摘要:龍門(mén)銑床工作中，主要是工作臺(tái)的主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，本文對(duì)龍門(mén)銑床的進(jìn)給直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用現(xiàn)在流行的PLC加變頻器進(jìn)行變頻調(diào)速控制，按工作臺(tái)動(dòng)作的過(guò)程設(shè)計(jì)PLC程序，控制變頻器。同時(shí)，變頻器選用具有矢量控制的變頻器，并設(shè)置好變頻器的各種參數(shù)。實(shí)踐取得較好效果，在類(lèi)似的工程項(xiàng)目中有一定推廣價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞:龍門(mén)銑床;進(jìn)給運(yùn)動(dòng);PLC;變頻器;改造

　　機(jī)械方向評(píng)職知識(shí)：機(jī)床行業(yè)那個(gè)雜志論文好投?

　　《機(jī)床與液壓》雜志創(chuàng)刊于1973年，是中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主管，由中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)、廣州機(jī)械科學(xué)研究院聯(lián)合主辦的全國(guó)性科技刊物，面向國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行，是中文核心期刊。自1992年以來(lái)，《機(jī)床與液壓》一直被評(píng)為全國(guó)中文核心期刊，在“機(jī)械儀表類(lèi)”23種核心期刊中排名第10位。是中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊、中國(guó)科技期刊精品數(shù)據(jù)庫(kù)選用期刊、中國(guó)核心期刊(遴選)數(shù)據(jù)庫(kù)收錄期刊、國(guó)家科技部中國(guó)科技核心期刊。

　　在機(jī)械加工中，大型工件往往使用龍門(mén)銑床進(jìn)行加工。在龍門(mén)銑床的電氣控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)主要控制的是工作臺(tái)的主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)按事先安排好的時(shí)序進(jìn)行動(dòng)作這兩大部分[1，2]。傳統(tǒng)的龍門(mén)銑床電氣控制系統(tǒng)，它們的進(jìn)給傳動(dòng)是采用直流可逆調(diào)速方式，主回路、控制回路都使用繼電器-接觸器進(jìn)行控制，但這種控制方式運(yùn)行中有很多缺陷，首先是控制系統(tǒng)元器件使用多，器件間接線復(fù)雜，經(jīng)常發(fā)生故障，維護(hù)成本較高。這些缺點(diǎn)嚴(yán)重影響了龍門(mén)銑床的銑削質(zhì)量和效率[3]。為此，我們采用先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)工作臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。

　　1龍門(mén)銑床工作臺(tái)進(jìn)給行程分析

　　龍門(mén)銑床工作臺(tái)的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)由交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)工作臺(tái)前進(jìn)時(shí)為加工工件過(guò)程，后退返回時(shí)不加工工件，只做返回行程。在工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，對(duì)工作臺(tái)的控制主要表現(xiàn)在拖動(dòng)系統(tǒng)的速度控制上[4]。其中在曲線的上半部分t1～t7段表示正行程，為銑削過(guò)程;在曲線的下半部分t7～t10段表示反行程，為返回原位置的過(guò)程。在正行程中，0～t1段為工作臺(tái)空行程起動(dòng)，頻率較小;在t1～t2段，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)以恒定轉(zhuǎn)速n1運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)銑頭開(kāi)始切入被加工工件，切入速度的大小由被加工材料的硬度決定，此過(guò)程較快;在t2～t4段，電動(dòng)機(jī)按正比加速，同時(shí)帶動(dòng)工作臺(tái)銑削加速，直到穩(wěn)定在工作速度n2上;在t4～t5段，為電動(dòng)機(jī)制動(dòng)過(guò)程，此時(shí)刀具在銑削過(guò)程中減速，直到速度降到n3;在t5～t6段，為退刀過(guò)程，此時(shí)保持速度n3使刀具離開(kāi)工件，速度n3也稱(chēng)為切出速度;在t6～t7段，電動(dòng)機(jī)再次制動(dòng)，直到工作臺(tái)空行程速度降為零。在反行程t7～t10段，電動(dòng)機(jī)速度過(guò)零后再反向加速直到速度n4;在t8～t9段，工作臺(tái)以恒速n4返回;在t9～t10段，工作臺(tái)返回到原點(diǎn)，并且速度減小到零，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次銑削。系統(tǒng)就是重復(fù)上述過(guò)程進(jìn)行銑削循環(huán)的。

　　2控制系統(tǒng)的組成

　　銑床銑削工件時(shí)，由于走刀的速度較低，所以要求拖動(dòng)系統(tǒng)在低速時(shí)還能保持較大的輸出轉(zhuǎn)矩。同時(shí)在刀具切入和切出工件時(shí)，系統(tǒng)處于起動(dòng)過(guò)程和制動(dòng)過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，需要保證一段恒速運(yùn)行階段，這就延長(zhǎng)了工作周期。此外，在t1～t3段和t4～t7段，都存在速度變化率過(guò)大的問(wèn)題，這些問(wèn)題都會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生速度超調(diào)、工作臺(tái)越程等不利現(xiàn)象[5]。而傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)雖然通過(guò)改進(jìn)，可以解決此類(lèi)問(wèn)題，但它是通過(guò)延長(zhǎng)過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間來(lái)解決的，這種解決方法會(huì)使系統(tǒng)響應(yīng)變慢，從而使生產(chǎn)效率大大降低。

　　改進(jìn)后的控制系統(tǒng)采用矢量變頻器與交流電動(dòng)機(jī)組成的變頻調(diào)速系統(tǒng)取代直流調(diào)速系統(tǒng)，可以很好滿足系統(tǒng)對(duì)銑削工件時(shí)在速度超調(diào)、換向、負(fù)載轉(zhuǎn)矩方面的要求。同時(shí)使用PLC程序控制來(lái)取代銑床復(fù)雜的邏輯控制與時(shí)序控制，接線大大減少，系統(tǒng)可靠性增高。通過(guò)對(duì)比，選用具有矢量轉(zhuǎn)矩控制的森蘭(SENLAN)BT40變頻器，該變頻器在低頻時(shí)也具備很強(qiáng)的過(guò)載能力。并且其無(wú)速度傳感器的變頻器組成的系統(tǒng)，其調(diào)速性能經(jīng)測(cè)試能與直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相媲美�？刂坪诵倪x用三菱FX2N系列PLC，該P(yáng)LC屬于三菱小型PLC，具有很高的性?xún)r(jià)比，完全能滿足系統(tǒng)控制的各種加工工藝要求。

　　2.1工作臺(tái)運(yùn)行控制

　　在工作臺(tái)往復(fù)周期運(yùn)動(dòng)中，工作臺(tái)的運(yùn)行由接近塊接近開(kāi)關(guān)的狀況決定[6]。SQ1～SQ4為接近開(kāi)關(guān)，其通過(guò)觸點(diǎn)的閉合控制工作臺(tái)的運(yùn)行;SQ5、SQ6為限位開(kāi)關(guān)，對(duì)工作臺(tái)起限位保護(hù)。SQ1～SQ4在被工作臺(tái)撞擊后閉合，發(fā)出“1”狀態(tài)信號(hào);在工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)離開(kāi)后，SQ1～SQ4的狀態(tài)由“1”狀態(tài)復(fù)位后為“0”狀態(tài)。按鈕SB1為程序起動(dòng)信號(hào)，SB2為停止信號(hào)，SB3、SB4為調(diào)整工作臺(tái)的正反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)按鈕。變頻器的數(shù)字端子X(jué)1、X2、X3為進(jìn)行頻率控制的多段速端子，通過(guò)導(dǎo)線與PLC的輸出繼電器Y3、Y4、Y5連接。PLC通過(guò)程序控制輸出繼電器Y3、Y4、Y5進(jìn)行導(dǎo)通組合，這種組合一共有7種，哪么變頻器的多段速端子X(jué)1、X2、X3的導(dǎo)通組合也就有7種。PLC的輸出繼電器Y6、Y7與變頻器的加速、減速時(shí)間控制端X4、X5相連，控制X4、X5的導(dǎo)通就可以得到不同階段的上升、下降速時(shí)間。變頻器的點(diǎn)動(dòng)控制端JOG、正向控制端FWD、反向控制端REV分別與PLC的輸出Y0、Y1、Y2相連，進(jìn)行正反向、點(diǎn)動(dòng)控制。

　　3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1變頻器參數(shù)設(shè)置

　　銑床電氣控制中，對(duì)變頻器的使用，主要是點(diǎn)動(dòng)、電動(dòng)機(jī)的多段速控制[7]，故變頻器參數(shù)設(shè)置相對(duì)簡(jiǎn)單。變頻器控制參數(shù)設(shè)置，電動(dòng)機(jī)參數(shù)根據(jù)實(shí)際值進(jìn)行設(shè)置。

　　3.2PLC控制程序設(shè)計(jì)

　　在PLC控制程序中，按下起動(dòng)按鈕SB1，外部信號(hào)驅(qū)動(dòng)PLC輸入繼電器X1，驅(qū)動(dòng)輔助繼電器M0，起動(dòng)信號(hào)被輔助繼電器M0保存，為后面的運(yùn)行做好準(zhǔn)備[8]。程序中沒(méi)有設(shè)計(jì)工作臺(tái)自動(dòng)回原點(diǎn)程序，是為了保證銑床的工作安全，采用手動(dòng)回原點(diǎn)方式。在起動(dòng)程序后，先通過(guò)點(diǎn)動(dòng)將工作臺(tái)調(diào)到一端，使工作臺(tái)碰觸到接近開(kāi)關(guān)SQ1，使其常開(kāi)觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，此時(shí)PLC的輸入繼電器X4被驅(qū)動(dòng)，通過(guò)PLC程序驅(qū)動(dòng)輸出繼電器Y2，Y2驅(qū)動(dòng)變頻器FWD正傳端子，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn);同時(shí)PLC程序驅(qū)動(dòng)Y3、Y6線圈得電，Y3使變頻器的多段速控制端子X(jué)1接通，變頻器輸出第1擋工作頻率10Hz;Y6使變頻器加速時(shí)間端子X(jué)4接通，使變頻器輸出頻率按第1擋加速時(shí)間10s上升到第1工作頻率，當(dāng)變頻器頻率升到10Hz后，輸出繼電器Y6自動(dòng)斷開(kāi)，變頻器停止加速，工作臺(tái)以較低速度n1前進(jìn)，銑頭開(kāi)始切入工件。

　　此過(guò)程為時(shí)間段0～t2，變頻器升速中，SQ1自動(dòng)復(fù)位。工作臺(tái)按第1擋工作頻率運(yùn)行，觸碰到接近開(kāi)關(guān)SQ2，PLC的輸入繼電器X5常閉觸點(diǎn)閉合，PLC程序使輸出繼電器Y3線圈失電、Y4、Y6線圈得電，這樣變頻器的多段速端子X(jué)1失電、X2接通，加速時(shí)間端子X(jué)4接通。變頻器選擇第2擋工作頻率，按第1擋加速時(shí)間加速，當(dāng)變頻器頻率達(dá)到40Hz時(shí)，工作臺(tái)以選定速度n2前進(jìn)，進(jìn)行銑削。此過(guò)程為時(shí)間段t2～t4。銑削結(jié)束，SQ3接通，PLC的輸入繼電器X6接通，PLC程序使輸出繼電器Y4線圈失電、Y5、Y7線圈得電，這樣變頻器多段速端子X(jué)2斷開(kāi)、X3、X5接通，變頻器選擇第3擋工作頻率，同時(shí)以第1降速時(shí)間較緩降至第3工作頻率15Hz，工作臺(tái)以較低速度n3正向運(yùn)行，將離開(kāi)刀具。此過(guò)程中，SQ3自動(dòng)復(fù)位。

　　SQ4接通，PLC的輸入繼電器X7接通，PLC程序使輸出繼電器Y3、Y4、Y7線圈得電，變頻器X1、X2、X5接通，變頻器選擇第4擋工作頻率，選擇第1擋降速時(shí)間;當(dāng)降速時(shí)間等于(t6～t7)的時(shí)間時(shí)，PLC程序使輸出繼電器Y1線圈得電、Y2線圈失電，變頻器FWD斷開(kāi)，REV接通，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。這時(shí)，變頻器以第1降速時(shí)間反向升至第4擋工作頻率30Hz，工作臺(tái)由低速前進(jìn)轉(zhuǎn)為高速后退。返回過(guò)程中，SQ4復(fù)位。當(dāng)變頻器在第4擋工作頻率30Hz運(yùn)行的時(shí)間等于(t8～t9)的時(shí)間時(shí)，PLC程序使輸出繼電器Y3、Y4、Y7線圈失電，Y6線圈得電，變頻器停止輸出第4擋工作頻率，同時(shí)按第1擋加速時(shí)間減速，減速時(shí)間到，工作臺(tái)返回至SQ1動(dòng)作，PLC程序使輸出繼電器Y1失電、Y2得電，斷開(kāi)變頻器REV，接通變頻器FWD，工作臺(tái)前進(jìn)，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。點(diǎn)動(dòng)控制。如果要調(diào)整工作臺(tái)的位置，可按下正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)按鈕SB3或反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)按鈕SB4。正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)調(diào)整時(shí)，PLC程序使Y0、Y2線圈得電，接通變頻器JOG和FWD，工作臺(tái)正向調(diào)整;反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)調(diào)整時(shí)，是Y0、Y1線圈得電，接通變頻器JOG和REV，工作臺(tái)反向調(diào)整。

　　3.3系統(tǒng)保護(hù)

　　變頻器出現(xiàn)故障，變頻器的輸出繼電器觸30A、30B接通，可知PLC的輸入繼電器X13被驅(qū)動(dòng)，PLC驅(qū)動(dòng)報(bào)警程序，使紅色報(bào)警指示燈亮、蜂鳴器鳴叫，同時(shí)系統(tǒng)停止工作。工作臺(tái)連續(xù)運(yùn)行時(shí)或加工零件硬度過(guò)大，電動(dòng)機(jī)容易過(guò)載，此時(shí)熱保護(hù)動(dòng)作，熱繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)將閉合，驅(qū)動(dòng)PLC的輸入繼電器X12，PLC程序接收到過(guò)保信號(hào)后，將停止整個(gè)程序運(yùn)行。為了解決工作臺(tái)運(yùn)行中頻繁制動(dòng)產(chǎn)生的的“泵升電壓”，系統(tǒng)中增加制動(dòng)單元，當(dāng)變頻器“泵升電壓”升高到600V時(shí)，制動(dòng)單元自動(dòng)接通，使存儲(chǔ)在變頻器儲(chǔ)能電容中的電量迅速釋放，保護(hù)變頻器的安全。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　改造后的拖動(dòng)系統(tǒng)使用PLC、變頻器進(jìn)行控制，較好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制，同時(shí)滿足了龍門(mén)銑床工作臺(tái)電力拖動(dòng)控制的工藝要求。龍門(mén)銑床主運(yùn)動(dòng)的控制比工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，相對(duì)簡(jiǎn)單，也可使用同一臺(tái)PLC進(jìn)行控制。改造后的拖動(dòng)系統(tǒng)與原直流拖動(dòng)系統(tǒng)相比，具有維護(hù)量小，修改系統(tǒng)程序方便，運(yùn)行更可靠，大大提高了龍門(mén)銑床的工作效率。

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