毕业设计（论文）变频器、PLC对镗床控制电路的改造

变频器、PLC对镗床控制电路的改造摘 要镗床是一种精密加工机床，主要用于加工精确的孔和孔间距离要求较为精确的零件。这里介绍的是其中的一种卧式镗床。卧式镗床是一种精密加工机床，主要用于加工孔对孔间距离要求较为精确的零件，它的镗刀主轴水平放置，是一种多用途的金属切削机床，不但能完成钻孔、镗孔等孔加工，而且能切削端面、内圆、外圆及铣平面等。目前，中小型企业使用的是传统继电器、接触器控制的卧式镗床。由于继电器、接触器控制的电路复杂，动作速度慢、可靠性差、故障诊断与排故困难等缺点，给这些中小型企业生产带来很大的不便，生产效率底下。我们现在利用可编程控制器PLC对卧式镗床控制线路进行改造，利用变频类型的选择主轴电机进行调速。从而达到线路简单，故障诊断与排故容易，可靠性好等优点。关键词：镗床 改造 PLC 变频器 第一章 T68镗床简介一、T68镗床的型号及含义二、T68镗床的主要结构及功能T68镗床是由床身、工作台、前立柱、镗头架、后立柱、上滑板、下滑板和尾架构成。它的外型如图所示：床身是个整体铸件，在它的一端固定有前立柱，前立柱的垂直导轨上装有镗头架。镗头架可沿着导轨垂直移动。镗头架里集中装有主轴、变速箱、进给箱与操纵机构等部件。切削刀具固定在镗轴前端锥形孔里，或装在花盘的刀具溜板上。在工作过程中，镗轴一面旋转，一面沿轴向作进给运动。花盘只能旋转，装在上面的刀具溜板可作垂直于主轴轴线方向的径向进给运动。镗轴和花盘轴是通过单独的传动链传动。因此可以独立传动。后立柱的尾架用来支承装夹在镗轴上的镗杆末端，它与镗头架同时升降，两者的轴线始终在一条直线上。后立柱可沿床身水平导轨在镗轴的轴线方向调整位置。安装工件的工作台安置在床身中部的导轨上，它由上滑板、下滑板与可转动的台面组成。工作台可作平行于和垂直于镗轴轴线方向的移动，并可转动。由以上分析可知，T68型卧室镗床运动形式有三种：1、主运动：镗床与花盘的旋转运动。2、进给运动：镗轴的轴向进给，花盘上刀具的径向进给，镗头的垂直进给，工作台的横向和纵向进给。3、辅助运动：工作台的旋转，后立柱的水平移动，尾架的垂直移动及部分的快速移动。三、控制要求1、为适应各种工件的加工工艺，主轴应有较大的调速范围。采用交流双速电动机驱动的滑移齿轮有级变速系统。由于镗削加工是恒功率负载，接法为三角形-双星形。2、由于采用滑移齿轮变速，为防止顶齿现象，要求主轴系统变速时作低速断续冲动。3、加工过程中可以调速，要求主轴正反转点动调速，通过主轴电动机低速正反转实现。4、主轴电机低速时可以直接启动，在高速时控制电路要保证先接通低速经延时再接通高速以减少启动电流。5、进给部件多，快速进给用另一台电机拖动。四、继电器控制方式的T68镗床控制线路图五、继电器控制的镗床工作原理主电路工作原理T68镗床有两台电机，M1是主拖动电机，M2是快速移动电机。由于镗床变速范围大，采用双速电机拖动。熔断器FU1作电路总的短路保护，FU2作快速移动电机和控制电路的短路保护。M1设置热继电器作过载保护，M2是短期工作，所以不设置热继电器。M1用接触器KM1和KM2控制正反转，接触器KM3、KM4和KM5作三角形双星形变速切换。M2用接触器KM6和KM7控制正反转。控制电路工作原理主轴电机M1的正反转及点动控制 按下正转控制按钮SB1，则常闭触点SB1-2断开，常开触点SB1-1闭合，接触器KM1通电吸合并自锁。主电路中KM1主触头闭合，电动机M1正转准备。按下反转控制按钮SB2，则触点SB2-2断开，触头SB2-1闭合，接触器KM2通电吸合并自锁。主电路中KM2主触头闭合，电动机M1反转准备。在对刀时，必须点动控制，正转点动控制SB3，反转点动控制SB4。按下SB3触头SB3-2断开，切断自锁回路，触头SB3-1闭合，KM1通电吸合，松开SB3时，KM1失电。同理，当按下SB4,KM2吸合，松开SB4时，KM2失电。主电动机M1的变速控制 电动机需要运转必须将接触器KM3或接触器KM4和KM5通电吸合。KM3的吸合，电机M2接成三角形低速运转，KM4和KM5的吸合，电机M2接成双星形高速运转。它们的控制由变速手柄操作的。电机有两级调速，变速箱有九级调速，配合可得18级速度。当选择好主轴转速后，将调速手柄压下去，若压不到位置开关SQ1，则SQ1-1未闭合，SQ1-2未断开，从图看，接触器KM3通电吸合，电动机M1作三角形联接，电动机低速运转，这个转速再和齿轮变速组成的转速就是变速盘上指明的主轴转速。若当变速手柄压下去时，将位置开关SQ1压合，则SQ1-2断开，SQ1-1合上。由于是高速运转，所以启动时先低速起动，然后转成高速运转，用时间继电器KT控制。当SQ1-1压合后，时间继电器KT立刻通电吸合，常开瞬时动作触头闭合，接触器KM3通电吸合，电动机低速起动。经过一段整定时间后，KT延时断开常闭触头断开，则KM3失电，KM3的常闭联锁触头恢复，同时延时闭合常开触头闭合，则接触器KM4和KM5通电吸合，电动机M1接成双星形，高速运转，起动完毕。电动机高速起动经过低速的原因是为了减小高速起动电流。在变速时，变速手柄压下去有时压着位置开关SQ1,有时压不着。但因为是电动机的两级转速和齿轮箱内九级转速互相组合成18级，所以主轴电动机在高速运转时主轴不一定是高速运转。同样，电动机在低速运转时，主轴也不一定是低速运转，要根据传动系统的配合而定。变速冲动 在镗削时发现运转速度不合适，将变速手柄拉出，这时手柄将压住位置开关SQ2，使SQ2断开，无论KM3或KM4、KM5均断电，电动机立刻被制动。选择好转速后，将手柄推进去时，SQ2将复位，无论推进去是否压住位置开关SQ1,电动机低速起动，就可使齿轮齿合。若遇上顶齿不能齿合，手柄通过弹簧装置将位置开关SQ2作瞬时闭合又断开，电动机产生冲动现象，再将手柄往里推就很容易齿合了。快速移动控制 镗头架在前立柱垂直导轨上升降快速移动、工作台快速移动、尾架快速移动和后立柱的水平快速移动。其都有电动机M2拖动。当位置开关SQ5压合，接触器KM6通电吸合，电动机M2正转。当位置开关SQ6压合，接触器KM7通电吸合，电动机M2反转。电动机M2的动力传到什么地方，由操作手柄控制。安全保护联锁 在电路图中，有两个位置开关SQ3和SQ4，其中SQ3受快速移动手柄操作，SQ4受主轴和平旋盘进给手柄操作。若这了两个手柄中只有一个处于“进给”位置，则将SQ3和SQ4中的一个压合，由于SQ3和SQ4是并联的，所以压合一个，另一个仍然可通电。若是正在快速移动，又要镗头进给，则SQ3和SQ4都被压合，控制电路断电，机床停止工作。第二章 变频器对T68镗床主轴变速进行改造一、变频器控制T68镗床的目的我们使用的传统T68镗床加工过程中要实现调速，利用的是继电器、接触器的断开与导通来控制电机不同的运转情况。当电机通过这样的控制方法来实现高低速运转时，它将会产生很大的电流。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。而变频器调速性能好，控制精度和调速的平滑性很高，且调速范围广，通用性强，能满足任何工况运行对传动速度范围和精度的调节要求，能实现平滑无级变速。调速性能远远超过机械调速。使用变频调速能充分降低启动电流提高绕组承受力。用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低，电机的寿命则相应增加。所以我们利用变频器来实现镗床主轴电机高低速运转是非常科学的。下面将要介绍的则是变频器对传统T68镗床主轴电机的控制。 我这应用的是三菱变频器。因为在三菱变频器所适用连接的电动机中就有我论文里面所用的电动机。二、三菱变频器实物图三、三菱变频器的优点1、调速性能好，控制精度和调速的平滑性很高，且调速范围广，通用性强，能满足任何工况运行对传动速度范围和精度的调节要求，能实现平滑无级变速，调速性能远远超过机械调速。2、作为调速装置的变频器的效率高，一般都在95%以上，节能效果十分明显，且电机的损耗也随电机转速的降低而降低。 3、变频器本身质量可靠，运行稳定性好，维护工作量小。四、变频器控制主轴电机变速运转当控制线路中有按扭或位置开关动作,将有相应的输入信号输给可编程控制器,立即有相应的输出信号输给变频器,再由变频器输出相应的信号控制电机的正反转和高低速变速转换.在FR-E540变频器中输出接口用到了Y1、Y2、Y3、Y4分别所控制的是M1的正转、反转、低速运转和高速运转。并且产用的是外部控制。五、三菱变频器重要参数设定1、 V/f类型的选择V/f类型的选择包括最高频率、基本频率和转矩类型等。最高频率是变频器-电动机系统可以运行的最高频率。由于变频器自身的最高频率可能较高，当电动机容许的最高频率低于变频器的最高频率时，应按电动机及其负载的要求进行设定。基本频率是变频器对电动机进行恒功率控制和恒转矩控制的分界线，应按电动机的额定电压设定。转矩类型指的是负载是恒转矩负载还是变转矩负载。用户根据变频器使用说明书中的V/f类型图和负载的特点，选择其中的一种类型。我们根据电机的实际情况和实际要求，最高频率设定为83.4Hz，基本频率设定为工频50Hz。负载类型：50Hz以下为恒转矩负载，5083.4Hz为恒功率负载。2、 如何调整启动转矩调整启动转矩是为了改善变频器启动时的低速性能使电机输出的转矩能满足生产启动的要求。在异步电机变频调速系统中转矩的控制较复杂.在低频段由于电阻、漏电抗的影响不容忽略，若仍保持V/f为常数，则磁通将减小，进而减小了电机的输出转矩。为此，在低频段要对电压进行适当补偿以提升转矩。可是，漏阻抗的影响不仅与频率有关，还和电机电流的大小有关，准确补偿是很困难的。近年来国外开发了一些能自行补偿的变频器，但所需计算量大，硬件、软件都较复杂，因此一般变频器均由用户进行人工设定补偿。针对我们所使用的变频器，转矩提升量设定为1%5%之间比较合适。3、 如何设定加、减速时间电机的运行方程式：Tt为电磁转矩；T1为负载转矩。电机加速度dw/dt取决于加速转矩（TtT1），而变频器在启、制动过程中的频率变化率则由用户设定。若电机转动惯量J、电机负载变化按预先设定的频率变化率升速或减速时，有可能出现加速转矩不够，从而造成电机失速，即电机转速与变频器输出频率不协调，从而造成过电流或过电压。因此，需要根据电机转动惯量和负载合理设定加、减速时间，使变频器的频率变化率能与电机转速变化率相协调。检查此项设定是否合理的方法是按经验选定加、减速时间设定。若在启动过程中出现过流，则可适当延长加速时间；若在制动过程中出现过流，则适当延长减速时间；另一方面，加、减速时间不宜设定太长，时间太长将影响生产效率，特别是频繁启、制动时。我们将加速时间设定为15s减速时间设定为5s。4、 频率跨跳V/f控制的变频器驱动异步电机时，在某些频率段。电机的电流、转速会发生振荡，严重时系统无法运行，甚至在加速过程中出现过电流保护使得电机不能正常启动，在电机轻载或转动量较小时更为严重。因此变频器均备有频率跨跳功能，用户可以根据系统出现振荡的频率点，在V/f曲线上设置跨跳点及跨跳点宽度。当电机加速时可以自动跳过这些频率段，保证系统正常运行。5、 过负载率设置该设置用于变频器和电动机过负载保护。当变频器的输出电流大于过负载率设置值和电动机额定电流确定的OL设定值时，变频器则以反时限特性进行过负载保护（OL），过负载保护动作时变频器停止输出。6、 电机参数的输入变频器的参数输入项目中有一些是电机基本参数的输入，如电机的功率、额定电压、额定电流、额定转速、极数等。这些参数的输入非常重要，将直接影响变频器中一些保护功能的正常发挥，一定要根据电机的实际参数正确输入，以确保变频器的正常使用。参数清零：ALL-C PR-79=0上限频率：P1=50HZ下限频率：P2=0HZ高速设置:50HZ低速设置:20HZ加速时间：P7=2S减速时间：P8=2S第三章 PLC对T68镗床控制线路进行改造一、PLC对T68镗床改造的目的我们使用的传统T68镗床由于继电器、接触器控制的电路复杂，动作速度慢、可靠性差、故障诊断与排除困难等缺点，给这些中小型企业生产带来很大的不便，生产效率低下。而在集成电路、计算机技术基础上发展起来一种新型工业控制设备，可编程控制器。它具有可靠性高，抗干扰能力强；编程简单，易于掌握；组合灵活，使用方便；功能强，通用性好；开发周期短，成功率高；体积小，重量轻，功耗低等优点。随着PLC的发展，其应用范围越来越广。针对这一现象，我们可以利用可编程控制器来取代传统镗床中的继电器、接触器控制的电路部分。 二、PLC的优点及选择可编程序控制器，简称PLC。它是20世纪70年代以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。它具有可靠性高，抗干扰能力强；编程简单，易于掌握；组合灵活，使用方便；功能强，通用性好；开发周期短，成功率高；体积小，重量轻，功耗低等优点。随着PLC的发展，其应用范围越来越广。我们所运用的传统T68镗床输入端一共有12个，输出端有6个。所以我们选用型号为FX2N-24MR的可编程序控制器。三、三菱PLC实物图四、改造部分我们保留控制部分所有的按扭和位置开关,作为可编程控制器的信号输入部分.利用可编程控制器取代所有接触器继电器.按照正常使用镗床操作流程,通过可编程控制器编程,输出相应的输出信号,控制变频器实现高低速,正反转.第四章 改进后的T68镗床一、电气控制线路图二、T68镗床电气元件表符号名称型号及规格数量用途PLC可编程控制器FX2N-32MR1控制编程VVVF变频器FR-E540-0.4K7.5K-CHT1变速驱动M1电动机JDO2-51-214 7.5KW1驱动主轴M2电动机JO2-32-4 3KW1驱动快速移动SB0按纽LA2 500伏5安1停止SB1按纽LA2 500伏5安1M1正转SB2按纽LA2 500伏5安1M1反转SB3按纽LA2 500伏5安1M1正转点动SB4按纽LA2 500伏5安1M1反转点动SQ1位置开关LX3-11K 500伏5安1M1变速SQ2位置开关LX3-11K 500伏5安1M1变速连锁SQ3位置开关LX3-11K 500伏5安1主轴、平旋盘连锁SQ4位置开关LX3-11K 500伏5安1工作台、主轴箱连锁SQ5位置开关LX3-11K 500伏5安1快速移动正转SQ6位置开关LX3-11K 500伏5安1快速移动反转QS开关HZ2-25/3 500伏5安1电源总开关TC变压器BK-400 380/110/24/6.31控制、照明电源FU1熔断器RL1-40/401M1保险FU2熔断器RL1-40/201M2保险FU3熔断器RL1-10/21控制线路保险三、三菱PLC输入输出表输入口输出口输入端作用输出端作用SB0X13停止Y1M1正转SB1X1M1正转准备Y2M1反转SB2X2M1反转准备Y3M1低速运转SB3X3M1正转点动Y4M1高速运转SB4X4M1反转点动Y5M2正转SQ1X5高速行程开关Y6M2反转SQ2X6低速行程开关SQ3X7主轴、平旋盘连锁SQ4X10工作台、主轴箱连锁SQ5X11快速移动正转SQ6X12快速移动反转QSX0电源电总开关四、 三菱PLC控制线路编程1、程序解释电源总开关QS按下则X0闭合使得M0、M1得电，此刻按下SB1、SB2那么PLC的输入点X1、X2有信号M2、M3得电电动机M1作正反转的准备。X3、X4闭合使Y1和Y2得电电动机M1正反转。M2得电使得Y3得电电动机M1低速运转，M3闭合使得时间继电器运作，时间继电器过10S后Y3失电，Y4得电电动机M1作高速运转。X11和X12是快速运动正转和快速移动反转，当X11闭合Y5得电，电动机M2正转。当X12闭合则Y6得电同时Y5失电电动机M2反转五、改进后的T68镗床工作原理1、主轴电机M1的正反转控制当按下电源总开关QS后，按一下SB1或SB2 PLC 分别输出Y1或Y2分别控制主轴电动机M1的正转和反转。2、主轴电机M1的点动控制当按一下电源总开关QS后，分别按下SQ3或SQ4，M1电机分别实现正转点动和反转点动。3、主轴电机正常变速过程现在采用变频器控制电动机实现无极变速，当按下电源总开关QS，按下正转按纽SB1后输出电动机正转信号Y1，同时输出低速运转信号Y3给变频器，由变频器控制电动机低速启动运转。压合手柄位置开关SQ1后再进过一秒钟后PLC输出高速运转信号Y4，断开停止低速运转信号Y3。此时实现了电机的由低速到高速运转这一过程。4、快速移动控制快速移动的内容有：镗头架在前立柱垂直导轨上升降快速移动、工作台快速移动、尾架快速移动和后立柱的水平快速移动。它们都由电动机M2拖动。当位置开关SQ5压合，接触器KM6通电吸合，电动机M2正转。当位置开关SQ6压合，接触器KM7通电吸合，电动机M2反转。电动机M2的动力传到什么地方，完全有操作手柄控制。5、安全保护连锁在图所示电路中，有两个位置开关SQ3和SQ4，其中SQ3受快速移动手柄操纵，SQ4受主轴和平旋盘进给手柄操纵。若这两个手柄中只有一个处于“进给”位置，则将SQ3和SQ4中的一个压合，由于SQ3和SQ4是并联的，所以压合一个，另一个仍然可通电。若是正在快速移动，又要镗头进给，则SQ3和SQ4都被压合，控制电路断电，机床停止工作。结束语今年的一开学我便开始了毕业论文工作，时至今日，我的论文已经基本完成。从最初的不知所措，到后来思路的逐渐清晰，此过程查阅了很多的相关资料，使我拥有了无数难忘的回忆与收获。开学初通过与论文指导老师的交流讨论确定了论文题目为变频器、PLC对传统镗床控制电路的改造。题目确定之后，我便开始查找资料，在查找资料的过程中发现知识点杂乱，在组合过程中我很茫然不知如何下手，于是我把这个问题告诉了我的指导老师，他给我讲述了写此篇论文要围绕的重点。经过老师的指导之后我便抓准了方向去图书馆和网上查询资料并且准备一本笔记本对所查资料进行记录。尽量做到资料完整、精确、数量多，便于我论文的撰写。之后我将所查找的资料拿去与我的论文指导老师进行讨论，最后整理分类开始了论文的撰写。这是我通过三年多的理论与操作知识相结合对传统镗床进行的一次不成熟的改造。其中还存在着一定的不足，我会在今后的学习中不断的改进。同时在论文的撰写过程中我再次的巩固了所学知识。通过此次的论文撰写也让我更加体会到了科学的重要性，科学创造可以使我们的生活变得更加的美好，可以使厂商节约成本。答谢辞通过此次的撰写论文我学到了很多，从确定题目、搜集资料、对找到的资料进行整理分类到最后论文的撰写完成，我遇到了很多的困难，一度让我不知从何下手。这个时候我的论文指导老师都老师和班主任给了我很大的帮助，他们帮我分析如何写才能抓住重点，教我如何的对所查资料进行分类和整理，在此我要谢谢他们。当然这其中也有一直帮助和支持我的同学们，他们在我写论文“卡壳”的时候鼓励支持我，并且给我提供资料和网站。在此我也要感谢你们。由于时间的仓促和本人技术水平的有限，在编写过程中难免会出现错误和不妥之处，望各位评委老师能够批评指正。参考文献1 、电力拖动控制线路与技能训练 编写 李敬梅2、可编程序控制器 编写 朱善君3、工厂电气控制技术 编写 石永义4、三菱变频调速器使用手册编写三菱电机 （上海）自动化有限公司5、变频技术及应用 编写 唐修波18