1、仿真龙门刨床的变频调速改造的设计 第 1 页 共 40 页 【 摘 要 】 B2010A 型龙门刨床是一种多用途机床， 其电气线路既典型又有一定的难度，电气故障检修还是高级维修电工必须掌握的内容之一。实际龙门刨床床不仅成本高，而且难于移动。为此，本论文就设计了 龙门刨床变频调速改造系统 ，此设计突破了教具平面化的模式，具有电气控制结构简单、性能可靠、器件标准化、通用性好、操作灵活、维修方便等优点。另外还加上了运用 PLC 来控制龙门刨床主拖动系统。 【 关键词 】 ：电机调速、变频器、 PLC、调速控制。 常州工学院毕业设计论文 第 2 页 共 40 页 绪 论 电气控制系统 在现代技术 中
2、起着重要的神经中枢作用， 在设计 电气控制系统的时候，应根据 设备的 控制特点和工艺流程选择合适的控制方案，随着 PLC 控制技术日益成熟并得到越来越广泛的应用。利用原有的继电器 接触器控制电路设计 PLC 控制系统，或直接进行 PLC 控制系统的设计， 一般 都满足控制要求。 自从 60 年代末美国首先研制和使用可编程控制器之后，到 80 年代初， PLC 的应用已在工业控制领域中占据主导地位，进入 90 年代后，工业控制领域几乎完全被 PLC 占领。国外专家预言， PLC 技术将在工业自动化的三大支柱（ PLC、机器人和 CAD/CAM）中跃居首位。 PLC的最大特点是控制过程以程序方式存
3、放在存储器内，只要修改存储器中的程序就得改变生产工艺的控制过程，而不需要对硬件连线作多大的改变。 我国从 1974 年开始研制可编程控制器， 1977 年应用于工业。如今可编程控制器已经大量应用在引进设备和国产设备中，我国不少厂家引进或研制了一批可编程控制器，各行各业也涌现出大批应用可编程控制器改造设备的成果， 电气 行业生产的设备越来越多地采用可编程控制器作为控制装置。本文亦是运用 PLC 实现了对机床的控制 ，并配合变频技术进行本次设计。 仿真龙门刨床的变频调速改造的设计 第 3 页 共 40 页 常州工学院毕业设计论文 第 4 页 共 40 页 第一章 龙门刨床的工作原理 1.1 龙门刨
4、床控制系统的组成 龙门刨床的电气控制系统的组成主要包括工作台的拖动控制系统和进给机构的逻辑自动控制两大部分（如图 1-1， 1-2 所示）。目前，国内龙门刨床主要采用的主传动系统有两种：一种是电机扩大机 发动机 电动机组（ AG-G-M）系统 ;第二种是改型的晶闸管 电动机组（ V-M） ,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。随着变频技术的高速发展和可编程控制器（ PLC）的不断更新，结合起来可以为龙门刨床提供一种更好的控制系统。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
5、量，更主要是节约了大量能源。 组成一个基本的控制系统，必须由控制对象（受控对象），简称“对象”和控制装置两大部分组成，而一个基本的控制装置一般由检测器（反馈传感器）、给定器、控制器（包括放大器）和执行器四个环节组成，如图 1-1 所示。 为 AG-G-M 系统，由图 1-2 可见。是由电压反馈、电流正前馈、电流截止负前馈及电压微分负反馈稳定环节所组成的双闭环扰动补偿的复 合控制系统。负反馈（双闭环）是按偏差控制原则，前馈（双开环）是按扰动补偿控制原则。 仿真龙门刨床的变频调速改造的设计 第 5 页 共 40 页 图 1-1 自控系统基本组成 常州工学院毕业设计论文 第 6 页 共 40 页 图
6、 1-2 主拖动控制原理图 仿真龙门刨床的变频调速改造的设计 第 7 页 共 40 页 1.2 龙门刨床的基本原理 龙门刨床作为机械工业中的主要工作机床之一，在工业生产占有重要的地位。其运动方式较多，结构复杂，拖动电路电机较多，控制复杂，维护、检修困难。在实际中，龙门刨床的电路一直被作为考核技师的难题之一。随着工 业自动化的发展，变频器、 PLC 在工厂设备改造中的广泛使用，对龙门刨床进行改造，已越来越普遍。 1.2.1 龙门刨床主拖动系统的运动特点 我国现行生产的龙门刨床其主拖动方式以直流发电机 电动机组及晶闸管 电动机系统为主，以 A 系列龙门刨床为例，它采用电磁扩大机作为励磁调节器的直流
7、发电机 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，在往复一个周期中，对速度的控制有一定要求，如图所示。 图中： t1 段表示刨台起动，刨刀切入工件的阶段，为了减小刨刀刚切入工件的瞬间，刀具所受的冲击及防止工件被崩坏，此阶段速度较低。 t2 段为刨削段，刨台加速至正常的刨削速度 t3 段为刨刀退出工件段，为防止边缘被崩裂，同样要求速度较低 。 t4 段为返回段，返回过程中，刨刀不切削工件，为节省时间，提高加工效率，返回速度应尽可能高些。 t5 段为 缓冲区。返回行程即将结束，再反向到工作速度之前，为减小对传动机械
8、的冲击，应将速度降低，之后进入下一周期。 常州工学院毕业设计论文 第 8 页 共 40 页 1.2.2 对电动机机械特性的要求 为充分利用电动机的容量，同时满足负载电动机的要求，龙门刨床主拖动电动机运行时的机械特性应与负载机械特性配合，即电动机机械特性应靠近并位于负载机械特性之上。 1.2.3 变频器调速机械的特性 从电动机调速理论可知，若采用变频调速，在频率低于额定频率时，电动机调速具有恒转矩输出特性，而在高于额定频率区，电动机电压不能升高，具有恒功率的输出特性 。 比较可知，采用变频调速时，电动机的机械特性曲线刚好与刨台的运动所对应的特性曲线相符。因此，适于采用变频调速对龙门刨床的主运动系
9、统进行改造，并使电动机的工作频率适当提高至额定频率以上。 由于龙门刨床的传动机构从速度为 45r/min 分为两档，故电动机的机械特性也以 45r/min分成曲线相似的两段。 如图 1-4 所示。 1.2.4 机械结构及控制要求 用于实现刨台往返控制的六个行程开关仍如原来所示安装，工作台侧面的燕尾槽安装四个撞块。依靠四个撞块相应的行程开关实现工作台的自动工作。前进撞块 A、 B， 后退撞块 C、 D分布在行程开关两侧。图 1-5 所示为各行程开关的零位状态。 仿真龙门刨床的变频调速改造的设计 第 9 页 共 40 页 图 1-4 工作台行程开关零位状态 运动控制过程：工作台前进时，撞块 A 撞
10、击 SQ3， B 撞击 SQ5，经过一段越位后，刨台后退。后退时，撞块 B 使 SQ5 复位，撞块 A 使 SQ3 复位。后退末了，工 件退出刀具后，撞块 C 撞击 SQ4使电机减速， D 撞击 SQ6 使电机换向，经过一段越位后 ，刨台从后退换成前进。刨台即按此方式循环工作。 SQ2、 SQ1 分别起前进、后退的限位保护。为简化控制电路，减少对龙门刨床的日常维护工作量，可采用 PLC 作为控制元件与变频器结合实现刨床的自动化控制的改造。 1.3 龙门刨床的调整试车 机床电器全部安装、检查完毕，必须经过正确仔细的试车测试调整，才能正式投入生产。电气调试工作，必须有机械操作人员配合。 1.3.1
11、 试车前的准备 （ 1）仪器、仪表准备。 （ 2）电气控制设备的安全处理 。 1.3.2 控制电器动作检查 （ 1）交流控制回路电器动作检查。 （ 2）直流控制电路电器动作检查。 （ 3）故障停车检查。 1.3.3 横梁升、降控制实验与调整 （ 1） 加紧电动机旋转方向试验。 （ 2）加紧程度调整。 （ 3）升降试验。 1.3.4 刨台控制系统的调试 将机械变速箱调速手柄置于高速档（ 9 90mmin） ，启动机组，按压前进按钮，使刨台自动循环运行。逐步调整各级参数，使刨台达到最高速。 （ 1）直流给定控制电路参数调整。 （ 2）刨台高速档及低速档的调整。 （ 3）停车制动试验。 （ 4）系统
12、稳定性试验。 （ 5）步进、步退速度调整。 （ 6）磨削速度及稳定性调试。 常州工学院毕业设计论文 第 10 页 共 40 页 1.3.5 刨台控制系统各环节的试验与调整 （ 1）电机放大机 AG 的试验与调整。 1）转向检验 2）极性检验 3）补偿程度调整 （ 2）发电机 G 的试验（极性）。 （ 3）电压负反馈性试验与参数。 1）反馈极性测试 2）反馈系数调整 （ 4）电压微分负反馈稳定环节极性及参数的测试。 1）极性测试 2）参数调整 （ 5）直流电动机的 运转。 （ 6）电流正前馈补偿环节极性、参数测试与调整。 （ 7） 电流截止负前馈保护环节的极性测试与参数 调整。 1.3.6 龙门刨床的综合试验 （ 1）空载运行试验 （ 2）负载运行试验
