基于PLC和變頻器的龍門(mén)刨床的工學(xué)論文
論文關(guān)鍵詞：龍門(mén)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(duì)B220龍門(mén)刨床進(jìn)行改造。刨床的主傳動(dòng)采用轉(zhuǎn)差頻率閉環(huán)控制，能較好的滿(mǎn)足工作臺(tái)靜、動(dòng)態(tài)特性要求；制動(dòng)采用了能量回饋制動(dòng)。改造后系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果。
龍門(mén)刨床的電氣控制系統(tǒng)主要包括工作臺(tái)的主傳動(dòng)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)的邏輯控制兩大部分。目前，國(guó)內(nèi)龍門(mén)刨床主要采用的主傳動(dòng)系統(tǒng)有兩種：一種是50年代的電機(jī)擴(kuò)大機(jī)一發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)組(K—F—D系統(tǒng))；一種是80年代少數(shù)經(jīng)過(guò)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(shì)。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(tái)B220龍門(mén)刨床，且改造后系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定。
1 龍門(mén)刨床控制系統(tǒng)要求
機(jī)床型號(hào)為B220，產(chǎn)地為濟(jì)南第二機(jī)床廠，要求改造后機(jī)床的調(diào)速范圍為5m／min一60m／min，系統(tǒng)運(yùn)行的平滑性要好，能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，且有很好的起制動(dòng)性能。起制動(dòng)時(shí)既能快速啟動(dòng)和制動(dòng)，又保證機(jī)械沖擊不過(guò)大，不對(duì)機(jī)械部件造成損害。能快速實(shí)現(xiàn)提速、降速和平穩(wěn)的調(diào)節(jié)速度，換向時(shí)要減小對(duì)齒輪的沖擊。能實(shí)現(xiàn)慢速切入，穩(wěn)速加工，快速換向，點(diǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)(Y280S一8，Pe =37KW ，I。=78-2A，n。=740r／min)、測(cè)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(duì)負(fù)載的波動(dòng)和電網(wǎng)的波動(dòng)有較強(qiáng)的抗干擾能力，以保證刨床的穩(wěn)定運(yùn)行。刨床的電機(jī)均由PLC 給出的指令進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)時(shí)，主傳動(dòng)用一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)代替原K—F—D系統(tǒng)機(jī)型，進(jìn)給機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)則用變頻調(diào)速器取代原電磁離合器，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)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(chǎng)信號(hào)，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(dòng)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(jī)械式行程開(kāi)關(guān)， 由于工作臺(tái)時(shí)頻繁的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，擋塊頻繁地撞擊行程開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致行程開(kāi)關(guān)容易發(fā)生故障，在不可靠的時(shí)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(diǎn)接近開(kāi)關(guān)代替機(jī)械式行程開(kāi)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(mén)刨的刨削過(guò)程是工件(放在刨臺(tái)上)與刨刀之間做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的'過(guò)程。也就是刨臺(tái)頻繁的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。刨臺(tái)的運(yùn)動(dòng)分為人工點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)往復(fù)循環(huán)運(yùn)行。圖1是刨臺(tái)的往復(fù)周期運(yùn)行圖。
圖1 刨臺(tái)的往復(fù)周期
2-2-2 主傳動(dòng)的控制原理
主傳動(dòng)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(lái)滿(mǎn)足工作臺(tái)頻繁換向和負(fù)載變化時(shí)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距就近似與轉(zhuǎn)差角頻率∞、成正比�？刂啤� 就能達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。在設(shè)計(jì)中我們用了轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器，使(1)。<(1)s ，以使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。因?yàn)槭褂玫耐ㄓ眯妥冾l器具有恒定電壓／頻率(V／F)比的功能，電機(jī)的氣隙磁通就可以基本保持不變，因此控制(1)。為最佳就實(shí)現(xiàn)了控制轉(zhuǎn)距為最佳的目的。
2-2-3 制動(dòng)系統(tǒng)原理
工作臺(tái)換向制動(dòng)采用能量回饋制動(dòng)，用兩組晶閘管(GTR)組成可逆調(diào)速系統(tǒng)，制動(dòng)時(shí)將系統(tǒng)中交流電動(dòng)機(jī)發(fā)電制動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的再生回饋制動(dòng)，這種制動(dòng)方式與能耗型制動(dòng)方式相比具有很多的優(yōu)點(diǎn)。能節(jié)約電能，并使電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，發(fā)熱少，制動(dòng)效果好，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3-1 PLC 的選擇
西門(mén)子公司的S7—200系列PLC 內(nèi)部集成了32位浮點(diǎn)運(yùn)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(jì)中考慮到控制回路輸入和輸出點(diǎn)數(shù)及運(yùn)行速度， 選用S7—200CPU226型PLC~]，它共有24輸)k／16輸出共40個(gè)數(shù)字量I／O點(diǎn)。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(shí)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(shí)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(diǎn)動(dòng)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(jì)
龍門(mén)刨床自動(dòng)進(jìn)刀、換向、刀架的自動(dòng)進(jìn)給、手動(dòng)進(jìn)退、點(diǎn)動(dòng)、橫梁升降等功能都由PLC軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3給出了主程序流程圖。
工作臺(tái)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(kāi)始與緊急停機(jī)段
t1— — 刨刀開(kāi)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(diǎn)動(dòng)控制
圖4 工作臺(tái)往復(fù)工作梯形圖
其中tl-t5段與圖1中的刨臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的各個(gè)階段相對(duì)應(yīng)。
4 結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)交流變頻調(diào)速改造后，B220龍門(mén)刨床的拖動(dòng)系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，減小了電動(dòng)機(jī)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(wú)級(jí)調(diào)速，工作臺(tái)運(yùn)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(chǎng)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(diǎn)。實(shí)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(shí)現(xiàn)了操作維護(hù)簡(jiǎn)單化和控制智能化。
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