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基于PLC和變頻器的龍門刨床的工學(xué)論文
論文關(guān)鍵詞：龍門刨床 可編程序控制器 變頻調(diào)速 能量回饋
論文摘要：用可編程序控制器和交流變頻調(diào)速技術(shù)對B220龍門刨床進(jìn)行改造。刨床的主傳動采用轉(zhuǎn)差頻率閉環(huán)控制，能較好的滿足工作臺靜、動態(tài)特性要求；制動采用了能量回饋制動。改造后系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果。
龍門刨床的電氣控制系統(tǒng)主要包括工作臺的主傳動和進(jìn)給機構(gòu)的邏輯控制兩大部分。目前，國內(nèi)龍門刨床主要采用的主傳動系統(tǒng)有兩種：一種是50年代的電機擴大機一發(fā)電機一電動機組(K—F—D系統(tǒng))；一種是80年代少數(shù)經(jīng)過改型的直流可控硅調(diào)速系統(tǒng)(SCR—D 系統(tǒng))。這兩種系統(tǒng)的邏輯控制普遍采用繼電器控制，故障率高，維修困難，生產(chǎn)效率低，因此，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)已成趨勢。作者用交流變頻調(diào)速技術(shù)和可編程序控制器(PLC)改造成功了一臺B220龍門刨床，且改造后系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定。
1 龍門刨床控制系統(tǒng)要求
機床型號為B220，產(chǎn)地為濟南第二機床廠，要求改造后機床的調(diào)速范圍為5m／min一60m／min，系統(tǒng)運行的平滑性要好，能實現(xiàn)無級調(diào)速，且有很好的起制動性能。起制動時既能快速啟動和制動，又保證機械沖擊不過大，不對機械部件造成損害。能快速實現(xiàn)提速、降速和平穩(wěn)的調(diào)節(jié)速度，換向時要減小對齒輪的沖擊。能實現(xiàn)慢速切入，穩(wěn)速加工，快速換向，點動調(diào)節(jié)等各種加工工藝要求。
2 系統(tǒng)組成及工作原理
2-1 系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)由VVVF(變電壓變頻率)變頻器、交流電動機(Y280S一8，Pe =37KW ，I。=78-2A，n。=740r／min)、測速器組成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。采用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是為了對負(fù)載的波動和電網(wǎng)的波動有較強的抗干擾能力，以保證刨床的穩(wěn)定運行。刨床的電機均由PLC 給出的指令進(jìn)行控制。設(shè)計時，主傳動用一臺異步電動機代替原K—F—D系統(tǒng)機型，進(jìn)給機械執(zhí)行機構(gòu)則用變頻調(diào)速器取代原電磁離合器，實現(xiàn)對工作臺的各種不同速度的控制和往返換向。核心部件用PLC進(jìn)行控制，它根據(jù)操作站指令和現(xiàn)場信號，按預(yù)先編制好的程序?qū)ψ冾l器、刀架、橫梁、磨頭的跟蹤狀況進(jìn)行自動或人工控制。變頻器選用日本富士FRN45 Ggs一4JE電壓型通用變頻器。原系統(tǒng)采用機械式行程開關(guān)， 由于工作臺時頻繁的往復(fù)運動，擋塊頻繁地撞擊行程開關(guān)，導(dǎo)致行程開關(guān)容易發(fā)生故障，在不可靠的時候更可能產(chǎn)生事故，影響生產(chǎn)。改造中我們用光控?zé)o觸點接近開關(guān)代替機械式行程開關(guān)，經(jīng)使用效果很好。
2-2 工作原理
2-2-1工作方式
龍門刨的刨削過程是工件(放在刨臺上)與刨刀之間做相對運動的過程。也就是刨臺頻繁的往復(fù)運動。刨臺的運動分為人工點動運行和自動往復(fù)循環(huán)運行。圖1是刨臺的往復(fù)周期運行圖。
圖1 刨臺的往復(fù)周期
2-2-2 主傳動的控制原理
主傳動采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，來滿足工作臺頻繁換向和負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速快速跟隨性的要求。
由上式可以看出，在S很小的范圍內(nèi)，只要能夠維持氣隙磁通不變，異步電動機的轉(zhuǎn)距就近似與轉(zhuǎn)差角頻率∞、成正比。控制∞ 就能達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。在設(shè)計中我們用了轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器，使(1)。<(1)s ，以使電動機運行在最佳狀態(tài)。因為使用的通用型變頻器具有恒定電壓／頻率(V／F)比的功能，電機的氣隙磁通就可以基本保持不變，因此控制(1)。為最佳就實現(xiàn)了控制轉(zhuǎn)距為最佳的目的。
2-2-3 制動系統(tǒng)原理
工作臺換向制動采用能量回饋制動，用兩組晶閘管(GTR)組成可逆調(diào)速系統(tǒng)，制動時將系統(tǒng)中交流電動機發(fā)電制動狀態(tài)的再生電能進(jìn)行逆變，變成與電網(wǎng)同頻的交流電送回電網(wǎng)，來實現(xiàn)電機的再生回饋制動，這種制動方式與能耗型制動方式相比具有很多的優(yōu)點。能節(jié)約電能，并使電機運行平穩(wěn)，發(fā)熱少，制動效果好，延長了電機的使用壽命。
3 系統(tǒng)設(shè)計
3-1 PLC 的選擇
西門子公司的S7—200系列PLC 內(nèi)部集成了32位浮點運算，具有高速汁數(shù)、占空比可調(diào)脈沖輸出、PID調(diào)節(jié)、模擬電位器等功能。在設(shè)計中考慮到控制回路輸入和輸出點數(shù)及運行速度， 選用S7—200CPU226型PLC~]，它共有24輸)k／16輸出共40個數(shù)字量I／O點。圖2是PLC與變頻器的連接圖。變頻器的多檔速度控制端Xl、x2、x3分別與PLC 的輸出端QO．4、QO．3、QO．2相接，從而，多階段變頻器的輸出頻率將取決于QO．4、QO．3、QO．2狀態(tài)。
變頻器的多檔升、降速時間控制端X4、X5分別與PLC的輸出端Q0．1、Q0．0相接，從而變頻器在不同階段的升、降速時間將取決于QO．1、QO．0的狀態(tài)。
變頻器的正向控制端FWD、反向控制端REV以及點動控制端DDD 分別與PLC 的輸出端Q0_5、Q0．6、Q0．7相接。
3-2 PLC程序設(shè)計
龍門刨床自動進(jìn)刀、換向、刀架的自動進(jìn)給、手動進(jìn)退、點動、橫梁升降等功能都由PLC軟件來實現(xiàn)。圖3給出了主程序流程圖。
工作臺往復(fù)工作程序梯形圖如圖4所示。圖中M1．0、M1．1— —M1_7是PLC 內(nèi)部的輔助繼電器
圖中：t 循環(huán)開始與緊急停機段
t1— — 刨刀開始切人工件段 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 點動控制
圖4 工作臺往復(fù)工作梯形圖
其中tl-t5段與圖1中的刨臺往復(fù)運動的各個階段相對應(yīng)。
4 結(jié)束語
經(jīng)過交流變頻調(diào)速改造后，B220龍門刨床的拖動系統(tǒng)大大簡化，減小了電動機的容量。加工的調(diào)速范圍變寬，達(dá)到3—70m／min，靜差率<3％ ，且為無級調(diào)速，工作臺運行更加平穩(wěn)，尤其是換向迅速且沖擊小，加工效率提高。此外變頻調(diào)速有利于節(jié)電，且使現(xiàn)場的操作控制變得更為方便和可靠。而PLC的應(yīng)用充分體現(xiàn)了快速、靈活的控制特點。實現(xiàn)了以往難以作到的多種復(fù)雜控制和故障保護(hù)，使系統(tǒng)實現(xiàn)了操作維護(hù)簡單化和控制智能化。
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