論文關鍵詞：龍門刨床 可編程序控制器 變頻調速 能量回饋
論文摘要：用可編程序控制器和交流變頻調速技術對B220龍門刨床進行改造。刨床的主傳動采用轉差頻率閉環控制，能較好的滿足工作臺靜、動態特性要求；制動采用了能量回饋制動。改造后系統達到了預期效果。
龍門刨床的電氣控制系統主要包括工作臺的主傳動和進給機構的邏輯控制兩大部分。目前，國內龍門刨床主要采用的主傳動系統有兩種：一種是50年代的電機擴大機一發電機一電動機組(K—F—D系統)；一種是80年代少數經過改型的直流可控硅調速系統(SCR—D 系統)。這兩種系統的邏輯控制普遍采用繼電器控制，故障率高，維修困難，生產效率低，因此，采用變頻調速系統已成趨勢。作者用交流變頻調速技術和可編程序控制器(PLC)改造成功了一臺B220龍門刨床，且改造后系統運行可靠穩定。
1 龍門刨床控制系統要求
機床型號為B220，產地為濟南第二機床廠，要求改造后機床的調速范圍為5m／min一60m／min，系統運行的平滑性要好，能實現無級調速，且有很好的起制動性能。起制動時既能快速啟動和制動，又保證機械沖擊不過大，不對機械部件造成損害。能快速實現提速、降速和平穩的調節速度，換向時要減小對齒輪的沖擊。能實現慢速切入，穩速加工，快速換向，點動調節等各種加工工藝要求。
2 系統組成及工作原理
2-1 系統組成
本系統由VVVF(變電壓變頻率)變頻器、交流電動機(Y280S一8，Pe =37KW ，I。=78-2A，n。=740r／min)、測速器組成閉環調速系統。采用閉環調速系統是為了對負載的波動和電網的波動有較強的抗干擾能力，以保證刨床的穩定運行。刨床的電機均由PLC 給出的指令進行控制。設計時，主傳動用一臺異步電動機代替原K—F—D系統機型，進給機械執行機構則用變頻調速器取代原電磁離合器，實現對工作臺的各種不同速度的控制和往返換向。核心部件用PLC進行控制，它根據操作站指令和現場信號，按預先編制好的程序對變頻器、刀架、橫梁、磨頭的跟蹤狀況進行自動或人工控制。變頻器選用日本富士FRN45 Ggs一4JE電壓型通用變頻器。原系統采用機械式行程開關， 由于工作臺時頻繁的往復運動，擋塊頻繁地撞擊行程開關，導致行程開關容易發生故障，在不可靠的時候更可能產生事故，影響生產。改造中我們用光控無觸點接近開關代替機械式行程開關，經使用效果很好。
2-2 工作原理
2-2-1工作方式
龍門刨的刨削過程是工件(放在刨臺上)與刨刀之間做相對運動的過程。也就是刨臺頻繁的往復運動。刨臺的運動分為人工點動運行和自動往復循環運行。圖1是刨臺的往復周期運行圖。
圖1 刨臺的往復周期
2-2-2 主傳動的控制原理
主傳動采用轉速閉環、轉差頻率控制的變頻調速系統，來滿足工作臺頻繁換向和負載變化時轉速快速跟隨性的要求。
由上式可以看出，在S很小的范圍內，只要能夠維持氣隙磁通不變，異步電動機的轉距就近似與轉差角頻率∞、成正比�？刂啤� 就能達到控制轉速的目的。在設計中我們用了轉差調節器，使(1)。<(1)s ，以使電動機運行在最佳狀態。因為使用的通用型變頻器具有恒定電壓／頻率(V／F)比的功能，電機的氣隙磁通就可以基本保持不變，因此控制(1)。為最佳就實現了控制轉距為最佳的目的。
2-2-3 制動系統原理
工作臺換向制動采用能量回饋制動，用兩組晶閘管(GTR)組成可逆調速系統，制動時將系統中交流電動機發電制動狀態的再生電能進行逆變，變成與電網同頻的交流電送回電網，來實現電機的再生回饋制動，這種制動方式與能耗型制動方式相比具有很多的優點。能節約電能，并使電機運行平穩，發熱少，制動效果好，延長了電機的使用壽命。
3 系統設計
3-1 PLC 的選擇
西門子公司的S7—200系列PLC 內部集成了32位浮點運算，具有高速汁數、占空比可調脈沖輸出、PID調節、模擬電位器等功能。在設計中考慮到控制回路輸入和輸出點數及運行速度， 選用S7—200CPU226型PLC~]，它共有24輸)k／16輸出共40個數字量I／O點。圖2是PLC與變頻器的連接圖。變頻器的多檔速度控制端Xl、x2、x3分別與PLC 的輸出端QO．4、QO．3、QO．2相接，從而，多階段變頻器的輸出頻率將取決于QO．4、QO．3、QO．2狀態。
變頻器的多檔升、降速時間控制端X4、X5分別與PLC的輸出端Q0．1、Q0．0相接，從而變頻器在不同階段的升、降速時間將取決于QO．1、QO．0的狀態。
變頻器的正向控制端FWD、反向控制端REV以及點動控制端DDD 分別與PLC 的輸出端Q0_5、Q0．6、Q0．7相接。
3-2 PLC程序設計
龍門刨床自動進刀、換向、刀架的自動進給、手動進退、點動、橫梁升降等功能都由PLC軟件來實現。圖3給出了主程序流程圖。
工作臺往復工作程序梯形圖如圖4所示。圖中M1．0、M1．1— —M1_7是PLC 內部的輔助繼電器
圖中：t 循環開始與緊急停機段
t1— — 刨刀開始切人工件段 t2— — 正常切削段
t3— — 退出工件段 t4— — 高速返回段
t5— — 低速返回段 t 點動控制
圖4 工作臺往復工作梯形圖
其中tl-t5段與圖1中的刨臺往復運動的各個階段相對應。
4 結束語
經過交流變頻調速改造后，B220龍門刨床的拖動系統大大簡化，減小了電動機的容量。加工的調速范圍變寬，達到3—70m／min，靜差率<3％ ，且為無級調速，工作臺運行更加平穩，尤其是換向迅速且沖擊小，加工效率提高。此外變頻調速有利于節電，且使現場的操作控制變得更為方便和可靠。而PLC的應用充分體現了快速、靈活的控制特點。實現了以往難以作到的多種復雜控制和故障保護，使系統實現了操作維護簡單化和控制智能化。