龙门刨床课程设计Word文档下载推荐.docx
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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,有高速、低速、中速、低速后退、高速后退、中速后退。
主运动是工作台纵向往复运动,而横梁的上下移动,刀架沿横梁的左右移动,以及侧刀架在立柱的上下往复运动称作往复运动。
1.4刨台运动的机械特性曲线
与很多切削机床相同,刨台运动特性分两种情况分析。
如右图2
1低速区
图2机械特性曲线
刨台运动速度较低时,此时刨刀允许的切削力由电动机最大转矩决定。
电动机确定后,即确定了低速加工时的最大切削力。
因此,在低速加工区,电动机为恒转矩输出。
2高速区
速度较高时,此时切削力受机械结构的强度限制,允许的最大切削力与速度成反比,因此,电动机为恒功率输出。
小于等于25r
由此可得,主拖动系统直流电动机的运行机械特性曲线分为如图2所示两段。
1.5龙门刨床电气控制改造目的及意义
龙门刨床改造的目的:
(1)减小电机,以减少噪声,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,
(6)润滑泵有连续、自动切换开关,系统得电时,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.
龙门刨床改造的意义
随着工业化、以及科技的发展,近几年在工业自动化、机电一体化的速度发展得很快,改造传统产业方面已刻不容缓,因此PLC得到广泛的应用。
学习,掌握和应用PLC技术对提高我国工业自动化水平和生产效率具有十分重要的意义。
采用可编程序控制器(PLC)对龙门刨床的传统控制系统进行改造,将具有投资小、改造周期短,节能降耗、提高功效显著的优点。
A2012型龙门刨床电气控制系统既包括交、直流电动机、电器的继电器接触器控制,又包括连续反馈控制及扰动补偿前馈控制,属于复合控制系统。
它概括电气控制技术的主要内容,具有一定的典型性、综合性与复杂性。
1.6龙门刨床电气控制改造总体要求
1总体设计要求
图三
2要求有宽广的调速范围
B2021A型龙门刨床工作台的速度在25m/min以下时为等切削力区,希望输出转矩恒定,负载具有恒转矩特性;
工作台速度在25m/min以上时希望输出功率恒定,负载具有恒功率特性。
采用交流变频调速系统,可以通过灵活地预置恒转矩和恒功率调速转折点,使调速系统的特性更好地满足龙门刨床主驱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,制动速度快,能量又能回馈给电网,还可以降低主驱动电动机的设计功率。
3电气控制电路能保证机床可靠地自动工作
工作台往复运动一次,刀架自动进给,并根据切削的情况自动提速。
后退行程中,刀架自动抬起。
自动由低速到高速,再低速运动。
工作台在行程末尾可进行减速、反向等运动的自动变换。
4工作台能够按照需要实现自动往返循环。
在高速切削时,是为了减小刀具的冲击,应使刀具慢速切入工件。
若切削速度与冲击为刀具所能承受时,利用转换开关,可以取消慢速切入。
在工作台前进与返回行程末尾,工作台能自动调速,以保证刀具慢速离开工件,防止工件边缘剥裂,同时可减小工作台反向时的冲程和对电动机及其他机械的冲击。
5工作台速度调整,且无须停车。
用于磨削时,工作台应能降低速度至1m/min,以便保持磨削时工件的精度。
能自动调速,以保证刀具慢速离开工件,防止工件边缘剥裂,同时可减小工作台反向时的冲程和对电动机及其他机械的冲击。
6刀架能自动进给和快速移动。
进行加工时,工件装在工作台上,工作台沿床身导轨作直线往复运动。
横梁上的垂直刀架和立柱上的侧刀架都可以垂直或水平进给。
7系统的机械特性要有一定的硬度。
为了避免因起切削符合发生变化引起的工作台速度有较大的波动,以至于影响加工工件表面的质量,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迅速下降,直至停止,从而达到保护电动机及机械装置的目的。
8有必要的联锁保护。
为了能使机械自动化在龙门刨床中充分利用。
以及减少手动操作。
提高生产效率。
所以对plc和变频器进行了必要的互锁。
1.7龙门刨床电气控制改造方案
龙门刨床工作台的直线往复远东由两台直流电动机拖地,驱动系统为交流放大机。
励磁回路为他励。
励磁电压为220V。
两只流电机的连接方式为:
两个电动机的励磁绕着为并联。
电枢回路的绕组为串联。
具体改造方案是:
直流电动机仍然沿用元电动机,其驱动将为由原来的交磁放大机组拖动换为由变频器和plc一起控制的驱动系统。
在这个过程中我们也加入了反馈系统,这样也可以更好的提高其控制精度。
由于龙门刨床工作台的特点是往返运动,却很频繁。
用plc变频器来控制,且加入了限位开关,转换开关,以及电动开关,来控制plc和变频器的电路。
2.工作台变频调速及PLC控制
2.1工作台运动及调速要求
1PLC与变频器的选型及参数确定
B2010A型龙门刨床的主拖动采用最初50年代的A-G-M调速系统,即电机扩大机-直流发电机-直流电动机组系统,如图(4)所示。
采用的是机械比2:
1和电气调速范围为10:
1的机电联合调速系统。
图四A-G-M调速系统图
电机扩大机-直流发电机-直流电动机(A-G-M)调速系统,它涉及电机多,占地面积大、噪声污染严重、调速范围很窄,尤其交流电动机拖动发电机浪费电能很严重,而且电控部分采用继电器逻辑控制,线路复杂,故障率高,检修、维修困难。
随着科技的进步,电力电子技术和微电子技术得到飞速的发展,以及矢量控制技术的完善,A-G-M调速系统在技术方面远远落后于日新月异的变频调速技术,使得变频调速技术被广泛使用在调速方面。
2变频器选型根据前述龙门刨床拖动系统的工作要求,通过查阅有关资料,造多种同类变频器反复比较论证后,决定选用TD3000系列变频器。
TD3000系列变频器是美国EMERSON公司资助研发生产的高品质、多功能、低噪音的矢量控制通用变频器
3根据以上介绍,电机、变频系统选型如下:
工作台电动机:
65KW交流变频电机选用FR-F740-S65K-CH变频器;
刀架电动机:
1.5KW两台FR-F740-1.5K-CH变频器,两只50欧制动电阻.磨头电动机:
7.5KW一台FR-F740-7.5K-CH变频器
2.2PLC的选型
目前,国内外众多生产厂家提供了多种系列功能各异的PLC产品,但不管选择那种系列的PLC,要以满足系统功能需要为宗旨,不可以盲目贪大求全,以免造成投资和设备资源的浪费。
机型的选择应以几个方面考虑。
1.对输入/输出点的选择
盲目选择点数多的机型会造成一定的浪费,要先弄清控制系统的输入/输出点数,再按实际所需点数的15%~20%留以备用量,为系统的改造留有余地,且一般同时接通的输入点不得超过总输入点的60%。
2.对存储容量的选择
一般按估算容量的50%~100%留有裕量,对缺乏经验的设计者选择容量时留有裕量要大一些。
3.按输入/输出响应时间选择
对开关量的系统,PLC的输入/输出响应时间一般都满足实际工程的要求,可不必考虑响应问题,但对模拟量控制的系统特别是闭环系统就要考虑这个问题。
本设计通过以上几方面的考虑和比较,根据所需PLC的输入/输出点数,并留有一定的余地,选择PLC的基本单元的型号为FX2N-128RM-001。
FX2N系列是FX系列中功能最强,速度最高的微型可编程序控制器,它的基本指令执行时间每条0.08us,远远超过许多大型可编程序控制器;
用户存储容量可扩展到16K步,最大可扩展到256个I/O点,有多种模拟量输入/输出模块及功能各异的模块。
FX2N-128MR-001的电源电压为AC220V,有64个开关量输入点和64个继电器型开关量输出点。
输入电压为DC24V,输入点X0~X7的输入电流为7mA,其余的输入点的输入电流为5mA,当有电阻负载时输出点的额定输出电流为2A/AC220V。
2.3工作台调速方案
B2012A型龙门刨床工作台速度在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,工作台速度在25m/min以上希望输出功率恒定,负载具有恒功率性质。
以B2012A型刨床为例,其最低刨削速度为5m/min,其最高刨削速度为70m/min,调速范围为20
为了提高电动机的工作效率,龙门刨床采用俩级齿轮变速箱变速的电机联合调速方法即25m/min以上为高速档,25m/min以下为低速档
t1t2t3t4t5t6
t7t8t9t10t11t12
图五
t1段表示刨台手动按钮低速起动,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。
t1-t3段为自动中速前进。
属于刨削段,刨台加速至正常的刨削速度
t3-t4段为刨刀高速工作段。
并且速度高速平稳。
t4-t6段为低退出段,返回过程中,刨刀不切削工件,但为防止边缘被崩裂,同样要求速度较低。
t6-t7段为高速返回段。
但已退出切削,而且离机械较远,可以高速返回。
t7-t8段为手动返回段,返回行程即将结束,再反向到工作速度之前,为减小对传动机械的冲击,应将速度降低。
t8-t9段为后退反接制动阶段。
2.4工作台电气控制输入、输出确定
表一
SB1
输入地址分配
输出地址分配
SB2
X0
变频器启动
Y0
变频器km
SB10
X1
工作台启动
Y1
SB13
X2
工作台停止
Y2
变频高速
SB14
X3
变频器故障显示
Y3
变频中速
SB15
X4
变频器正常显示
Y4
变频低速
SB8
X5
工作台步进
Y5
工作台正转
SB9
X6
工作台正向前进
Y6
工作台反转
SQ2
X7
工作台前进减速
Y7
变频器故障
SB12
X10
工作台步退
Y10
变频正常
SB11
X11
工作台反向返回
Y11
油泵启动
SQ3
X12
工作台反向减速
Y12
油泵故障
SQ1
X13
工作台前进换向
SQ4
X14
工作台后退换向
X15
KP
X16
油泵压力线圈
2.5工作台电气控制接线图
图六
2.6工作台PLC电气控制程序
3.刀架变频调速及PLC控制
3.1刀架运动及调速要求
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,My,Mz来驱动,其中两个垂直刀架共用一台电动机Mc,通过传动机构分别转动,刀架控制电路能实现刀架的快速移动与自动进刀,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。
自动进刀。
刀架的进给采用的是带紧胀环的进到机构,依靠紧胀环转动角度的大小来控制每次的进刀量。
每次进刀完成后,利用刀架驱动电动机反向旋转来使紧胀环复位,为第二次进刀做好准备。
当需要自动进刀时,将刀架移动机械手柄扳倒自动进刀位置,使相应的位置开关SQc,SQy,SQz压下。
以垂直刀架为例,压下SQc,当工作台加工行程结束,刀具离开工件,撞块使位置开关SQ2动作,SQ2-b闭合——Kih线圈得电——Khc线圈得电——电动机Mc反转,刀架电机Mc反转带动超越离合器上的拨叉盘复位,为进刀做好准备;
SQ2-a断开——Kq线圈失电——Kh线圈得电——K2h线圈得电,接通抬刀电磁铁,刀架自动抬起。
同时,工作台制动并迅速返回,返回SQ2复位——Kih失电——Khc失电——电动机Mc转动。
返回至终点时,碰撞位置开关SQ4,SQ4-b闭合——Kiq线圈得电——Kqc线圈得电——电动机Mc正传,刀架电动机Mc带动拨叉盘旋转,刀架进刀;
SQ4-a断开——Kh线圈失电——Kq线圈得电——K2h线圈失电,抬刀电磁铁失电,刀架落下,以便切削加工。
当工作台重新前进时,SQ4复位,刀架电动机Mc停转,进刀停止。
进刀量的大小通过机械方式调整。
刀架能自动进给和快速移动
如图七
图七
3.2刀架调速方案
由于变频器能够十分准确的控制运行频率和升、降速时间,而PLC又能够准确地计时。
因此,采用PLC配合变频调速来控制进刀量,非但机械结构简单了许多,还能提高控制进刀量的精度。
1垂直刀架。
垂直刀架有两个,装在横梁上,由同一台电机驱动,只能左右移动,刨刀的进给量为(0.2~25)min/一次,用一个变频器来进行调速,分为正反转与低速、中速、高速,速度分别为:
低速为7.5m/min,中速为20m/min,高速为60m/min
2左右刀架。
左右刀架由两台电动机驱动,分别有两个变频器来调速,刨刀的进给量为(0.4~50)min/一次,分为正反转与高低中速,速度同垂直刀
3.3刀架电气控制输入、输出确定
表二
KM3停止
X33
Y26
左右刀架低速线圈
左刀架
X34
选择左刀架
Y27
KM2故障显示
右刀架
X35
选择右刀架
Y30
KM2正常显示
垂直刀架
X36
选择垂直刀
Y31
KM3故障显示
KM3故障
X37
变频器3故障显示
Y32
KM3正常显示
KM3正常
X40
变频器3正常显示
3.4刀架电气控制接线图
图八
3.5刀架PLC电气控制程序
4横梁及辅助运动控制
4.1横梁运动形式及拖动方式
横梁的上升控制。
当需要横梁上升时,按下横梁上升启动按钮SB6,中间继电器K2线圈通电闭合,接触器KM13通电闭合并自锁。
横梁放松、夹紧电动机M9通电反转,使横梁放松/
此时,行程开关ST10在59区中的常闭触点断开,接触器KM13失电释放,横梁放松、夹紧电动机M9停止反转。
行程开关ST10在52区中的常开触点闭合,接触器KM10通电闭合,交流电动机M8正向运转,带动横梁上升。
当横梁上升到要求高度时,松开衡量上升启动按钮SB6,接触器KM10线圈失电释放,横梁停止上升。
继而接触器KM12闭合,交流电动机M9正向启动运转,使横梁夹紧。
然后行程开关ST10常开触点复位断开,59区中的行程开关ST10常闭触点复位闭合,为下一次横梁升降控制作准备。
横梁下降控制。
当需要横梁下降时,按下横梁下降启动按钮SB7,中间继点器K2线圈通电闭合,接触器KM13通电闭合并自锁。
横梁放松、夹紧电动机M9通电反转,使横梁放松。
当横梁放松后,行程开关ST10在59区中的常开触点闭合,接触器KM11通电闭合,横梁升降电动机M8反向运转,带动衡梁下降。
当横梁下降到要求高度时,松开横梁下降启动按钮SB7,衡量停止下降。
接触器KM12接通横梁放松、夹紧电动机M9的正转电源,交流电动机M9正向启动运转,使横梁夹紧。
继而接触器KM10通电闭合,电动机M8启动正向旋转,带动横梁作短暂的回升后停止上升,然后横梁的进一步夹紧。
特性曲线分为如图3所示两段。
4.2油泵控制。
油泵、风机和变频器必须处于正常状态下工作台才加工运行。
在工作台工作之前,这些辅助设备都必须正常且处于运行状态,在主回路通电,为按下工作台控制按钮前,在横梁、刀架和工作台动作前,变频器动作,在油泵压力及风机正常的启动下,是油泵运行和风机运行输出,油泵和风机启动。
只有当油泵、风机及传动电机启动后,才能进行各种动作,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,防止误润滑运行和走刀不切削
4.3铣磨头变频调速控制方案
磨头运动时工作台处于低速运行,此时启动磨头工作,磨头由一个变频器来调速,磨头的进给量为1~3m/min,磨头只有高速和低速,高速为300r/min,低速为1m/min,这样可以使磨头正常进行铣磨工件
4.4横梁及其它辅助运动PLC控制及程序
表三
横梁及辅助部分
SB6
X41
横梁放松上升
Y33
放松线圈
SB7
X42
横梁放松下降
Y34
加紧线圈
SQ7
X43
上升限位
Y35
上升线圈
SQ9
X44
下降限位
Y36
下降线圈
SQ10
X45
放松限位开关
磨头部分
SA8
X46
启动工作台磨头启动
Y37
磨头启动线圈
X47
磨头正转
Y40
变频器启动线圈
X50
磨头反转
Y41
磨头高速线圈
X51
磨头停止
Y42
磨头中速线圈
X52
Y43
磨头低速线圈
X53
变频器正常
Y44
X55
主触头停止
Y45
4.5横梁及其它辅助接线图
图九
4.6横梁及其它辅助运动控制原理图
5课程设计总结
5.1龙门刨床电气控制改造意义与可行性分析
改造意义
随着科学技术的发展已自动化水平提高的要求,龙门刨床的改造已是必然趋势,传统的龙门刨床控制系统可靠性差、维护困难、加工质量及生产效率低。
如今PLC技术的不断发展,用PLC设计电气控制系统是简便可行的方法。
这次改造可以通过plc和变频器技术使刨床使用起来更加方便有效快捷。
不仅提高了生产效率。
而且更加经济、可靠、安全、稳定。
同样,经过改造的龙门刨床具有维修方便的特点,为企业和员工带来了极大的方便。
采用PLC实现对主拖动刨台,左右刀架,垂直刀架等三相电动机的变频启动,制动,调速,正反向控制,并对其工作台进行电气控制,实现变频调速。
根据其继电气控制电路的原理,运行系统程序设计,可以使系统结构简单,运行平稳可靠,快速,灵活,提高了动、静态性能,不仅降低了成本,而且适用面广。
为社会和整个国家带来极大的利益。
可行性的分析
国内外在大型龙门刨床的电气控制方面先后应用了较多的调速技术。
为了克服F-D调速系统的缺点,70年代以来出来信了晶闸管直流电动机模拟调速系统,取代F-D调速系统,缩小占地面积,减少了噪音,节能等,但系统性能差,当电阻及电容参数发生变化时,系统静态及动态性能恶化。
其次,众多功能单元连线多,因而可靠性不理想,维护维修难度较大,现在改造的机器,调速装置性能越来越完善,通用性强,操作方便,具有自动定位功能,具有自适应寻优功能,保证系统工作在最佳状态,具有完善的过流,过呀,缺相,欠磁,超速等保护功能,但诸多企业在使用中还是采用机械限位开关或晶体管接近开关来完成换向,其故障率高,在现场经常撞坏,同时操作者要经常调节标贴的位置,以改变刨台的行程,这就给人工操作带来了许多不便,本设计将应用系统中先进的数字定位技术,能使刨台及工作台按设定的行程和速度进行有序的运行,按着刀架进给——刀架落刀——工作台前进——工作台加速——工作台速度保持——工作台减速——工作台前进到位——刀架后退——工作台后退到位——刀架进给——自动循环工作——停机。
龙门刨床可以提高工作效率,根据产品特性一次性装夹无数个工件多把刀架同时加工.还可作为工作母机加工大型机床床身.亦可改装成龙门铣床,更好地提高工作效率。
5.2龙门刨床电气控制改造效果和解决的主要问题
改造后,主拖动采用调速范围宽、节能效果显著的变频器控制的调速系统,不仅省去了点击扩大机和直流发电机,节省了成本和空间,而且还大大提高了龙门刨床的调速特性,是工作
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