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刨床控制系统设计

[摘要]刨床主要用来加工大型工件的各种平面、斜面、凹槽等，特别适应于加工大型的、狭长的机械零件，是常见的大型机械加工设备。

论文根据刨床的工艺对控制系统的要求，对电气控制系统进行总体的设计。

主拖动采用调速范围宽、节能效果显著的变频器调速。

用PLC控制方式，实现开关量逻辑控制和变频电动机的转速控制，充分发挥PLC可靠性高、功耗低、维修方便等优势，对刨床进行电气设计，以达到投资小、降低能量损耗等目的，以提高刨床的生产效率，满足加工工艺的要求。

通过对刨床采用PLC和变频器控制，很大程度上提高了刨床的效率和加工精度，加强了刨床的可靠性和稳定性。

[关键词]刨床；可编程序控制器；变频器；控制系统

TheDesignofmachinecontrolsystem

ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyYAOJingkun

Abstract：

Planeraremainlyusedforprocessinglargeworkpiecesofvariousplane,inclinedplane,grooves,etc.,especiallysuitableforprocessinglarge,longandnarrowmechanicalparts,isacommonlarge-scalemechanicalprocessingequipment.

Accordingtotheprocessoftheplanercontrolsystemrequirements,thedesignoftheoverallelectricalcontrolsystem.Themaindragbyinverterwidespeedrange,energy-savingeffectisremarkable.UsethePLCcontrolmode,controltheswitchinglogiccontrolandfrequencyconversionmotorspeed,givefullplaytoPLChighreliability,lowpowerconsumption,convenientrepair,electricaldesignofthemachine,inordertoachieveasmallinvestment,reducetheenergyconsumptionandotherpurposes,inordertoimprovetheproductionefficiencyofmachine,tomeettheprocessrequirements.ThroughtheuseofPLCandinvertercontroloftheplaner,greatlyimprovingtheefficiencyandprecisionofplaner,enhancethereliabilityandstabilityoftheplaner.

Keywords：

Longmenplaner;ProgrammableLogicController;frequencyconverte;controlsystem

1引言

（1）开发背景

当今社会电气产业蓬勃发展，刨床的主拖动系统在加工过程中起主要作用，而现有的刨床主拖动系统都存在着投资大、消耗量大、调节精度不高、换向冲击大等一系列缺点。

近些年来，随着科学技术的高度发展，控制领域的数字化进程加快，全数字直流调速技术不断完善，部分刨床己设计成各种各样的数控机床，工作效率大大提高，老式刨床的电控系统将逐步被淘汰，最终将被全数字控制系统完全取代。

（2）开发目的

在刨床的工作过程中，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。

如电路结构复杂，需要的功率开关元件多；在相控方式下电压、电流波形的畸变因数和相移因数随运行速度一同下降；主电路开关频率低，使系统的截止频率过低，不利于提高系统对外部信号的响应速度等。

因此，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，成为大型刨床期待解决的技术问题。

另一方面，通过这次实际的设计制作，可以进一步加深自己在这方面知识的掌握，进一步完善制作过程中实际操作等，将所学的知识通过系统化的应用转化为自己的实际操作能力。

（3）开发意义

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。

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，本课题通过对原系统以及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，如果应用于实践，可最大限度发挥刨床的加工潜力，提高可靠性，降低运行成本，对对实际生产很大的实际意义。

2刨床的结构特点及其设计要求和方案

2.1刨床结构及运动形式

刨床是工厂中常见的一种生产设备,主要用来加工大中型工件。

刨床结构主要由床身、工作台、横梁、主刀架、顶梁、立柱、侧刀架七部分组成。

其中床身为箱体型零件，其上有V形导轨。

工作台安放在床身上，工作台下面有斜齿条与传动机构齿轮相啮合，可作往复运动。

横梁用于安装垂直刀架，刨削加工时严禁动作，只在工作台停止运动时才能移动，以调整刀架高度。

两个垂直刀架可沿横梁导轨在水平方向，或沿刀架本身的滑板导轨在垂直方向作快速移动或工作进给。

左右侧刀架及进给箱可沿立柱导轨上下快速移动或自动进给。

图1刨床结构示意图

如图1所示，工作台放在床身上，工作台由直流电动机拖动可在床身上作往复运动。

当工作台带动工件运动时，刨刀对工件进行刨削加工。

刨刀装在垂直刀架或侧刀架上。

侧刀架可上下移动并横向进给，侧刀架又分为左侧刀架和右侧刀架。

垂直刀架装在横梁上，它可作横向移动和垂直进给，又分为左垂直刀架与右垂直刀架。

横梁可沿着立柱作上下移动。

横梁上的刀架，可在横梁导轨上作横向进给运动，以刨削工作的水平面；立柱上的侧刀架，可沿立柱导轨作垂直进给运动，以刨削垂直面。

刀架亦可偏转一定角度以刨削斜面。

横梁可沿立柱导轨上下升降，以调节刀具和工件的相对位置。

刨床的运动可分为主运动、进给运动与辅助运动。

主运动是指工作台的往复运动，进给运动是指刀架的进给，辅助运动是调整刀具运动（如横梁的夹紧与放松、横梁的上升与下降、刀架的快速移动与抬刀等）。

2.2刨床电气控制总体要求

（1）要求有宽广的调速范围

由于加工的材料和零件不同，所使用的刀具也会不同（例高速钢刀具。

硬质合金刀具等），这就要求机床有不同的速度，以便满足不同加工工艺的要求。

（2）电气控制电路能保证机床可靠地自动工作

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。

（3）工作台能够按照需要实现自动往返循环

工作台前进行程中，刀架自动进给。

后退行程中，刀架自动抬起。

工作台在行程末尾可进行减速、反向等运动的自动变换。

（4）工作台速度调整无须停车

（5）刀架能自动进给和快速移动

（6）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。

（7）有必要的联锁保护

根据刨床的生产工艺特点，对自动控制系统提出如下要求：

●调速范围宽。

刨床工作时既要求能适应不同刀具，又要求具有经济的切削速度。

例如A系列刨床最低刨削速度是45m/min，最高刨削速度是90m/min，调速范围为20：

1。

刨床的调速采取两级齿轮变速箱的机电联合调速方法，即45m/min以下为低速挡，45m/min以上为高速挡；

●静差率小。

龙门刨负载变动时，要求工作台速度的变化不超过允许范围，驱动电动机要有较硬的机械特性。

因此靜差率一般要求为0.05～0.1，刨床为0.1；

●具有较高的切削速度和足够的切削力；

●在低速范围内，切削力基本保持恒定；

●能单独调整工作行程与返回行程速度，且返回速度高于工作速度；

●工作台的运行速度能自动调整，在刀具切入与切出工件时，自动地减速；

●工作台运动方向应迅速而平滑地改变，动态品质好；

●操作简单，节省辅助工时，工作台要有可靠地自半动往复循环，调速时不必停车；

●安全可靠，为提高加工表面的精度，工作台反向时应迅速、平稳、冲击小；

●驱动效率高，耗电量小；

●系统简单，易于修理和维护；

●通用化程度高，成本低；

进刀机构要求：

（1）进刀准确；

（2）线路简单；（3）工作可靠；

进刀机构可分为：

膨胀环，摆杆机构等机械传动；继电器控制；磁电机进刀控制；步进电机进刀的数字控制；晶体管延时进刀控制；计数管进刀控制和直流电动机进刀控制；

●抬刀机构:

（1）线路和结构简单；

（2）足够的抬刀高度；

抬刀机构有：

电磁铁抬高；电机旋转抬高；电机垂直位移抬刀；电磁铁抬刀的优点是线路和结构简单。

缺点是抬刀角度较小，一般只有15°左右。

2.3刨床电气控制设计方案

基于以上分析，我们采用PLC和变频器对其进行设计。

工作台的主运动只需一台59KV·A交－直－交、电压型变频器和能量回馈装置作为主拖动控制装置，实现无级变速。

工作台换向制动利用变频器自带的能量反馈装置，使制动速度快，能量又反馈到电网中。

刨床控制系统图如图2所示。

图2刨床变频调速系统图

3刨床的控制系统设计

3.1刨床电力拖动系统主回路设计

刨床电力拖动主要涉及的有：

主拖动、油泵、风机、横梁升降、横梁夹紧，垂直及左、右侧刀架等电机。

油泵和风机只有在主拖动电机启动运行时才可启动，其余电机在正反向运行之间形成电气互锁，主回路设计如图3所示。

图3电力拖动系统主回路设计

3.2主拖动电机的选型

刨床原直流调速系统的直流电机型号是ZBD-93-BL,功率为60KW,额定转速为1000r/min,额定转矩为

式中P为功率（KW）；T为转矩（

）；n为转速（r/min）。

通过计算比较,与直流电动机参数比较接近的交流电机式55KW的6极电机,其额定转矩为525.53

。

由于变频器的低速调速性能不是很好,为了提高实际使用的变频器最低频率,决定选用55KW的8极变频电动机,其额定转矩为700.7

。

为了解决低速时电动机的散热问题，变频电动机上还安装配备了一个风机，变频电动机工作时风机处于运转状态。

通过以上计算，55KW的8极变频电动机的转矩比原来的直流电动机大，能够满足系统调速范围的要求。

3.3变频器的选择

3.3.1变频器选型

根据前述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，优越性主要表现在：

（1）有速度传感器矢量控制，调速范围为1：

1000，稳态控制精度0.05％；

（2）低频启动转矩10－100rpm时，200％的额定转矩；

（3）启动预励磁，加快矢量控制快速反应；

（4）动态转矩响应小于150ms；

（5）零伺服锁定功能，可以保护零速时150％的转矩输出；

（6）可靠的转矩限定，防止频繁跳闸；

（7）功能丰富的对话式操作面板，全系列LCD+LED显示中英文可选；

（8）具备参数的上传拷贝和下传复写功能；

（9）功能强大的后台调试监控软件，可通过内置RS485接口组网监控。

根据以上介绍，电机、变频系统选型如下：

主拖动：

55KW交流变频电机选用TD3000-4T0550G变频器；

主拖动制动单元：

两台TDB-4C01-0300控制单元，两只10欧/10KW制动电阻。

3.3.2主拖动与变频器的连接

主拖动与变频器的连接如图4所示。

通过参考艾默生TD3000变频器说明书：

输入、输出ENI滤波器选择：

EBT系列5A-80A，它可以有效抑制从变频器电源线发出的高频噪声干扰和变频器输出侧产生的干扰噪音和导线漏电流。

交流输入电抗器选择TDL-4A01-0550，当电网波形畸变严重时，它可以提高变频器输入侧的功率因数，满足变频器和电源之间高次谐波的影响。

图4主拖动与变频器的连接

3.4PLC的选择

（1）刨床PLC控制系统构成

刨床PLC控制系统构成主要有：

主传动调速换向控制，刀架进给、抬刀和快速移动控制，以及横梁的移动、夹紧、放松、升降等部分组成。

（2）PLC的选型

本文采用S7-200系列可编程控制器作为系统电气控制的核心元件。

根据其性能目前流行的S7-200系列可编程控制器可分为5个基本机型：

CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM，本系统采用的是CPU224。

S7-200系列可编程控制器作为小型PLC其硬件配置有很多特点。

●程序和数据的免维护

S7-200系列PLC的用户程序和部分或全部数据存放在EPROM中，不同型号的CPU的用户程序和数据容量略有区别，但都无需用锂电池进行掉电保护。

平时掉电时靠超级电容保持，如果需要也可以通过程序把数据写入EPROM，使数据永不丢失[4]。

●程序卡

各种机型上都具有一个存储卡插孔，可以插入程序器卡。

该程序器卡是一个EPROM存储器，是存放用户程序的附件，体积小，重量轻，保管与传递都很方便，在STEP7micro（S7-200系列PLC编程软件）中使用个人计算机或S7-200专用的手持式编程器可将PLC中的程序与数据写入程序卡，以备以后使用，故该程序卡也可作为程序与数据的备份。

需要装载程序时，只需将己存入程序的存储卡插入PLC后再上电，几秒钟后断电并把存储卡拔下，存储卡上的程序即自动装入PLC[5]。

●通信功能强大

S7-200系列PLC通信能力与一般的小型PLC相比，非常突出，集成了一个或两个通信口，物理上采用RS485标口，只需使用相应的电缆就可构成具有多种通信功能的通信网络，无需外加通信模块，节省硬件费用，也不占用输出点，可以连接任何有通信能力的设备，如：

变频器、打印机、个人计算机、条码阅读器等。

●模拟量处理功能

S7-200的模拟量扩展模块除了可用于一般的模拟量输入/输出外，可以直接将温度传感器，如Pt100热电阻信号接入，在处理温度量时可省去中间环节，提高精度、可靠性。

（3）系统主要配置和设置

针对系统特点，经分析和研究，系统采用如下配置。

可编程控制器采用西门子的S7-200系列，包括主模块CPU224（AC/DC/继电器），数字量I/0扩展模块（EM223）和模拟量扩展模块（EM231），运行可靠，可在通用计算机系统及WINDOWS平台上方便编程；电位计采用5KΩ特种导电塑料电位器，调速线性度好；采用直流三线制电感式接近开关替代常规的工作台行程开关；用三位半数字面板表显示输出电流、速度，代替常规的指针式电流、速度表，直观性好；主回路用变压器，3AC380V/220V；励磁回路用变压器，2AC380V/260V[7]；设置了主电机出现故障时的声光报警装置；其他常规低压电器及相关器件供电电源。

3.5PLC控制系统设计

PLC的逻辑控制及接线：

针对系统控制特点，KM1、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7、KM8、KM9、KM10、KM11、KM12、KM13采用实际接触器，KM2采用实际继电器，其余控制继电器均采用PLC内部逻辑继电器，所有接触器均只接入一对触点，作为PLC的输入，其余触点均用PLC内部逻辑触点，各个按钮、开关（包括接近开关、行程开关）也均只接入一对点作为PLC的输入，其余都用PLC逻辑触点制PLC输入、输出及中间继电器的定义分别见表1、表2、表3所示。

表1PLC输入定义

I0.0

SA1

油泵连续/自动切换接常开

I0.1

SB1

左侧刀架快速移动按钮接常开

I0.2

SA2

垂直刀架快移/自动转换开关接常闭

I0.3

SB2

右侧刀架快速移动按钮接常开

I0.4

SA3

右侧刀架快移/自动转换开关接常闭

I0.5

SB3

左侧刀架快速移动按钮接常开

I0.6

SA4

左侧刀架快移/自动转换开关接常闭

I0.7

SB4

横梁上升按钮接常开

I1.0

SB5

横梁下降按钮接常开

I1.1

SQ1

横梁放松行程开关接常开

I1.2

SQ4

横梁上升限位开关接常闭

I1.3

SQ3

左侧刀架限位开关接常开

I1.4

SQ2

右侧刀架限位开关接常开

I1.5

SB6

工作台停止按钮接常开

I2.1

SB7

工作台步进按钮接常开

I2.2

KM11

油压继电器触点接常开

I2.3

SQ5

工作台极限限位行程开关接常开

I2.4

SQ6

工作台极限限位行程开关接常开

I2.5

SB8

工作台前进按钮接常开

I2.6

SB9

工作台后退按钮接常开

I2.7

SB10

工作台步退按钮接常开

I3.0

SA5

后退减速接常开

I3.1

SA6

前进减速接常开

I3.2

SQ8

步退限位和进刀行程开关接常开

I3.3

SQ9

步进限位和退刀行程开关接常开

I3.4

KA

横梁夹紧电流继电器接常开

表2PLC输出定义

Q0.0

KM11

油泵

Q0.1

KM3

垂直刀架正转

Q0.2

KM4

垂直刀架反转

Q0.3

KM5

右侧刀架正转

Q0.4

KM6

右侧刀架反转

Q0.5

KM7

左侧刀架正转

Q0.6

KM8

左侧刀架反转

Q0.7

KM9

横梁上升

Q1.0

KM10

横梁下升

Q1.1

KM12

横梁夹紧

Q2.0

HL2

横梁运行指示灯

Q2.1

KM1

横梁放松

Q2.4

KM2

后退抬刀继电器

Q2.5

RP3

正向给定

Q2.6

R1

正向减速

Q2.7

RP1

正向点动

Q3.0

RP2

反向点动

Q3.1

R2

反向减速

Q3.2

RP4

反向给定

Q3.3

0线

0电位

主模块采用的是CPU224，类型为AC/DC继电器，模块集成14路输入、10路输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。

13K字节程序和数据存储空间。

内含6个高速计数器，其中4个单相计数器，2个双向计数器，都是20kHz时钟速率。

内含256个定时器，可方便地通过程序进行延时、计数控制，处理速度快，准确性高。

数字量扩展模块采用的是EM223，模块共16路DC输入、16路继电器输出。

数字量扩展模块为使用除了主模块集成的数字量输入/输出点外更多的输入/输出提供途径，灵活性强，很容易扩展I/O点数，当应用范围扩大，需要更多输入/输出点数时，PLC可以增加扩展模块，即可增加I/O点数。

表3中间继电器

M0.0

JI

工作台自动工作

M0.1

JO-H

横梁上升下降控制

M0.2

JS-H

横梁回升延时

M0.3

1J

—

M0.4

2J

—

M0.5

—

横梁夹紧电流继电器对应的中间继电器

M0.6

—

横梁回升延时电路中间继电器

M0.7

1Q

后退换向时接通

M1.0

1H

前进换向时接通

M1.1

J

减速接通

M1.2

2H

后退行程抬刀

M1.3

—

对应于M0.7的中间继电器

M1.4

—

对应于M1.0的中间继电器

M1.5

Q

工作台前进

M1.6

—

工作台工作中间继电器

M1.7

H

工作台后退

M2.0

—

横梁放松动作中间继电器

M2.1

—

横梁夹紧延时中间继电器

M2.3

—

横梁电气延时1秒中间继电器

M2.5

—

刀架进刀中间继电器

M2.6

—

刀架退刀中间继电器

M3.0

—

工作台自动运行互锁中间继电器

模拟量扩展模块采用的是EM231，模块共4路模拟输入。

模拟量扩展模块具有很好的适应性，可适用于复杂的控制场合，12位的分辨率和多种输入/输出范围使其能够不用外加放大器而与传感器和执行器直接相连，当实际应用变化时，PLC可以相应地进行扩展，并可非常容易地调整用户程序。

本系统一共26路数字量输入，20路数字量输出，加两路模拟输入[9]。

系统工作流程都由PLC通过输入点的状态来控制，接至变频器模拟量输入端子，变频器根据模拟量输入端子地给定信号，经内部补偿运算，自动调节工作台运行速度。

PLC与变频器接线图如图5所示。

图5PLC与变频器接线图

3.6逻辑控制电路设计

3.6.1工作台运动及调速要求

采用交流变频调速系统，可以通过灵活的预置恒转矩与恒功率调速的转换点，使调速系统的特性更好地满足刨床主拖动负载的调速特性要求，进而降低主拖动电动机的设计功率。

调速范围可以达到40:

1，静差度小于3%，更换不同的工作组件就可使刨床一机多用。

为了提高加工精度，工作台的速度不随切削量的变化而变化，自动调速，达到速度曲线的要求，提高了加工质量与效率。

变频器调速机械特性如图6所示。

图6变频调速的机械特性

1.工作台正向运动控制要求：

（1）正向步进：

点动，中速；

（2）正向前进：

自锁，高速；

（3）工作台前进减速：

自锁，低速；

（4）工作台后退到位后自动换向；

控制要求：

总停、工作台停、油泵故障停、自动停。

2.工作台反向运动

（1）反向前进：

自锁，高速；

（2）工作台后退减速:

自锁，低速；

（3）工作台前进到位后自动换向；

控制要求：

总停、工作台停、油泵故障停、自动停。

同时对工作台运动的速度也有一定要求。

刨床运动示意图如图7所示。

图7刨床的运动示意图

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，为减小对传动机械的冲击，应将速度降低，之后进入下一周期；

从电动机调速理论可知，若采用变