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中國機(jī)床網(wǎng)   傳統(tǒng)的龍門刨床電氣控制系統(tǒng)普遍采用接觸器繼電器控制技術(shù)。由于采用硬點接觸且連線復(fù)雜，因此電氣系統(tǒng)時常發(fā)生觸點故障，使龍門刨床經(jīng)常處于停機(jī)維修狀況，不能保證正常生產(chǎn)。作者曾經(jīng)應(yīng)用PLC對多臺龍門刨床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行過改造，對龍門刨床各個運動部件的控制總結(jié)了一套成熟的解決方案。本文著重介紹一種運用PLC控制調(diào)速器，結(jié)合減速裝置實現(xiàn)刀具自動進(jìn)給控制系統(tǒng)。該方案替換了原機(jī)械式進(jìn)刀量控制機(jī)構(gòu)，極大地改善了進(jìn)刀精度和可操作性，并具有很好的可移植性，可廣泛應(yīng)用于各種機(jī)床的進(jìn)刀系統(tǒng)控制。
    以BQ 2020型龍門刨床電器控制系統(tǒng)為例，它的刀架進(jìn)刀機(jī)構(gòu)為機(jī)械式進(jìn)刀方式，其傳動示意圖如下圖所示。蝸桿經(jīng)電動機(jī)傳動從而帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，齒輪處在左位時，進(jìn)刀機(jī)構(gòu)處在進(jìn)給工位，結(jié)合子1和結(jié)合子2結(jié)合，進(jìn)刀機(jī)構(gòu)處在快速工位。當(dāng)齒輪處在右位時，結(jié)合子3和結(jié)合子4結(jié)合，超越離合器帶動齒輪旋轉(zhuǎn)。通過改變超越離合器可轉(zhuǎn)動的角度，使齒輪轉(zhuǎn)動不同的角度，從而獲得刀架不同的進(jìn)給量。傳統(tǒng)的龍門刨床多采用該類型的刀架進(jìn)給機(jī)構(gòu)，是典型的間歇進(jìn)給運動。在實際使用過程中，進(jìn)給電動機(jī)頻繁正反轉(zhuǎn)，機(jī)械沖擊大，電器故障多，超越離合器易磨損，經(jīng)常出現(xiàn)進(jìn)刀不均或進(jìn)刀無力的現(xiàn)象，此種機(jī)構(gòu)故障多且維修量大。本文提出的自動進(jìn)給控制方案，可以有效地解決這些問題。

1 整體改造方案

    改造后的龍門刨床主控系統(tǒng)采用PLC，實現(xiàn)其全部工作過程自動控制，包括橫梁上下、刀架移動、抬刀落刀、工作臺自動往復(fù)運動及聯(lián)鎖保護(hù)、報警等。PLC的硬件設(shè)計基本上按照常規(guī)進(jìn)行。本設(shè)計中不直接用PLC的輸出繼電器帶動交流接觸器，而是在每個輸出觸點后面增加了一個24 V的直流繼電器，用該繼電器的觸點驅(qū)動負(fù)載，不僅可以擴(kuò)展輸出點數(shù)，提高通用性，也對PLC的輸出繼電器起到了保護(hù)作用。其中工作臺拖動電機(jī)的起動、停止、正反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)由PLC控制調(diào)速裝置完成，取代原有的繼電器接觸器控制系統(tǒng)和交直流發(fā)電機(jī)組拖動裝置。橫梁升降仍然用原有的電動機(jī)，抬刀仍然保留原有的電磁鐵，但是都由PLC統(tǒng)一控制。龍門刨床的整體系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)。

2 刀架自動控制方案

2.1 刀架工作方式的控制

本文提出的刀架工作方式。

    龍門刨床的刀架分為垂直刀架、左側(cè)刀架和右側(cè)刀架，其動作原理基本一樣，只是位置不同，現(xiàn)以垂直刀架為例進(jìn)行說明。

    刀架的移動分為手動快速移動和自動進(jìn)給兩種工作方式，由控制柜面板上的刀架工作方式選擇開關(guān)給PLC發(fā)送指令進(jìn)行選擇。變頻器輸出頻率由兩個電位器給定，WR1決定快移速度；WR2決定自動進(jìn)給速度；由操作人員根據(jù)需要隨時進(jìn)行調(diào)節(jié)。

    當(dāng)需要刀架快移對刀時，刀架工作方式選擇開關(guān)選擇“快移”方式，由按鈕通過PLC控制變頻器的狀態(tài)，進(jìn)而控制電機(jī)運轉(zhuǎn)的起停，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速由WR1給定。

    在需要刀架自動進(jìn)給時，刀架工作方式選擇開關(guān)選擇“進(jìn)給”方式，此時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速由WR2給定。每次工作臺由前進(jìn)轉(zhuǎn)換到后退時，PLC接通抬刀電磁鐵的電源，刨刀抬起，同時刀架完成進(jìn)給動作。當(dāng)工作臺由后退轉(zhuǎn)換到前進(jìn)時，抬刀電磁鐵線圈斷電，刨刀彈簧復(fù)位落下。當(dāng)自動進(jìn)給行程結(jié)束后，刀架撞擊行程開關(guān)，刀架以快移速度快速返回，可以設(shè)置另一行程開關(guān)控制刀架停止，也可以由操作人員手動停止。另外還有一個手動抬刀控制開關(guān)在選刀架時使用。

2.2 刀架進(jìn)刀量的控制

    刀具進(jìn)給時，由PLC通過變頻器調(diào)速裝置控制刀架進(jìn)給電機(jī)的起動和停止，進(jìn)刀量則由每次電動機(jī)運轉(zhuǎn)的時間△t和電動機(jī)的轉(zhuǎn)速決定。

    設(shè)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為n轉(zhuǎn)/分，每次進(jìn)給時轉(zhuǎn)動的時間為△t秒，傳動絲杠的螺距為L毫米，則進(jìn)給當(dāng)量為：

δ=△t×n×L/60 （mm）（1）

（1）式中傳動絲杠的螺距L是固定的，△t在PLC中由專業(yè)人員通過修改程序參數(shù)設(shè)定，一般也不需要變更。在△t和L不變的情況下，自動進(jìn)刀量可通過控制柜上的速度調(diào)節(jié)電位器WR2調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)，方便工人的現(xiàn)場操作。

2.3 刀架進(jìn)刀量的精度控制

    一般來說，PLC能夠很好地保障△t的精度，傳動絲杠的螺距L的精度也可以保證，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性是保證進(jìn)刀量精度的關(guān)鍵。

    龍門刨床的刀架在自動進(jìn)刀時的進(jìn)刀量通常都為幾個毫米，如果由電動機(jī)直接帶動絲杠，電機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)就要調(diào)得很低，而低速狀態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化率高，同時，由于交流異步電動機(jī)起動的時間難于精確控制，從而會引起較大的誤差。為了減少誤差，我們在電機(jī)和刀架傳動絲杠之間加裝了減速箱，這樣，電機(jī)就可以工作在較高的速度上，時間也可以加長。轉(zhuǎn)速不穩(wěn)和起動時間不確定性所造成的誤差就可以大大減小。

    舉例來說，設(shè)進(jìn)刀量為2 mm，傳動絲杠的螺距L為2 mm，由電動機(jī)直接帶動絲桿，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到20 r/min，按照理想的情況，電動機(jī)不需要起動時間，由（1）式可以計算出電動機(jī)運行時間需要3 s。但是，如果電動機(jī)起動時間由±0.6 s的變化范圍，就有可能造成20%左右的誤差。如果加上30∶1的加速器，誤差就可以控制在1%之內(nèi)，可以滿足加工要求。在實際設(shè)計時，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)動時間設(shè)定和速度調(diào)節(jié)都有很好的自由度，減速箱的減速比設(shè)定主要考慮電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和進(jìn)刀速度要求，以使電機(jī)可以有較高的工作效率和穩(wěn)定性。

3 進(jìn)刀機(jī)構(gòu)拖動電源的設(shè)計

    龍門刨床工作臺有直流和交流兩種拖動方案，進(jìn)刀機(jī)構(gòu)的拖動方案也有交流和直流兩種。如果選用直流電動機(jī)，可采用各種品牌的直流數(shù)字調(diào)速裝置進(jìn)行控制。如果選用交流電動機(jī)，可以采用各種品牌的變頻器，用以對各類交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。

3.1 直流拖動方式

    以實際采用的SSD 950+為例，它是一種全數(shù)字式直流調(diào)速裝置，使用一個內(nèi)部的電流環(huán)和一個外部的速度環(huán)來控制直流電動機(jī)，可以采用電樞電壓反饋，具有IR補(bǔ)償，也可采用編碼反饋，或模擬測速電機(jī)反饋；考慮到工作環(huán)境和性價比，本方案選用測速電機(jī)反饋，速度范圍為100∶1，其工作原理。

    MB為直流電機(jī)，BR為直流測速電機(jī)，PLC控制的繼電器觸點KA16閉合時刀架快移，KA17閉合時刀架進(jìn)給，WR1、WR2為調(diào)速電位器。KA20、KA28閉合時電機(jī)正轉(zhuǎn)，KA21、KA28閉合時電機(jī)反轉(zhuǎn)。KA28是有故障時緊急停機(jī)用的常開觸點，正常工作時加電處于閉合狀態(tài)。在進(jìn)刀機(jī)構(gòu)中使用時，要求對刀準(zhǔn)確，加工精度高，停機(jī)時間設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)模式的下限0.1 s。

3.2 交流拖動方式

    采用法國施耐德公司的ATV31系列變頻器作為進(jìn)刀電機(jī)的調(diào)速控制器，它提供豐富的軟件功能，操作簡便，體積小，節(jié)省空間，具有可編程邏輯輸入。以本文所用的ATV31HU40N4型變頻器為例，其適用電機(jī)為4 kW的三相交流電機(jī)，使用方法。

    M為進(jìn)刀電機(jī)，RZ為電機(jī)制動電阻，PO為直流母線正極性，它和PA+之間一定要有共用連接，KA16和KA17是由PLC控制的繼電器觸點，分別控制進(jìn)刀電機(jī)的快速移動和刀架進(jìn)給，電機(jī)的轉(zhuǎn)速分別由安裝在控制柜上的電位器WR3和WR4調(diào)整，KA20和KA21分別控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，決定快移與進(jìn)刀的方向，KA29為緊急停機(jī)用的常開觸點，正常工作時閉合，由PLC監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，在有故障時斷開電機(jī)供電。

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