造后系统运行可靠稳定。
1 龙门刨床控制系统要求
机床型号为B220，产地为济南第二机床厂，要求改造后机床的调速范围为5m／min一60m／min，系统运行的平滑性要好，能实现无级调速，且有很好的起制动性能。起制动时既能快速启动和制动，又保证机械冲击不过大，不对机械部件造成损害。能快速实现提速、降速和平稳的调节速度，换向时要减小对齿轮的冲击。能实现慢速切入，稳速加工，快速换向，点动调节等各种加工工艺要求。
2 系统组成及工作原理
2-1 系统组成
本系统由VVVF(变电压变频率)变频器、交流电动机(Y280S一8，Pe =37KW ，I。=78-2A，n。=740r／min)、测速器组成闭环调速系统。采用闭环调速系统是为了对负载的波动和电网的波动有较强的抗干扰能力，以保证刨床的稳定运行。刨床的电机均由PLC 给出的指令进行控制。设计时，主传动用一台异步电动机代替原K—F—D系统机型，进给机械执行机构则用变频调速器取代原电磁离合器，实现对工作台的各种不同速度的控制和往返换向。核心部件用PLC进行控制，它根据操作站指令和现场信号，按预先编制好的程序对变频器、刀架、横梁、磨头的跟踪状况进行自动或人工控制。变频器选用日本富士FRN45 Ggs一4JE电压型通用变频器。原系统采用机械式行程开关， 由于工作台时频繁的往复运动，挡块频繁地撞击行程开关，导致行程开关容易发生故障，在不可靠的时候更可能产生事故，影响生产。改造中我们用光控无触点接近开关代替机械式行程开关，经使用效果很好。
2-2 工作原理
2-2-1工作方式
龙门刨的刨削过程是工件(放在刨台上)与刨刀之间做相对运动的'过程。也就是刨台频繁的往复运动。刨台的运动分为人工点动运行和自动往复循环运行。图1是刨台的往复周期运行图。
图1 刨台的往复周期
2-2-2 主传动的控制原理
主传动采用转速闭环、转差频率控制的变频调速系统，来满足工作台频繁换向和负载变化时转速快速跟随性的要求。
由上式可以看出，在S很小的范围内，只要能够维持气隙磁通不变，异步电动机的转距就近似与转差角频率∞、成正比。控制∞ 就能达到控制转速的目的。在设计中我们用了转差调节器，使(1)。<(1)s ，以使电动机运行在最佳状态。因为使用的通用型变频器具有恒定电压／频率(V／F)比的功能，电机的气隙磁通就可以基本保持不变，因此控制(1)。为最佳就实现了控制转距为最佳的目的。
2-2-3 制动系统原理
工作台换向制动采用能量回馈制动，用两组晶闸管(GTR)组成可逆调速系统，制动时将系统中交流电动机发电制动状态的再生电能进行逆变，变成与电网同频的交流电送回电网，来实现电机的再生回馈制动，这种制动方式与能耗型制动方式相比具有很多的优点。能节约电能，并使电机运行平稳，发热少，制动效果好，延长了电机的使用寿命。
3 系统设计
3-1 PLC 的选择
西门子公司的S7—200系列PLC 内部集成了32位浮点运算，具有高速汁数、占空比可调脉冲输出、PID调节、模拟电位器等功能。在设计中考虑到控制回路输入和输出点数及运行速度， 选用S7—200CPU226型PLC~]，它共有24输)k／16输出共40个数字量I／O点。图2是PLC与变频器的连接图。变频器的多档速度控制端Xl、x2、x3分别与PLC 的输出端QO．4、QO．3、QO．2相接，从而，多阶段变频器的输出频率将取决于QO．4、QO．3、QO．2状态。
变频器的多档升、降速时间控制端X4、X5分别与PLC的输出端Q0．1、Q0．0相接，从而变频器在不同阶段的升、降速时间将取决于QO．1、QO．0的状态。
变频器的正向控制端FWD、反向控制端REV以及点动控制端DDD 分别与PLC 的输出端Q0_5、Q0．6、Q0．7相接。
3-2 PLC程序设计
龙门刨床自动进刀、换向、刀架的自动进给、手动进退、点动、横梁升降等功能都由PLC软件来实现。图3给出了主程序流程图。
工作台往复工作程序梯形图如图4所示。图中M1．0、M1．1— —M1_7是PLC 内部的辅助继电器
图中：t 循环开始与紧急停机段
t1— — 刨刀开始切人工件段 t2— — 正常切削段
t3— — 退出工件段 t4— — 高速返回段
t5— — 低速返回段 t 点动控制
图4 工作台往复工作梯形图
其中tl-t5段与图1中的刨台往复运动的各个阶段相对应。
4 结束语
经过交流变频调速改造后，B220龙门刨床的拖动系统大大简化，减小了电动机的容量。加工的调速范围变宽，达到3—70m／min，静差率<3％ ，且为无级调速，工作台运行更加平稳，尤其是换向迅速且冲击小，加工效率提高。此外变频调速有利于节电，且使现场的操作控制变得更为方便和可靠。而PLC的应用充分体现了快速、灵活的控制特点。实现了以往难以作到的多种复杂控制和故障保护，使系统实现了操作维护简单化和控制智能化。
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