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恒伟机床:龙门刨床的PLC变频器改造
时间:2013-10-14 13:19 作者:恒伟 点击:

龙门刨床是机械制造业中的机械加工设备,是制造重型设备,如大型轧钢机、汽轮机、发电机、矿山设备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、斜面和槽。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。

国内传统使周的龙门刨床由于使用日久,出现精度降低、调速性差、生产效率低等问题,需要进行维修和改造。考虑到原有设备与加工要求调速比达到40:1以上,可用于刨、铣削,静差率小于5010,切削力恒定、平稳,冲击小,刀具切人、切出时自动减速,功耗低,可靠,易于维护等要求,需采用PLC与变频器对龙门刨床进行电气化改造,可使其可靠性提高,故障率降低。

1.设计、改造要求(1)设计B2012A龙门刨床PLC与变频器控制电路及程序。

(2)安装和调试B2012A龙门刨床PLC与变频器控制系统。

2.设计龙门刨床拖动系统变频调速电路及程序利用PLC对B2012A龙门刨床进行电气化改造,在分析机床技术资料的基础之上,首先要掌握B2012A龙门刨床拖动系统的工作原理,提出变频器的改造方案,设计变频器的控制原理图,并设置制变频器的参数。

(1)分析龙门刨床拖动系统工作原理。对龙门刨床拖动系统变频调速电路进行电气化改造,首先要分析其工作原理,然后确定相应的控制方案,并设计相应的程序。

①B2012A龙门刨床龙门刨床的工艺特点及其对电力拖动系统的要求如下。

a.调速范围。采用直流电动机调压调速,并加机械变速,使工作台调速范围达到1:20;b.B2012A龙门刨床对静差率的要求是s≤1。对静差度的要求实际上也就是对电动杌机械特性硬度的要求,即要求电动机的机械特性越硬越好。

c.工作台往复循环中的速度变化。为避免刀具切人工件时的冲击,工作台开始前进时速度较慢,以使刀具慢速切人工件,而后再增加到规定速度。在工作台前进与后退的末尾,工作台能自动减速,以使刀具慢速离开工件,防止工件边缘剥落,同时可减少工作台反向时的超程和对电动机、机械的冲击。当工作台速度低于lOm/min时,减速环节不起作用。

B2012A龙门刨床的三种速度图如图4-64所示。

d.调速方案能满足负载性质的要求。工作台在25m/nun以下时为等切削力区,希望输出转矩恒定,在高出25m/min时,则希望功率恒定。所以,B2012A型龙门刨床采用机电配合的调速方案,以提高电机功率的合理使用。

e.满足磨削要求,工作台速度能降到Im/min。

f.的联锁,以各部件的动作协调,避免因机床的误动作而引起事故。

g.龙门刨床的进给运动与辅助运动应与工作台的运动有机配合。

h.工作台正反向过渡要快,以提高生产率,防止刨台“脱轨”。

②拖动系统的组成。龙门刨床的主拖动系统采用电机扩大机调速系统。直流电动机M为其控制对象,由直流发电机Gl供电,通过减速带动工作台往复运动。扩大机输出电压向发电机的励磁绕组供电。

该系统具有电压负反馈、电流正反馈、电流截止负反馈和桥形稳定环节。扩大机的01控制绕组为桥形稳定控制,0Ⅱ绕组为电流正反馈控制,0Ⅲ绕组为给定电压、电压负反馈和电流截止负反馈的综合控制。这种综合控制方式,既可减少控制绕组的数量,又可用于系统的特性。

③交流控制电路。

a.交流电动机MA拖动直流发电机Gl、励磁机G2,构成主拖动机组。主拖动机组对电气控制的要求:

采用丫_一△降压启动;励磁机G2输出电压达到额定值,KT△线圈得电后,主拖动机组才能完成启动过程。

主拖动机组启动后,工作台直流电动机M才能投入运行。

交流电动机MA、M。、M阳中任一台过载时,均能使工作台停在后退结束的位置。

b.刀架控制电路。B2012A型龙门刨床装有垂直刀架、右侧刀架和左侧刀架,分别由电动机Mc、M。和Mz来拖动。刀架控制电路能实现刀架快速移动和自动进刀。刀架的快速移动与自动进刀、刀架运动方向由装在刀架箱上的机械手柄来选择。

c.横梁控制电路。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,才需要根据工件的高矮调整刀架的高度而移动横梁。横梁可上升和下降控制,其过程为:放松→上升→夹紧;放松→下降→夹紧(回升)→夹紧。

④工作台控制电路。

a.对工作台的控制的要求。配合直流部分,能完成多种控制和自动工作。按照机械加工工艺的要求,它有较多的工作状态,如步进、步退、前进、后退的自动循环,减速,换向等。

刨台的往复运动能够满足每个往复周期的转速变化和控制程序。

刨台的刨削速率和高速返回的速率都能够方便地进行调节。

刨台能够点动,常称为“刨台步进”和“刨台步退”,以利于切削前的调整。

与横梁、刀架的联锁刨台的往复运动与横梁的移动、刀架的运动之间,有可靠的联锁;与油泵电动机要联锁。

b.工作台的“步进”或“步退”。主驱动电动机MA启动完毕,接触器K△得电,K△常开触点(13-7/8)闭合,为工作台控制电路的工作做好准备,控制电路如图4-68所示。

(2)确定龙门刨床拖动系统变频器调速控制方案。

①刨台调速方案的确定。通过前面的分析可知,龙门刨床工作台在25m/min以下时为等切削力区,希望输出转矩恒定,负载具有恒转矩性质;龙门刨床工作台在25m/min以上时希望输出功率恒定,负载具有恒功率性质。为满足技术要求,龙门刨床的主传动采用了机电联合调速方案,即采用机械传动比为2:1的齿轮变速与直流电动机的调压调速配合。其中,齿轮变速具有恒功率调速特性。

采用交流变频调速拖动系统,可以通过灵活地预置恒转矩与恒功率调速的转换点,使调速系统的特性好地满足龙门刨床主拖动负载的调速特性要求,实现无级调速。工作台换向制动采用能量回馈装置,制动速度怏,能量又回馈给电网,还可降低主拖动电动机的设计功率。

②刀架变频调速方案。

a.龙门刨床的刀架结构。

(a)垂直刀架。垂直刀架有两个,装在横梁上,由同一台电动机拖动,只能左右移动。

(b)侧刀架。侧刀架有两个,左右各一个,装在立柱上,各自有一台电动机拖动,只能上下移动。

b.对刀架运动的基本要求。

(a)刀架既可以自动进给,也可以TLE4241G快速移动,由进刀箱上的机械手柄的位置来决定。快速移动与自动进给不能同时进行。

(b)自动进给在每次刨台后退结束时进行,进刀量的多少由机械机构控制。

(c)在刨台自动循环时,刀架不能快速移动。

(d)刀架的移动都有限位控制。

(e)刀架在切削完毕、返回之前,“抬刀”,以免刨刀在返回过程中在工件上留下划痕,影响光洁度。抬刀动作由抬刀电磁铁来完成。

c.变频调速方案。由于变频器能够准确地控制运行频率和升降时间,而PLC又计时,所以,利用PLC配合变频器控制进刀量,不但简化了系统的机械机构,还能控制进刀量的精度。

因此,采用垂直刀架和左、右侧刀架分别由变频器驱动进刀电动机实现进刀量的无级调速方案。

③铣头(磨头)的变频调速方案。对B2012A龙门刨床的铣磨削运动采用变频调速,利用变频器控制铣磨头的速度。

(3)变频器的选择。

①主拖动控制装置变频器的选择。

a.主拖动电动机的选择。由于龙门刨床原来所用的直流电动机为60kW,现改用交流异步电动机,首先要对其容量进行选择,然后选择其类型。

龙门刨床的主运动在采用变频调速以后,电动机的容量可减少为直流电劫机的3/4,即45kW就已经足够,为留有余地,选择55kW的电动机,其高工作频率为75Hz。

由于本系统是改造直流调速系统,即用交流电动机的变频调速替代直流电动机的调压调速,故选用专用于变频调速的交流电动机,需用YVP250M-4型异步电动机,主要参数为:

Pmn=55kW,Lmn=105A,Tmn=350.lN.m。

b.变频器的选择。

(a)变频器型号的选择。选用FR-A740-75-CHT型变频器。该变频器可在无反馈矢量控制的情况下,也能在0.3Hz时运行,其输出转矩达到额定转矩的150%,能够满足拖动的要求。

(b)变频器容量的选择。变频器的容量只需和配用电动机容量相符即可。因电动机为55kW,则变频器选择75kVA。

②刀架变频器的选择。

a.刀架电动机的选择。刀架的运动都是在不切削时进行的,因此,刀架电动机的负载大小是基本恒定的,变化很小。

此外,刀架电动机属于短时工作,在工作期间,电动机的发热不可能达到的温升,因此,电动机可以工作在过载状态下。选用Y90L-4异步电动机为刀架电动机,刀架电动机的功率为1.5kW,1400r/min,380V,3.7A。

b.刀架变频器的选择。选用两台FR-A740-2.2-CHT型小型变频器控制左右侧和垂直刀架电动机。

③铣磨头变频器的选择。

a.铣磨头电动机的选择。根据加工要求,选用Y160M-6电动机,功率7.5kW,转速960r/min,380V,17A。

b.铣磨头变频器的选择。根据铣磨头电动机的容量和加工性能要求,铣磨削加工可能出现过载,故选用容量为llkW昀FR-A740-11-CHT型变频器控制铣磨头电动机。

(4)设计变频器的控制电路。在选择好变频器及配套的电动机之后,对变频器的控制电路要进行设计,具体的内容如下。

①设计龙门刨床工作台的变频调速控制电路。工作台的驱动系统采用变频调速后,主驱动系统只需要一台异步电动机就可以了,与直流电动机调速系统相比,系统结构变得简单多了,龙门刨床工作台的变频调速控制电路。全部工艺过程及联锁、信号、报警均由一台PLC控制。由专用接近开关得到的信号,接至PLC的输入端;PLC的输出端接至变频器控制端,以调整工作台在各时间段的转速。

PLC的输入输出设备和输入输出端子的分配。

②变频调速系统控制电路分析。

a.变频器的通电。断路器合闸后,由按钮SB1和SB2控制中间继电器K。,的接通和断开,再由K。,控制交流接触器K。,的通断,进而控制变频器的通电与断电,并由指示灯HLM作为变频器工作指示。

b.速度调节。工作台的刨削速度和返回速度分别通过电位器RP1和RP2来调节;工作台步进和步退的转速由变频器预置的点动频率决定。

c.往复运动的启动通过工作台前进和后退按钮SF2和SR2来控制,具体按哪个按钮,需根据工作台的初始位置来决定。

d.故障处理。一旦变频器发生故障,触点KF1闭合,切断变频器的电源,同时,指示灯HLT亮,进行报警。

e.油泵故障处理。一旦油泵发生故障,油压继电器KP闭合,PLC将使工作台在往复周期结束之后再停止运行,同时,指示灯HLP亮,进行报警。

f.停机处理。正常情况下按ST2,则工作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。

g.变频器的控制。当S5断开时,由输入端Al的给定信号决定变频器的输出频率;S5闭合时,由输入端A3的给定信号决定变频器的输出频率;S8闭合时,按预置的点动频率工作;Sl、S2接通时,分别为正转、反转控制。PG为光电编码盘的输入信号,接人为“有反馈矢量控制”,将使控制效果加究美;不接入PG,在无反馈矢量控制的情况下,也能在0.3Hz时,输出转矩达到额定转矩的150%。外接制动电阻R制,吸收工作台在频繁往复运行中由于减速、制动在逆变器直流母线上产生的过高泵升电压,提高工作效率,缩短辅助时间。

工作台自动循环的五段不同速度亦可采用预置多段速度控制,只需在PLC多增加两个输出控制端,接至变频器的多段速度控制端(例如S9、Sl0端),并采用二进制控制方式,通过变频器参数的设置满足工作要求。

③设计刀架的变频控制电路。龙门刨床采用PI。C配合变频调速来控制进刀量,可简化机械结构,还能提高控制进刀量的精度。刀架变频调速的基本电路如图4-70所示。

a.UF2是左右刀架共用的变频器,UF3是垂直刀架变频器。用一个二位切换开关SAN2来控制左右刀架的工作,SAN2的三个位置分别是:左刀架工作、右刀架工作、中间位置为左右刀架同时工作。

b.SB3和SB4是控制变频器UF3电源的按钮开关,SB5和SB6是控制变频器UF2电源的按钮开关,SAv和SAN1是用于切换刀架移劫方向的旋钮开关。需要哪个刀架工作,则按下相应的变频器电源控制开关。

c.KF2和KF3分别是变频器IJF2和变频器UF3的故障信号。

d.SBv、SBR.SBi.分别是垂直刀架、左刀架和右刀架的快速移动按钮。

e.Xl、X2为刀架电动机正转、反转控制端,X3为刀架电动机点动快速调整控制端;正转、反转速度由外接电位器RP3或RP4调整。

(5)设置变频器的参数。

①变频调速的指标。

a.工作台行程速度(配刨、铣变速箱)。

(a)刨削:5~70m/min无级调速。

(b)铣削:0.08~2m/min无级调速。

(c)磨削:1~3m/min无级调速。

b.刨刀架进给量范围。

(a)垂直刀架:垂直方向为0.2~25mm/次;水平方向为0.4~50mm/次。

(b)侧刀架:垂直方向为0.4~50mm/次。

c.铣头转速范围。

(a)铣头主轴转速:72~540r/min无级调速。

(b)刨刀架横铣速度:0.04~1.6m/min无级调速。

(c)刨刀架纵铣速度:0.04~1.6m/min无级调速。

d.静差度≤3%(低速时)。

e.换向距离≤250nun。

3.设计龙门刨床PLC电路及程序利用PLC对B2012A龙门刨床进行电气化改造,在设计变频器的调速方案及参数设置后,还要掌握继电控制系统的工作原理,提出PLC的控制方案,设计B2012A龙门刨床PLC控制原理图,并编制出PLC程序。

(1)分析龙门刨床继电控制系统的工作原理。对龙门刨床继电控制系统进行电气化改造,首先要分析其原有的工作原理;然后确定相应的控制方案,并设计PLC控制电路及程序。

交流电动机MA驱动直流发电机Gl、励磁机G2,构成主驱动机组。

①主驱动机组对电气控制的要求如下。

a.采用丫-△减压启动,在丫形换△形过程中要有一短暂的延时,以两组继电器动作的电弧不致引起短路故障。

b.励磁机G2输出电压达到额定值,KTA线圈得电后,主驱动机组才能完成启动过程。

c.主驱动机组启动后,工作台直流电动机M才能投入运行。

d.交流电动机MA、MB、Mn中任一台过载时,均能使工作台停在后退结束的位置。

②主驱动机组启动控制电路。

(2)确定龙门刨床PLC控制方案。

①通过对生产工艺过程的分析和改造工艺要求,电气控制的方案选择PLC控制方式,具体的方案如下。

a.工作台变频调速的PLC控制,其控制信号都需要输入PLC。

b.用PLC控制刀架电动机的变频调速。用PLC实现正反转、点动等。

c.用PLC控制刨刀的抬刀,用直流接触器和直流电磁铁控制刀架抬刀动作。

d.用PLC实现横梁的上升与下降、夹紧与放松等。

e.用PLC与变频器控制铣磨头的工作。

£用PLC控制油泵电动机的工作。

以上的输入和输出信号都属于开关量,故根据各输入和输出信号的数量和性质,选择合适的PLC。本机床的电气改造采用PLC控制整个控制电路,具体选择三菱FX2-64型PLC作为控制机型。

②PLC改造方案系统图。

(3)输入输出设备和输入输出端子的分配。

(4)设计PLC系统控制原理图。

①工作台控制电路。

②刀架的控制电路。

③抬刀控制电路,抬刀电磁铁控制电源是经全波整流后得到,由于一般交流接触器的触点不宜使用在直流电路中,故控制接触器KMc的触点接在整流桥之前。KMN是抬刀直流接触器,它的作用和KMc相同,实施对抬刀电磁铁YAl~YA4的控制。具体哪个刀架需要抬刀,则由选择开关SAl~SA4来决定。由于抬刀电磁铁的电感量很大,当接触KMN的触点断开时,将产生很大的自感电动势,电磁铁线圈两端并联放电电阻RFl~RF4,释放自感电动势。

④横梁升降对调速的要求不高,可不采用变频调速,控制电路采用PLC控制,如图4-77所示。电流继电器KAP用于控制横梁的夹紧程度,位置开关SOs用于反映横梁的松紧状态,当横梁放松完毕后,SOs闭合,允许横梁移动。

⑤其他辅助运动的控制电路。

a.磨头(或铣头)电动机的控制电路。当代龙门刨床常常也可以进行磨削或铣削,因而配有专用的驱动砂轮(或铣刀)旋转的电动机,通过变频器调整磨铣削电动机的转速,电路图如图4-70所示。

b.油泵电动机的控制电路。其控制方式可以有自动和手动两种,转换开关SAR处于断开状态,油泵在自动方式下工作,在工作台进行自动循环运行时自动地为工作台提供润滑油;SA。闭合,油泵工作于“手动”方式,油泵电动机运行,主要用于检查油泵的工作情况或润滑油的质量。

(5)编制PLC控制程序。根据B2012A龙门刨床电气控制系统的改造要求及PLC控制系统的输入、输出地址,编制PLC控制程序。

B2012A龙门刨床的工艺流程由PLC控制变频器、继电器进而驱动交流电动机来实现。工作台自动、步进(步退)、换向、速度变换,垂直刀架和左右刀架的自动进给及点动快速移动控制,横梁升降和夹紧控制,以及互相的联锬和指示等功能都由PLC软件来实现。

4.安装与调试龙门刨床PLC控制系统利用PLC、变频器对B2012A龙门刨床进行电气化改造,在设计好PLC的程序和设置变频器的参数之后,要对B2012A龙门刨床PLC控制系统进行安装与调试。

(1)所需设备、工具及材料。

(2)确定电气控制元件布局图。

①根据原龙门刨床操作系统悬挂按钮控制盒布置图,确定改造后龙门刨床悬挂按钮控制盒布置图。

②根据原龙门刨床操作系统控制柜面板布置图,确定改造后龙门刨床控制柜面板布置图,由于变频器要经常操作,进行参数设置,故将变频器设置在控制柜面板上。改造后龙门刨床控制柜面板布置图。

③根据选择的元器件,结合原龙门刨床控制柜内布置图,确定改造后的龙门刨床控制柜内布置图。

④结合电路原理图和布置图绘制电气系统线路接线图。

(3)安装电气控制元件。在控制板上按布置图安装走线槽和所有电器元件,并贴上醒目的文字符号。安装时,组合开关、熔断器的受电端子应安装在控制板的外侧;元件排列要整齐、匀称,间距合理,且便于元件的换,紧固元件时用力要均匀,紧固程度适当,做到既要使元件安装牢固,又不使元件损坏。

(4)连接PLC电气控制线路。

①安装前检查所有电动机、抬刀电磁铁、按钮、行程开关、光电编码器等外围设备。

②电气设备的接线。根据接线图接好电气柜的电源及电气柜与各电动机、各行程开关、按钮、抬刀电磁铁和光电编码器等的连线,连接变频器控制电气柜和PLC控制电气柜之间的连线,并接好外部元件。

③接线完毕后进行复查,以防接错或漏接。

(5)调试电气控制系统。

①输入可编程指令。根据梯形图或程序指令表,用编程器或微机输入程序。操作步骤如下。

用户程序存储器的内容;输入程序,把用户程序写入基本单元里;程序检查。

②变频器参数的预制。利用变频器的键盘进行预制,使变频器在调速过程中尽可能与生产机械的特性要求相吻合。

③模拟试运行。根据图样、资料检查全部电路,模拟工艺流程进行无载试运行。

④带负载试运行。模拟试运行正常后,接上负载进行试运行。

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