摘（zhāi）要: 針對大型龍（lóng）門刨床B2025 目（mù）前存在的問（wèn）題（tí），對其電氣（qì）控製係統進行全麵的技術（shù）改（gǎi）造，增加銑削功能以適應各種（zhǒng）加工要（yào）求。該（gāi）控製係統以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、工作台智能調節及人機界（jiè）麵（miàn）交互; 西門子直流調速器6ＲA80 實現刨削控（kòng）製係統改造（zào）; 西門子變頻器MM440 實現銑削功能控製。通（tōng）過
改造，提高了係統的可靠性、穩定性，操作界麵（miàn）簡單、友好（hǎo），滿足生產加工多元化要求。

 
      0 引言

      某廠的一台（tái）由（yóu）武漢重型機床廠70 年代生產（chǎn）的B2025 型龍門刨床，經過近（jìn）40 年的使用［4］，電器元件嚴重老化導致在加工時工作台往複換向過程中對齒（chǐ）輪箱的（de）撞擊非常（cháng）嚴重，影（yǐng）響（xiǎng）龍門刨床的使用壽命，更換減（jiǎn）速箱齒輪後仍不能正常工作，現已不能滿足生產需（xū）要［2］; 而且近年來隨著機械產品（pǐn）結構的不斷調整，陸續（xù）出現了非連（lián）續加工零件，市麵湧出越來越多元化的產品，僅僅刨削功能已不能滿足快速發展的（de）生產需求。

      因（yīn）此對該大型龍門刨床增加銑削功能並且進行電氣（qì）控（kòng）製係統的綜合改造，以提高設備性能，滿足（zú）該龍門刨床各種加工生產要求。

      1、 刨銑（xǐ）功能技術要求

      通過對（duì）原龍門刨床工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（gōng）件最大寬度: 2 500 mm; 加（jiā）工件最大高度: 2000 mm; 加工件最大長（zhǎng）度: 8 000 mm; 工作台工作速度( 無極) : 3 ～ 60 m/min; 垂直刀架水平移動最大行（háng）程（chéng）: 2 950 mm; 垂直刀架和側刀架抬刀高度: 0 ～ 120mm; 側刀架（jià）垂直移動最（zuì）大（dà）行（háng）程: 2 000 mm。

      2、 刨銑功能改造總體（tǐ）方案設計

      2． 1 總體（tǐ）方案設計

      依據機床工藝控（kòng）製過程和技術要求，針對雙電機（jī）驅動重型刨（páo）床，為了實現刨銑兩用功能，刨削功能（néng）采用功率較大的普通直流電（diàn）機實（shí）現; 銑削功能采用小功率的交流變頻電機通過減速機來實現，並完（wán）成電氣（qì）控製係統設計（jì）。

     刨削（xuē）時，原機床驅動工作台（tái）的大功率直流電機功率（lǜ）為60 kW，成本（běn）較高，且工作性能穩定可靠，因此改（gǎi）造時保留（liú）拖動方式不（bú）變（biàn），工作台拖（tuō）動采用直流調速器，要求調速器（qì）調速（sù）範圍寬、節能（néng）效果顯著。

     銑削時，拆除原機床一個垂直刀架，並且在拆除垂直刀架溜板上增加一台15 kW 銑頭，在主減速箱與交流變頻電（diàn）機之間增加一套銑削（xuē）減速機，來滿足（zú）銑（xǐ）削時直流電機對工作台的驅動要求，確保銑削（xuē）時，工作台低速運（yùn）行時穩定，不抖（dǒu）動（dòng）、不爬（pá）行。增（zēng）加一套電磁離合器來實現刨（páo）削和銑削電機（jī）之間的切換。變（biàn）頻器具有低速性能（néng）好、響應快、定位精度高，過載能力強（qiáng）等優點，因此主傳動采（cǎi）用變頻器配15 kW 交流變頻電機來驅動工作台的運行，以滿足工作台銑銷時的（de）加工要求。

     龍門刨床的（de）大（dà）部（bù）分動作屬於邏輯控製，因此以PLC 為核心實現開關量邏（luó）輯控製，觸摸屏實現人機界麵( HMI) 交互（hù）和刨銑的切換。觸（chù）摸屏主畫（huà）麵實時顯示龍門刨銑（xǐ）床（chuáng）的運行狀態以及（jí）故障（zhàng）信息［3］。PLC、變頻器、直流調速器及觸摸屏都選擇西門子公司產品，因（yīn）為配套的係統兼容性較（jiào）好（hǎo），運行（háng）方便、穩定可靠。製作電氣（qì）控製櫃（guì）一台，方便（biàn）龍門刨銑床控製以及檢測維修。控製係統結構框圖如圖1 所示。

                 圖1 控製（zhì）係統結構框（kuàng）圖
 

      2． 2 控製係統各部分流程設（shè）計

  
      2． 2． 1 自動控製（zhì）子模塊/工作台點動

      自動控（kòng）製有三種（zhǒng）工作方式，在加工時根據所加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
 

      工作台分別有點動控製和自動控製兩種運動方式，其中（zhōng）點動控製用來調整工作台步進和步退動作［1］，工作台在啟動前需先啟動（dòng）潤滑油泵。自動循（xún）環控製是以PLC 為核心，以（yǐ）接近開關等（děng）配合相關電路和PLC 梯形圖程序來完成。

      2． 2． 2 橫梁控製子模塊

      橫梁控製是指橫梁的升降、夾緊放（fàng）鬆控製，在橫梁動作（zuò）前先要對（duì）橫梁進行放鬆控製，移動到位後橫梁夾緊。確（què）保絲杠（gàng）和螺母之間（jiān）的無間隙配合，在橫梁下降動作完成後有短暫的回升控製，緊接著執行夾緊動作，回升控製時間由（yóu）定時器設定。在橫梁升降（jiàng）過程中碰到接近開關，控製程序結束運行（háng），升降電（diàn）動機停止。橫梁調整必須在工作台停止運行時（shí）進行，那麽在硬件電路（lù）中和程序執行時需要設計聯鎖電路。橫梁控（kòng）製（zhì）子模塊流程圖如圖3 所示。

                                 圖3 橫梁控製流程圖
 

      2． 2． 3 刀架控製子（zǐ）模塊

      交流電動機的正反轉動作控製的刀架進刀動作、退刀動作。刀（dāo）架自動控製是指四個刀架的自動進給、快速移動控製。其中兩個側刀架和（hé）一個垂直（zhí）刀架完成水平、垂直方向（xiàng）的刨削動作（zuò），另一（yī）個垂直刀架安裝銑刀（dāo）完成銑削動作。刀架快速移動時必須在工作台停止（zhǐ）運行時進行。選擇開關（guān）完成（chéng）刀架的選擇［4］，並將電信號送給PLC，PLC 根據合理的邏輯判斷並產生輸出信號，相應的交流電機響應並進行正（zhèng）反向控製，完成刀架的（de）自動進刀、退刀的控製（zhì）。

      2． 2． 4 故障報警及（jí）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（bǎo）護。在控製係統設計時除了（le）基本功能（néng）外，還必須設計一些安全聯鎖保護功能，以保證係（xì）統安全可靠地正常運行。位置調整子模塊是（shì）為了在控製係統啟動檢測一些運動部件故障動作，先（xiān）進行故障排除並進行位置調（diào）整，使運動部件（jiàn）運（yùn）行到合適位置。在本（běn）係統中，一般設置工作台前進（jìn）/後（hòu）退極限保護，橫梁上（shàng）升/下降極限保護以及刀架極限保（bǎo）護。

      3 、刨銑功能控製係（xì）統設計

      3． 1 控製係統總體硬件結構

      根據控製係統的要求，本係統選擇（zé）德國西門子S7－200 係列的PLC。係統的大（dà）部分輸入輸出量是數字量，其中，一共數字量輸入點為42 個，數字量輸出點為29 個，因此選擇西門子PLC CPU224( AC /DC 繼電（diàn）器（qì）) 為主機，並擴展2 個數字量擴展模塊（kuài），他們分別是一個EM223 ( 16DI /16DO，繼電器輸（shū）出) 、一個EM223( 16DI /16DO，晶體管（guǎn）輸出) ［4－8］。

      3． 2 刨削功能硬件結構

      3． 2． 1 直流調速器的選型

      直流（liú）調速器（qì）的選型主要依據所（suǒ）控製的ZBD－93型直流（liú）電機的額定（dìng）電源電壓( 220 V) ; 額定直流電壓（yā）( 即電樞電壓= 220 V) ; 額定電（diàn）樞電流( 305 A) 及運（yùn）行方式( 兩象（xiàng）限或四象（xiàng）限，該係統的（de）直流電機在四象（xiàng）限運行) 幾個（gè）要素來（lái）進行選型。綜合考（kǎo）慮以上幾個要素最終選擇西門（mén）子（zǐ）6ＲA8087－6DV62 直流調速器。啟動直流調速（sù）器將電機銘牌上的參數（shù）輸入到直流調速器，設置（zhì）結束按下（xià）確認鍵，結束電機數據的（de）輸入。

      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，接近開（kāi）關（guān）重新選擇綜合考慮（lǜ）使用環（huán）境、檢測物、電源電壓、使用壽命（mìng）和價格等因（yīn）素，選擇歐姆龍直（zhí）流3 線式E2E －X5E1( 非屏蔽) 型接近開（kāi）關若幹，大小為M12，檢測距離為5 mm，一般設定檢測距離為0 ～ 4． 0 mm。

      本係統用旋轉編碼器來檢測刨床（chuáng）工作台減速及（jí）返（fǎn）回信（xìn）號［9］，並將信號送給PLC。旋轉編碼器的選（xuǎn）型綜合考（kǎo）慮以下三方麵因素: ①機械安裝尺（chǐ）寸; ②分辨率（lǜ）; ③電氣接口。為合理利用PLC 的24 V 電源，最終（zhōng）選擇E6A2－CW3E 型增量式旋（xuán）轉編碼器，該旋轉編碼器的分辨率為500( 脈衝/轉數) ，與之（zhī）相配套安裝的（de）耦合器的型號為E69－C04B，用金屬安裝的配件為E69－1。

      3． 3 銑削（xuē）功（gōng）能硬件結構

      主傳動采用變頻器配15 kW 交流變頻電機來驅動工作台的（de）運行。變（biàn）頻調速電機一般均選擇4 級（jí）電機，基頻工作點設計在50 Hz，頻率0 ～ 50 Hz( 轉（zhuǎn）速0～ 1480 r /min) 範圍內電機作恒（héng）轉矩（jǔ）運行，頻率50 ～100 Hz( 轉速1480 ～ 2800 r /min) 範圍內（nèi）電機作（zuò）恒（héng）功（gōng）率運（yùn）行，整個調速範圍為( 0 ～ 2800 r /min) 。根據控製要求（qiú），在滿足基本驅動設備（bèi）的要求，要提高（gāo）輸出轉矩，選擇6 級電機，其工作特性與直流調速（sù）電機相同，調速平滑穩定，最終選（xuǎn）擇YVP －180L－6 型（xíng）變頻電機（jī）來實現工作台調速的目的。

      變頻（pín）器的選型綜合考慮所控製變頻電機的實際電流值以及負載特性等。所驅動的電機屬於恒功率型負載，要求低速運（yùn）行時轉矩要足夠大，變頻器電壓電流都要匹配［10］。最終選擇Siemens MM440 型變頻器進行調速。通過減速（sù）機、變頻電機，電磁離合（hé）器綜合帶動（dòng）工作台運（yùn）動，完成銑削動（dòng）作。

      4 、係統控製分析及人機界麵設計

     4． 1 刨削功能係統控製分析

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

                            圖4 係統控製流程圖
 

     機床刨削時在手動工作模式下能夠完成以下幾個動作（zuò），分別（bié）是垂直刀架快速進給、左/右側刀架快速進給、橫梁升降夾緊控製、工作台步進前進和步進後退等動作［4］。

     機床刨削時，電磁離合器分離，工作台分別向前（qián）和向後兩方向運動，其運動的速度值由（yóu）電位計W1、W2 設置，設置值送給6ＲA80 全數字（zì）直流調（diào）速裝置（zhì）。當滿足啟動條件的情況下，按下工作台（tái）相應前進、後退按鈕，6ＲA80 全數字直流調速裝置即解除封鎖輸出相應（yīng）電壓，電機響（xiǎng）應開始運轉帶動機床工作台作相（xiàng）應的運動［9］。旋轉編碼器檢測機床工作台（tái）減速及返回信號，並將其檢測到的信號送給PLC。慢進和慢退的速度值由整流裝置參數設定。PLC 控製正反方向給定及慢進、慢退等信號給6ＲA80 全數字直流調速裝置，同時6ＲA80 全數字直流調速裝置控製電壓輸出大（dà）小及方向，實現刨床工作台自動控製（zhì）［8］。機床銑削時， 15 kW 的變頻電機啟動，電磁離合器結合，主電機僅（jǐn）起傳遞作用使得工作台處於銑削運行狀態，其速度值由變頻（pín）器設定（dìng）來控製（zhì）電機運行速度，完成銑削動（dòng）作。

      龍門刨銑床橫梁控製主要有上升、下降，夾緊、放鬆（sōng）控製，上下的調整移動和自（zì）動夾緊相互配合（hé）自動的工作。由按鈕站上的橫梁上升和橫（héng）梁下降（jiàng）按（àn）鈕控製，PLC 檢測其輸入信號，並控製其升降接觸器、夾緊放鬆接觸器，控製交流電動機正反運轉，完成橫梁升降、夾緊、放鬆控製［9］。工作台自動循環（huán）工作時，橫梁自動夾緊於立柱上。橫（héng）梁上升或下降時，首先放鬆，上升或下降完成後自（zì）動夾緊，夾緊信號由（yóu）過電（diàn）流繼電器檢測，通過PLC 自動控製完成（chéng）。圖4 給出（chū）了係統（tǒng）總體控製流程。

     4． 2 人機界麵設計

    人機界麵( HMI) 的選型綜合考慮品牌（pái）、接口形式、屏（píng）幕尺寸、穩定性、可靠性、使用壽命和價格等因素，以（yǐ）及工業（yè）現場條件和（hé）控製要（yào）求，最後選用西門子10 寸觸（chù）摸屏（píng）HMI Smart line1000 IE。運用WinCCflexible 組（zǔ）態軟件實現人機界麵( HMI) 交互［11］。人機界麵( HMI) 的主要功能是用觸摸屏控製下位機( PLC) ，以達到控製機器各部件的目（mù）的。控製係（xì）統主要由主畫（huà）麵、橫梁（liáng）升降、風機油泵、故障顯（xiǎn）示畫麵等組成。通過組（zǔ）態形成的（de）控製係統畫麵，可以使（shǐ）工作人員通過觸摸屏進行數據的輸入（rù）、啟動或停止整個機器（qì），以及監控整個（gè）係統的運（yùn）行狀況（kuàng）。

      設計橫梁動作控製界麵可以實時顯示橫梁工作在哪一步，按下畫麵返回按鈕時，畫麵將切換到主畫麵; 按下故（gù）障顯示按鈕（niǔ）時，畫麵將（jiāng）切換到故（gù）障顯示畫麵上。觸摸屏的每個操作畫麵都與（yǔ）主畫麵以（yǐ）及故障顯示畫麵聯接起來，當故障報警時主畫麵的報警（jǐng）燈閃爍並且蜂鳴器響起，切換（huàn）到故障顯示（shì）畫麵（miàn），可以觀察故障（zhàng）信息（xī）。故障排除後（hòu），報警自動解除。圖5 給出了故障顯示畫麵。

     
  
                         圖5 故障（zhàng）顯示畫麵
 

     5、 結語

     本機床經過PLC、西門子6ＲA80 直流調速器刨削控（kòng）製改造以及西（xī）門（mén）子MM440 變（biàn）頻器增加銑（xǐ）削功能控製，既沒有改變操作人（rén）員的操作習（xí）慣，又增（zēng）強了進給控製功能，同時節約了改造資金、提高（gāo）了控製係統和驅動（dòng）係統的（de）可靠性、提高了加工效率、穩（wěn）定性和自動化水（shuǐ）平，促進了技術進步（bù）。實現了多元化的產品加工，滿足了（le）市場需求。