基于PLC的B2012a型龙门刨床的自动化改造毕业论文

基于PLC的B2012a型龙门刨床的自动化改造 毕业论文

毕 业 论 文

课题名称:B2012a型龙门刨床基于PLC的自动化

改造

专 业 机电一体化

目 录

前言----------------------------------------------------------- 3

摘要----------------------------------------------------------- 3

第一章 绪论-------------------------------------------------- 4

1.1龙门刨床简介-------------------------------------------- 5

1.2 PLC的基本概念------------------------------------------

1.3本文研究的目的及意义------------------------------------ 第二章

B2012A龙门刨床的基本情况-------------------------------

2.1基本结构------------------------------------------------

2.2工作过程------------------------------------------------

2.3运动分析------------------------------------------------

2.4传动系统------------------------------------------------ 第三章

龙门刨床对控制系统的要求--------------------------------

3.1要求有宽广的调速范围------------------------------------

3.2电气控制电路能保证机床可靠地自动工作---------------------

3.4工作台速度调整------------------------------------------

3.5刀架能自动进给和快速移动--------------------------------

3.6系统的机械特性要有一定的硬度----------------------------

3.7有必要的联锁保护---------------------------------------- 第四章

B2012A型龙门刨床的电气控制----------------------------

4.1交流机组拖动系统组成------------------------------------

4.2直流发电—拖动系统组成---------------------------------

4.3各控制电路概述------------------------------------------

4.3.1 主拖动机组电动机M1控制电路-----------------------

4.3.2 横梁控制电路--------------------------------------

4.3.3 工作台自动循环控制电路---------------------------

4.3.4 工作台步进，步退控制------------------------------

4.3.5 刀架控制电路--------------------------------------- 第五章 变

频技术------------------------------------------------

5.1变频技术的优越性------------------------------------------

5.2系统对变频器的控制要求--------------------------------------

5.3变频器的选型-----------------------------------------------------

-----------

5.4设备组成----------------------------------------------------

5.5组成框图--------------------------------------------------- 第六

章 B2012A型龙门刨床PLC控制系统组成----------------------------

6.1龙门刨床的特点---------------------------------------------

6.2输入/输出分配表-----------------------------------------------

6.3 PLC类型选定---------------------------------------------------

6.4工作台控制流程------------------------------------------------

6.5 PLC控制接线图------------------------------------------------

6.6 设计控制程序------------------------------------------------ 第

七章 B2012A型龙门刨床改造效果------------------------------------ 毕业

设计总结-------------------------------------------------- 参考文献-----

--------------------------------------------------

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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。

前 言

龙门刨床是机械工业的主要工作母机之一，在工业生产中占有重要的位置。其

电气控制系统包括工作台的主传动和进给机构逻辑时序控制两大部分。龙门刨床工

作台的行程控制多采用传统的继电器、行程开关控制方式来实现，该方式存在着故

障率高、接线复杂、灵活性小、检修不方便等缺点。这对加工性能及成本有很大的

影响，有的甚至无法在一些加工要求稍高的工件场合下使用。

但是，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。

随着PLC在工业控制中的迅猛发展，为改变上述缺点提供了有效途径。因此，

本文作者将以B2012A型龙门刨床为例，根据龙门刨床的加工工艺特点，采用可编

程序控制器(PLC)对其传统控制系统进行

改造。

第一章 绪论

1.1龙门刨床简介

铣床是美国人惠特尼于1818年创制的卧式铣床;

为了铣削麻花钻头的螺旋槽，美国人布朗于1862年

创制了第一台万能铣床，这是升降台铣床的雏形;

1884年前后又出现了龙门铣床;二十世纪20年代出

现了半自动铣床，工作台利用挡块可完成“进给-决

速”或“决速-进给”的自动转换。

龙门刨床是各类机加工厂中较为常见的设备，是

具有门式框架和卧式长床身的刨床。龙门刨床主要用

于刨削大型工件，也可在工作台上装夹多个零件同时

加工。龙门刨床的工作台带着工件通过门式框架作直

3

线往复运动，空行程速度大于工作行程速度。横梁上一般装有两个垂直刀架，

刀架滑座可在垂直面内回转一个角度，并可沿横梁作横向进给运动;刨刀可在刀架

上作垂直或斜向进给运动;横梁可在两立柱上作上下调整。一般在两个立柱上还安

装可沿立柱上下移动的侧刀架,以扩大加工范围工作台回程时能机动抬刀，以免划

伤工件表面。机床工作台的驱动可用发电机,电动机组或用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。

龙门铣床还有一些变型以适应不同的加工对象。?龙门铣镗床:横梁上装有可铣

可镗的铣镗头，其主轴(套筒或滑枕)能作轴向机动进给并有运动微调装置,微调速

度可低至5毫米/分。?桥式龙门铣床:加工时工作台和工件不动,而由龙门架移动。

其特点是占地面积小，承载能力大，龙门架行程可达20米，便于加工特长或特重

的工件 ，其外形与龙门刨床相似，区别在于它的横梁和立柱上装的不是刨刀刀架

而是带有主轴箱的铣刀架，并且龙门铣床的纵向工作台的往复运动不是主运动，而

是进给运动，而铣刀的旋转运动是主运动。在龙门铣床上可以用多把铣刀同时加工

表面，所以生产效率比较高，适用与成批和单件生产，用以加工中型和大型工件。

1.2 PLC的基本概念

PLC可编程序控制器: PLC英文全称Programmable Logic Controller，中文全

称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境

应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,

顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/

输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制系统(Programmable Logic

Controller)是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它

采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和

算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设

备或生产过程。

可编程控制器是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环

境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。随着微电子

技术和计算机技术的迅猛发展，可编程控制器更多地具有了计算机的功能，不仅能

实现逻辑控制，还具有了数据处理、通信、网络等功能。由于它可通过软件来改变

控制过程，而且具有体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强

等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，大大推进了机电一体化的进程。

1.2.1 PLC的分类

(1) 小型PLC

小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬

件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能

模块。它能执行包括逻辑运算、计时、

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计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。

(2) 中型PLC

中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256~1024点之间。I/O的处理方

式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用

户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块，通讯联网

功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。

(3) 大型PLC

一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。大型PLC的软、硬件功能极强。

具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级

通讯网，实现工厂生产管理自动化。大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，

使机器的可靠性更高。

1.2.2 PLC的主要特点

,1,结构灵活,不受环境的限制,有电即可组建网络,同时可以灵活扩展接入端口

数量,使资源保持较高的利用率,在移动性方面可与WLAN媲美。

,2,传输质量高、速度快、带宽稳定,可以很平顺的在线观赏DVD影片,它所提

供的14Mbps带宽可以为很多应用平台提供保证。最新的电力线标准HomePlug AV

传输速度已经达到了200Mbps,为了确保QoS,HomePlug AV采用了时分多路访

问,TDMA,与带有冲突检测机能的载体侦听多路访问,CSMA,协议,两者结合,能够很好

地传输流媒体。

,3,范围广,无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。虽然无线网络可以做

到不破墙,但对于高层建筑来说,其必需布设N多个AP才能满足需求,而且同样不能

避面信号盲区的存在。而电力线是最基础的网络,它的规模之大,是其他任何网络无

法比拟的。由此,运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一处有电力线

的地方。这一技术一旦全面进入商业化阶段,将给互联网普及带来极大的发展空

间。终端用户只需要插上电力猫,就可以实现因特网接入,电视频道接收节目,打电

话或者是可视电话。

,4,低成本。充分利用现有的低压配电网络基础设施,无需任何布线,节约了资

源。无需挖沟和穿墙打洞,避免了对建筑物、公用设施、家庭装潢的破坏,同时也节

省了人力。相对传统的组网技术,PLC成本更低,工期短,可扩展性和可管理性更

强。目前国内已开通电力宽带上网的地方,其包

5

月使用费用一般为50-80元/月左右,这样的价格和很多地方的ADSL包月相持

平。

,5,适用面广。PLC作为利用电力线组网的一种接入技术,提供宽带网络“最后

一公里”的解决方案,广泛适用于居民小区,酒店,办公区,监控安防等领域。它是利

用电力线作为通信载体,使得PLC具有极大的便捷性,只要在房间任何有电源插座的

地方,不用拨号,就立即可享受4.5~45Mbps的高速网络接入,来浏览网页，拨打电话,

和观看在线电影,从而实现集数据、语音、视频,以及电力于一体的“四网合一”。

1.3 本文研究的目的及意义

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。

第二章 B2012A龙门刨床的基本情况

2.1 基本结构

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

2.2 工作过程

龙门刨床的刨削过程是工件与刨刀作相对运动的过程。为此，工件必须与工作

台一起频繁地进行往复运动，工件的切削加工仅在工作行程中，返回行程是空行

程。在切削过程中只有工作台由返回行程转到工作行程的期间刀假才进行一定量的

进给。其中，机床的主运动是工作台纵向往复运动，而横梁的上下移动，刀架沿横

梁的左右移动，以及侧刀架在立柱的上下往复运动称作往复运动。

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2.3 B2012A龙门刨床的运动分析

2.3.1 主运动行程以及各阶段工作状况

我国现行生产的龙门刨床其主拖动方式以直流发电机—电动机组及晶闸管—电

动机系统为主，以A系列龙门刨床为例，它采用电磁扩大机作为励磁调节器的直流

发电机—电动机系统，通过调节直流电动机电压来调节输出速度，并采用两级齿轮

变速箱变速的机电联合调节方法。其主运动为刨台频繁的往复运动，在往复一个周

期中，对速度的控制有一定要求，如图2所示。

图中:

t1段表示刨台起动，刨刀切入工件的阶段，为了减小刨刀刚切入工件的瞬间，

刀具所受的冲击及防止工件被崩坏，此阶段速度较低。

t2段为刨削段，刨台加速至正常的刨削速度

t3段为刨刀退出工件段，为防止边缘被崩裂，同样要求速度较低。

t4段为返回段，返回过程中，刨刀不切削工件，为节省时间，提高加工效率，

返回速度应尽可能高些。

t5段为缓冲区。返回行程即将结束，再反向到工作速度之前，为减小对传动机

2.3.2 刨台运动的机械特性曲线

与很多切削机床相同，刨台运动特性分两种情况分析。

(1)低速区

刨台运动速度较低时，此时刨刀允许的切削力由电动

机最大转矩决定。电动机确定后，即确定了低速加工时的最大切

削力。因此，在低速加工区，电动机为恒转矩输出。

(2)高速区

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速度较高时，此时切削力受机械结构的强度限制，允许的最大切削力与速度成

反比，因此，电动机为恒功率输出。

由此可得，主拖动系统直流电动机的运行机械特性曲线分为如图3所示两段。

2.3.3 横梁运动特点

横梁只是在工作台停止时方可调整，横梁运动属于“点动”性质 。为了保证

横梁能按要求停在一定的位置上，还设有夹紧机构。

2.4 传动系统

龙门刨主拖动系统以直流发电机组-电动机(G-M)及晶闸管-电动机系统为主，

如图4所示。国产A系列龙门刨的主拖动系统采用电磁扩大机作为励

磁调节器的直流发电机-电动机系统，通过调节直流发

电机电压来调节输出速度，并采用两级齿轮变速箱变

速的机电联合调节方法。其主运动为刨台频繁的往复

运动，对速度的控制有一定的要求，采用机械速比为2:

1和电气调速范围为10:1的机电联合调速系统。

主拖动系统调速分析如图5所示。其中Fm 表示最大切削力，Vl表示切削速

度，Pm表示最大切削功率。图中，为对应于最大转矩时的最高速度，称为计算速

度。在V1-V2范围内要求恒转矩调速速;而在V2-V3范围内则要求恒功率调速。

机电联合调速与单纯调压调速比较，电动机的设计功率可以缩

小一半，但是电动机的功率仍然比负载所需要的功率大接近一倍，

因此A系列龙门刨床直流电动机的功率并没有得到充分利用。同时

因为进刀机构采用进刀继电器控制进刀，而继电器铁心和圆盘齿因

频繁运动而磨损，使精度下降。

第三章 龙门刨床对控制系统的要求

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B2012A型龙门刨床的工作台是往返交替循环直线运动的，工件固定在工作台上

与刀具作相对运动。工作台在工作行程是进行切削加工，各种台返回时，刀具自动

抬起，不进行切削加工。工作台返回是速度快，以减小空行程时间。

B2012A型龙门刨床的主拖动系统要求比较高，它不仅要求足够大的切削功率，

较大的调速范围，而且能够按照要求实现自动的速度循环。对于刀架得移动(进刀

(退刀(抬刀(横梁放松与夹紧(横梁上升与下降(工作台步进与步退等各种电动机与

控制电器配合实现电器配合实现。B2012A型龙门刨床对电气控制和PLC控制的系

统要求综合起来又以下几个方面:

3.1 要求有宽广的调速范围

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型龙们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6—60m/min在高速档的速度为9—90m/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。

3.2 电气控制电路能保证机床可靠地自动工作

工作台往复运动一次吼，刀架自动进给。后退行程中，刀架自动抬起。工作台

在行程末尾可进行减速、反向等运动的自动变换。

3.3工作台能够按照需要实现自动往返循环。

在高速切削时，是为了减小刀具的冲击，应使刀具慢速切入工件。若切削速度

与冲击为刀具所能承受时，利用转换开关，可以取消慢速切入。在工作台前进与返

回行程末尾，工作台能自动调速，以保证刀具慢速离开工件，防止工件边缘剥裂，

同时可减小工作台反向时的冲程和对电动机及其他机械的冲击。

3.4 工作台速度调整，且无须停车。

用于磨削时，工作台应能降低速度至1m/min，以便保持磨削时工件的精度。能

自动调速，以保证刀具慢速离开工件，防止工件边缘剥裂，同时可减小工作台反向

时的冲程和对电动机及其他机械的冲击。

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3.5 刀架能自动进给和快速移动。

进行加工时，工件装在工作台上，工作台沿床身导轨作直线往复运动。横梁上

的垂直刀架和立柱上的侧刀架都可以垂直或水平进给。

3.6系统的机械特性要有一定的硬度。

为了避免因起切削符合发生变化引起的工作台速度有较大的波动，以至于影响

加工工件表面的质量，同时系统的机械特性应具有下垂特性，当负荷过大时，能使

拖动工作台的直流电动机的转速迅速下降，直至停止，从而达到保护电动机及机械

装置的目的。

3.7有必要的联锁保护。

为了使发电机和电动机的换向器不致过大的换向火花而烧坏。

第四章 B2012A型龙门刨床的电气控制

龙门刨床是机械加工工业中的重要工作母机。龙门刨床主要用于加工各种平

面、槽及斜面，特别是大型及狭长的机械零件和各种机床床身、工作导轨等。

龙门刨床的电气控制线路比较复杂，它的主拖动系统安全是依靠电气自动控制

来执行的。

B2012A型龙门刨床接触器—继电器控制电路原理如图6(a)所示。其中图6(a)

b)为交流机组拖动系统主电路原理图;图6(c)为主拖动机组启动系统及抬刀电

路原理图;图6(

及刀架控制电路原理图;图6(d)为横梁及工作台控制电路原理图。

4.1交流机组拖动系统组成

B2012A型龙门刨床交流机组拖动系统主电路原理图如图6(b)所示。从图6(b)

可以看出，S2012A型龙门刨床交流机组共由9台电动机拖动，即拖动直流发电机

G、励磁发电机GE用交流电动机M1，拖动电机放大机用电动机M2，拖动通风用电

动机M3，润滑泵电动机M4，垂直刀架电动机M5，右侧刀架电动机M6，左侧电动机

M7，横梁升降电动机M8，横梁放松、加紧电动机M9。

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4.2直流发电—拖动系统组成

直流发电—拖动系统主电路如图6(a)所示，它包括电机放大机AG、直流发电

机G直流电动机M和励磁电动机GE。

电机放大机AG由交流电动机M2拖动。电机放大机AG的主要作用是根据机床

刨台各种运动的需要，通过控制绕组WC的各个控制量调节其向直流发电机G励磁

绕组供电的输出电压，从而调节直流发电机发出的电压。

直流发电机G和励磁发电机GE由交流电动机M2拖动。直流发电机G的主要作

用是发出支流电动机N所需要的直流电压，满足直流电动机M拖动刨台运动的需

要。

励磁发电机的主要作用是由交流电动机M1拖动，发出直流电压，向支流电动

机M的励磁绕组供给励磁电源。直流电动机M的主要作用是拖动刨台往返交替作直

线运动，对工件进行切削加工。

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4.3各控制电路概述

4.3.1 主拖动机组电动机M1控制电路

由交流电动机M1拖动直流发电机G和励磁发电机GE组成主拖动机组，其控制

电路如图6(c)所示。其中33区中的按钮SB2为交流电动机M1的启动按钮;按钮

SN1为交流电动机M1的停止按钮。

当需要主拖动电动机M1拖动直流发电机G和励磁发电机GE工作时，按下33

区中的主拖动交流电动机M1的启动按钮SB2，33区中的接触器KM1线圈、35区中

的时间继电器KT2线圈、36区中的接触器KMY线圈通电吸合，主拖动交流电动机

M1的定子绕组接成Y接法降压启动，被拖动的直流励磁发电机CE利用剩磁开始发

电。

接触器KM2通电闭合自琐，其在20区中的主触点闭合，接通交流电动机M2、

M3的电源，交流电动机M2、M3分别拖动电机放大机AG和通风机工作。同时接触

器KM?通点闭合。此时接触器KM1和接触器KM?的主触点将交流电动机M1的定子绕

组接成?接法全压运行，交流电动机M1拖动发电机G和励磁发电机GE全速运行，

完成主拖动机组的启动控制过程。

4.3.2 横梁控制电路

在图6(d)中，50区总共的按钮SB6为横梁上升启动按钮;51区中的按钮SB7为

横梁下降启动按钮;53区中的行程开关ST7为横梁上升的上限位行程保护行程开

关;55区中的行程开关ST8和ST9为横梁下降的下限位保护行程开关;52区和59区

中的行程开关ST10为横梁放松及上升和下降动作行程开关。

横梁的上升控制。当需要横梁上升时，按下50区中的横梁上升启动按钮SB6，

中间继电器K2线圈通电闭合，接触器KM13通电闭合并自锁。横梁放松、夹紧电动

机M9通电反转，使横梁放松/

此时，行程开关ST10在59区中的常闭触点断开，接触器KM13失电释放，横

梁放松、夹紧电动机M9停止反转。行程开关ST10在52区中的常开触点闭合，接

触器KM10通电闭合，交流电动机M8正向运转，带动横梁上升。当横梁上升到要求

高度时，松开衡量上升启动按钮SB6，接触器KM10线圈失电释放，横梁停止上

升。继而接触器KM12闭合，交流电动机M9正向启动运转，使横梁夹紧。然后行程

开关ST10常开触点复位断开，59区中的行程开关ST10常闭触点复位闭合，为下

一次横梁升降控制作准备。

横梁下降控制。当需要横梁下降时，按下51区中的横梁下降启动按钮SB7，中

间继点器K2线圈通电闭合，接触器KM13通电闭合并自锁。横梁放松、夹紧电动机

M9通电反转，使横梁放松。当横梁放松后，行程开关ST10在59区中的常开触点

闭合，接触器KM11通电闭合，横梁升降电动机

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M8反向运转，带动衡梁下降。当横梁下降到要求高度时，松开横梁下降启动按

钮SB7，衡量停止下降。接触器KM12接通横梁放松、夹紧电动机M9的正转电源，

交流电动机M9正向启动运转，使横梁夹紧。继而接触器KM10通电闭合，电动机

M8启动正向旋转，带动横梁作短暂的回升后停止上升，然后横梁的进一步夹紧。

特性曲线分为如图3所示两段。

4.3.3 工作台自动循环控制电路

工作台自动循环控制电路分为慢速切入控制、工作台工进速度前进控制、工作

台前进减速运动控制、工作台后退返回控制、工作台返回减速控制、工作台返回结

束并转入慢速控制等。

工作台自动循环控制主要由安装在龙门刨床工作台侧面上的四个撞块A、B、

C、D按一定的规律撞击安装在机床床身上的四个行程开关ST1、ST2、ST3、ST4，

使行程开关ST1、ST2、ST3、ST4的触点按照一定的规律闭合或断开，从而控制工

作台按预定运动的要求进行运动。

4.3.4 工作台步进，步退控制

工作台的步进、步退控制主要用于在加工工件设计调整机床工作台的位置。

当需要工作台步进时，按下62区中的工作台补进启动按钮SB8，工作台即可努

进;松开工作台步进启动按钮SB8，工作台即可迅速制动停止。

当需要工作台步退时，按下68区中的工作台步退启动按钮SB12，工作台即可

步退;松开工作台步退启动按钮SB12，工作台即可迅速制动停止。

4.3.5 刀架控制电路

在龙门刨床上装有左侧刀架、右侧刀架和垂直刀架，分别由交流电动机M7、

M6、M5拖动。各刀架可实现自动进给运动和快速移动运动，由装在刀架进刀箱上

的机械手柄来进行控制。刀架的自动进给采用拨叉盘装置来实现，拨叉盘由交流电

动机拖动，依靠改变旋转拨叉盘角度的大小来控制每次的进倒量。在每次进刀完成

后，让拖动刀架的电动机反向旋转，使拨叉盘复位，以便为第二次自动进刀作准

备。

刀架控制电路由自动进刀控制、刀架快速移动控制电路组成。

第五章 变频技术

5.1变频技术的优越性

所谓变频，简单说就是改变电源频率。变频技术的核心是它的变频器，变频器

是20世纪80年代问世的一种高新技术产品，它通过对电流的转换来实现电动机运

转频率的自我调节，把固定的电网频率改为可变化的频率，同时还可以将电源电压

范围扩大。

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在B2012A型龙门刨床上使用变频器主要有以下优点:

(1)变频器调速范围宽达40:1，更换不同的工作组件就可使刨床用于刨、铣、

磨，一机三用。为提高加工精度，工作台的速度不随切削量的变化而变化，静差度

小于3%，自动调速，达到速度曲线的要求，提高加工质量与效率。

(2).变频器调速控制系统的保护功能强

变频调速以其体积小、通用性强、动态响应快、工作频率高、保护性能完善、

可靠性好、使用方便等卓越的性能而优于以往的任何调速方式; 使用变频器控制电

机的运行控制，可以进行电机的软启动，而让电机具有很快的动态响应并且实现无

级调速;另外对电机的一些参数做到补偿;对电源的缺相、欠压、过压、过流等都能

做到很及时很准确的检测而自动采取应变措施保护电机;

(3)工作可靠性显著提高，主要有以下几个方面:

1.电磁铁的寿命可大大延长 原拖动系统是在运动的状态下进行抱闸的，采用

变频调速后，可以在基本停住的状态下进行抱闸，闸皮的磨损情况大为改善;

2..操作手柄不易损坏 原系统的操作手柄因常常受力过大，属于易损件。采用

变频调速后，操作手柄的受力将大大的减小，不容易损坏;

3.控制系统的故障率大为下降 原系统是由于十分复杂的接触器、继电器系统

进行控制的，故障率较高。采用了变频调速控制系统后，控制系统可大大简化，可

靠性大为提高。

5.2系统对变频器的控制要求

变频器的正反转由继电器K1、K2控制，速度的切换由继电器K3、K4完成。变

频器故障报警输出触点(30A、30C触点)用于立即停止高速计数器运行，并由指示

灯HR指示。

变频器具有多段速度设定功能，当K3、K4两个继电器触点都断开时，高速行

驶(第一速度);K3闭合，K4断开时，中速行驶(第二速度);K3断开，K4闭合时，低

速行驶(第三速度);K3、K4都闭合时，手动调节行驶(第四速度)。

旋钮SF用于手动/自动切换，并用指示灯HG1表示自动状态。手动时，能够通

过按钮SA1(电机正转)和SA2(电机反转)手动调节传动系统的位置。

按钮SA用于传动系统在自动状态下的启动/停止控制。采用“一键开关机”方

式实现启动/停止控制，用指示灯HG2表示启动状态。

行程开关SQ用于自动启动时，确定传动系统在原点位置，自动停止时，传动

系统必须返回原点。行程开关SQ1、SQ2用于传动系统的两端限位，确保传动系统

不能脱离设备。

5.3变频器的选型

18

根据前述龙门刨床直流拖动系统工作要求，对于取代直流拖动并超越直流拖动

的交流变频调速来说，选择高性能可靠矢量型的变频器尤其关键。通过查阅有关资

料，深入了解国内外同类变频器，反复比较论证，从性价比上选择了美国EMERSON

公司出产的预磁通矢量控制型变频器---TD2000系列产品。TD2000系列变频器在性

能上完全符合B2012A型龙门刨床拖动系统的要求。它通过对交流电机磁通电流和

转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进

行宽范围的调速运行;而且我们还采用了有速度传感器PG反馈矢量控制方式。根据

我们在实际应用中确实感到TD2000矢量控制变频器稳定可靠，对于象龙门刨床这

种从安全可靠性要求很高的大型设备，选用该矢量控制型变频器非常合适。TD2000

系列变频器是美国EMERSON公司自主开发生产的高品质、多功能、低噪音的矢量控

制通用变频器。具有电机参数自动调谐、零伺服控制、速度控制和转矩控制在线切

换、转速跟踪、内置PLC、内置PID控制器、编码器和给定及反馈信号断线监测、

掉载保护、内置PG接口、故障信号追忆、28种故障监控、丰富的I/O端子和多达

十种的速度设定方式，能满足各类负荷对传动控制的要求。TD2000系列变频器的

优越性能主要体现在:

(1)高性能:

宽电压工作范围:额定电压，,20%，适应恶劣电网环境;优化的PWM算法和死区

补偿技术:0.5HZ满转矩输出;输出电流波形好，适合大惯性负载的直接启动;具有

检测电机转速和方向的再启动功能，特别适合对各种风机平滑启动。

(2)低成本:

内置具有7段速度的简易PLC功能，每段时间最长达6小时，适合纺织机械等

的匀降速控制和周期运行控制;自带脉冲编码器(PG)反馈卡，适合高精度速度控制

的需求;7.5KW以下内置制动单元、内置PI、直接提供24V电源，方便组成多种闭

环控制系统。

(3)网络化:

标准RS485接口或PROFIBUS现场总线接口，开放的通信协议，方便地实现网

络化控制。

(4)客户化:

可选中英文液晶操作面板，带外引和热插拔功能，操作更方便灵活。

容许电网波动范围:额定电压?20%

输出频率范围:0-400Hz

频率精度:0.01%×最高频率

显示方式:四位LED显示，LCD(中/英)+LED可选

核心硬件:IPM+DSP+MCU

PWM控制方式:电压矢量控制

防护等级:IP20

安装方式:

19

5.5KW-90KW 壁挂

110KW-220KW 装机装柜

走线方式:

5.5-90KW 下进下出

110-220KW 上进下出

5.3.1电机、变频系统选型:

1) 主拖动:55KW交流变频电机，TD3000-4T0750G变频器;

2) 垂直刀架:1.5KW交流电机，TD1000-4T0022G变频器;

3) 左刀架:1.5KW交流电机，TD1000-4T0022G变频器;

4) 右刀架:1.5KW交流电机，TD1000-4T0022G变频器

5) 主拖动制动单元:两台TDB-4C01-0300制动单元，两只10Ω、10KW制动电

阻。

5.4设备组成

工作台的主运动只需一台55 kV?A交一直一交、电压型变频器和能量回馈装置

作为主拖动控制装置，实现无级变速。工作台换向制动利用变频器自带的能量反馈

装置，使制动速度快，能量又反馈到电网中。对于进刀机构可以采用3台1.5

kV?A小变频器分别控制垂直刀架和左右侧刀架3台2(2 kW异步电动机，实现无级

调速，形成了新的进给系统，使进刀量准确，提高了加工精度。另外增加一个11

kW 的变频器控制的铣刀头，作为附加组件。

5.5 变频器组成框图及接线图

系统以PLC为核心，组成框图如图7所示，接线图如图8所示:

20

第六章 B2012A型龙门刨床PLC控制系统组成

6.1龙门刨床的特点

龙门刨床的龙门架定在床身上，在龙门架上装有可以上下移动的刨头架，切削

刀固定在刨头架上，工作台安装在床身导轨上，工件固定在工作台上，工作过程

中，工作台带动工件低速进给，快速退回，工件在装夹过程中，为了对准刨削位

置，工作台的来回运动控制，是既自锁又点动的方式。

21

龙门刨床的电气控制系统分主传动系统和辅助运动控制系统两部分。PLC用于

龙门刨床控制系统改造方案之一就是:主传动系统即工作台电力拖动系统，仍然保

留目前最广泛使用的逻辑无环流可逆调速系统，其调速换向控制以及辅助运动控制

系统采用可编程序控制器替代旧的继电控制系统，各部分的信号检测、动作执行机

构也基本上保留原有的不变。特点是投资小、见效快。

6.2输入/输出分配表

表1 B2012A型龙门刨床PLC的输入/输出点分配表

输 入 信 号 输 出 信 号

名称 代号 输出点编号 名称 代号 输出点编号

交流电动机

热继电器 KR1~KR4 I0.0 M1启动接触KM1 Q0.0

器

交流电动机电动机M1停SB1 I0.1 M2、M3接触KM2 Q0.1 止按钮 器

交流电动机电动机M1启SB2 I0.2 M1Y启动接触KMY Q0.2 动按钮 器

交流电动机垂直刀架控制SB3 I0.3 M1?运行接触KM? Q0.3 按钮 器

右侧刀架控制交流电动机SB4 I0.4 KM3 Q0.4 按钮 M4接触器

交流电动机左侧刀架控制SB5 I0.5 M5正转接触KM4 Q0.5 按钮 器

交流电动机横梁上升启动SB6 I0.6 M5反转接触KM5 Q0.6 按钮 器

横梁下降启动交流电机M6SB7 I0.7 KM6 Q0.7 按钮 正转接触器

交流电动机工作台步进启SB8 I1.0 M6反转接触KM7 Q1.0 动按钮 器

交流电动机工作台自动循SB9 I1.1 M7正转接触KM8 Q1.1 环启动按钮 器

交流电动机工作台自动循SB10 I1.2 M7反转接触KM9 Q1.2 环停止按钮 器

交流电动机工作台自动循SB11 I1.3 M8正转接触KM10 Q1.3 环后退按钮 器

工作台步进启SB12 I1.4 交流电动机KM11 Q1.4

22

动按钮 M8反转接触

器

工作台循环前交流电动机

进减速行程开ST1-1 I1.5 M9正转接触KM12 Q1.5

关 器

工作台循环前交流电动机

进换向行程开ST2 I1.6 M9反转接触KM13 Q1.6

关 器

工作台循环后工作台步进控退减速行程开ST3 I1.7 K3 Q1.7 制继电器 关

工作台循环后工作台自动循退换向行程开ST4 I2.0 K4 Q2.0 环控制继电器 关

工作台前进终工作台步退控端限位行程开ST5 I2.1 K5 Q2.1 制继电器 关

工作台后退终工作台后退换端限位行程开ST6 I2.2 K6 Q2.2 向继电器 关

横梁上升限位工作台前进换ST7 I2.3 K7 Q2.3 行程开关 向继电器

横梁下降限位工作台前进减ST8 I2.4 K8 Q2.4 行程开关 速继电器

横梁下降限位工作台低速运ST9 I2.5 K9 Q2.5 行程开关 行继电器

横梁放松动作磨削控制继电ST10 I2.6 K10 Q2.6 行程开关 器

工作台低速运ST11 I2.7 行行程开关

工作台低速运ST12 I3.0 行行程开关

自动进刀控制ST13 I3.1 行程开关

自动进刀控制ST14 I3.2 行程开关

自动进刀控制ST15 I3.3 行程开关

润滑泵电动机SA7-1 I3.4 M4手动控制

润滑泵电动机SA7-2 I3.5 M4自动控制

磨削控制开关 SA8 I3.6 压力继电器 KP I3.7 过电流继电器 KA1 I4.0 过电

流继电器 KA2 I4.1 时间继电器 KT1 I4.2

23

手动控制开关 SA6 I4.3

6.3 PLC类型选定

6.3.1 PLC类型的选择

PLC的设计选型包括运算功能,控制功能,通信功能,编程功能,诊断功能和处理

速度等特性的选择. 选择PLC时,应考虑性能价格比.考虑经济性时,应同时考虑应

用的可扩展性,可操作性,投入产出比等因素,进行比较和兼顾,最终选出较满意的产

品. 输入输出点数对价格有直接影响.每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费

用.当点数增加到某一数值后,相应的存储器容量,机架,母板等也要相应增加,因此,

点数的增加对CPU选用,存储器容量,控制功能范围等选择都有影响.在估算和选用

时应充分考虑,使整个控制系统有较合理的性能价格比.

在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则:

1. 最大限度地满足被控对象的控制要求

充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制

系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就

要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资

料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，

拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。 2. 保证PLC控制系统安

全可靠

保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原

则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控

制系统安全可靠。例如:应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常

情况下(如突然掉电再上电、按钮按错等)，也能正常工作。

3. 力求简单、经济、使用及维修方便

一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会

效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因

此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也

要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，

而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。

4. 适应发展的需要

由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑

到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点

数和内存容量时，要适当留有裕量，

24

以满足今后生产的发展和工艺的改进。

6.3.2 西门子S7-200 PLC

根据前面对龙门刨床PLC的输入/输出点分配的分析以及以后性能扩展的需

要，选用德国西门子公司S7-200系列的CPU224型PLC。

SIMATIC S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中

的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，

或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

S7-200系列出色表现在以下几个方面:

• 极高的可靠性

• 极丰富的指令集

• 易于掌握

• 便捷的操作

• 丰富的内置集成功能

实时特性 •

• 强劲的通讯能力

• 丰富的扩展模块

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代

继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检

测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设

施、环境保护设备等等。如:冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空

调，电梯控制，运动系统。 S7-200系列PLC一共有4个不同的基本型号的8种

CPU可供选择。

本文根据需要只对CPU224型加以介绍: CPU 224集成14输入/10输出共24个

数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模

拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路

独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI

通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。

是具有较强控制能力的控制器。

6.4 工作台控制流程与程序设计

25

为了充分利用PLC的硬件与软件的资源，在程序中设计与确定了I/O点数不可

局限于原继电接触器控制线路。应该根据龙门刨床的工艺要求，硬件仅保留知节面

向人和设备的输入、输出点，省去一切中间环节软件采用灵活编程方式，主程序用

常规的继电器梯形图指令设计。

龙门刨床PLC控制系统主要有:主传动调速换向控制(包括工作台步进、步

退)，刀架进给、抬刀和快速移动控制，横梁的移动、夹紧、放松和升降控制，其

他系统保障控制等部分组成。系统控制器选用S7-200- CPU224型可编程序控制

器，输入点采用24VDC输人，输出点采用继电器输出，可直接驱动22Ov交流接触

器或中间继电器。I/O输入输出点分配如表1所示。如前所述，工作台电力拖动系

统，仍然保留目前生产中最广泛使用的逻辑无环流可逆调速系统，其调速换向控制

采用PLC实现。PLC输出经中间继电器KAI、KAZ、KA3、KA4控制逻辑无环流系统

的给定电压发生电路，实现工作台的高速、低速、前进、后退、自动、手动控制。

工作台前进为切削行程，开始时低速切人，SQRD复位后进入高速切削行程，接近

工件尾端时SQFD动作、减速切出，而后SQFR动作、抬刀、换向，然后加速返回，

当SQRR动作时，进刀、落刀、换向，进人下一个切削行程。

龙门刨床有三个刀架，他们是左刀架、右刀67B6和垂直刀架。三个刀架由PLC

控制实现各自独立的自动进给、抬刀和落刀动作，并可手动控制快速移动。刀架进

经和快速移动的方向是通过调节机械装置改变的。抬刀、落刀动作由PLC控制电磁

铁实现。

6.5 PLC控制接线图

26

KR1KR2KR1KR2

I0.01LKM1SB1I0.1Q0.0

KM2SB2I0.2Q0.1

SB3KMYQ0.2I0.3KM?SB4I0.4Q0.3

SB52LI0.5KM3SB6Q0.4I0.6

KM4SB7Q0.5I0.7KM5SB8Q0.6I1.0KM6SB9Q0.7I1.1

SB103LI1.2KM7SB11Q1.0I1.3KM8SB12Q1.1I1.4KM9ST1Q1.2I1.5KM10ST2Q1.3I1.

6

ST34LI1.7KM11ST4Q1.4I2.0KM12ST5Q1.5I2.1KM13ST6Q1.6I2.2K3ST7Q1.7I2.3

ST85LI2.4K4ST9Q2.0I2.5K5ST10Q2.1I2.6K6ST11Q2.2I2.7K7ST12Q2.3I3.0

ST136LI3.1K8Q2.4ST14I3.2K9ST15Q2.5I3.3K10SA7-1Q2.6I3.4

SA7-2I3.5

SA8I3.6~KPI3.7

KA1I4.0 KA2I4.1KT1 I4.2SA6I4.3

6.6设计控制程序 1M

的工作原理。

2、确定PLC的输入信号和输出负载，画出PLC的外部接线图。

3、确定与继电器电路图中的中间继电器和时间继电器对应的梯形图中的辅助

继电器和定时器的元件号。

4、根据上述对应关系画出梯形图。

(2)继电器控制线路移植法特点:

1、与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性;

2、与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学

习;

3、与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流(Power FLow)

不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需

与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待;

4、与语句表有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。

6.6.2 PLC控制梯形图

可编程控制器PLC的梯形图编制是最常用的编程方式，使用中一般有经验设计

法，逻辑设计法，继电器控制电路移植法和顺序控制设计法，其中顺序控制设计法

也叫功能表图设计法，功能表图是一种用来描述控制系统的控制过程功能、特性的

图形，它主要是由步、转换、转换条件、箭头线和动作组成。这是一种先进的设计

方法，对于复杂系统，可以节约60%~90%的设计时间.我国1986年颁布了功能表图

的国家标准(GB6988.6-86)。有了功能表图后，可以用四种方式编制梯形图，它们

分别是:起保停编程方式、步进梯形指令编程方式、移位寄存器编程方式和置位复

位编程方式。

28

Q2.0Q2.0I0.2Q0.0I0.1Q2.6Q2.0Q2.2////I3.7Q0.0I0.0

I2.0I1.3I1.1Q0.3//T39INTONQ2.2Q2.0I1.3Q2.1Q2.0Q1.7+30PT/I3.7I1.4I4.2

Q0.1Q0.3Q0.2///I1.1I3.2T39Q0.2Q0.1Q0.3///Q0.3I1.2Q2.0I2.0I4.0Q2.2T39I4.2

Q0.2Q0.1//////I1.6Q2.3

Q0.1Q2.5Q2.6Q2.4I4.3Q2.2I1.7//I0.6Q2.0M0.2Q1.7//I0.7Q2.1I1.5/I2.6Q1.

Q2.3=Q0.2=Q1.5OLDANQ2.5ANQ0.7LPPLDQ1.4LDNI2.0ANQ2.6=Q1.0ANQ0.2OM2.4ANI1.

1=Q2.4LDNQ2.0AQ0.1ANT41AI1.3LDI2.7AI0.5=Q0.3=M2.4OLDAQ1.7ANI3.3LPPANQ1.4

ALDLDI3.0LDI3.3LDNT39TONT41,+3ANI2.1AQ2.1AQ2.2ANI4.2LDQ0.3ANI2.2OLDOLDOQ

0.1AQ2.0ANQ1.5=Q2.5ANQ1.2ALDANI4.0ANQ1.6LDNI1.0=Q1.1ANQ0.2ANI1.2=Q2.0ANI

1.4LDNQ2.0=Q0.1ANI3.5LPPOQ2.0AI0.5LDI0.6OI3.3LDNQ2.2AI3.6ANI3.3OI0.7ANI0

.0OI3.7=Q2.6AQ2.2ANQ2.0=Q0.4AQ2.0LDNQ2.0OI3.3=M0.2LDQ0.3AI1.3AI0.3AQ2.3L

DM0.2ANI4.0LDNI3.2ANI3.1ANQ1.1OQ1.6ANQ2.0ANI1.1LDI3.1=Q1.2ANI2.6LPSOLDAQ

2.2

ANQ1.5LDNI1.2ALDOLD

=Q1.6ANI3.5LDQ2.0ANQ0.6

LDNI4.1LDNQ2.2OI1.4=Q0.5

AQ1.5OI3.7ALDLDNQ2.0

OI2.6AQ2.0ANQ1.7AI0.3

(b) ?????

30

第七章 B2012A型龙门刨床改造效果

在采用EMERSON TD2000变频器和西门子S7-200 PLC对B2012A型龙门刨床进

在改造前，大刨切削45号钢坯时，吃刀深度10 mm，进刀量为1 mm，检测进

线电流为50A。改造后，同样加工条件下，进线电流仅为15.5A。

3(环境改善:

改造前，发电机组工作时噪音严重，可达80dB。改造后，检测噪音为70dB，

大大改善了工作环境，利于操作工人的身心健康。

4(占地面积:

改造前，机组占地面积大，现在改造后仅为原来的10%。

(机床维修: 5

改造前，机床维修量大，并且难以修理，特别是励磁发电机不发电故障。改造

后，由于变频器控制柜集中，基本上不出大的故障。

6(机床运行:

改造前，由于原B2012A机床年久失修，各处性能大不如最初，换向惯性大。

改造后，采用了先进的矢量控制，从性能、稳定性上超过原来，换向惯性小，

反向快速响应。

结 论

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，懂得了许多经验公式的获得是前人不懈努力的结果。同时，仍有很多课题需要

后辈去努力去完善。但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺

乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解，等等。这次实践是对自己大学三年

所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业了，但是自己的

求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己 成为一个对社会有所贡

献的人。

31

参 考 文 献

[1] 田春霞 数控加工工艺 机械工业出版社 24-26页 (2000) [2] 于立彪, 郑

慕侨, 张英 负重轮多体接触问题有限元分析 北京理工大学学报 22(5):572-575

页(2002)

32

33