PLC 和变频器在龙门刨床控制系统改造中的应用王海平(常州铁道高等职业技术学校机械工程系 江苏 常州 213011)摘 要：针对龙门刨床主传动系统的结构及控制特点，本文采用 PLC 和变频技术 对传统的 B2016 龙门刨床控制系统进行改造。工作台的主运动及进刀机构分别采用变频 器进行控制，制动系统采用能量回馈装置，全部工艺过程及相关信号由 PLC 进行控制。与原系统相比较，改造后的变频调速系统主传动装置容量节省了 300kW，传动效率提高 了一倍，调速范围增大到1:35，静差度3%，同时还大大简化了拖动系统，减小了维护 工作量，经济性和可靠性都有了很大的提高。关键词：龙门刨床；PLC ;变频器；控制系统1 引言 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 动系统有三种：一种是 50 年代的电机扩大 机一发电机一电动机组(AGM)系统， 第二种70年代改型的晶闸管一电动机组(V M)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，低速时损耗大， 功率因素低，且对电网和机械的冲击很大， 维修麻烦。80 年代后随着变频技术的高速发 展和可编程控制器(PLC)的不断更新，为龙 门刨床提供了一种更好的控制系统1。 用这 种系统控制的龙门刨床不仅克服了以上其 它控制系统的各个缺点，还大大提高了控制 精度和加工质量，更主要的是节约了大量的 能源。因此，龙门刨床控制系统的变频及 PLC 改造已成必然的趋势。本文结合变频技术和 PLC 控制，对传统 的 B2016 龙门刨床控制系统进行改造，有很 好的应用价值。2 龙门刨床的基本结构2.1 龙门刨床的基本结构 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。1床身；2工作台；3 横梁；4 垂直刀 架；5侧刀架；6 立柱；7 龙门顶图1龙门刨床的基本结构2.2龙门刨床的工作特点龙门刨床的刨削过程是工件与刨刀作 相对运动的过程。为此，工件必须与工作台 一起频繁地进行往复运动，工件的切削加工 仅在工作行程中，返回行程是空行程。在切 削过程中只有在工作台由返回行程转到工 作行程的期间刀架才进行一定量的进给B其 中，机床的主运动是工作台纵向往复运动， 而横梁的上下移动，刀架沿横梁的左右移 动，以及侧刀架在立柱上的上下往复运动称 作辅助运动。图2是刨床的往复周期运行图。图2刨床往复周期运行图其中LQ为工作行程长度，LH为返回行 程长度，VJ, VQ和VH分别为慢速切入速度、 切削速度和返回速度。各时间段的工作状况如表1。 表1龙门刨床工作情况时间运行阶段0t1工作台前进起动阶段t1 t2刀具慢速切入阶段t2 t3加速至稳定工作速度阶段t3 t4稳定工作速度阶段t4 t5减速退出工作阶段t5 t6反接制动到后退工作阶段t6 t7后退稳定速度阶段t7 t8后退减速阶段t8 t9后退反接制动阶段慢速切入切出，既可防止因撞击而崩坏工件与刀具又可以提高刀具使用寿命，空行 程高速返回可以提高加工效率。3系统改造3.1原拖动系统概况主拖动系统以直流发电机一电动机 (G-M)及晶闸管一电动机系统为主，如图3 所示。M2图3龙门刨床主拖动GM系统图系统采用电磁扩大机作为励磁调节器 的直流发电机一电动机系统，通过调节直流 电动机电压来调节输出速度，并采用两级齿 轮变速箱变速的机电联合调节方法。其主运 动为刨台频繁的往复运动，对速度的控制有 一定的要求，采用机械速比为2:1和电气调 速范围为10:1的机电联合调速系统。TitleSizeNBDate:29-File:D:5主拖动系统调速分析如图4所示。其中 FM表示最大切削力，V1表示切削速度，PM 表示最大切削功率。图中，V2为对应于最大 转矩时的最高速度,称为计算速度。在V1V2 范围内要求恒转矩调速；而在V2V3范围内 则要求恒功率调速。图4龙门刨床主拖动调速系统的调速特性机电联合调速与单纯调压调速比较，电 动机的设计功率可以缩小一半，但是电动机 的功率仍然比负载所需要的功率大接近一 倍，因此 B2016 龙门刨床直流电动机的功率 并没有得到充分利用。同时因为进刀机构采 用进刀继电器控制进刀，而继电器铁心和圆 盘齿因频繁运动而磨损，使精度下降。 3.2 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 59KVA交一直一交、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 网中。对于进刀机构可以采用3台6.5KVA 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。系统原理图如图5 所示。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2，3。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 6 所示。图 6 变频调速的机械特性4 控制系统设计控制部分采用 PLC 控制，其功能强、速 度快、接点数少、可靠性高，这是有触点的 继电器系统无法比拟的。全部工艺过程及联锁、信号、报警由 1 台 PLC 控制，其控制端子功能及接线图如图 7 所示。为了操作方便，变频器设置成外部控制 状态，实现远控。由A10和A11按编码组合 为 4 种运行速度， A12 为点动控制， T17 为 反转控制，T14为停车控制，GM1GM4来自 光电编码盘的反馈输入信号oPLC的X0X35 为操作和工艺控制的输入信号端，输出端 Y0Y5 控制横梁升降、刀架进给及铣、磨头 用变频器。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。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8所示。 5 结语与直流发电机组调速系统相比较，改造 后的变频调速系统主传动装机容量比原来 节省300kW；传动效率提高一倍；调速范围 为 1:35；静差度 3%；吃刀时进线电流为 12.2A,是原来的1/5；可靠性、经济性都有 很大提高。在整个机床的改造过程中涉及到了许 多测试、调试的问题，在硬件设备安装好后 又进行了许多调试工作。PLC程序的编制综 合考虑了工艺与加工要求的问题，变频器参 数设置也需考虑具体的加工要求。经过如此 改造，能大大简化拖动系统，减小维护工作 量，提高运行可靠性。参考文献1 兰蓉，李斌贵变流变频调速技术在龙门 刨床电气改造中的应用，机械研究与应用， 2007， Vol.20,N0.1,56-58.2 刘小春. 龙门刨床主拖动系统变频调速 改造，电气开关， 2004， N0.6， 25-27.23 刘东.龙门刨床变频调速系统的研制 洛阳工学院学2报， 2000，Vol.21，N0.3 17-19.34廖常初 .可编程序控制器应用技术 .重 庆：重庆大学出版社，2007.主传动电动机铣Ml头M2右 侧 刀 架M3左M4 横 M5横M6油M7风M8侧梁泵冷刀夹电电架紧动动机机图5龙门刨床变频调速系统原理图输岀侧工作台步进5QA工作台步退6QA工作台前进7QA工作台后退8QA总停 OTA-前进换向Q-HX前进减速Q-JX后退换向H-HX后退减速H-JS-垂直刀架按钮9QA右侧刀架按钮13QA-三侧刀架按钮11QA横梁上升15QA横梁下将16QA横梁夹紧限位6WK横梁夹紧过流GL横梁上升限位3WK-横梁下降限位4WK输入侧垂直刀架重复进刀10QA 右侧刀架重复进刀14QA 左侧刀架重复进刀12QA 铳头起动 铳头停止 越位极限AC220V3QA3TA1WKX14X17X22X30X31X32X33X34X35X5X6X7X10XIIX23X24X25X26X27PLCRUNX0X1X2X3X4Y0Y1Y2Y3Y4Y5COM1COM2Y10Y11Y12Y13COM3Y20Y24Y25Y26Y27COM504B03BCOM4T14A12T17AllA10VVVF1主拖动变频器VVVF23HS4HS 15HS 1Y14图7 PLC外部接线图N L-220VN 04A垂直刀架控制 右侧刀架控制 左侧刀架控制抬刀控制横梁上升横梁下降横梁夹紧横梁放松磨头与主拖动联锁GM1GM2光电编码盘GM3输入信号GM4铣头控制变频器TitleSiz eNum berRBDate:2-Aug-2005Sheet ofFile:E:LCW 论 文 电 基 电 拖 龙 门 刨 床 .DdbDrawn By