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精选优质文档-倾情为你奉上郑州华信学院课程设计说明书题目： 姓 名： 院 （系）： 专业班级： 学 号： 指导教师： 成 绩： 时间： 年 月 日至 年 月 摘 要分析了龙门刨床的运动特点，利用PLC和变频技术对B2012A型龙门刨床进行自动化改造，以提高其加工效率和精度。关键词： 龙门刨床；PLC；变频器；电气控制。前 言龙门刨床在工业生产中占有很重要的地位，主要用于加工大型工件或同时加工多个工件，是工业的母机。龙门刨床的主运动是工作台的直线往复运动，而进给运动则是刨刀的横向或垂直间歇运动，龙门刨床的工作台传动一般都采用行程开关，和传统的继电器来控制。这种方式有接线复杂，检修困难，故障多等缺点。这样对加工性能有很大影响。但是由于数控机床的代价太高，对中小型企业来说成本太大，所以更新一台机床不是很容易的，因此，就对于龙门刨床的传动特点，加工性能，和要求进行分析，在此设计一套低成本低又能有效解决以上不足之处的方案。随着近年来plc和变频器在工业领域里面的迅猛发展，为改变龙门刨成的传统缺点提供了可实现的途径，本文作者将以B2012A为例，根据龙门刨床的控制线路，用可编程控制器和变频器对其进行改造。 目 录1.龙门刨床运动形式及改造要求41.1龙门刨床结构及运动形式41.主要结构42.运动形式41.2龙门刨床电气控制改造目的及意义41.3龙门刨床电气控制改造总体要求51.4龙门刨床电气控制改造方案52.工作台变频调速及PLC控制62.1工作台运动及调速要求61.运动分析62. 调速要求72.2工作台调速方案72.3工作台电气控制输入、输出确定82.4工作台电气控制接线图82.5工作台PLC电气控制程序103.刀架变频调速及PLC控制123.1刀架运动及调速要求123.2刀架调速方案133.3刀架电气控制输入、输出确定153.4刀架电气控制接线图163.5刀架PLC电气控制程序174.横梁及辅助运动控制194.1横梁运动形式及拖动方式194.2油泵控制204.3铣磨头变频调速控制方案204.4横梁及其它辅助运动PLC控制及程序204.5横梁及其它辅助运动控制原理图235.课程设计总结245.1龙门刨床电气控制改造意义与可行性分析245.2龙门刨床电气控制改造效果和解决的主要问题245.3心得体会与建议245.4结束语251.龙门刨床运动形式及改造要求1.1龙门刨床结构及运动形式 1.主要结构B2012A型龙门刨床主要由7部分组成，如图1所示，其中床身为箱体型零件，其上有V形和U形导轨。工作台安放在床身上，工作台下面有斜齿条，可以往复运动。横梁用于安装垂直刀架，刨削加工时严禁动作，只有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。机床工作台的驱动可用发电机电动机组或可控硅直流调速方式，调速范围较大，在低速时也能获得较大的驱动力。从整体上看，工作加工过程较为简单。 2.运动形式 龙门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）1.2龙门刨床电气控制改造目的及意义近几年来在工业自动化，机电一体化，改造传统产业等方面，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。近年来,我国在普通机床改造方面取得了很大的成就,普通机床的控制系统逐步被PLC控制的高效率，高精度的数控机床所代替，产生了巨大的生产力，然而在机械加工制造中被广泛使用的用来加工大型工件的设备龙门刨床的改造却少之又少，在一定程度上影响着制造业的发展。目前部分中小型企业及高校仍广泛使用这种传统的继电器控制机床，在资金紧张的情况下，更新机床是不太现实的。因此，对龙门刨床加工性能和要求进行分析研究，设计一套低成本高性能的控制方案，应用于实践，可最大限度发挥龙门刨床的加工潜力，提高可靠性，降低运行成本，对老式龙门刨床的改造提高有很大的实际意义。1.3龙门刨床电气控制改造总体要求 1、了解龙门刨床的结构、工作原理和各部件的运动特征、电气系统的总体设计、完成PLC的选型与PLC的外部接线图 2、掌握PLC程序设计方法 3、对工作台控制程序设计，包括工作台步进步退控制程序设计和工作台自动往返控制程序设计 4、对辅助部分控制程序设计，包括：风机油泵控制程序设计、横梁升降控 制程序设计、刀架运动控制程序设计 5、对故障诊断程序设计，包括：外部设备故障诊断程序设计、工作台步进步退故障诊断程序设计、工作台自动运行故障诊断程序设计、横梁运行故障诊断程序设计1.4龙门刨床电气控制改造方案 图2 龙门刨床电气控制改造方案 1.对龙门刨床的电气改造控制系统进行总体方案设计2进行PLC和变频器的选型及设计外部接线3.根据龙门刨床的工艺流程设计工作台、刀架、横梁的运行及控制梯形图4.进行调试和验证设计改造的控制系统的可行性2.工作台变频调速及PLC控制2.1工作台运动及调速要求 1.运动分析T0T1为正向启动阶段，启动时间可通过参数来设置。T1T2为刀具慢切入工件时段，可通过F022来实现；慢速切入运行的时间、切入速度均可通过参数来设定。T2T3为加速到切削速度的过程。T3T4为正向切削过程，切削速度可通过电位器调节。T4T5为正向运行由中速减速到低速阶段，其时间可通过参数来设定。T5T6为低速运行阶段，即刨刀低速离开工件过程，速度由参数设置。T6T7为正向换向阶段，即工作台碰到前进换向接近开关时，开始制动换向，时间由参数设定。T7T8为工作台正向运行制动后反向启动加速到反向设定转速阶段。时间越短，加速越快，启动电流越大；反之启动电流越小，机械冲击越小。T8T9为工作台高速返回时间，高速返回速度由反向电位器调节。T9T10为工作台反向运行过程中由高速减速到低速阶段，此时间由参数设定。该值越小，制动越快，机械冲击越大；反之亦然。T10T11为工作台反向减速运行阶段，此运行时间与接近开关的相对位置及低速运行速度有关。T11T12为工作台反向制动换向阶段，可通过设置参数来改变此段运行时间。 2. 调速要求由于在加工过程的材料和零件不同，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。B2012A型龙门刨床采用电机放大机作为直流发电机励磁调节器的直流发电机-电动机组系统并加一级机械变速，从而保证工作台调速范围达到20：1工作台在低速档的速度为660m/min在高速档的速度为990m/min在低速档或高速档范围内，可实现电气的无机调速，以便生产时能选择最合理的切削速度。2.2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，负载具有横转矩性质；工作台速度在25m/min以上时希望输出功率恒定，负载具有恒功率性质。为满足要求，A系列龙门刨床的住传动采用了机电联合调速方案，即采用机械传动比2:1的齿轮变速与直流电动机的调压调速配合。其中，齿轮变速具有恒功率特性。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的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，能量又回馈给电网，还可以将主驱动电机的设计功率。2.3工作台电气控制输入、输出确定表1输入输出工作台步进按钮X0SB8工作台自动进给继电器Y20工作台自动循环按钮X1SB9工作台正常工作指示Y43工作台换向按钮X2SB10工作台步进继电器M1工作台后退按钮X3SB12工作台后退继电器M2工作台前进减速行程开关X4SQ1工作台低速Y0工作台前进换向行程开关X5SQ2工作台中速Y1工作台后退减速行程开关X6SQ3工作台高速Y2工作台后退换向行程开关X7SQ4工作台正向启动Y3工作台前进限位X10SQ5工作台反向启动Y4工作台后退限位X11SQ6工作台停止X12SB11工作台总启动X52SB24工作台总停止X53SB252.4工作台电气控制接线图 图3 工作台电气控制接线图2.5工作台PLC电气控制程序 图4 工作台PLC电气控制程序梯形图3.刀架变频调速及PLC控制3.1刀架运动及调速要求刀架的进给常用的有技协进刀，液压进刀，电气进刀等几种方法。A系列刨床采用交流电动机拖动的机械方法，这种方法电气上比较简单，机械装置比较复杂，进度精度不够。刨床有两个垂直刀架，每个刀架有快速移动和自动进给两种工作状态，每种工作状态有水平进刀(左右两个方向)、垂直进刀（上下两个方向）四个方向的动作，这些都有一个垂直刀架来完成。刀架的进给运动是进给电动机驱动经过进给变速箱和光杆、丝杠、螺母等传动件实现的。为了解决间隙的进给运动和连续的电动机转动的矛盾，旧型号刨床采用紧张环结构，而A系列刨床则采用拔叉式双向离合器。进刀电动机旋转方向从风扇端看，除左侧刀架逆时针转动外，其余均为顺时针方向旋转。3.2刀架调速方案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。3.3刀架电气控制输入、输出确定表2输入输出垂直刀架快移按钮X13SB3右侧刀架快移与进给Y15右侧刀架快移按钮X14SB4右侧刀架进给复位Y16左侧刀架快移按钮X15SB5左侧刀架快移与进给Y17垂直刀架进给按钮X16SB13左侧刀架进给复位Y20右侧刀架进给按钮X17SB14垂直刀架快移与进给Y23左侧刀架进给按钮X20SB15垂直刀架进给复位Y24垂直刀架位置行程开关X21SQc右侧刀架抬刀Y5右侧刀架位置行程开关X22SQy左侧刀架抬刀Y6左侧刀架位置行程开关X23SQz垂直刀架抬刀Y7右垂直刀架抬刀X24SB30右侧刀架进给继电器M11左垂直刀架抬刀X25SB31左侧刀架进给继电器M12右刀架抬刀X26SB32垂直刀架进给继电器M10左刀架抬刀X27SB333.4刀架电气控制接线图 图5 刀架电气控制接线图3.5刀架PLC电气控制程序 图6刀架PLC电气控制程序梯形图刀架变频器参数如表3 参数号参数名称设定值Pr.79操作模式选择3Pr.1上限频率50hzPr.2下限频率0hzPr.3基底频率50hzPr.20加/减速基准频率50hzPr.7加速时间3sPr.8减速时间2sPr.9过流保护2APr.4高速50hzPr.5中速30hzPr.6低速10hzPr.71适用电机0Pr.81极数4Pr.83额定电压380v 4.横梁及辅助运动控制4.1横梁运动形式及拖动方式（1）横梁上升。横梁上升时按照“放松上升加紧”的次序工作；由电动机Mj控制的加紧与放松，由电动机Mh控制横梁的升降，横梁夹紧的程度采用电流检测的方法进行控制。 按下上升按钮SB6Kjoh线圈得电Khj线圈得电电动机Mj反转横梁放松放松到位压下位置开关SQ10，SQ10-b断开Khj线圈失电电动机Mj停转放松完毕；同时SQ10-a闭合Kqh线圈得电电动机Mh正转横梁上升。 上升到位松开SB6Kjoh线圈失电Kqh线圈失电电动机Mh停转横梁上升停止Kqj线圈得电电动机Mj正转横梁加紧SQ10复位加紧电流上升到使电流继电器KA2线圈动作Kqj线圈失电电动机Mj停转横梁加紧结束。 SQ10-b上的Kjoh常开触点和Khj常开触点并联，作用是操作者在横梁放松尚未完毕时，松开按钮，也能保证横梁放送完毕后再自行加紧。按下降按钮SB7即可操作横梁下降，具体控制过程的分析与横梁上升过程类似。（2）横梁下降。横梁下降时按照“放松下降回升夹紧”的次序工作，多了一个回升环节。按下下降按钮SB7即可操作横梁下降，具体控制过程的分析与横梁上升过程类似。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 磨头是对工件进行精加工用的，其运动包括低速运行 高速运行及其正反转，由于不同的材料其精加工所需速度是不同的，因此需要对磨头进行变频调速控制。磨头在运行过程中：其高速时电机速度为：72-540r/min；低速时电机速度为：0.04-1.6m/min；从上面的速度可以看出磨头对速度的精度要求是非常高的，因此对其进行改造是用变频器进行调速是必要的选择。在选择电机时根据需求可选择7.5kw，额定速度为960r/min的六级电机即可满足需要。4.4横梁及其它辅助运动PLC控制及程序图7 横梁及其它辅助运动PLC控制及程序梯形图4.5横梁及其它辅助运动控制原理图 图8 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 我国是一个机床大国，拥有三百万多台的普通机床和大量的专用机床，数量居世界前列，但大多数设备落后。 在这里的变频器和PLC的配合使用，充分体现了当今在控制论领域中的需要的快速、可靠、灵活的特点，克服了继电接触器控制系统动作慢、耗电多、体积较大的缺点，实现了很多复杂的以前没实现的控制动作，和故障保护，使得系统具备小型化，操作维护检点，的控制智能化的特点。本题的改造目标为利用可编程控制器及变频器实现对龙门刨床的自动控制和平滑调速,消除换向冲击,提高工作效率,减少噪声,取缔原控制系统,从而达到既经济又快捷地运行龙门刨床的目的.而使龙门刨床复杂的电气控制系统变的简单,清晰明了,使龙门刨床处于最佳的工作状态.龙门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.龙门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,而使龙门刨床运行在最优状态主要取决于电气控制系统控制方式.在传统龙门刨床中,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得不同程度的老化,对老式龙门刨床的改造有很大的实际意义 .5.2龙门刨床电气控制改造效果和解决的主要问题改造前，原龙门刨床采用电机扩大机-直流发电机-直流电动机（A-G-M）调速系统，它占地面积大、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，传统的龙门刨床的电气控制部分采用的是继电器-接触器逻辑控制系统，硬件接线多，体积大，连线复杂；它是通过采用触电开关实现控制的，由于受继电器硬件限制，控制速度慢，一般为十几毫秒；继电器触点寿命短，可靠性和维护性差，故障率高，检修、维修困难，维护、维修成本高。 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，不仅省去了电机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，使工作台有更宽的调速范围和更硬的机械特性，实现了工作台的无冲击换向，更使龙门刨床实现了无级调速和回馈制动。用PLC控制系统代替了传统的继电器-接触器逻辑控制系统，大大减少了系统的接线，提高了系统的抗干扰能力增加了系统的可靠性和稳定性。而且大大提向了系统的可维护性，减小了系统的检修工作量。除此之外，在设计控制程序时，用PLC软件设计了很多的互锁电路和采用PLC内部的时间继电器设计超时检测电路，不仅节省了原控制系统中的时间继电器，而且提高了安全性和可靠性。 5.3心得体会与建议经过两周的不懈奋斗，我完成了这次的课程设计，收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的绘图能力。学会了分析龙门刨床的运动特点，掌握了利用PLC和变频技术对B2012A型龙门刨床进行自动化改造，提高了其加工效率和精度。通过这次设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。理论联系实际的观念和认识还不到位，还有很大的提高。这次实践是对自己大学所学的知识的一次检阅，使我明白自己知识还不全面，解决和分析问题的能力还不完善。5.4结束语 两周的实训转眼即过，这次的课程设计任务也圆满完成。在此，首先要感谢给与我指导和培训的两位老师，还有同学的鼎力相助。对我以后的学习，工作，生活有了新的指导意义。大三生活也已接近尾声，大学也即将结束。我们的路还很长，我们的梦想还未实现。我们要乘长风，破万里浪。努力成为时代的水手和弄潮儿。主要参考资料：1、现代电气控制技术. 郑萍 重庆： 重庆出版社2、电气控制.李仁 北京：机械工业出版社 19983、电气与控制.陈本校 武汉：华中理工大学出版社 19964、变频器基础及应用.原魁 北京：冶金工业出版社，19975、 数控加工工艺 . 田春霞 机械工业出版社 6、负重轮多体接触问题有限元分析.于立彪, 郑慕侨, 张英北京理工大学学报专心-专注-专业
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