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基於 PLC 的龍門刨床改造

2015-7-31 來源：數控機床市場網作者：蘭州交通大（dà）學機電工程學院李玉婉

摘要:針對大型龍門刨床 B2025 目前存在的問題（tí），對其電氣控製係統進行全（quán）麵（miàn）的技術改造，增加銑削功能以適應（yīng）各種加工要求。該控製係統以（yǐ） PLC 為核心以及人機界麵為控製界麵，完成開關量邏輯控製、轉速控製、工作台智（zhì）能調節及人機（jī）界麵交互;西門子（zǐ）直流調速器 6ＲA80 實現刨削控製係統改造;西門子變頻器 MM440 實現銑削（xuē）功能控製。通（tōng）過改造，提高了係統的可靠性、穩定性，操（cāo）作（zuò）界麵簡單、友好，滿足生產加工（gōng）多元化要求。

關鍵詞:龍門刨床;銑削;PLC;人機界麵(HMI);直流調速器;變頻器

0 引言

某廠的一台由武（wǔ）漢重型機床廠70 年代生產的（de）B2025 型龍門（mén）刨床，經過近40 年的（de）使用，電器（qì）元件嚴重老化導致在加工時工作台往複換向過程中對齒輪箱的撞擊非（fēi）常嚴重，影響龍門刨床的使用壽命，更換減速箱齒輪後仍不能正常工作，現已不（bú）能滿足生（shēng）產需要;而且近年來隨著機械產品結（jié）構的（de）不（bú）斷調整（zhěng），陸續出現了非連續加工零件，市麵湧出越來越多元（yuán）化的（de）產品，僅僅刨削功能已不能滿足快速發（fā）展的生產需求。

因此（cǐ）對該大型龍門刨床增加銑削功能並且進行（háng）電氣控製係統的綜合改（gǎi）造，以提高設備性能，滿足該龍（lóng）門刨床各種加工生產要求。

1 刨銑功能技術（shù）要求

通過對原龍門刨床工（gōng）藝流程和控製方法的研究，刨銑功能的主要技術要求如下:加工件最大寬度:2500 mm;加工件最大高度:2000 mm;加工件最大長度:8000 mm;工作台工作速度(無極):3 ～60 m/min;垂（chuí）直刀架水平移動最（zuì）大行程:2950 mm;垂直刀架和側刀架抬刀高（gāo）度:0 ～120mm側刀架垂直（zhí）移動最大行程:2 000 mm。

2 刨銑功（gōng）能改造總體方案設計

2． 1 總體方案設計

依據（jù）機床工藝控製過程和技術要求，針對雙電機驅動重型刨床，為了實現刨銑兩用功能，刨削功能采用功率較大的普（pǔ）通直流電機實現;銑削功能采用小功率的交流變頻電機通過減速機（jī）來實現，並完成電氣控製係統設計。

刨削時，原機床驅動工作台的大功率直流電機功率為60kW，成本較高，且工作性（xìng）能穩定可靠，因此改造時保留拖動方式不變（biàn），工（gōng）作台拖動（dòng）采（cǎi）用直流調速器，要求調速器調速範（fàn）圍寬、節能效果顯著。銑削時，拆（chāi）除原機床一個垂（chuí）直刀架，並且在拆除垂直刀（dāo）架溜板上增（zēng）加一台15kW 銑頭，在主減速箱與交流變頻（pín）電機（jī）之間增加一套銑削減速機，來（lái）滿足銑削時直流電機對工作台的驅動要求，確保銑削時，工作台低速運行時穩（wěn）定，不抖（dǒu）動、不爬行。增加一套電磁離合器來實現刨削和銑削電機之間的切換。變頻（pín）器具有低速（sù）性能好、響應快、定位精度高，過載能力強等優點，因此主傳動采用變頻器（qì）配15kW 交流變頻電（diàn）機來驅動工作（zuò）台的運行，以滿足工作台銑銷時的加工要求。

龍門刨床（chuáng）的大部分動（dòng）作屬於邏（luó）輯控製，因此以PLC 為核心實現開（kāi）關量邏（luó）輯控製，觸摸屏實現人機界麵(HMI)交互和刨銑的切（qiē）換。觸摸屏主畫麵實時顯示龍門刨（páo）銑床的運行狀（zhuàng）態以及故障（zhàng）信息。PLC、變（biàn）頻器、直流調速器及觸摸（mō）屏（píng）都選擇西門子公司產品，因為配套的係統兼容性較好，運行方（fāng）便、穩定可靠。製作電氣控製櫃（guì）一台，方便龍門刨銑床控製以及（jí）檢測維修。控製係統結構框圖如圖 1 所示（shì）。

圖 1 控製係統結構框圖

2． 2 控製係統各部分（fèn）流程設計

2． 2． 1 自動控製子模塊/工作台點動

自動控製（zhì）有三種工（gōng）作方（fāng）式（shì），在加工時根據所加（jiā）工工件的工藝要求進行選擇，其控製流程如圖 2 所示。

圖 2 工作台自動控製流程圖

工作台分別有點（diǎn）動控製和自動控製兩種運動方式，其中點動控製用來調整工作台步進和步退動作（zuò），工作台在啟動前需先啟動潤滑油泵。自動循環控製是以PLC 為核心（xīn），以接近開關等配合相關電路和PLC 梯形圖程序（xù）來完成。

2． 2． 2 橫梁控製子模塊

橫梁（liáng）控製（zhì）是指橫梁的升降（jiàng）、夾緊放鬆控製，在橫（héng）梁動作（zuò）前先要對橫梁進行放鬆控製，移動到位後橫（héng）梁夾緊。確保絲杠和螺母之間的無間隙配合，在橫梁下降動作完成（chéng）後有短暫的回升控製，緊接著執行（háng）夾緊動作，回升控製時間由定時（shí）器設定。在橫梁升降過（guò）程中碰到接近（jìn）開關，控製（zhì）程序結束運行，升（shēng）降電動（dòng）機停止。橫梁調整必須在工作台（tái）停止運行時進行，那麽（me）在硬件電（diàn）路中和（hé）程序（xù）執行時需要設（shè）計聯（lián）鎖電路。橫梁控製子模塊流程（chéng）圖如圖 3 所（suǒ）示。

圖 3 橫梁（liáng）控製流程（chéng）圖

2． 2． 3 刀（dāo）架控製子（zǐ）模（mó）塊

交（jiāo）流（liú）電動機的正反轉動（dòng）作控製的（de）刀架進刀動作、退刀動作。刀（dāo）架自動控（kòng）製是（shì）指四個刀架的自動進給（gěi）、快速移動控製。其中（zhōng）兩個側刀架和一個（gè）垂直刀架完成水平、垂直方向的刨削（xuē）動作，另一個垂直刀架安裝銑刀完成銑（xǐ）削動作。刀架快速移動時必須在工作台停止運行時進行。選擇（zé）開關完成刀架的選擇，並將電信號送給PLC，PLC 根據（jù）合理的邏輯判（pàn）斷並產生（shēng）輸出信號，相應的交流電機響應並進行正反向控製，完成刀架的自動進刀（dāo）、退刀的控製。

2． 2． 4 故障報警及位置調整子模塊

故障報警子模塊是為了係統在出現故障時，對係統進行安全保護。在控製係統設計時除了基本功能外，還必須設計一些（xiē）安全聯（lián）鎖保護功能，以保證係統安全可靠地正常運行。位置調整子模塊是為了在控（kòng）製係統啟（qǐ）動檢測一些運動部件故障動作，先進行故障排除並進行位置調整，使（shǐ）運動部件運行（háng）到合適位置。在本係統中，一般設置工作台前進/後退極限保護，橫梁上升/下降極限保護以及刀架極限保護。

3 刨銑功能控製係統設計

3． 1 控製係統總體硬件結構

根（gēn）據控製係統的要求，本係統選擇德國西門子S7－200 係列（liè）的 PLC。係統（tǒng）的大部分輸入輸出量是（shì）數字量，其中，一共數字量輸入（rù）點為 42 個，數字量輸出點為29 個，因此選擇西門子 PLC CPU224(AC/DC 繼電器)為主機，並擴展 2個數字（zì）量擴展模塊，他們分別是一個 EM223(16DI/16DO，繼電器輸出)、一個EM223(16DI/16DO，晶體管輸（shū）出（chū）)。

3． 2 刨削功能硬件結構

3． 2． 1 直流調速（sù）器的選型

直流調速器（qì）的選型主要依據所控製的 ZBD－93型直流電機的額定電源電壓(220 V);額定直流電壓(即電樞電壓= 220 V);額定（dìng）電樞電流（liú）(305 A)及運（yùn）行（háng）方式（shì）(兩象限（xiàn）或四象限，該係統的直流電機在四象（xiàng）限運行（háng）)幾（jǐ）個要素來進行選（xuǎn）型。綜合考慮以上幾個要素最（zuì）終選擇西門子 6ＲA8087－6DV62 直流調速器。啟動直（zhí）流調速器將電機銘牌上的參數輸入（rù）到（dào）直流調（diào）速器，設置結束按下確認鍵，結束（shù）電機數據的輸入（rù）。

3． 2． 2 輔助功能硬件的選型

本係統用接近開關用作限位控製（zhì），接近開關重新選擇綜合（hé）考慮使用環境、檢測物、電源電壓、使用（yòng）壽命和價格等因素，選擇歐姆龍直流 3 線式 E2E－X5E1(非屏蔽)型接近開關若幹，大小為 M12，檢（jiǎn）測距離為5 mm，一般設定檢測距離為（wéi） 0 ～4． 0 mm。本係統用旋轉編碼器來檢測刨床工作台減速及返回信號，並將信號送給 PLC。旋轉編碼器的選型綜合考慮以下三方麵因素:①機械安（ān）裝尺寸;②分辨率;③電氣接口。為合理利用 PLC 的24 V電（diàn）源，最終選擇 E6A2－CW3E 型增量式旋轉編碼（mǎ）器，該旋（xuán）轉編碼器的分辨率為 500(脈衝/轉數)，與之相（xiàng）配（pèi）套安裝的耦合器的型號為 E69－C04B，用金屬（shǔ）安（ān）裝的配件為 E69－1。

3． 3 銑削功能硬件結構

主傳動采用變頻器配 15 kW 交流變頻電機來（lái）驅動工（gōng）作台的（de）運行。變頻調速電機一般均選擇 4 級電（diàn）機，基頻工作點設計在 50 Hz，頻率 0 ～50 Hz(轉速 0～1480 r/min)範圍內電機作恒轉矩運（yùn）行，頻率 50 ～100 Hz(轉速 1480 ～2800 r/min)範（fàn）圍內電（diàn）機作恒功率運行（háng），整個調（diào）速範圍為(0 ～2800 r/min)。根據控製要求，在滿足基本驅動設備的要求，要提高輸（shū）出轉矩，選擇 6 級（jí）電（diàn）機，其工作特性（xìng）與直流調速電機相同，調速平滑穩定，最終選擇 YVP－180L－6 型（xíng）變頻電機來實現工作台調速的目的。

變頻器的選型綜合考慮所控製（zhì）變頻電機的實際電流值以及負載（zǎi）特性等。所驅動的電機屬於恒功（gōng）率型負載，要求（qiú）低速運行時轉矩要足夠大，變頻器電壓電流都要匹配。最終選擇 Siemens MM440 型變頻（pín）器進行調速。通過減速機、變（biàn）頻電機，電磁離合器綜（zōng）合帶動工作台運動，完成銑削動作。

4 係統控製分析及人（rén）機界麵設計

4． 1 刨削（xuē）功能係統控製分析

按照（zhào）機床的工作要求以及刨削銑削的工藝對控製係統的要求，設置（zhì）自動工作和手動（dòng）工作兩種模式，符合操作人員的操作習慣，圖（tú） 4 為係統控製流程圖。

圖（tú） 4 係統控製流程（chéng）圖

機（jī）床刨削時在手動工作模式下能夠完成以（yǐ）下幾個動作，分別是垂（chuí）直刀架快速進給、左/右側刀架快速（sù）進（jìn）給、橫梁升降夾緊控製、工作台步進前進和步進後退等動作。機床刨削時，電磁離合器分離，工作台分別向前和向後（hòu）兩方向運動，其運動的速（sù）度（dù）值由電位計 W1、W2 設（shè）置，設置值送給（gěi） 6ＲA80 全數字直流調速裝置。當滿足啟動條件的情況（kuàng）下，按下工作台相（xiàng）應前進、後退按鈕，6ＲA80 全數字直（zhí）流調速裝置即解除封鎖輸出相應電（diàn）壓，電機響應（yīng）開始運轉帶動機床（chuáng）工作台作相應的運動。旋轉編碼（mǎ）器檢測機床工作台減速及返回信號，並將其檢（jiǎn）測到的信號送給 PLC。慢進和（hé）慢退的速度值由整流裝置參數設定。PLC 控製正反方（fāng）向給定及慢進、慢退等信（xìn）號給 6ＲA80 全數字直流調速裝置，同時 6ＲA80 全數字（zì）直流調速裝置控製電壓輸出大小（xiǎo）及方向，實現刨床工作台自動控（kòng）製。機（jī）床銑削時，15 kW 的變頻電（diàn）機啟（qǐ）動，電磁離合器結合，主電機僅起傳遞作用使得工作台處於銑削運行狀態（tài），其速度值由變頻器設定來控製電機運（yùn）行速度，完成銑削動作。

龍門（mén）刨銑床（chuáng）橫梁控製主要有上升、下降，夾緊、放鬆控製，上下的（de）調整移動和自動夾緊相互配合自動的工作。由按（àn）鈕站上的橫梁上升和（hé）橫梁下降按鈕控製，PLC 檢測其輸入信號，並控製其升（shēng）降接觸器、夾緊放鬆接觸（chù）器，控製交流電動機正（zhèng）反運轉，完成橫梁升降、夾緊（jǐn）、放鬆控製。工作台自動循環（huán）工作時，橫梁自動夾（jiá）緊於（yú）立柱上。橫梁上升或下降時，首先放鬆，上升或下降完成（chéng）後自動（dòng）夾緊，夾緊信號由過電流繼電器（qì）檢測，通過 PLC 自動控製（zhì）完（wán）成。圖 4 給出（chū）了係統總（zǒng）體控製流程。

4． 2 人（rén）機界麵設計

人機界麵(HMI)的選型（xíng）綜合考慮品牌、接口形式、屏幕（mù）尺寸、穩定性、可靠性、使用壽命和價格等因素，以及工（gōng）業現場條（tiáo）件和控製要（yào）求（qiú），最後選（xuǎn）用西門子10 寸觸摸（mō）屏 HMI Smart line1000 IE。運用WinCCflexible 組態軟件實現人機界麵(HMI)交（jiāo）互。人機界麵 (HMI) 的主要功（gōng）能是用觸摸屏控製（zhì）下（xià）位機(PLC)，以達到控製（zhì）機器各部（bù）件的目的。控製係統主要（yào）由（yóu）主（zhǔ）畫麵、橫梁升降（jiàng）、風機（jī）油泵、故障顯示畫麵等組成。通過組態形成（chéng）的控製係統（tǒng）畫麵（miàn），可以（yǐ）使工作人員通過觸摸屏進（jìn）行數據的（de）輸入、啟動或停（tíng）止整個機器，以（yǐ）及監控整個係統的運行狀況。

設計橫梁（liáng）動作控製界麵可（kě）以實時顯示橫梁工（gōng）作在哪一步，按下畫麵返回按（àn）鈕（niǔ）時，畫麵（miàn）將切換到主畫麵;按下（xià）故障（zhàng）顯示按鈕（niǔ）時，畫麵將切換到（dào）故障（zhàng）顯示畫（huà）麵上。觸（chù）摸屏的每個操作畫麵都與主畫麵以及故障顯示畫麵聯（lián）接起來，當故障報警時主畫麵（miàn）的報警燈閃爍並且蜂鳴器響起，切換到故障顯示畫（huà）麵（miàn），可以觀察故障信息。故（gù）障排除後，報警自動解除。圖5 給出了故障（zhàng）顯示畫麵。

圖 5 故障顯示畫麵

5 結語

本（běn）機床經過 PLC、西門子6ＲA80 直流調速器刨削控（kòng）製改造以及西門子 MM440 變頻器增加銑削功能控製，既沒有改變操（cāo）作人員（yuán）的操作習慣，又增強了進給控（kòng）製功能，同時節約了改（gǎi）造資（zī）金、提高（gāo）了控製係統和驅動係統的可靠性、提高了加工效率、穩定性和自動化水（shuǐ）平，促進了（le）技術進步。實（shí）現了多元化的產品加工，滿足了市場需求（qiú）。

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