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郭清霄
江苏红日新能源有限公司 江苏省 无锡市 214199
【摘 要】本论文根据龙门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，用PLC取代传统继电器控制方式，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，对龙门刨床进行电气改造，以达到投资小、改造周期短、降低能量损耗等目的，弥补继电器控制方式的不足和缺点，以提高龙门刨床的生产效率，满足加工工艺的要求。
【关键词】可编程序控制器，龙门刨床，变频器，电气改造
The dissertation designs an outline of the electric control system based on the requirement of the technology of planer for the control system.The main drive of the planer’s converter，for it has a wide speed regulation range and well effect in saving energy.The planer utilizes PLC instead of the traditional relay controlling way to achieve the logical control，and to control the speed of converter motor.Giving full play to PLC ability of the advantage of high reliability，low energy consumption and convenient maintenance.Transforming electric of the planer to achieve small investment，short transformation cycle and reduced energy consumption，make up the disadvantage and weakness of relay controlling way to improve productivity of the planer，and to satisfy the need of processing work pieces.
引言
随着计算机技术的高速发展，推动了工业科技发展的步伐，给机械制造业带来根本性的变化。近几年来，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。
1龙门刨床的结构及电气分析
1.1 龙门刨床的结构
1.2 龙门刨床的工艺流程对控制系统的要求
1）调速范围
加工不同的工件需要使用不同的刀具，要求机床具有不同的速度，以满足生产工艺的要求。JF-D调速系统的速度范围为100～1000，即调速范围为10：1，有磨削功能的JF-D调速系统的速度范围为25～1000，即调速范围为40：1，实际上工作台最高转速为600～700，最低速度为50。
2）静差度
实际加工过程中由于工件表面不平及材料的不均匀性，将会导致刨削力的波动，为保证工作台速度不致因负载波动而变化太大，因此对系统的静差度有一定的要求。一般要求S = 0.1～0.05，即S = 10%～5%。
4）刀架的移动、进刀、退刀和抬刀要与工作台的运动有机地配合，在调节时刀架应能快速移动。
5）设置必要的连锁
为保证刨床的各部位动作协调、工作安全可靠，避免因机床的误动作而引起人身事故，机床必须设置必要的连锁装置。例如在工作台越位、横梁或刀架快速移动时，连锁功能应能使工作台停止运动。
2龙门刨床电气控制系统的硬件设计
2.1 系统的总体结构
目前改造龙门刨床的主拖动部份一般采用全数字直流调速系统或交流变频调速系统，控制部份使用PLC。全数字直流调速系统选用国外的成套设备，设备的运行参数用英文显示，设备维护人员要消化和掌握系统的性能，必须花费相当长的时间和具备一定的技术水平。变频调速系统经过10多年的推广和使用，各项性能和技术指标不断趋于完善和成熟，节能效果显著。由于变频调速系统的各种运行状况和故障情况都可以通过显示器显示，因此得到电气设计人员和维护人员的推崇和喜爱。因此，根据当前电气技术的发展趋势和龙门刨床的实际状况，提出图2-1所示的电气技术改造原理框图。
改造框图中，保留了原来的按钮站，这样可以保证操作人员原有的操作习惯，设备的大部份操作都在按钮站上完成。操作指令传送给PLC控制系统，PLC对这些指令进行处理后控制相应的设备。PLC将设备的运行状态信号传送给按钮站，按钮站用指示灯显示相应的信息。
PLC用于实现开关量逻辑控制和控制变频电机转速的方向和大小。
按钮站的按钮、外部行程开关和操作手柄通过PLC，控制油泵、风机、横梁升降、横梁夹紧、垂直刀架、右侧刀架、左侧刀架的电动机，以及后退行程抬刀电磁铁线圈。
2.2 电力拖动系统主回路设计
图2-2是龙门刨床各电动机的主回路电路图。电气改造时主回路基本不变，只是将主拖动的直流电动机换为交流变频电机。断路器2ZK的型号为DZ-250/3，电流整定值200A；JL是横梁夹紧电机J主回路的电流继电器，电流整流值2.5A。风机FB是变频电机自带，用于变频低速时的冷却和降温。 图2-3 是主接触器控制回路电路图。变压器1KB将AC 380V电压变为AC 110V和AC 6.3V。110V是控制回路电源，6.3V是信号指示灯电源。主接触器KM1用来控制变频器的电源，在油泵和风机开始运行后其线圈才能动作。
图2-4是控制抬刀电磁铁线圈的电路图。接触器TD的线圈由PLC控制。当TD的主接点闭合时，二极管整流桥BZ2将AC 220V电压变为200V直流电压，该电压作为电磁铁的线圈电压。转换开关SA4和SA3控制左侧垂直刀架和右侧垂直刀架，SA6和SA5控制左侧刀架和右侧刀架。当需要某个刀架工作时，就将相应转换开关（1HK～4HK）置于闭合状态。电磁铁线圈的电流为1A，因此变压器2KB选型为BK-1000VA。
2.3 龙门刨床PLC控制系统构成
龙门刨床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。根据经济技术性指标选用三菱FX2N系列PLC模块开发。
2.4 PLC控制接线图
图2-5 PLC 外部接线图
结论
本文从工程实践出发，对龙门刨床的电气控制系统的改造进行了深入的研究，取得了以下几个方面的成果：
1）对龙门刨床的电气控制系统进行了总体设计。主拖动采用调速范围宽、节能效果显著的变频器，用PLC实现开关量逻辑控制和变频电动机的转速控制。
2）设计了龙门刨床控制系统的硬件，根据机床的实际要求和计算，选择了变频异步电动机、变频器和测量转速的编码器的型号，设计了电力拖动系统的主回路电路图、PLC 和变频器的外部接线图。
3）改造后的系统最大的特点是具有很强的故障诊断能力，发生故障时能及时停机。
工作台自动运行和横梁升降的故障诊断程序是用顺序功能图来设计的，这种设计方法的思路清楚，可以用于其他复杂设备的故障诊断。
参考文献：
[1]杨晓萍.电机电器及可编程序控制器理论与实践教程[M].吉林：吉林人民出版社，2005年.
[2]蔡红斌.电气与PLC控制技术[M].北京：清华大学出版社，2007年.
[3]MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION.FX Series Programmable Controllers
作者简介：郭清霄，男，1988年03月，汉，皖淮北，江苏红日新能源有限公司，本科，助理工程师，电气自动化方向，曾荣获2013年安徽科技进步奖
江苏红日新能源有限公司 江苏省 无锡市 214199
【摘 要】本论文根据龙门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，用PLC取代传统继电器控制方式，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，对龙门刨床进行电气改造，以达到投资小、改造周期短、降低能量损耗等目的，弥补继电器控制方式的不足和缺点，以提高龙门刨床的生产效率，满足加工工艺的要求。
【关键词】可编程序控制器，龙门刨床，变频器，电气改造
The dissertation designs an outline of the electric control system based on the requirement of the technology of planer for the control system.The main drive of the planer’s converter，for it has a wide speed regulation range and well effect in saving energy.The planer utilizes PLC instead of the traditional relay controlling way to achieve the logical control，and to control the speed of converter motor.Giving full play to PLC ability of the advantage of high reliability，low energy consumption and convenient maintenance.Transforming electric of the planer to achieve small investment，short transformation cycle and reduced energy consumption，make up the disadvantage and weakness of relay controlling way to improve productivity of the planer，and to satisfy the need of processing work pieces.
引言
随着计算机技术的高速发展，推动了工业科技发展的步伐，给机械制造业带来根本性的变化。近几年来，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。
1龙门刨床的结构及电气分析
1.1 龙门刨床的结构
1.2 龙门刨床的工艺流程对控制系统的要求
1）调速范围
加工不同的工件需要使用不同的刀具，要求机床具有不同的速度，以满足生产工艺的要求。JF-D调速系统的速度范围为100～1000，即调速范围为10：1，有磨削功能的JF-D调速系统的速度范围为25～1000，即调速范围为40：1，实际上工作台最高转速为600～700，最低速度为50。
2）静差度
实际加工过程中由于工件表面不平及材料的不均匀性，将会导致刨削力的波动，为保证工作台速度不致因负载波动而变化太大，因此对系统的静差度有一定的要求。一般要求S = 0.1～0.05，即S = 10%～5%。
4）刀架的移动、进刀、退刀和抬刀要与工作台的运动有机地配合，在调节时刀架应能快速移动。
5）设置必要的连锁
为保证刨床的各部位动作协调、工作安全可靠，避免因机床的误动作而引起人身事故，机床必须设置必要的连锁装置。例如在工作台越位、横梁或刀架快速移动时，连锁功能应能使工作台停止运动。
2龙门刨床电气控制系统的硬件设计
2.1 系统的总体结构
目前改造龙门刨床的主拖动部份一般采用全数字直流调速系统或交流变频调速系统，控制部份使用PLC。全数字直流调速系统选用国外的成套设备，设备的运行参数用英文显示，设备维护人员要消化和掌握系统的性能，必须花费相当长的时间和具备一定的技术水平。变频调速系统经过10多年的推广和使用，各项性能和技术指标不断趋于完善和成熟，节能效果显著。由于变频调速系统的各种运行状况和故障情况都可以通过显示器显示，因此得到电气设计人员和维护人员的推崇和喜爱。因此，根据当前电气技术的发展趋势和龙门刨床的实际状况，提出图2-1所示的电气技术改造原理框图。
改造框图中，保留了原来的按钮站，这样可以保证操作人员原有的操作习惯，设备的大部份操作都在按钮站上完成。操作指令传送给PLC控制系统，PLC对这些指令进行处理后控制相应的设备。PLC将设备的运行状态信号传送给按钮站，按钮站用指示灯显示相应的信息。
PLC用于实现开关量逻辑控制和控制变频电机转速的方向和大小。
按钮站的按钮、外部行程开关和操作手柄通过PLC，控制油泵、风机、横梁升降、横梁夹紧、垂直刀架、右侧刀架、左侧刀架的电动机，以及后退行程抬刀电磁铁线圈。
2.2 电力拖动系统主回路设计
图2-2是龙门刨床各电动机的主回路电路图。电气改造时主回路基本不变，只是将主拖动的直流电动机换为交流变频电机。断路器2ZK的型号为DZ-250/3，电流整定值200A；JL是横梁夹紧电机J主回路的电流继电器，电流整流值2.5A。风机FB是变频电机自带，用于变频低速时的冷却和降温。 图2-3 是主接触器控制回路电路图。变压器1KB将AC 380V电压变为AC 110V和AC 6.3V。110V是控制回路电源，6.3V是信号指示灯电源。主接触器KM1用来控制变频器的电源，在油泵和风机开始运行后其线圈才能动作。
图2-4是控制抬刀电磁铁线圈的电路图。接触器TD的线圈由PLC控制。当TD的主接点闭合时，二极管整流桥BZ2将AC 220V电压变为200V直流电压，该电压作为电磁铁的线圈电压。转换开关SA4和SA3控制左侧垂直刀架和右侧垂直刀架，SA6和SA5控制左侧刀架和右侧刀架。当需要某个刀架工作时，就将相应转换开关（1HK～4HK）置于闭合状态。电磁铁线圈的电流为1A，因此变压器2KB选型为BK-1000VA。
2.3 龙门刨床PLC控制系统构成
龙门刨床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。根据经济技术性指标选用三菱FX2N系列PLC模块开发。
2.4 PLC控制接线图
图2-5 PLC 外部接线图
结论
本文从工程实践出发，对龙门刨床的电气控制系统的改造进行了深入的研究，取得了以下几个方面的成果：
1）对龙门刨床的电气控制系统进行了总体设计。主拖动采用调速范围宽、节能效果显著的变频器，用PLC实现开关量逻辑控制和变频电动机的转速控制。
2）设计了龙门刨床控制系统的硬件，根据机床的实际要求和计算，选择了变频异步电动机、变频器和测量转速的编码器的型号，设计了电力拖动系统的主回路电路图、PLC 和变频器的外部接线图。
3）改造后的系统最大的特点是具有很强的故障诊断能力，发生故障时能及时停机。
工作台自动运行和横梁升降的故障诊断程序是用顺序功能图来设计的，这种设计方法的思路清楚，可以用于其他复杂设备的故障诊断。
参考文献：
[1]杨晓萍.电机电器及可编程序控制器理论与实践教程[M].吉林：吉林人民出版社，2005年.
[2]蔡红斌.电气与PLC控制技术[M].北京：清华大学出版社，2007年.
[3]MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION.FX Series Programmable Controllers
作者简介：郭清霄，男，1988年03月，汉，皖淮北，江苏红日新能源有限公司，本科，助理工程师，电气自动化方向，曾荣获2013年安徽科技进步奖