PLC龙门刨床的论文

PLC龙门刨床的论文 目录 1绪论 .............................................................. 2 1.1 本课题的来源 ............................................... 2 1.2 现有龙门刨床控制系统所存在的问题 ............................ 3 1.3 本课题的研究意义与工艺要求 .................................. 3 1.3.1 本课题的研究意义 ...................................... 3 1.3.2 本课题的工艺要求 ...................................... 4 1.4 本课题相关器件的选型 ........................................ 4 2 控制对象的分析 ................................................... 4 2.1 控制对象的结构与工艺特点分析 ................................ 4 2.1.1 龙门刨床的结构 ......................................... 5 2.1.2 龙门刨床的工艺特点 ..................................... 5 2.2 龙门刨床控制系统分析 ........................................ 7 2.2.1 龙门刨床对电气控制系统的要求 .......................... 7 2.2.2 如何研究电气控制系统 .................................. 7 2.3 龙门刨床继电接触控制系统的工作过程 .......................... 7 2.4 龙门刨床的主拖动控制系统分析 ............................... 15 3 PLC控制系统的硬件电路 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ....................................... 17 3.1 FP1 系列PLC的介绍 ......................................... 17 3.1.1 FP1系列PLC的结构 .................................... 17 3.1.2 FP1系列可编程控制器的工作原理 ........................ 18 3.2 PLC控制逻辑实现 ........................................... 18 3.2.1 PLC原理图 ............................................ 18 3.2.2 PLC输入、输出及逻辑元件定义 .......................... 19 3.3 龙门刨床变频调速系统的设计 ................................. 20 3.3.1变频调速系统的控制电路及特点 .......................... 20 3.3.2 变频器的特点分析 ..................................... 22 3.3.3 变频器的节能分析 ..................................... 22 3.3.4 松下VF-7F变频器功能简介 ............................. 23 3.3.5 变频器参数设置 ....................................... 24 3.4变频器设计 ................................................. 24 4 PLC控制系统的软件分析设计 ....................................... 26 4.1 PLC程序设计 ............................................... 26 4.2 PLC软件流程分析 .......................................... 26 4.3 PLC程序的分析 ............................................. 26 4.4系统设计 ................................................... 32 4.4.1系统设计的一般程序 .................................... 32 4.4.2电气控制设计的一般程序是 .............................. 32 4.5系统电气原理图 ............................................. 34 5 改造前后的比较 .................................................. 35 1 结 论 ............................................................ 36 参考文献 .......................................................... 37 附录1 PLC程序 .................................................... 38 附录2 电气原理图 .................................................. 43 附录3 PLC接线原理图 .............................................. 44 致 谢 ............................................................ 45 英文原文及中文翻译 ................................................ 45 1绪论 1.1 本课题的来源 在培训中级维修电工的时候,学习了磨、铣、镗、钻四大机床的控制系统，并在 2 本学期校外实习时也接触过龙门刨床，该龙门刨床是由济南第二机床厂设计制造的A 系列龙门刨床中的B2012型。 1.2 现有龙门刨床控制系统所存在的问题 在龙门刨床的工作过程中，对起动、制动特性要求很高，由于换向快，正反向起 动、制动频繁，其中有很大一部分时间是工作在过渡过程中，为了提高生产效率，显 然必须尽量缩短换向过渡时间。但是换向的时间愈短，起、制动电流就愈大，这样又 容易损坏电机，而且换向时速度突变使刨床产生较大的机械冲击，这对工作台主拖动 直流电机和传动机构都有很大的影响，导致传动部件的快速磨损，降低刨削加工质量。 而且，由于现有龙门刨床大多数采用的是“电机扩大机--发电机--电动机(K-F-D )”主 拖动系统，少数改进为可控硅直流调速系统(SCR-D系统)，因此都还存在投资大、用 料多、耗电量大、占地面积宽、噪音大、难维护等一系列缺点。因此，平滑调速，提 高调速精度和工作效率，消除换向冲击，保护主电机和传动机构，并改善操作性能， 成为大型龙门刨床期待解决的技术问题。 1.3 本课题的研究意义与工艺要求 1.3.1 本课题的研究意义 本课题的研制目标为利用可编程控制器及变频器实现对龙门刨床的自动控制和 平滑调速，消除换向冲击，提高工作效率，减少噪音，取缔原控制系统，从而达到经 济快捷地运行龙门刨床的目的。使龙门刨床复杂的电气控制系统变得简单，清晰明了， 使龙门刨床处于最佳的工作状态。研究内容主要为龙门刨床的自动控制设计及其相关 理论研究，包括：可编程控制器工作原理及逻辑控制电路设计与程序实现，变频调速 系统工作原理及电路设计，系统参数优化原理及设置等。 龙门刨床如控制和使用得当，不仅能提高效率，节约成本，还可大大延长使用寿 命。龙门刨床主要分为机械和电气控制两大组成部分，机械部分相对比较稳定，使龙 门刨床运行在最优状态主要取决于电气控制系统控制方式。在传统龙门刨床中，这种 现象尤其明显，其机械部分刚性好，精度较高，一般其基本性能可达到现代同类机械 的水平，但控制和驱动部分则显得不同程度的老化，这对加工性能及成本有很大的影 响，有的甚至无法在一些加工要求稍高的工件场合下使用，本科题通过对原系统以及 龙门刨床加工运行性能和要求进行分析研究，设计了一套低成本高性能的控制方案， 可最大限度发挥龙门刨床的加工潜力，提高可靠性，降低运行成本，对老式龙门刨床 的改造提高有很大的实际意义。 3 1.3.2 本课题的工艺要求 本课题的工艺要求为: （1）取消电机扩大机，发电机，以减少噪音，克服诸多控制缺陷。 （2）工作台能实现自动循环工作和点动，可实时精确调节工作台速度，平稳换向， 并有自动和点动工作时的极限保护。 （3）垂直刀架可方便地在水平和垂直两个方向快速移动和进刀，并能进行快速移 动和自动进给的切换。 （4）左右侧刀架可在上、下方向快速移动和进刀，能进行快移/自动切换。并有左右侧刀架限位开关，防止其向上移动时与横梁碰撞。 （5）横梁可方便地上下移动和夹紧放松，加紧程度可调，横梁下降时有回升延时， 延时时间可调。 （6）润滑泵有连续/自动切换开关，系统一得电，油泵即上油，至一定压力时，油 压继电器触点闭合，为工作台工作做准备。 （7）有保护环节控制，保证工作台停在后退末了，以免切削过程中发生故障而突 然停车造成刀具损坏和影响加工工件表面的光洁度。 （8）各回路均有自动空气断路器作短路保护和过载保护。 1.4 本课题相关器件的选型 本课题所选用的PLC是松下电工FP1系列C56的PLC。它集成32输入／24输出共56个数字量I／O点。FP1是一种功能非常强大的小型系列，某些功能甚至可与大型机媲 美。它具有体积小、功能强、性价比高等特点，适用于单机、小规模控制，在机床、 纺织机、电梯控制等领域得到了广泛的应用。FP1由主机、扩展单元、智能和连接单 元三大部分组成，扩展单元为I／O点扩展模块，由E8～E40系列组成。智能单元包括 远程I／O单元、C-NET网络单元、A／D 单元、D／A单元。利用这些模块最多可将I／O点扩展到152点，同时还可以控制4路A／D、4路D／A。程序最大容量可达5000步，最大用户区为6144字，最大内部继电器数为1008点，定时／计数器最大点数为144个。主机控制单元还配有RS-232接口可实现PLC与PC之间的通信。使用松下电工的C-NET网，用RS-485双绞线，可将1200M范围内多达32台PLC联网，实现上位机监控。 2 控制对象的分析 2.1 控制对象的结构与工艺特点分析 龙门刨床是制造重型设备，如大型轧钢机、气轮机、发电机、电动机、矿山设备 4 等不可缺少的工作母机。主要用来加工大型工件的各种平面、斜面、槽。特别适宜于 加工大型的、狭长的机械零件，如机床的床身，箱体，导轨等。应用非常广泛，具有 多种控制要求。 左垂刀架右垂刀架 67 衡梁 3 左侧刀架右侧刀架 54 1 工作台 图2－1 龙门刨床的平面布置图 图2－2 龙门刨床横向布置图 龙门刨床的平面布置图如图2－1所示(立柱和龙门顶见图2－2)，其横向布置图如图2－2所示。 2.1.1 龙门刨床的结构 龙门刨床主要由七部分组成，如图2－2所示：（1）床身，（2）工作台，（3）横梁，（4）左右垂直刀架，（5）左右侧刀架及进给箱，(6)立柱，(7)龙门顶。 2.1.2 龙门刨床的工艺特点 龙门刨床生产工艺特点是工作台与工件频繁地进行往复运动。工件的切削加工仅 在工作行程内进行，而返回行程只做空运转。在切削时没有进给运动，只在工作台返 回行程转到工作行程的期间内刀架才位移一定的距离。因而龙门刨床的主运动是工作 台和工件的纵向往复运动。辅助运动是刀架沿横梁的左右移动。其运行速度如图2－3所示。 5 v V QVJ t6t7t8t90 t1t2t3t4t5LHQLVLH 图2－3 龙门刨床运行速度图 其中LQ为工作行程长度，LH为返回行程长度，VJ为慢速切入速度,VQ为切削速度，VH为返回速度。各时间段的工况为，0-t1：工作台前进起动阶段；tl-t2：刀具慢速切入阶段；t2-t3：加速至稳定工作速度阶段；t3-t4：为稳定工作速度阶段；t4-t5：为减速退出工作阶段；t5-t6：为反接制动到后退工作阶段；t6-t7：为后退稳定速度阶段；t7-t8：为后退减速阶段；t8-t9：为后退反接制动阶段。 刀具切入工件之前减速的目的，是为了减少刀具在切入时所承受的冲击，延长刀 具的使用寿命，称为慢速切入（t1-t2段）。切入工件后再加速到 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的切削速度VQ（t3-t4段），切出工件之前减速的目的是为了防止工件边缘的崩裂。返回速度为VH（t5-t6段）。返回过程不切削工件，为提高生产率，反向时直接加速到高速返回速 度。返回行程再反向到工作速度之前，为了减少反向时的越位，还要求有一个减速过 程（t7-t8）。 工件在加工过程中，横梁是不准移动的，只有在加工完一个工件，准备加工另一 个工件时，根据工件的高矮调整刀架的高度，才需要移动横梁。移动的距离视工件尺 寸而定。横梁运动属“点动”性质。为了保证横梁能按要求停在一定的位置上，还设 有夹紧机构。 横梁运动规律如下: 按横梁上升按钮?夹紧机构自动放松?放松后横梁上升?上升完毕横梁自动夹 紧。 按横梁下降按钮?夹紧机构自动放松?放松后横梁下降?下降完毕横梁回升? 回升完毕横梁自动夹紧。 回升的目的是保证横梁能可靠地夹紧在应有的位置上。 6 2.2 龙门刨床控制系统分析 2.2.1 龙门刨床对电气控制系统的要求 B2012A龙门刨床对电气控制系统的要求，综合起来大约有以下几点： （1）宽广的调速范围。 （2）工作台能按照需要实现自动的往返循环。 （3）工作台前进与返回行程的速度，能分别地做无级调整，不必停车。 （4）刀架能自动进给和快速移动。 （5）系统的机械特性应具有一定的硬度（静差度小于10%），以避免因切削负荷的变化引起工作台速度过大的波动，而影响到加工表面的质量。同时，系统的机械特性 应具有下垂特性，当负荷过大时，能使拖动工作台的直流电动机的转速下降，以致停 止，从而达到保护电机及机械部分的目的。 （6）因为工作台经常运行在过渡过程状态，因此要求过渡过程快，传动平稳。 （7）有必须的联锁保护。 2.2.2 如何研究电气控制系统 在知道B2012A龙门刨床向电气控制系统提出的要求及其加工过程后，在我们可 以将龙门刨床电气原理图划分为以下几个组成部分： （1）直流发电机-电动机组成的主回路。 （2）电机放大机作为直流发电机励磁调节器的控制回路。 （3）继电-接触控制回路。 （4）交流电动机A及其他辅助电机部分。 其中为什么要采用电机放大机作为控制元件呢？这是根据龙门刨床的工作特点 来决定的。龙门刨床的工作台要求有比较宽的调速范围，在工作台工作过程中，又经 常要自动变换速度，要求过渡过程快，同时还要求工作台速度很少受负载变化的影响， 由于这些原因，仅仅用一台交流电动机来拖动工作台，是达不到这些要求的。所以采 用了电机放大机控制的直流发电机-电动机系统。 2.3 龙门刨床继电接触控制系统的工作过程 7 龙门刨床的电气原理图，如图2－4所示 图2－4 龙门刨床电气原理 8 续图2－4 龙门刨床电气原理 如图2-4所示。这么复杂的电气原理图，我们就从主拖动机组的起动和停止；工 作台的“步进”、“步退”；工作台的自动循环工作；刀架的控制和横梁升降的控制这 5 个方面逐一分析 。 9 （1）主拖动机组的起动和停止 按主拖动机组A的启动按钮2A，接触器C-A和Y吸上。时间继电器SJ-A线圈虽然同时得电，但是要经过延时它的触点动作。接触器C-A的常开触点（703-705）闭合，实现自保。C-A在主拖动机组A定子侧的三个常开触点闭合，使主拖动机组A获得电源。 接触器Y在主拖动机组A定子侧的三个常开触点闭合，使主拖动机组A接成Y起动。随着主拖动机组的起动，发电机F和励磁机L也被拖动运转。当励磁机L输出电压达到正常数值时，直流电压继电器SJ-?吸上，它的常闭延时闭合触点（705-717）打开，常开延时释放触点（723-725）闭合。由于时间继电器SJ-A延时时间尚未结束，它的触点(705-717)尚未断开，所以尽管SJ-?的常闭延时闭合触点（705-717）已断开，接触器Y仍维持吸上状态，主拖动机组A仍按星形连接运行。当时间继电器SJ-A的延时结束时，它的常闭延时断开触点（705-717）断开，接触器Y断电释放，同时SJ-A的常开触点和两个常闭触点（705-723）闭合，接触器C-B通电吸上。接触器C-B有两个常开触点闭合，一个实现自保，为接触器?角通电作好准备。接触器C-B的常闭触点（717-719）断开，使接触器Y断电释放。C-B的常闭触点（H1-L-51）断开，使直流电压继电器SJ-?断电，经过整定延时后，SJ-?释放，他的常闭延时闭合触 点（705-717）闭合，使接触器?在主拖动机组A定子侧的三个常开触点闭合，使主 拖动机组A被连接成三角形运转，到此主拖动机组起动完毕。 当按下主拖动机组的停止按纽1A时，接触器C-A、?和C-B均断电释放，主拖动机组的电源被切断机床停止工作。 （2）工作台的“步进”、“步退” 当主拖动机组A起动完毕后，接触器?的常开触点（101-103）闭合， 按工作台“步进”按钮8A，继电器Q通电吸合，Q的常开触点（1-3）闭合，继电器SJ吸合，SJ的常闭延时闭合触点（S1-K-270）与（0?2-280）断开，断开了电机放大机的欠 补偿回路和发电机的自消磁回路，同时SJ的常开延时断开触点（1-201）与（2-204）闭合，使电机放大机控制绕组0?中加入给定电压。 如放开按钮8A，它将自动复位，这时继电器Q又断电释放，Q的常开触点（1-3）断开，继电器SJ断电，SJ的常开延时断开触点（1-201）（2-204）延时断开，SJ的常闭延时闭合触点（S1-K-270）与（O?2-280）延时闭合。电机放大机的欠补偿回路 和发电机的自消磁回路被接通，工作台迅速制动下来，并防止了工作台的“爬行”。 工作台停车时，利用继电器SJ的常闭延时闭合触点，经过约0.9秒的延时才接通电机放大机的欠补偿回路和发电机的自消磁回路，目的在于不使工作台停车制动过 分强烈。工作台的步进、步退速度曲线图如图2－5所示。 10 图2－5 步进、步退速度图 （3）工作台的自动循环工作 B2012A龙门刨床在工作台侧面上装有四个撞块A、B、C、D，在机床床身上装有 四个行程开关Q-JS、Q-HX、H-JS及H-HX和两个终端限位开关1HXC、2HXC。 假定工作台是停在返回行程末了的位置上，触点Q-HX1、Q-JS2、H-JS1、H-HX2是闭合的，触点Q-HX2、Q-JS1、H-JS2、H-HX1是断开的。按工作台“前进”按钮9A，继电器JI通电吸上，JI的常开触点（107-129）闭合，实现自保，同时使继电器1Q通电吸上。JI的常开触点（111-113）闭合，继电器Q通电吸上。JI的常闭触点（200-240）断开，常开触点（200-220）闭合，使工作台调整回路断开，自动工作回路接通。 Q的常开触点（1-3）闭合，继电器SJ吸上，SJ的常闭延时闭合触点（S1-K-270）及（280-0?2）断开，断开了电机放大机欠补偿回路和发电机的自消磁回路。SJ的常开延时断开触点（1-201）及（2-204）闭合，使调速电位器R-Q及R-H接通电源。由于转换开关6KK置于接通的位置上，在1Q的常开触点（161-163）闭合时，继电器J接通吸上。 继电器Q及J的常开触点（220-225）、（225-237）闭合，J的常闭触点（223-225）断开，电极放大机控制绕组0?中便加入给定电压，电机放大机在强迫励磁作用下输 出电压迅速升高达到稳定慢速时的数值，工作台因而也迅速启动并达到稳定的慢速。 工作台继续前进，撞块D使行程开关H-HX复位，触点H-HX1闭合，为工作台反向作好准备。触点H-HX2断开，继电器1Q断电释放，1Q的常开触点（161-163）断开，继电器J断电释放。1Q和J的常闭触点（230-250）和（250-O?2）恢复闭合状态。J的常开触点（225-237）断开，常闭触点（223-225）闭合，断开了工作台的慢 速回路，当撞块C碰撞行程开关H-JS时，H-JS复位，触点H-HS1断开，H-JS2闭合。工作台在前进行程将结束，刀具将离开工件时，撞块A碰行程开关Q-JS，触点Q-JS1闭合，继电器J又通电吸上，工作台又降到慢速运行。行程开关Q-JS2断开，将电阻b-H全部串入控制绕组O?回路中，以限制减速、反向过程中主回路冲击电流不致过 11 大，因而也减小了对传动机构部分的冲击。 当刀具离开工件，工作台工作行程结束时，撞块B碰行程开关Q-HX，触点Q-HX1断开，继电器Q断电释放。触点Q-HX2闭合，继电器1H通电吸上。Q的常开触点（200-225）断开控制绕组O?正向励磁回路，Q的常闭触点（123-125）闭合，使继电器H通电吸上，同时Q的常闭触点（157-163）闭合，为工作台返回结束前的减速 作好准备。 继电器H的常闭触点（159-163）断开，使继电器J断电释放，保证工作台以调 速电位器R-H的手柄位置所决定的高速返回。 H的常开触点（220-226）闭合，接通了控制绕组O?的反向励磁回路，工作台迅速制动并反向运行。同时H的常开触点（1-5）闭合，接触器2H通电吸上，2H的常开触点（1-11）及（2-12）闭合，接通了抬刀电磁铁，刀架在工作台返回行程时，自动抬起。继电器1H的常开触点（305-307）、（405-407）及（505-507）闭合，接通相应的接触器，刀具实现自动进 刀。 工作台以较高的速度返回，撞块B使行程开关Q-HX复位时，触点Q-HX1闭合为工作台的正向运行作好准备。触点Q-HX2断开，继电器1H断电释放，1H的常开触点（210-230）闭合，切除串在控制绕组O?回路的电阻b-H及b-Q。1H的常开触点（305-307）、（405-407）及（505-507）断开，使相应的拖动刀架进刀的电机停止。 当撞块A使行程开关Q-JS复位时，触点Q-JS1断开，Q-JS2闭合。工作台返回行程将结束时，撞块C撞行程开关H-JS，触点H-JS1闭合，继电器J通电吸上，接通慢速回路，工作台慢速运行。工作台返回行程过程时，撞块D碰行程开关H-HX，触点H-HX1断开，继电器H断电释放，继电器Q通电吸上。H的常开触点（220-226）断开。Q的常开触点(220-225)闭合，同时，由于触点H-HX2闭合，继电器1Q通电吸上，1Q的常开触点闭合，继电器J通电吸上，J的常闭触点断开，常开触点闭合，控 制绕组O?中又加入正向给定电压，工作台迅速制动并立即正向起动，达到稳定的慢 速，刀具在工作台慢速前进时切入工件，以后就重复上诉运行过程，从而实现了工作 台的往返自动循环工作。我门可以用下面的速度曲线图如图2－6所示。 图2－6 工作台带/不带慢速切入图 12 如果切削速度不太高，刀具能承受此时的冲击，或者是加工依次排列的短工件而 无法利用“慢速切入”时，可以利用操纵台上的转换开关6KK，将（157-161）断开，就可得到没有“慢速切入”的速度图，如上图的虚线部分所示。 当工作台速度低于10米/分时，触点KK-Q（101-171）和KK-H（101-173）闭合，继电器JO通电吸上，JO触点（163-165）断开，继电器J的回路切断，使“慢速切 入”和换向前的减速环均不起作用，这时，工作台的速度曲线图如图2－7所示。 图2－7 工作台低速运行图 当机床用作磨削加工时（如图2－8所示），利用操纵台上的转换开关8KK，接通触点（179-183），继电器M通电吸上，M的触点（165-181）断开继电器J的回路，使慢速环节不起作用。M的常闭触点（201-203）断开，将电阻11RT串入，使给定电压减小，工作台降低到磨削时所要求的速度。同时在8RT上M的常开触点（4-W2-F）和（290-294）闭合，加强了电桥稳定环节和电流正反馈环节的作用，使工作台在磨 削加工时运行更加平稳，在负载变化时工作台的速度降落更小。工作台磨削的速度曲 线图如图2－9所示。 JQKK-QQ171175 HKK-H173 M8KK179步进步退183 12A（AZ）（CT） 图2－8 磨削工作图 13 v t 0 图2－9 工作台磨削速度 （4）刀架的控制 B2012A型龙们刨床装有左侧刀架、右侧刀架和垂直刀架。这三个刀架分别采用 三个交流电动机Z、Y、C来拖动。 刀架的快速移动，自动进给及刀架运动的方向，由装在刀架进刀箱上的机械手柄 来选择。刀架的进给机构采用紧张环，依靠紧张环旋转使紧张环复位，以便为第二次 进刀做好准备。 当工作台按照工作行程前进，刀具离开工件，撞块B碰行程开关Q-HX时触点Q-HX2闭合，继电器1H通电吸上，1H的三个常开触点（305-307）、（405-407）、（505-507）闭合，使接触器H-C、H-Y、H-Z通电吸上，拖动三个刀架的电动机C、Y、Z反转，带动紧张环复位，为进刀做好准备。由于触点Q-HX1断开，继电器Q断电释放，Q的常闭触点（123-125）闭合，继电器H通电吸上，H的常开触点（1-5）闭合，接触器2H通电吸上，2H的常开触点（1-11）、（2-12）闭合，接通了抬刀电磁铁，刀架自行抬 起。同时工作台制动并迅速返回。在工作台返回末了，撞块D碰行程开关H-HX，触点H-HX1断开，继电器H断电释放，H的常闭触点（113-115）闭合，继电器Q通电吸上，Q的常闭触点（5-7）断开了接触器2H回路，抬刀电磁铁断电释放，刀架放下， 同时由于触点H-HX2闭合，继电器1Q通电吸上，1Q的常开触点（303-305）、（403-405）、（503-505）闭合，接触器Q-C、Q-Y、Q-Z通电吸上，拖动三个刀架的电动机C、Y、Z正转，并带动三个紧张环旋转，完成三个刀架的进刀。 （5）横梁升降的控制 横梁升降和放松，夹紧，分别用电动机H和J来拖动。按横梁上升按钮6A，继电器JO-H的常开触点(621-623)闭合，接触器H-J通电吸上，电动机J反转，放松横梁，当横梁完全放松时，行程开关6HXC的触点6HXC2断开，接触器H-J断电释放，电动机J停止运转。同时由于触点6HXC1闭合，接触器Q-H通电吸上，电动机H正转，横梁上升。当横梁上升到所需的位置放松按钮6A时，继电器JO-H断电释放，JO-H的常开触点(601-605)断开接触器Q-H断电释放，电动机H停止运转，横梁停止上， 同时JO-H的常闭触点(601-613)闭合,Q-J又通电吸上，电动机J正转使横梁夹紧，同时行程开关6HXC1断开，6HXC2恢复闭合状态。随着横梁的不断夹紧，电动机J的 14 电流也逐步增大，当横梁完全夹紧时，电动机J的电流就增大到使电流继电器JL-J动作的数值，JL-J吸上，当横梁完全夹紧时(101--617)断开，接触器Q-J断电释放，电动机J停止运转，横梁上升完毕。 当按横梁下降按钮7A时，继电器JO-H通电吸上，JO-H的常开触点(621-623)闭合，接触器H-J通电吸上，电动机J反转，放松横梁，当横梁完全放松时，行程开关 6HXC的触点6HXC2断开，接触器H-J断电释放，电动机J停止运转。同时由于触点6HXC1闭合，接触器H-H通电吸上，电动机H反转。横梁下降，H-H的常开触点(101-109)闭合，延时释放继电器SJ-H吸上，SJ-H的延时断开常开触点(603-605)闭合，为横梁下降后回升做好准备。 当横梁下降到需要的位置放开按钮7A时，继电器JO-H和接触器H-H断电释放，电动机H停止运转，横梁不再下降，同时由于H-H的常开触点(101-191)断开，继电器SJ-H断电延时释放。又由于JO-H的常闭触点(601-603)闭合，接触器Q-J通电吸上，电动机J正转使横梁夹紧。Q-J的常开触点(601-603)闭合，接触器Q-H通电吸上，电动机H正转，使横梁在夹紧的过程中同时回升。当继电器SJ-H的常开延时断开触点(603-605)断开时，横梁回升停止。 2.4 龙门刨床的主拖动控制系统分析 我们都知道龙门刨床拖动工作台的电动机经常运行在起动，变速，制动及反转的 状态下，正是由于龙门刨床的这一特点，我们常常可以看见控制系统中采用电机放大 机作为直流发电机励磁调节器的直流发电机-电动机系统。电机放大机的三个控制绕 组作用如下。 （1）O?绕组起到给定、电压负反馈和电流截止负反馈的作用。 , 电压负反馈环节作用 ?抑制发电机输出电压UC的波动,保持电动机M的转速n基本不变.降低静差率,提高控制精度。 ?消除放大机及发电机的剩磁电压,扩大调速范围,克服刨台停车时的爬行。 ?加快起动、减速、换向及停车制动等过渡过程。 , 电流截止负反馈作用 ?改进静特性.进行过载自动保护。 ?改善动特性,加速过渡过程。 （2）O?绕组主要起电流正反馈作用。 , 电流正反馈作用 ?扰动补偿。 ?加速启动、变速,换向及停车制动等过渡过程。 15 （3）O?绕组主要起电压微分负反馈作用,是一个桥式稳定环节。 , 电压微分负反馈稳定环节的作用是使控制系统稳定性增强。 16 3 PLC控制系统的硬件电路设计 3.1 FP1 系列PLC的介绍 FP1系列PLC是20世纪90年代开始开发的第3代产品。该产品有FP0、FP1、FP2、FP3、FP10S、FP10SH等多种规格，已形成系列化，虽然是小型机，其性价比却很高，特别 适合于中小型企业。 3.1.1 FP1系列PLC的结构 FP1硬件是以固定结构的基本单元为主，并可选用开关量、模拟量等扩展单元通 过总线联接器组成的系统，与FP1配合使用的硬件还有: 编程器，操作面板、IBMPC兼容机等，其基本组成如图3－1所示。 FP1系列可编程控制器在硬件结构上可分为三大部分:CPU板、I/O板和电源。当然还要有系统软件和接口。 （1）CPU板。CPU板上有一台基本计算机必需的部件:中央处理器，存储器RAM, EPROM，并行接口PIO，串行接口SIO，时钟CTC。其作用是对整个可编程控制器的工作 进行控制。它的工作可分为两部分:一部分是对系统进行管理，如自诊断、查错、信 息传送、时钟/计数刷新等;另一部分是根据用户程序执行输入/输出操作、程序解释操作等。 CPU板中的存储器主要用于存储系统软件及用户环境。其容量的大小，应与可编 程控制器所控系统的规模相适应。串行接口和并行接口是CPU与外围设备交换信息的通道，可为用户提供极大的方便.CPU板上的定时器、计数器是用作产生系统时钟及用 户时基信号的。 （2）输入/输出接口电路。输入/输出信号分为开关量、模拟量。所有输入/输出信号与内部电路之间都隔离。输入/输出方式会有变化，但必须经光电耦合或继电器 将信号传入/送出。输入分直流输入和交流输入两种，区别在于光电耦合隔离元件。 输出通常有三种形式:第一种是继电器输出型，CPU驱动继电器线圈，令触点闭合，而 外部电源通过闭合的触点驱动外部负载;第二种是晶体管输出型，CPU通过光耦使晶体管通断，以控制外部直流负载;第三种是可控硅输出型，CPU通过光耦使三端双向可控硅通断，以控制外部交流负载。本系统采用的是继电器输出型。 （3）电源。可编程控制器内部有一个开关式稳压电源。这电源一方面是为CPU板、I/O及扩展单元提供工作电源，另一方面也为外部输入元件提供电源。电源容量 取决于CPU型号。 17 图3－1 PLC的硬件系统结构框图 3.1.2 FP1系列可编程控制器的工作原理 PLC采用循环(巡回)扫描工作方式，而中大型PLC还增加了中断工作方式。循环扫 描既可按固定顺序，也可按用户程序所规定二级顺序(高级和低级顺序)或可变顺序等进行。因为有的用户程序不需要每扫描一次执行一次，也为的是在控制系统需要处理 的I/O点数较多时，通过不同的模块组合的安排，采用分时分批扫描执行的办法，可 缩短循环扫描周期和控制的实时性。用户将程序设计、调试后，用编程器键入PLC的存贮器中，并将现场的输入信号和被驱动的执行元件相应地接在输入模板的输入端和 输出模板的输出端上，然后用PLC的控制开关使其处于运行工作方式，PLC就以循环扫描的工作方式进行工作。在输入信号、用户程序的控制下，产生相应的输出信号，完 成预期的控制任务。PLC的典型的循环顺序扫描工作过程如图3－2所示。 3.2 PLC控制逻辑实现 3.2.1 PLC原理图 PLC接线原理图。如附录3所示。 18 图3－2 PLC的工作原理 3.2.2 PLC输入、输出及逻辑元件定义 FP1系列可编程控制器输入、输出及逻辑元件定义。见表3－1。 19 表3－1 FP1系列可编程控制器输入、输出及逻辑元件定义 松下可编程序控制器I/O分配清单 I分配 序 号 点 代 号 原代号 注 释 1 X0 SB01 1A 启动变频器 2 X1 SB02 3A 垂直刀架快速移动 3 X2 SB03 4A 右侧刀架快速移动 4 X3 SB04 5A 左侧刀架快速移动 5 X4 SB05 6A 横梁上升 6 X5 SB06 7A 横梁下降 7 X6 SQ01 6HXC 横梁放松到位才能上升或下降 8 X7 SB07 8A 工作台步进 9 X8 SB08 9A 工作台前进 10 X9 SB09 10A 工作台停止 11 XA SB10 11A 工作台步退 12 XB SB11 12A 工作台后退 13 XC QS06 6KK 慢速切入开关 14 XD QS07 7KK 润滑泵接通开关 15 XE QS08 8KK 磨削运行时接通开关 16 XF QS05 KK-QH 低速运行时接通开关 17 X10 BP 2A 变频器正在工作 18 X11 SQ02 Je 润滑油油压开关 19 X12 SQ03 Q-JS 前进减速限位开关 20 X13 SQ04 Q-HX 前进换向限位开关 21 X14 SQ05 1HXC 工作台前进终端限位 22 X15 SQ06 H-JS 后退减速限位开关 23 X16 SQ07 H-HX 后退换向限位开关 24 X17 SQ08 2HXC 工作抬后退终端限位 3.3 龙门刨床变频调速系统的设计 3.3.1变频调速系统的控制电路及特点 控制电路如图3-3所示，其特点是： 20 (1) 变频器的通电 当空气短路器合闸后，由按钮SB1和SB2控制接触器KM，进而 控制变频器的通电与断电，并由指示灯HLM进行指示。 (2) 速度调节 刨台的刨削速度和返回速度分别通过电位器RP1和RP2来调节，刨台步进和步退的转速由变频器预置的点动频率决定。 (3) 往复运动的启动 通过按钮SF2和SR2来控制，具体按哪个按钮，须根据刨 台的初始位置来决定。 (4) 故障处理 一旦变频器发生故障，触点KF闭合，一方面且切断变频器的电源， 同时，指示灯HLT亮，进行报警。 续表3－1 FP1系列可编程控制器输入、输出及逻辑元件定义 松下可编程序控制器I/O分配清单 O分配 序 号 点 代 号 原代号 注 释 1 Y0 KM01 1T 右侧刀架抬入电磁铁控制 2 Y1 KM02 2T 左侧刀架抬入电磁铁控制 3 Y2 KM03 3T 右侧垂直刀架抬入电磁铁控制 4 Y3 KM04 4T 左侧垂直刀架抬入电磁铁控制 5 Y4 KM05 Q-C 垂直刀架快速移动 6 Y5 KM06 H-C 垂直刀架正常工作时进给 7 Y6 KM07 Q-Y 右侧刀架快速移动 8 Y7 KM08 H-Y 右侧刀架正常工作时进给 9 Y8 KM09 Q-Z 左侧刀架快速移动 10 Y9 KM10 H-Z 左侧刀架正常工作时进给 11 YA KM11 C-RB 润滑油泵 12 YB KM12 H-J 横梁放松 13 YC KM13 Q-J 横梁夹紧 14 YD KM14 Q-H 横梁上升 15 YE KM15 H-H 横梁下降 16 YF KM16 给变频器 17 Y10 正转 18 Y11 反转 19 Y12 段速1 20 Y13 段速2 21 Y14 段速3 21 (5) 油泵故障处理 一旦油泵发生故障，继电器KP闭合，PLC将使刨台在往复周期结束之后，停止刨台的继续运行。同时，指示灯HLP亮，进行报警。 (6) 停机处理 正常情况下，按ST2，则刨台应在一个往复周期结束之后才切断 变频器的电源。如遇紧急情况，则按ST1，使整台刨床停止运行。 3.3.2 变频器的特点分析 变频器的特点有如下几点 （1）可软启动，减小启动时对设备的机械冲击，减少设备的磨损。 （2）可提高COSΦ，变频器是把交流电整流为直流电，通过滤波后，再逆变为交 流电，相对电网的阻抗特性为阻性。 （3）可改变转速（无级调速），转速可从0--额定转速，可取代减速箱。 （4）带有通讯接口，可与计算机连接，适合自动化控制（PG卡、PLC）。 （5）可设计为闭环控制（PID、PG控制），使操作更简单。 （6）可远程操作，可配远程操作盒。 （7）带有直流制动与软体刹车功能，适用于大惯量负载。 （8）可任意设定加减速时间，使设备启停更平稳。 3.3.3 变频器的节能分析 （1）节省有功功率。 对于转距随转速变化的负载，通过变频器调速可以满足负荷转距的变化，这样就 可节省有功电能 （2）节省无功功率。 电机的无功如果没有补偿设备，将会占到总功率30%，变频器可以起到无功补偿器来使用，可以使功率因数补偿到95%以上，这样的节电可以达到20%以上。 （3）软启动节能 由于电机为直接启动或Y/D启动，启动电流等于(4-7)倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电 流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变 频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额 定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命， 节省了设备的维护费用。 22 3.3.4 松下VF-7F变频器功能简介 ?频率跨越特性，可防止变频器因与相连设备发生共振引起振动。 ?最大输出电压设定，变频器的输出电压可以通过AVR（自动调压器）进行调整。 ?点动运行，选择自控或外控点动运行，加/减速时间可以单独设定。 ?低频运行平稳，独特的PWM控制方法确保变频器在低频段运行顺畅，转矩几乎 不受影响。 ?过载保护功能，可在各种运行条件下对电机提供充分的过载保护。 ?瞬时断电再启动性能，可根据负载或系统条件而设定不同的起动方式。 RP2 RP1 MM PGU F 1TA3 +V A1KF A3234561VWUAC S1 S2 S5SB1 S8 SB2障退退止进进电电障SC停RST故步后停步前通断故总 KFY72泵台台台Y2Y3Y5Y6台台1Y4Y0Y1变频器COM油刨刨刨刨刨COMKMSF1 P L C障SR1故Q 障电示泵SF2故通指油KM 变SR2 HLM频 器ST2 HLT KF0220V~HLP ST1 图3-3 刨台的变频调速系统 23 3.3.5 变频器参数设置 表3-2 松下VF-7F变频器的参数设置 参数 名称 设定值 说明 P01 第一加速时间 05.0 P02 第一减速时间 05.0 P03 频率范围（V/F方式） 50 P04 V/F曲线 0 恒定转矩方式 P05 DC提升水平 05 P06 过载功能 2 输出频率减小 P07 过载电流 15.5A 超过其1.25倍跳闸 P08 自控/外控控制 4 P09 自控/外控控制 3 0-10(V)电压信号 P10 反向锁定 1 反向运行禁止 P11 停止方式选择 0 减速停止 P12 停止频率 00.5 以0.1Hz递增 P17 加速频率保持 1 失速预防功能有效 P18 减速频率保持 1 失速预防功能有效 P19 预设功能选择 0 多步速频率操作 P20 故障输入选择 0 P21 故障输入选择 0 P22 故障输入选择 0 P29 电动频率 10Hz P30 电动加速时间 05.0 P31 电动减速时间 05.0 P32 预设频率2 20Hz P33 预设频率3 30Hz P34 预设频率4 40Hz P35 预设频率5 15Hz P36 预设频率6 25Hz P37 预设频率7 35Hz P38 预设频率8 45Hz P51 电流限定功能 05.0 以s为单位 P52 功能损耗启动方式 2 在等待时间后运行 P53 瞬时停电再启动 2 P54 等待时间 1.0 以s为单位 P55 下限频率钳位 0.5Hz P56 上限频率钳位 60Hz 3.4变频器设计 变频器的详细接线图 24 UU1R V1至电机SV TW1W变频器 VF-7F（来自PLC）Y101（来自PLC）Y112 （来自PLC）Y125（来自PLC）Y136（来自PLC）Y147（至PLC）X1025（来自PLC）2L11（至PLC）L+27 图3－4 变频器的详细接线图 变频器接线图如图3－4所示，变频器的R、S、T为三相电源输入端；U、V、W 为 三相变频输出端（至电机）。1、2号端子为电机的正转和反转；5、6、7号端子为电机的三个段速；25、27号端子为变频器的零速。均由PLC控制，以实现正转、反转、减速停止等运行及不同速度的输入。 25 4 PLC控制系统的软件分析设计 4.1 PLC程序设计 PLC详细程序。如附录1所示。 4.2 PLC软件流程分析 龙门刨床工作台的工艺流程由PLC控制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，横梁升降和夹紧的控制，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。现给出工作台控制的主 程序流程图，如图4－2所示。 4.3 PLC程序的分析 在利用PLC改造龙门刨床电气控制系统的工作过程中，现将龙门刨床的电气控制 系统分为四大块，逐个改造，最后整合在一起。这四大块分别是：油泵主控；横梁与 各刀架控制；频率控制；工作台前进及后退控制。 YAXDR2 XD 图4－1 油泵主控 （1）油泵主控 如图4－1所示。该程序由润滑泵接通开关QS07（XD）控制。只有当油泵(用于液压控制及各部位润滑)及传动电机(用于各刀架进给)启动后，润滑油泵接触器KM11（YA）才能动作，并为刀架走刀做好准备。同时在运行中，当油泵或传动电机失电后， 系统停止，防止无润滑运行和走刀不切削。 （2）横梁与各刀架控制 如图4－3所示。当按下横梁上升按钮SB05（X4）时，横梁放松接触器KM14（YB）才动作，当按下横梁放松到位才能上升或下降按钮SQ01（X6）时，横梁上升接触器KM14（YD）动作。横梁上升。同时横梁夹紧接触器KM13（YC）动作。当按下横梁下降按钮 SB06（X5）。横梁下降接触器KM15（YE）动作。横梁下降。同时接通时间继电器T38， 26 当断电达到一定的时间后，横梁上升接触器KM14（YD）动作。横梁回升。同时串入了辅助继电器M0.2命令，以保证工作台不运行时方可放松。 如图4－4所示。各刀架快速移动通过按钮SB02（X1）、SB03（X2）、SB04（X3） 实现，并在工作台后退(即电机反转)开始时自动抬刀。 开机 PLC运行 Y 系统故障？ NY故障处理报警限位？ 位置调整N 工作状态？ 磨头工作横梁工作？刨台工作 N磨头停止横梁停止？位置正确？ 点动调整Y 人工操作方式？ 自动单步操作转自动循环程序 刨台停止 电磁抱闸 图4-2 PLC设计流程图 27 YBX4R2X6YC YB YDX4X6YER2X5 T1YC YCR2X5X6X4 YC YEYDX5X4 TMX 1,K 40YE 图4－3横梁控制 （3）频率控制 如图4－5所示。在运行中，通过各继电器的动作来接人各自的段速，PLC程序能很方便地完成这些继电器的转换从梯形图中可以看到，当按下磨削运行时接通开关 QS08（XE）或低速运行时接通开关QS05（XF），变频器端子6接通。以段速2（Y13）速度运行。当后退换向限位开关SQ07（X16）动作时，按下慢速切入开关QS06（XC），变频器端子7接通。以段速3（Y14）速度运行。 （4）工作台前进及后退控制 如图4－6所示。工作台前进及后退分续动和点动2种。当按下续动前进按钮SB08（X8）或点动后退按钮SB10（XA）时，辅助继电器M0.2动作，只有前进换向限位开关 SQ04（X13）闭合或润滑油油压开关SQ02（X11）接通时，辅助继电器M0.2才能互锁。于是变频器端子1（Y10）接通，电机开始正转，同时变频器端子5接通，以段速1（Y12）开始工作。此时如果横梁没有夹紧的话，辅助继电器M0.2不能动作，工作台不能运行。 在此梯形图中，SB09（X9）为工作台停止钮，SQ08（X17）为工作抬后退终端限位(即当工作台后退因故障压上该保护限位时，工作台不能步退和前进，应按点动点动前进 按钮SB07（X7），使工作台前进脱开保护限位后再进行续动操作)。当工作台前进至减速位时，前进减速限位开关SQ03（X12）动作，变频器端子5（Y12）断开，端子7动作，以段速3（Y14）的速度运行。变频器按设置的减速时间输出逐渐减小至0，在 28 此减速过程中，工作台亦因惯性前进，当压下前进换向限位开关SQ04（X13）时，则变频器端子2接通，控制变频器反转（Y11）输入，使工作台后退，同时按段速2（Y13）运行，其运行程序与前进时相同。梯形图中X14为工作台前进终端限位开关SQ05，X15后退减速限位开关SQ06，X16为后退换向限位开关SQ07。 工作台点动前进和点动后退是靠按钮SB07（X7）和SB10（XA）控制的。控制点动频率输出Y13的同时，其输出R2又分别控制工作台正转和反转，使工作台能按点 动频率运行。工作台在不同频率下运行停止时，为保证工作台实际停止的位置合适， 必须分别设置各频率的加、减速时间，以防止工作台停不到位或掉道。 Y4R2Y5X16 X1R2 Y6X16Y7R2 R2X2 Y9X16R2Y8 R2X3 图4－4 各刀架控制 29 Y13X7XFXAX13XEY11 X7X13XA XAX7X16 X16Y13 XE XF X16XCXEY10XFY14 Y11X12 XE Y11XF 图4－5 频率控制 30 R2X8YFX13X16X17X9YCYBX14XA X13R2 X11 Y10Y11X9Y23X7YF R2X13XAY11 Y10XAX16XBR2 Y11YFX16X9Y10XBR2X8Y10X16 R2X8Y10X10X13 Y10X16Y11X12Y12 XAX13X7 X16XAX7 XFY10 Y11 图4－6 工作台前进及后退控制 31 4.4系统设计 4.4.1系统设计的一般程序 机械设备的电气设计是机械设备设计的重要组成部分，它对设备能否正确可靠地 工作起着决定性的作用。机械设备的电气设计包括两个方面:一个是原理设计，满足生产机械和工艺的各种控制要求;另一个是工艺设计，满足电气控制装置本身的制造、 使用以及维修的需要. 4.4.2电气控制设计的一般程序 （1）明确设计要求 全面详细地了解机械设备的型号、用途、工艺过程、动作要求、工作条件等技术 指标及设计要求。 （2）选择拖动方案 拖动方案是根据被加工零件的加工精度、加工效率要求、生产机械的结构、运动 部件的数量、运动要求、负载性质、调速要求以及投资额等条件来确定电动机的类型、 数量、传动方式以及对电动机的控制要求。 （3）选择电动机 电动机选择的基本原则是: ?电动机的机械特性应满足生产机械提出的要求，要与负载特性相适应。 ?工作过程中，电动机容量能得到充分利用。即温升尽可能得到充分利用。 ?电动机的结构形式应满足机械设计提出的安装要求，并能适应周围环境工作条 件。 （4）选择控制方式 电气控制方式应能保证机械设备的使用效能和动作程序，自动循环等基本动作要 求。合理选择电气控制方式是简便、可靠、经济地实现工艺要求的重要步骤。 （5）设计电气控制电路图 生产机械电气控制电路图的设计方法有分析设计法和逻辑设计法两种。 ?分析设计法。所谓分析设计法是根据生产工艺的要求选择适当的基本控制环节 (单元电路)或将比较成熟的电路按其连锁条件组合起来，并经补充和修改，将其综合 成满足控制要求的完整电路;当没有现成的典型环节运用时，可根据控制要求边分析 边设计。 ?逻辑设计法。逻辑设计法是从生产机械工艺资料(工作循环图、液压系统图等) 出发，根据控制电的逻辑关系并经逻辑函数式的化简，再做出相应的电路图。逻辑设 计法的理论基础是逻辑代数。控制电路的接通或断开，都是通过电气元件的触点来实 32 现的。团此控制电路从本质上说是一种逻辑电路，它符合逻辑运算的各种基本规律。 （6）合理选用元器件 在电气控制设计中，正确合理地选择控制电器和设备是机械设备的电气控制电路 安全运行、可靠工作的重要保证。控制电器和设备的选择，主要是根据电器产品目录 上的各项技术指标(数据)来进行的。 （7）进行机床电气设备施工设计 根据电气控制电路图设计电气设备制造、安装、调试所必需的各种施工图纸。包 括电气控制装置的电器布置图、电气控制装置的接线图、机床内部与外部的接线图等。 本系统机床电气设备一览表，见表4－3。 表4－3 机床电气设备一览表 机床电气设备一览表 代 号 型 号 名 称 规 格 数 量 SB01 LA19-11 控制按钮 红黑色 1 SB02~SB06 LA19-11 按钮 黑色5A 5 SB07、SB08、SB10、SB11 LA19-11 按钮 绿色5A 4 SB09 LA19-11J 蘑菇头按钮 红色5A 1 SQ03~SQ05 LX2-232 行程开关 双轮6A 3 SQ06~SQ08 LX2-212 行程开关 双轮6A 3 SQ01 LX2-121 行程开关 单轮6A 1 SQ02 微动开关 6A 1 QS06~QS08 LS2-3 主令开关 6A 3 QS05 HZ1-10/1 转换开关 10A 1 KM01~KM04 抬刀电磁铁 220V 4 KM05,KM06,KM14,KM15 CJO-20A 交流接触器 220V 4 KM07~KM13 CJO-10A 交流接触器 220V 7 KM16 CJO-20A 交流接触器 220V 1 QS01~QS04 HZ1-10/1 转换开关 10A 4 SQ12~SQ14 LX3-11K 行程开关 6A 3 SQ09~SQ11 LX3-11H 行程开关 6A 3 QF01 DZ10-100/320 断路器 额定电流100A 1 QF02、QF03 DZ4-25/330 断路器 额定电流25A 2 FR01 JR10-10 热继电器 0.8A 1 GL01 JL3-01 电流继电器 2.5A 1 33 续表 FU01、FU02 RL1-15A 熔断器 4A 1 EL01、EL02 ZSD-2型 信号灯 蓝、白各一个 2 M J82-4 三相异步电动机 45KW 1 M1 JO2-21-2 三相异步电动机 1.5KW 1 M2、M3、M4 JO2-22-4 三相异步电动机 1.5KW 3 M5 JO2-32-4 三相异步电动机 3KW 1 M6 JO2-11-4 三相异步电动机 0.6KW 1 4.5系统电气原理图 系统详细的电气原理图，如附录2所示。 34 5 改造前后的比较 表5-1 与直流发电机相比，其运行情况的对比 项目 直流发电机组调速系统 变频调速系统 主传动装机容量 5台电动机，共365KW 1台电动机，45KW 传动效率 小于0.6 大于0.9 调速范围 1：10 1：35 静差度 小于10% 小于3% 噪声 86dB 79dB 惯性 大 小 可靠性 线路复杂、故障点多 结构简单 经济性 成本高、铜铁用量大 节约资源、性能价格比高 进线电流 吃刀时63A 吃刀时12.2A 占地面积 100% 10% 注：加载条件：45号钢；吃刀深度：15mm×2；进刀量：1.0mm×2；速度：15m/min。 35 结 论 随着机械工业加工和自动控制水平的提高，龙门刨床的控制系统也需要得到 改进，在本文中介绍采用可编程序控制器代替普通的接触器，以实现龙门刨床电气系 统的程序化改造，对龙门刨床电机组中的电机放大机进行了用变频调速的电路设计。 通过本次设计，我的知识领域得到了进一步扩展，专业技能得到进一步提高，同 时增强了分析和解决 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 实际的综合能力。另外，也培养了自己严肃认真的科学态度 和严谨求实的工作作风。 本系统虽然已经按设计要求完成，但仍然还存在一些不足的地方，请各位老师指 正。 36 参考文献 [01] 赵 明.工厂电气控制设备[M]，北京机械工业出版社，1999. [02] 张燕宾.变频调速技术[M]，北京机械工业出版社，1999. [03] 原魁，刘伟强.变频器基础与应用[M]，北京冶金工业出版社，1999. [04] 胡幸鸣主编.电机与拖动基础[M]，北京机械工业出版社，1999. [05] 刘志刚.《电力电子技术》教学大纲，高等教育出版社1999. [06] 周 军.电气控制与PLC，北京机械工业出版，2003. [07] 刘庶民.机床改造的思路与实用技术，北京机械工业出版社，2001. [08] 吴忠智.变频器应用手册，北京机械工业出版社，2004. [09] 杨光.工厂电气控制技术，北京高等教育出版社，2003. [10] 余雷声.电气控制与PLC应用，北京机械工业出版社，2003. [11] 王兆义.小型可编程控制器实用技术，北京机械工业出版社，2002. [12] 项少龙.可编程控制器原理及应用，华南理工大学出版社，2002. [13] 刘函文.可编程控制器例题习题及实验指导，重庆大学出版社，2002. [14] 李景学.可编程序控制器应用系统设计及方法，电子工业出版社，2002. [15] 田瑞庭 .可编程控制器应用技术，北京机械工业出版社，2002. 37 附录1 PLC程序 YFX0R1 DF YF R0X0YF R0 TMX 0,K 30X10R0 R1X11T0YFX10 R1 X9X7YFY11Y10Y13R2XAX13Y11 Y11XAX10X16R2 38 Y11XBY10X9X16YF X16Y10X8R2 Y10X13X01R2X8 X16X12Y12Y10Y11 X13XAX7 X16XAX7 Y10XF Y11 X17X4X9YFR2X16YCYBX8X13 XA R2X13 X11 39 Y13X13XFY11X7XAXE X7XAX13 X7X16XA Y13X16 XE XF Y14XCX16Y10XFXE X12Y11 XE XFY11 40 R3Y10X13 R3T0 Y1 Y2 Y3 Y4Y5R2X16 X1R2 Y7Y6X16R2 R2X2 Y8R2Y9X16 X3R2 41 Y5R2X13Y4 Y6Y7 Y9Y8 YAXDR2 XD YBR2X4YCX6YB YDYEX6X5R2X4 T1YC YCR2X5X4X6 YC X4YDYEX5 TMX 1,K 40YE ED 42 附录2 电气原理图 43 附录3 PLC的I/O分配及外部接线图 COMCOMSB01QS01KM01X0Y0SB02QS02KM02X1Y1 QS03SB03KM03X2Y2SB04QS04KM04X3Y3 SQ12SB05KM05X4Y4SB06KM06X5Y5SQ01SQ13KM07X6Y6SB07KM08X7Y7 COMCOMSB08SQ14KM09X8Y8松下FP1 SB09KM10PLCX9Y9 (32 INSB10KM11FR01XAYA24 OUT)SB11KM12SQ01XBYBQS06KM13GL01YCXCKM14QS07SQ09YDXDKM15QS08SQ11SQ10YEXE QS05KM16YFXF COMCOMBP2725Y10X101SQ022Y11X11SQ03525变频器Y12X126VF-7FSQ04277Y13X13SQ0511 Y14X14SQ06 Y15X15SQ07 220V ACY16X16SQ08 Y17X17 PLC内部电源„„UN24V DC 44 致 谢 英文原文及中文翻译 The future of automation technology When I began my professional career with the CAD/CAM vendor Application some 21 years ago, I was unexpectedly temporarily assigned to support the development of their manufacturing applications. My initial reaction of disappointment quickly changed to excitement when I realized the potential that lay ahead for this field. Back in 1981, CAM was very immature. Automated programming automatically define the entire NC program for simple parts, and to automatically determine the tool path to completely rough-machine complex aerospace parts. Advances in computer and automated systems technology have impacted the entire manufacturing enterprise. CASA/SME developed and uses the Manufacturing Enterprise Wheel as a framework for understanding the different elements and relationships of the 45 manufacturing enterprise. Examples of automation technology can easily be found that impact each area of the wheel, including Customer Relationship Management (CRM), Workflow Management, and Knowledge-Based Design, to name a few. Automation technology has made great strides since the days of manual machine tools, but much more can be expected in the coming years due to advances in enabling technologies and the business change drivers of today and tomorrow. Automation will continue to be enhanced by dramatic advances in computing technology, such as computing performance, memory and data storage, communication bandwidth, and wireless transmission technology. Improvements in automation technology are driven by the need to support advancements in machining technology, such as high-speed and multiaxis machining, inprocess inspection, and machine controls. Automation enhancements are required to support the fabrication of increasingly complex parts and products that demand higher quality and tighter tolerances. Requirements to integrate and optimize business processes across global supply chains, to improve utilization of assets, to operate in a lean environment, to be able to build anywhere, and to do more with less, are all driving the need for improved automation technology. As is often the case, the best way to predict the future is to look at the past. I believe this is true regarding automation technology. If I look back at NC programming software, for example, I can measure the progress made in terms of four key characteristics. First is capability-what can the software do, how well can it do it, and how easily can it be taught to account for unique business practices? The second measure is context-what information does the software have to work with, how rich in fidelity is the information, where does it come from? The third measure is communication-- what other data sources and systems does the software communicate with, how well does it interact with humans, what is the comprehension level of the software (does it understand high-level instructions or must the programmer instruct it with every detail), and how well does it provide feedback? The last measure (which is somewhat related to communication) is the amount of imagination required on the part of the end user; how much information the NC programmer needs to keep in mind in order to understand what's happening on the machine at any point in time during machining. The trends associated with these four characteristics are synonymous for most manufacturing automation technologies. NC programming systems have evolved from the early days of APT, through the days of 2-D and 3-D graphics, and now with solid models. If we measure the key characteristics for each of these systems, we can distinguish how the 46 software is maturing, and given the trends, we can project what future NC programming and other automation technology will look like. Early NC systems such as APT had almost no contextual information to work with other than what the NC programmer told it. The NC programmer needed to define the geometry, tools, and machining environment on which the system based its automation. Even so, the definitions provided to the APT processor were primarily simple attributes and geometry. As the systems matured, they began working directly with the design geometry. The fidelity of the information improved as vendors began providing and using solid modeling. Machining environments and tool libraries could be predefined and reused. As the context became richer, the NC programming system could make better decisions. This trend of having rich contextual information upon which to base decisions will continue in the future. The information will evolve from a part-centric environment to an assembly-centric environment, and will be more fluid across the supply chain. Design data will be complete and unambiguous, and the NC systems will be more tolerant of design changes. The machining environment will be completely modeled, including its dynamic behavior. This machine information will not be recreated and approximated, but will come from the machine control using communication technology. As is the case with many relationships, the inability to communicate effectively can be very harmful. Automation technology requires communication skills to interface with other computing systems, and to interact with humans. NC programming systems have made the least amount of progress in this key characteristic, which means the future holds opportunity for major improvements. With respect to system interfaces, the NC programming software still lives primarily in its own little world. Design data are communicated, but the remaining contextual data are often reproduced in the NC programming system environment. Machine characteristics are separately modeled, rather than asked for from the machine control. Separate tool catalogs are used rather than accessing the production tool crib information. The NC data sent to instruct the machine control consist of rudimentary functions, such as point-top point motions and auxiliary machine-function control. Today's machine controls often run blind, because they are not given the con textual information necessary to make better decisions. New standards that support the use of NURBS (Non Uniform Rational B-- Splines) to define the tool path with continuous motion, and others to provide the control additional context, such as STEP-NC, will become commonplace. The communication between the NC programming software and the machine control is for the most part one-way. This connection needs to become 47 bidirectional, where the NC programming software queries the control to understand its behavior. This step eliminates the costly and wasteful requirement of having to build emulation software that estimates what will take place on the machine. The other aspect of communication that distinguishes automation technology is the human interface. This aspect has improved greatly over recent years, but will still see significant progress in the years ahead. Human communication falls into two categories; the first is how easy is it for humans to tell the software their machining intentions. I refer to this category as the software's comprehension level. As automation technology matures, it becomes capable of performing more ambitious tasks, such as generating the tool path for drilling all holes on the part with a specified diameter. As the software becomes more capable, the level of instruction can become more abstract, for example: "Drill 1/2" [13-mm] holes." When APT was the prevalent NC programming system, the user needed to instruct the software to move the cutting tool from one line or arc to the next. With modern systems, they can instruct the software by simply asking it to program the part with standard machining process "1015a." With the system's ability to comprehend what the standard process 1015a is, an NC programmer can be abstract with his or her instruction, and still be confident the machine control will perform the desired operations. As the system's level of comprehension increases, the user's task becomes more of a planning function to identify the desired machining strategy, rather than define the machine's every move. Feedback represents the second category of human communication. Feedback's importance increases in relation to the amount of automation. The more the user relies on the automation technology, the more he or she needs help understanding the resulting behavior of the machine tool. Computer graphics technology has helped enormously compared to the early days when APT was used. Powerful simulation tools have made their way into standard production practices. These software tools provide the NC programmer feedback on how the machine will behave, as well as the effect the machine and cutting tool have on the pieces. Simulation tools will continue to improve in performance, accuracy, and integration. Users will be able to ask the NC programming software at any location in the NC program to display the current state of the machining environment, including the piece, machine, fixture, and cutting tool. This feedback will include accounting for the control's behavior, when the system asks the control for information, as described earlier. This level of feedback will be performed earlier in the process, during the creation of the NC program rather than for validation of the NC 48 program afterward. Using these simulation and feedback tools earlier in the process will dramatically reduce the need for the human to imagine what will take place on the machine at a certain point in time. Imagination can certainly be a good thing, but not when it comes at the cost of introducing errors, which has been the case in NC programming for many years. The early days of wondering what was taking place in the middle of an APT program-what the work-in-progress looked like at that point in time and where the machine's spindle and cutting tool were located-were the cause of many machining abnormalities. Eliminating the need for the end user to imagine is primarily addressed by feedback mechanisms. This is such an important point in classifying automation technology that it needs to be considered, due to the role it plays in the introduction of errors. For NC programming, understanding the current state of the machining environment and the resultant behavior of the next NC instruction is vital for error-free programming. As automation technology takes into account more contextual information regarding the machining environment, and uses integrated simulation tools, the number of human errors will diminish. With today's just-in-time objectives, and the drive to lower costs and reduce cycle time, NC programming must be right the first time. Most organizations no longer have the luxury of making a sample part with a test run. By eliminating the need for imagination and guesswork, automation technology will help companies meet these objectives. Another parallel can be made relative to the maturation of automation technology other than NC programming. Much like a child that matures and inevitably takes on more responsibility, automation systems continue to operate at higher levels of sophistication. They will take on the responsibility of performing more of the mundane tasks, as well as tasks benefiting from repeatability and performance. There are limits, however, to how much responsibility automation technology should take on. Automation technology needs to be lean and agile. As soon as automation technology with captured business and process knowledge is used in production, it tends to retard the ability of a business to make changes. This can happen due to hardware investments, or the lag to incorporate support for new business process techniques into the automation technology. As an example, look at the variety of machine controls that litter the landscape of factories today. It is typically considered too costly or risky to make wholesale upgrades to this technology. Deployed automation technology can halt or delay your progress in instituting change, if it supports a vital daily production activity. For this reason, I believe we need to keep in check how much responsibility is given to machine 49 controls. We must make sure the machine tools can operate in a highly reliable and repeatable fashion. If a control takes on too much responsibility, we will never be comfortable upgrading its software and intelligence, due to the risk of regression and instability introduced into the production process. A machine control's knowledge, expertise, and behavior should be accessible by other business systems and automation technologies such as NC programming, but the control should only be responsible for shop-floor tasks that it can guarantee are repeatable in order to support lean and dynamic manufacturing processes. Automation technology has come far since the beginning of the information age. Different technologies have and will continue to progress in terms of capability, context, and communication, and the need to imagine and wonder what actually will take place in the shop will continue to diminish. As automation technology matures, systems will take on more responsibility, handling mundane, simpler, and repetitive tasks now done by humans. Many things have changed over the years, including such business realities as global enterprises, global supply chains, global communication, and electronic commerce. But because of these changes, the potential and need for advances in manufacturing automation technology are as great today as they were when I started my professional career some two decades ago. 自动化技术的未来 当我从大约21年以前从凸轮销售商开始我的专业生涯时，我出乎意料地暂时被 分配到支持他们的制造业领域发展的地方去工作。当时我意识到这个领域的潜力的时 候我当初的失望迅速变成了兴奋。 回望1981年以前，凸轮制造是非常不成熟的。 自动的编写程序为了简单的部分自动地定义整个的NC计划，和自动地确定工具路径完全大体描述机器复杂的航空航 天部分。 和使系统技术自动化计算机的进步已冲击整个的制造的企业。 CASA与SME为了 理解作为一个框架发展并且使用制造的企业轮子制造的企业的不同的要素和关系。 自动化技术的例子能容易地被发现冲击每一轮子的区域命名，包括客户关系管理，工 作流程管理，和以知识为基础的设计简单一些。 自动化技术自从手工机床的发展以后迅速发展，但是在未来几年被期待更多得多 实现今天和明天的技术和商业改变驾驶员的进步。 自动化将继续得到计算技术的戏剧性的进步的提高，诸如计算表现，记忆和数据存储，通信带宽，和无线的转播技术。 50 在自动化技术中的改进被需要驱使支持诸如高速机器，程序检查，和机器控制的机器 技术的进展。 自动化提高被要求支持要求高质量和较严紧的容忍的日益增长的复杂 繁荣若干部分和产品的建造。 横跨全球提供连锁集成和优化商业过程，改进利用资 产，在一种贫瘠的环境中操作，能够无论何地建造并且以更少的要求，这都是推动的 对于被改进的自动化技术的需要。 通常就是这样，预言未来的最好的方式是看过去。 我相信这是真实的关于自动化技术。如果我往回看NC编写程序软件，例如，在四个关键的特点方面我能测量取 得的进步。 首先能力软件能什么，并且它多么容易地能被教它多么好好地能占独特 的商业实践吗？ 第二个措施是软件不得不背景什么信息据以工作，是在多么逼真性 中富有信息，在其中它来自哪里？ 第三个措施是通信--其它数据来源和系统软件所与的东西交流，它多么好好地与人类相互作用，软件(做它理解高水平的指令或者必须程序员以所有的细节指示它)的理解水平是什么，并且它多么好好地提供反馈吗？ 最后的措施(有些与通信)有关是在终端用户的一部分上要求的想象的量；多少信息 NC程序员需要记住为了理解什么在机器期间及时在任何点的机器上发生。 与这四个特点有关的趋势对大多数制造的自动化技术是同义的。NC编写程序系统已从早期的模型，整个白天2 D和3 D制图法，如果我们为了每个这样的系统测量关键的特点， 我们能区别软件是否成熟和趋势，我们能 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 那么未来的NC编写程序和其它自动化技术将看起来像。 早期的NC系统几乎有没有上下文的信息与工作NC程序员所告诉的它的。 NC程 序员需要定义在其中其自动化基于的几何学，工具，和机器环境系统。那么，向敏捷 的处理器予以提供的定义是主要简单的属性和几何学。 当时系统成熟，他们从设计几何学直接开始工作。 当销售商开始提供和使用坚固的模拟时，信息的逼真性改进， 机器环境和工具图书馆能被预先规定和再利用。当背景变得较富有时，NC编写程序系统能做出更好的决定。 这种将在未来继续的把哪一个基于决定的富有的上下文信 息的趋势。 信息将从一个部分在中心环境进化成为一种集结在中心环境，并且横跨 提供连锁将更多流体。设计数据将是完全的和不含糊的，而NC系统将更加对设计改变是兼容的。 机器环境将完全被模拟，包括其动态的行为。这个机器信息将被得到 休养和接近，但是将使用通信技术来自机器控制。 事实如此许多关系，交流的无能为力的影响是十分有害的。 自动化技术要求通信技巧与其它使用计算机系统接口并且与人类相互作用。 NC编写程序系统已做这个关键的特色中的进步的最小的量，这意味着主要的改进的未来的控制机会。 关于系统接口，NC编写程序软件仍然主要生活在其自己的小世界中。 设计数据被交流，但是余下的上下文的数据经常在NC编写程序系统环境中被复制。 机器特点从机器控制单独地被模拟，而非要求得到。 单独的工具目录被使用而非访问生产工具信息。数 51 据发送指示机器控制包括诸如上点运动和辅助的机器功能控制的初步的功能。 今天的机器经常控制瞎运行，因为他们不是被给必要做出更好的决定的原文的信息。 支持使用以连续的运动定义工具路径提供控制另外的背景的新的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，而其它的，诸如 步骤，将变得平凡。 NC编写程序软件和机器控制之间的通信为了大多数部分单向。 这种联系需要变得双向，在其中NC编写程序软件询问控制理解其行为。 这个步骤消除不得不建设，估计将在机器上发生竞赛软件的昂贵和浪费的要求。 区别自动化技术的其它各方面的通信是人类接口。 这个方面在最近几年期间大 大地改进，但是仍然将今后重要的进步。人类通信落入两个范畴； 第一对于人类来说多么容易地说出软件的机器意图。 我把这个范畴称作软件的理解水平。 当自动化技术成熟时，它变成有执行更多雄心勃勃的任务的能力，诸如在部分上产生操练的工 具路径的一条指定的直径所有洞。 当软件变得更有能力时，指令的水平能成为更多 摘要， 当敏捷编写程序系统的流行的NC时，用户需要指示软件其次把切割的工具从 一条线或者弧线移动到下一个。 用现代的系统，他们能通过简单地要求它指示软件 为部分编写程序标准机器过程“1015a" 。具有系统领悟是什么的的能力标准的过程， 一个NC程序员能与摘要他或者她的指令，并且仍然充满信心机器控制将执行期望的 操作。 作为系统理解增加的水平，用户的任务变得更加识别期望的机器策略一个计 划制订功能，而非定义机器所有的行动。 反馈代表人类通信的第二个范畴。 反馈的重要性在关系上增加总数达自动化。 用户依赖于自动化技术越多，他或者她越需要帮助理解机床的导致的行为。 当被使用时，与当初相比计算机制图法技术已经巨大地帮助敏捷。 强大的仿真工具已前进到标准的生产实践中。 这些软件工具提供关于向前的NC程序员反馈机器将如何表 现，还有机器和切割工具在工作件上有的结果。仿真工具将继续改进在表现，准确性， 和综合中。 用户将能够在任何NC计划中的位置要求NC编写程序软件显示机器环境 的当前的状态，包括工作件，机器，固定装置，和切割工具。 当系统向控制要信息时，这种反馈将包括解释控制的行为，作为早些时候描述。 这个水平的反馈将后来早些时候在过程中被执行，在创造NC计划期间为了有效NC计划。 使用这些在过程中稍早的仿真和反馈工具将大大减少对于人类的需要想象什么将及时在一个一定点 的机器上发生。 想象肯定能是一件好事情，但是并非当它以介绍差错的代价来时，这在NC编写程序中已经情况有许多年。 想知道什么在一个敏捷的计划的中间发生的工作没有进步及 时在那个点看起来像在哪里机器的主轴和切割工具被定位，以及许多机器变态的原 因。 消除对于终端用户的需要想象主要被反馈机制解决。这在它被考虑的和因为它 在介绍差错中玩的角色需要的把自动化技术分类时是这样的重要的点。对于NC编写程序，机器环境的当前的状态和下一个NC指令的作为结果而产生的行为对可避免错 52 误的编写程序是至关重要的理解。 当自动化技术拿到原由更多关于机器环境的上下 文的信息中时，并且使用集成的仿真工具，人类差错的数字将缩小。 降低费用的和驱车并且减少周期时间，有了今天的公正没有时间目标NC编写程序肯定是正确的第 一次。 大多数组织不再有以一个测试做一个抽样部分的奢侈跑。 通过消除对于想象和猜想工作的需要，自动化技术将帮助公司遇见这些目标。 平行的另一个能被做与成熟除NC编写程序之外的自动化技术有关。像成熟和不 可避免地承担更多责任的一个孩子一样的许多，自动化系统继续在窜改的较高水平操 作。他们将对更加执行负有责任世间的任务，还有受益于重复性和表现的任务。 有限制多少责任自动化技术应该承担，然而对于自动化技术需要是贫瘦和敏捷 的。 一旦并且带有捕捉的商业的自动化技术处理知识用于生产，它趋向于阻碍一种 商业的能力改变。 这能因为硬件投资发生，或者落后把对于新的商业过程技术的支 持结合到自动化技术中。作为一个例子，看机器的品种控制今天乱扔工厂的风景。 它典型地被人们认为太昂贵或者冒风险将制定批发升级到这种技术。 部署自动化技术如果它支持一种至关重要的每日生产活动，能停止或者延迟你的进步在机构改变中。 由于这个原因，我相信我们需要保持多少责任被给予机器控制在检查中。 我们必须确保机床能以一种高度可靠和重复方式操作。 如果一种控制承担太多责任，我们将 从不舒适把其软件和智能升级，因为衰退的风险，而不稳定引入生产过程。 一种机器控制的知识，专长，和行为应该是由其它诸如NC编写程序的商业系统和自动化技 术易接近的，但是控制应该仅仅对它能保证的商店地板任务负责是为了支持贫瘠和动 态的制造的过程的重复。 自动化技术自从信息时代的开始以来迅速发展。并且不同的技术将继续在能力，背景， 和通信方面进展想象和想知道什么将在商店中实际上发生和需要将继续缩小。 当自动化技术成熟时，系统将承担更多责任，处理现在被人类做的简单，和重复的任务。 许多事情在年期间变化，包括诸如全球企业，全球提供连锁，全球通信，和电子商务 的这样商业现实。由于今天这些对于制造自动化技术的进步和改变的需要和我二十年 以前开始我的职业生涯一样。 53