PLC和變頻器在龍門刨床主拖動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

沈玉梅

（大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧大連116035）

龍門刨床是機(jī)械制造業(yè)中主要工作機(jī)床之一，常用來(lái)加工大型零件，在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要位置。龍門刨床的主運(yùn)動(dòng)，是工作臺(tái)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。早期的龍門刨床電氣主拖動(dòng)系統(tǒng)主要有兩種：一種是電動(dòng)機(jī)擴(kuò)大機(jī)—發(fā)電機(jī)—直流電動(dòng)機(jī)組（A-G-M）系統(tǒng)；另一種是晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)組（V-M）系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)的控制電路，普遍采用有觸點(diǎn)的繼電器控制方式，在經(jīng)過(guò)多年的使用后，系統(tǒng)電氣控制器件已經(jīng)嚴(yán)重老化，出現(xiàn)了加工精度低、調(diào)速性能差、電氣故障頻繁、維護(hù)和保養(yǎng)難度大等問(wèn)題[1]，已不能滿足正常加工生產(chǎn)的需要。

變頻調(diào)速技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的推廣和使用，各項(xiàng)性能和技術(shù)指標(biāo)不斷趨于完善和成熟，節(jié)能效果顯著。為提高龍門刨床的加工精度和生產(chǎn)效率，采用PLC和變頻器對(duì)龍門刨床電氣主拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，已成必然趨勢(shì)。

1 龍門刨床電氣主拖動(dòng)系統(tǒng)的控制要求

龍門刨床的刨削過(guò)程是工件（固定在工作臺(tái)上）與刨刀之間做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，龍門刨床的主運(yùn)動(dòng)，是工作臺(tái)往返交替循環(huán)的直線運(yùn)動(dòng)。因此，龍門刨床對(duì)其主拖動(dòng)系統(tǒng)的要求比較高[2]。具體控制要求如下：

（1）工作臺(tái)主拖動(dòng)系統(tǒng)，具有比較寬的調(diào)速范圍和較硬的機(jī)械特性；

（2）工作臺(tái)能根據(jù)不同工件自由調(diào)節(jié)工作速度，而且前進(jìn)和后退的速度要單獨(dú)調(diào)整；

（3）工作臺(tái)起動(dòng)和制動(dòng)快速、平穩(wěn)，對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械的沖擊小，能夠按照需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)往返循環(huán)運(yùn)行；

（4）工作臺(tái)要求能夠人工點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行，即“工作臺(tái)步進(jìn)”和“工作臺(tái)步退”，以利于切削前的調(diào)整；

（5）與刀架、橫梁的互鎖。刀架與工作臺(tái)之間、橫梁與工作臺(tái)之間必須有可靠的互鎖；

（6）與油泵電動(dòng)機(jī)的互鎖。只有在油泵正常供油的情況下，才允許進(jìn)行工作臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；如果在工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，油泵電動(dòng)機(jī)因發(fā)生故障而停機(jī)，工作臺(tái)將不允許在刨削中間停止運(yùn)行，而必須等工作臺(tái)返回至起始位置時(shí)再停止。

2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)改造方案

目前，龍門刨床控制系統(tǒng)的改造，主要根據(jù)主拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)備狀況進(jìn)行選擇。

第一種是工作臺(tái)主拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)良，而且還有較長(zhǎng)的使用年限。在這種情況下，為節(jié)省改造費(fèi)用，建議保留直流電動(dòng)機(jī)，采用全數(shù)字直流調(diào)速裝置，取代電機(jī)擴(kuò)大機(jī)—發(fā)電機(jī)組進(jìn)行改造。

第二種是主拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的使用壽命已不太長(zhǎng)，或沒(méi)有太大使用價(jià)值，在這種情況下，建議用交流異步電動(dòng)機(jī)取代主拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，采用變頻器進(jìn)行改造。本文以A系列龍門刨床電氣主拖動(dòng)系統(tǒng)為例,介紹用變頻器對(duì)其進(jìn)行改造的方案設(shè)計(jì)。

2.2 電氣主拖動(dòng)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

龍門刨床電氣主拖動(dòng)系統(tǒng)的電路如圖1所示。

圖1 龍門刨床電氣主拖動(dòng)系統(tǒng)的電路圖

當(dāng)空氣斷路器合閘后，由按鈕SB7和SB8控制接觸器KM1，分別控制變頻器的通電與斷電，并由指示燈HL1進(jìn)行指示。工作臺(tái)的步進(jìn)和步退，分別通過(guò)按鈕SB1和SB2來(lái)控制。工作臺(tái)的刨削速度和返回速度，分別通過(guò)電位器RP1和RP2來(lái)調(diào)節(jié)；工作臺(tái)步進(jìn)和步退的速度，由變頻器預(yù)置的點(diǎn)動(dòng)頻率決定。當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，觸點(diǎn)KF閉合，切斷變頻器的電源，同時(shí),指示燈HL2亮，進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)油泵發(fā)生故障時(shí)，繼電器KT閉合，PLC程序使工作臺(tái)在往復(fù)周期結(jié)束之后，停止工作臺(tái)的繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)，指示燈HL3亮，進(jìn)行報(bào)警。

2.3 電動(dòng)機(jī)的選擇

對(duì)于機(jī)床類負(fù)載，由于在切削過(guò)程中轉(zhuǎn)速是不調(diào)節(jié)的，故對(duì)機(jī)械特性的要求較高，且調(diào)速范圍也往往較大。一般來(lái)說(shuō)，以選用變頻調(diào)速專用電動(dòng)機(jī)為宜。龍門刨床工作臺(tái)原電氣拖動(dòng)系統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)的主要額定數(shù)據(jù)為PN=60kW，nN=1800r/min。

通過(guò)對(duì)比，現(xiàn)選用YVP250M-4型異步電動(dòng)機(jī)，主要額定數(shù)據(jù)如下

能夠滿足系統(tǒng)的要求。

2.4 變頻器的選擇

考慮到龍門刨床本身對(duì)機(jī)械特性的硬度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的要求較高,近年來(lái)，龍門刨床常常與銑削和磨削兼用，而銑削和磨削的進(jìn)刀速度,約為刨削時(shí)的1%，故要求拖動(dòng)系統(tǒng)兼用良好的低速運(yùn)行性能?，F(xiàn)選用日本安川公司生產(chǎn)的通用高性能矢量控制變頻器，控制方式為“有速度反饋”。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的容量PN=55kW，可選用變頻器的型號(hào)為CIMR-G7B4055，其容量為98kVA，額定電流為128A。

2.5 PLC的選擇

根據(jù)控制系統(tǒng)所需的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，并留有一定裕量備用，考慮選取維護(hù)使用方便、性價(jià)比高的機(jī)型，選用日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N-128MR-001PLC。其具有高速處理及可擴(kuò)展功能模塊等特點(diǎn)，完全可以滿足控制要求。

3 龍門刨床工作臺(tái)工作流程

龍門刨床工作臺(tái)的工作流程如圖2所示。工作臺(tái)啟動(dòng)后，為避免刀具切入工件時(shí)的沖擊而使工件邊緣崩裂，或損壞刀具，先以低速前進(jìn)（慢速切入）；刀架進(jìn)刀機(jī)構(gòu)自動(dòng)進(jìn)刀一次后，工作臺(tái)加速至刨削速度，對(duì)工件進(jìn)行加工；刨削結(jié)束，為避免刀具將工件剝落，工作臺(tái)減速運(yùn)行（低速切出）；進(jìn)刀結(jié)束后，刀架抬起，電動(dòng)機(jī)換向、反向加速至高速，工作臺(tái)高速后退，以提高工作效率；為了減小停車時(shí)的超程（又稱越位），在后退換向前先減速運(yùn)行，直至換向，進(jìn)入下一次循環(huán)[3]。

在工作臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行的過(guò)程中，通過(guò)“前進(jìn)速度”和“后退速度”旋鈕，可以根據(jù)需要對(duì)每個(gè)階段工作臺(tái)的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到理想的工作狀態(tài)。

圖2 龍門刨床工作臺(tái)工作流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

采用PLC和變頻器對(duì)龍門刨床工作臺(tái)主拖動(dòng)系統(tǒng)改造后，工作臺(tái)的拖動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，加工的調(diào)速范圍變寬，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，節(jié)能效果顯著，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]王 巖，劉樂(lè)慶.用可編程控制器對(duì)龍門刨床的改造[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，（7）：117-119.

[2]王雪潔，婁 瑩.變頻調(diào)速系統(tǒng)和PLC在龍門刨床上的應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2003，（2）：17-18.

[3]金 燕，王海平.PLC和變頻器在龍門刨床控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2010，（11）：112-114.