基于 PLC 的龍門刨床改造
2015-7-31 來源：數(shù)控機(jī)床市場網(wǎng) 作者：蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院李玉婉
摘要:針對大型龍門刨床 B2025 目前存在的問題，對其電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行全面的技術(shù)改造，增加銑削功能以適應(yīng)各種加工要求。該控制系統(tǒng)以 PLC 為核心以及人機(jī)界面為控制界面，完成開關(guān)量邏輯控制、轉(zhuǎn)速控制、工作臺智能調(diào)節(jié)及人機(jī)界面交互;西門子直流調(diào)速器 6ＲA80 實現(xiàn)刨削控制系統(tǒng)改造;西門子變頻器 MM440 實現(xiàn)銑削功能控制。通過改造，提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，操作界面簡單、友好，滿足生產(chǎn)加工多元化要求。
關(guān)鍵詞:龍門刨床;銑削;PLC;人機(jī)界面(HMI);直流調(diào)速器;變頻器
0 引言
某廠的一臺由武漢重型機(jī)床廠70 年代生產(chǎn)的B2025 型龍門刨床，經(jīng)過近40 年的使用，電器元件嚴(yán)重老化導(dǎo)致在加工時工作臺往復(fù)換向過程中對齒輪箱的撞擊非常嚴(yán)重，影響龍門刨床的使用壽命，更換減速箱齒輪后仍不能正常工作，現(xiàn)已不能滿足生產(chǎn)需要;而且近年來隨著機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，陸續(xù)出現(xiàn)了非連續(xù)加工零件，市面涌出越來越多元化的產(chǎn)品，僅僅刨削功能已不能滿足快速發(fā)展的生產(chǎn)需求。
因此對該大型龍門刨床增加銑削功能并且進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)的綜合改造，以提高設(shè)備性能，滿足該龍門刨床各種加工生產(chǎn)要求。
1 刨銑功能技術(shù)要求
通過對原龍門刨床工藝流程和控制方法的研究，刨銑功能的主要技術(shù)要求如下:加工件最大寬度:2500 mm;加工件最大高度:2000 mm;加工件最大長度:8000 mm;工作臺工作速度(無極):3 ～60 m/min;垂直刀架水平移動最大行程:2950 mm;垂直刀架和側(cè)刀架抬刀高度:0 ～120mm側(cè)刀架垂直移動最大行程:2 000 mm。
2 刨銑功能改造總體方案設(shè)計
2． 1 總體方案設(shè)計
依據(jù)機(jī)床工藝控制過程和技術(shù)要求，針對雙電機(jī)驅(qū)動重型刨床，為了實現(xiàn)刨銑兩用功能，刨削功能采用功率較大的普通直流電機(jī)實現(xiàn);銑削功能采用小功率的交流變頻電機(jī)通過減速機(jī)來實現(xiàn)，并完成電氣控制系統(tǒng)設(shè)計。
刨削時，原機(jī)床驅(qū)動工作臺的大功率直流電機(jī)功率為60kW，成本較高，且工作性能穩(wěn)定可靠，因此改造時保留拖動方式不變，工作臺拖動采用直流調(diào)速器，要求調(diào)速器調(diào)速范圍寬、節(jié)能效果顯著。銑削時，拆除原機(jī)床一個垂直刀架，并且在拆除垂直刀架溜板上增加一臺15kW 銑頭，在主減速箱與交流變頻電機(jī)之間增加一套銑削減速機(jī)，來滿足銑削時直流電機(jī)對工作臺的驅(qū)動要求，確保銑削時，工作臺低速運行時穩(wěn)定，不抖動、不爬行。增加一套電磁離合器來實現(xiàn)刨削和銑削電機(jī)之間的切換。變頻器具有低速性能好、響應(yīng)快、定位精度高， 過載能力強(qiáng)等優(yōu)點，因此主傳動采用變頻器配15kW 交流變頻電機(jī)來驅(qū)動工作臺的運行，以滿足工作臺銑銷時的加工要求。
龍門刨床的大部分動作屬于邏輯控制，因此以PLC 為核心實現(xiàn)開關(guān)量邏輯控制，觸摸屏實現(xiàn)人機(jī)界面(HMI)交互和刨銑的切換。觸摸屏主畫面實時顯示龍門刨銑床的運行狀態(tài)以及故障信息。PLC、變頻器、直流調(diào)速器及觸摸屏都選擇西門子公司產(chǎn)品，因為配套的系統(tǒng)兼容性較好，運行方便、穩(wěn)定可靠。制作電氣控制柜一臺，方便龍門刨銑床控制以及檢測維修?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。
圖 1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
2． 2 控制系統(tǒng)各部分流程設(shè)計
2． 2． 1 自動控制子模塊/工作臺點動
自動控制有三種工作方式， 在加工時根據(jù)所加工工件的工藝要求進(jìn)行選擇， 其控制流程如圖 2 所示。
圖 2 工作臺自動控制流程圖
工作臺分別有點動控制和自動控制兩種運動方式，其中點動控制用來調(diào)整工作臺步進(jìn)和步退動作，工作臺在啟動前需先啟動潤滑油泵。自動循環(huán)控制是以PLC 為核心，以接近開關(guān)等配合相關(guān)電路和PLC 梯形圖程序來完成。
2． 2． 2 橫梁控制子模塊
橫梁控制是指橫梁的升降、夾緊放松控制，在橫梁動作前先要對橫梁進(jìn)行放松控制，移動到位后橫梁夾緊。確保絲杠和螺母之間的無間隙配合，在橫梁下降動作完成后有短暫的回升控制，緊接著執(zhí)行夾緊動作，回升控制時間由定時器設(shè)定。在橫梁升降過程中碰到接近開關(guān)，控制程序結(jié)束運行，升降電動機(jī)停止。橫梁調(diào)整必須在工作臺停止運行時進(jìn)行，那么在硬件電路中和程序執(zhí)行時需要設(shè)計聯(lián)鎖電路。橫梁控制子模塊流程圖如圖 3 所示。
圖 3 橫梁控制流程圖
2． 2． 3 刀架控制子模塊
交流電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)動作控制的刀架進(jìn)刀動作、退刀動作。刀架自動控制是指四個刀架的自動進(jìn)給、快速移動控制。其中兩個側(cè)刀架和一個垂直刀架完成水平、垂直方向的刨削動作， 另一個垂直刀架安裝銑刀完成銑削動作。刀架快速移動時必須在工作臺停止運行時進(jìn)行。選擇開關(guān)完成刀架的選擇，并將電信號送給PLC，PLC 根據(jù)合理的邏輯判斷并產(chǎn)生輸出信號，相應(yīng)的交流電機(jī)響應(yīng)并進(jìn)行正反向控制，完成刀架的自動進(jìn)刀、退刀的控制。
2． 2． 4 故障報警及位置調(diào)整子模塊
故障報警子模塊是為了系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時，對系統(tǒng)進(jìn)行安全保護(hù)。在控制系統(tǒng)設(shè)計時除了基本功能外，還必須設(shè)計一些安全聯(lián)鎖保護(hù)功能，以保證系統(tǒng)安全可靠地正常運行。位置調(diào)整子模塊是為了在控制系統(tǒng)啟動檢測一些運動部件故障動作，先進(jìn)行故障排除并進(jìn)行位置調(diào)整，使運動部件運行到合適位置。在本系統(tǒng)中，一般設(shè)置工作臺前進(jìn)/后退極限保護(hù)，橫梁上升/下降極限保護(hù)以及刀架極限保護(hù)。
3 刨銑功能控制系統(tǒng)設(shè)計
3． 1 控制系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)
根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，本系統(tǒng)選擇德國西門子S7－200 系列的 PLC。系統(tǒng)的大部分輸入輸出量是數(shù)字量，其中，一共數(shù)字量輸入點為 42 個，數(shù)字量輸出點為29 個，因此選擇西門子 PLC CPU224(AC/DC 繼電器)為主機(jī)，并擴(kuò)展 2個數(shù)字量擴(kuò)展模塊，他們分別是一個 EM223(16DI/16DO， 繼電器輸出)、一個EM223(16DI/16DO，晶體管輸出)。
3． 2 刨削功能硬件結(jié)構(gòu)
3． 2． 1 直流調(diào)速器的選型
直流調(diào)速器的選型主要依據(jù)所控制的 ZBD－93型直流電機(jī)的額定電源電壓(220 V);額定直流電壓(即電樞電壓= 220 V);額定電樞電流(305 A)及運行方式(兩象限或四象限，該系統(tǒng)的直流電機(jī)在四象限運行)幾個要素來進(jìn)行選型。綜合考慮以上幾個要素最終選擇西門子 6ＲA8087－6DV62 直流調(diào)速器。啟動直流調(diào)速器將電機(jī)銘牌上的參數(shù)輸入到直流調(diào)速器，設(shè)置結(jié)束按下確認(rèn)鍵，結(jié)束電機(jī)數(shù)據(jù)的輸入。
3． 2． 2 輔助功能硬件的選型
本系統(tǒng)用接近開關(guān)用作限位控制，接近開關(guān)重新選擇綜合考慮使用環(huán)境、檢測物、電源電壓、使用壽命和價格等因素，選擇歐姆龍直流 3 線式 E2E－X5E1(非屏蔽)型接近開關(guān)若干，大小為 M12，檢測距離為5 mm，一般設(shè)定檢測距離為 0 ～4． 0 mm。本系統(tǒng)用旋轉(zhuǎn)編碼器來檢測刨床工作臺減速及返回信號，并將信號送給 PLC。旋轉(zhuǎn)編碼器的選型綜合考慮以下三方面因素:①機(jī)械安裝尺寸;②分辨率;③電氣接口。為合理利用 PLC 的24 V電源，最終選擇 E6A2－CW3E 型增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，該旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率為 500(脈沖/轉(zhuǎn)數(shù))，與之相配套安裝的耦合器的型號為 E69－C04B，用金屬安裝的配件為 E69－1。
3． 3 銑削功能硬件結(jié)構(gòu)
主傳動采用變頻器配 15 kW 交流變頻電機(jī)來驅(qū)動工作臺的運行。變頻調(diào)速電機(jī)一般均選擇 4 級電機(jī)，基頻工作點設(shè)計在 50 Hz，頻率 0 ～50 Hz(轉(zhuǎn)速 0～1480 r/min)范圍內(nèi)電機(jī)作恒轉(zhuǎn)矩運行， 頻率 50 ～100 Hz(轉(zhuǎn)速 1480 ～2800 r/min)范圍內(nèi)電機(jī)作恒功率運行，整個調(diào)速范圍為(0 ～2800 r/min)。根據(jù)控制要求，在滿足基本驅(qū)動設(shè)備的要求，要提高輸出轉(zhuǎn)矩，選擇 6 級電機(jī)，其工作特性與直流調(diào)速電機(jī)相同，調(diào)速平滑穩(wěn)定，最終選擇 YVP－180L－6 型變頻電機(jī)來實現(xiàn)工作臺調(diào)速的目的。
變頻器的選型綜合考慮所控制變頻電機(jī)的實際電流值以及負(fù)載特性等。所驅(qū)動的電機(jī)屬于恒功率型負(fù)載，要求低速運行時轉(zhuǎn)矩要足夠大，變頻器電壓電流都要匹配。最終選擇 Siemens MM440 型變頻器進(jìn)行調(diào)速。通過減速機(jī)、變頻電機(jī)，電磁離合器綜合帶動工作臺運動，完成銑削動作。
4 系統(tǒng)控制分析及人機(jī)界面設(shè)計
4． 1 刨削功能系統(tǒng)控制分析
按照機(jī)床的工作要求以及刨削銑削的工藝對控制系統(tǒng)的要求，設(shè)置自動工作和手動工作兩種模式，符合操作人員的操作習(xí)慣，圖 4 為系統(tǒng)控制流程圖。
圖 4 系統(tǒng)控制流程圖
機(jī)床刨削時在手動工作模式下能夠完成以下幾個動作，分別是垂直刀架快速進(jìn)給、左/右側(cè)刀架快速進(jìn)給、橫梁升降夾緊控制、工作臺步進(jìn)前進(jìn)和步進(jìn)后退等動作。機(jī)床刨削時，電磁離合器分離，工作臺分別向前和向后兩方向運動，其運動的速度值由電位計 W1、W2 設(shè)置，設(shè)置值送給 6ＲA80 全數(shù)字直流調(diào)速裝置。當(dāng)滿足啟動條件的情況下，按下工作臺相應(yīng)前進(jìn)、后退按鈕，6ＲA80 全數(shù)字直流調(diào)速裝置即解除封鎖輸出相應(yīng)電壓，電機(jī)響應(yīng)開始運轉(zhuǎn)帶動機(jī)床工作臺作相應(yīng)的運動。旋轉(zhuǎn)編碼器檢測機(jī)床工作臺減速及返回信號，并將其檢測到的信號送給 PLC。慢進(jìn)和慢退的速度值由整流裝置參數(shù)設(shè)定。PLC 控制正反方向給定及慢進(jìn)、慢退等信號給 6ＲA80 全數(shù)字直流調(diào)速裝置，同時 6ＲA80 全數(shù)字直流調(diào)速裝置控制電壓輸出大小及方向，實現(xiàn) 刨床工作臺自動控制。機(jī)床銑削時，15 kW 的變頻電機(jī)啟動，電磁離合器結(jié)合，主電機(jī)僅起傳遞作用使得工作臺處于銑削運行狀態(tài)，其速度值由變頻器設(shè)定來控制電機(jī)運行速度，完成銑削動作。
龍門刨銑床橫梁控制主要有上升、下降，夾緊、放松控制，上下的調(diào)整移動和自動夾緊相互配合自動的工作。由按鈕站上的橫梁上升和橫梁下降按鈕控制，PLC 檢測其輸入信號，并控制其升降接觸器、夾緊放松接觸器，控制交流電動機(jī)正反運轉(zhuǎn)， 完成橫梁升降、夾緊、放松控制。工作臺自動循環(huán)工作時，橫梁自動夾緊于立柱上。橫梁上升或下降時，首先放松，上升或下降完成后自動夾緊，夾緊信號由過電流繼電器檢測，通過 PLC 自動控制完成。圖 4 給出了系統(tǒng)總體控制流程。
4． 2 人機(jī)界面設(shè)計
人機(jī)界面(HMI)的選型綜合考慮品牌、接口形式、屏幕尺寸、穩(wěn)定性、可靠性、使用壽命和價格等因素，以及工業(yè)現(xiàn)場條件和控制要求，最后選用西門子10 寸觸摸屏 HMI Smart line1000 IE。運用WinCCflexible 組態(tài)軟件實現(xiàn)人機(jī)界面(HMI)交互。人機(jī)界面 (HMI) 的主要功能是用觸摸屏控制下位機(jī)(PLC)，以達(dá)到控制機(jī)器各部件的目的?？刂葡到y(tǒng)主要由主畫面、橫梁升降、風(fēng)機(jī)油泵、故障顯示畫面等組成。通過組態(tài)形成的控制系統(tǒng)畫面，可以使工作人員通過觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入、啟動或停止整個機(jī)器，以及監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行狀況。
設(shè)計橫梁動作控制界面可以實時顯示橫梁工作在哪一步，按下畫面返回按鈕時，畫面將切換到主畫面;按下故障顯示按鈕時，畫面將切換到故障顯示畫面上。觸摸屏的每個操作畫面都與主畫面以及故障顯示畫面聯(lián)接起來，當(dāng)故障報警時主畫面的報警燈閃爍并且蜂鳴器響起，切換到故障顯示畫面，可以觀察故障信息。故障排除后，報警自動解除。圖5 給出了故障顯示畫面。
圖 5 故障顯示畫面
5 結(jié)語
本機(jī)床經(jīng)過 PLC、西門子6ＲA80 直流調(diào)速器刨削控制改造以及西門子 MM440 變頻器增加銑削功能控制，既沒有改變操作人員的操作習(xí)慣，又增強(qiáng)了進(jìn)給控制功能，同時節(jié)約了改造資金、提高了控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性、提高了加工效率、穩(wěn)定性和自動化水平，促進(jìn)了技術(shù)進(jìn)步。實現(xiàn)了多元化的產(chǎn)品加工，滿足了市場需求。
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