基于PLC及变频器的B2012A龙门刨床改造

今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。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。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,在保留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。

课程设计任务书

题目 龙门刨床控制系统PLC变频器改造 小组组长 李利杰 小组成员 齐运沼、赵国杰 主要内容:

1. 工作台变频调速及PLC控制 2. 刀架变频器调速及PLC控制 3. 横梁及辅助运动控制 4. 课程设计总结

基本要求:

1. 龙门刨床的工艺加工方法不变

2. 在保留主电路的原有原件基础上，不改变原控制系统操作方法

3. 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

4. 主轴和进给起动、制动和变速的操作方法不变 5. 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：

1. 刘洪涛，黄海《PLC应用开发从基础到实践》，北京： 电子工业出版社，2007年

2. 卢伟岸 《大型龙门刨床电控系统的研制》，[学位论文]，

今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。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。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,在保留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。

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》2008年第10期

4. 李发海，王 岩 《电机与拖动基础》，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：

2012年 6 月 6 日

今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。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。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,在保留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。

目录

1.龙门刨床运动形式及改造要求 ............................................................................................ 3

1.1龙门刨床结构及运动形式 .......................................................................................... 3 1.2龙门刨床电气控制改造目的及意义 .......................................................................... 4 1.3龙门刨床电气控制改造总体要求 .............................................................................. 5 1.4龙门刨床电气控制改造方案 ...................................................................................... 7 2.工作台变频调速及PLC控制 ................................................................................................ 8

2.1工作台运动及调速要求 .............................................................................................. 8 2.2工作台调速方案 .......................................................................................................... 9 2.3工作台电气控制输入、输出确定 ............................................................................ 11 2.4工作台电气控制接线图 ............................................................................................ 12 3.刀架变频调速及PLC控制 .................................................................................................. 15 3.1刀架运动及调速要求 ....................................................................................................... 15

3.2刀架调速方案 ............................................................................................................ 15 3.3刀架电气控制输入、输出确定 ................................................................................ 16 3.4刀架电气控制接线图 ................................................................................................ 17 3.5刀架PLC电气控制程序 ............................................................................................ 18 4.横梁及辅助运动控制 .......................................................................................................... 19

4.1横梁运动形式及拖动方式 ........................................................................................ 19 4.2油泵控制 .................................................................................................................... 19 4.3铣磨头变频调速控制方案 ........................................................................................ 19 4.4横梁及其它辅助运动电气控制输入、输出确定 .................................................... 20 4.5横梁及其它辅助运动PLC控制原理图 .................................................................... 21 4.6横梁及其它辅助运动控制程序 ................................................................................ 23 5.课程设计总结 ...................................................................................................................... 24

5.1龙门刨床电气控制改造意义与可行性分析 ............................................................ 24 5.2龙门刨床电气控制改造效果和解决的主要问题 .................................................... 24 5.3心得体会与建议 ........................................................................................................ 24 5.4结束语 ........................................................................................................................ 26

今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。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。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,在保留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。

1.龙门刨床运动形式及改造要求

1.1龙门刨床结构及运动形式

龙门刨床主要由七部分组成，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B2012A的组成：

今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。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。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,在保留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。

图2龙门刨床结构示意图

如图2所示，工作台放在床身上，工作台由直流电动机拖动可在床身上作往复运动。当工作台带动工件运动时，刨刀对工件进行刨削加工。刨刀装在垂直刀架或侧刀架上。侧刀架可上下移动并横向进给，它又分为左侧刀架和右侧刀架。垂直刀架装在横梁上，它可作横向移动和垂直进给，它又分为左垂直刀架与右垂直刀架。横梁可沿着立柱作上下移动。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。

龙门刨床的运动可分为主运动、进给运动与辅助运动。主运动是指工作台的往复运动，进给运动是指刀架的进给，辅助运动是调整刀具运动（如横梁的夹紧与放松、横梁的上升与下降、刀架的快速移动与抬刀等）。

1.2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。

今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。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。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,在保留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。

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及变频器技术不断发展，用PLC设计电气控制系统是简便可行的方法。

本题的改造目的是利用可编程控制器及变频器实现对龙门刨床的自动化控制和平滑调速，消除换向冲击，提高工作效率，减少噪声，取缔原控制系统，从而使龙门刨床既经济又快捷的运行，让龙门刨床复杂的电气控制系统变的简单、清晰、明了，使龙门刨床运行稳定和便于维护。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，在保留原始控制功能的前提下，还具有硬件简单可靠，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。

1.3龙门刨床电气控制改造总体要求

1 要求有宽广的调速范围

由于加工的材料和零件不同，所使用的刀具也会不同（例高速钢刀具。硬质合金刀具等），这就要求机床有不同的速度，以便满足不同加工工艺的要求。 2 电气控制电路能保证机床可靠地自动工作

在高速切削时，是为了减小刀具的冲击，应使刀具慢速切入工件。若切削速度与冲击为刀具所能承受时，利用转换开关，可以取消慢速切入。在工作台前进与返回行程末尾，工作台能自动调速，以保证刀具慢速离开工件，防止工件边缘剥裂，同时可减小工作台反向时的冲程和对电动机及其他机械的冲击。 3工作台能够按照需要实现自动往返循环

工作台前进行程中，刀架自动进给。后退行程中，刀架自动抬起。工作台在行程末尾可进行减速、反向等运动的自动变换。 4 工作台速度调整无须停车 5 刀架能自动进给和快速移动 6系统的机械特性要有一定的硬度

为了避免因起切削符合发生变化引起的工作台速度有较大的波动，以至于影响加工工件表面的质量，同时系统的机械特性应具有下垂特性，当负荷过大时，能使拖动工作台的电动机的转速迅速下降，直至停止，从而达到保护电动机及机械装置的目的。 7有必要的联锁保护

今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。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。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,在保留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。

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4.5ｍ／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0.05～0.1，B2012A型刨床为0.1；

3.具有较高的切削速度和足够的切削力； 4.在低速范围内，切削力基本保持恒定；

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.安全可靠，为提高加工表面的精度，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，成本低； 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；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。

今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。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。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,在保留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。

1.4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 交－直－交、电压型变频器和能量回馈装置作为主拖动控制装置，实现无级变速。工作台换向制动利用变频器自带的能量反馈装置，使制动速度快，能量又反馈到电

今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。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。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,在保留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。

2.工作台变频调速及PLC控制

2.1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。调速范围可以达到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，达到速度曲线的要求，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； 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。

今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。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。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,在保留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。

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。

2.2工作台调速方案

工作台往复循环中的速度变化。为避免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

今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。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。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,在保留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。

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[4]

今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。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。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,在保留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。

FR-A740-55k-CHT。变频器相关设置如表1

2.3工作台电气控制输入、输出确定

今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。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。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,在保留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。

2.4工作台电气控制接线图

今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。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。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,在保留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。

2.5工作台PLC电气控制程序

今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。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。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,在保留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。

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今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。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。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,在保留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。

3.刀架变频调速及PLC控制

3.1刀架运动及调速要求

1．刀架既可以自动进给，也可以快速移动，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。

3.2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0.2～25mm／次；水平方向为0.4～50mm／次。 （2)侧刀架：垂直方向为0.4～50mm／次。 2.电机及变频器选择

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-A740-1.5k-CHT。变频器相关设置如表3