中國機床網   傳統的龍門刨床電氣控制系統普遍采用接觸器繼電器控制技術。由于采用硬點接觸且連線復雜，因此電氣系統時常發生觸點故障，使龍門刨床經常處于停機維修狀況，不能保證正常生產。作者曾經應用PLC對多臺龍門刨床電氣控制系統進行過改造，對龍門刨床各個運動部件的控制總結了一套成熟的解決方案。本文著重介紹一種運用PLC控制調速器，結合減速裝置實現刀具自動進給控制系統。該方案替換了原機械式進刀量控制機構，極大地改善了進刀精度和可操作性，并具有很好的可移植性，可廣泛應用于各種機床的進刀系統控制。
    以BQ 2020型龍門刨床電器控制系統為例，它的刀架進刀機構為機械式進刀方式，其傳動示意圖如下圖所示。蝸桿經電動機傳動從而帶動蝸輪轉動，齒輪處在左位時，進刀機構處在進給工位，結合子1和結合子2結合，進刀機構處在快速工位。當齒輪處在右位時，結合子3和結合子4結合，超越離合器帶動齒輪旋轉。通過改變超越離合器可轉動的角度，使齒輪轉動不同的角度，從而獲得刀架不同的進給量。傳統的龍門刨床多采用該類型的刀架進給機構，是典型的間歇進給運動。在實際使用過程中，進給電動機頻繁正反轉，機械沖擊大，電器故障多，超越離合器易磨損，經常出現進刀不均或進刀無力的現象，此種機構故障多且維修量大。本文提出的自動進給控制方案，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采用PLC，實現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、工作臺自動往復運動及聯鎖保護、報警等。PLC的硬件設計基本上按照常規進行。本設計中不直接用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動負載，不僅可以擴展輸出點數，提高通用性，也對PLC的輸出繼電器起到了保護作用。其中工作臺拖動電機的起動、停止、正反轉以及轉速調節由PLC控制調速裝置完成，取代原有的繼電器接觸器控制系統和交直流發電機組拖動裝置。橫梁升降仍然用原有的電動機，抬刀仍然保留原有的電磁鐵，但是都由PLC統一控制。龍門刨床的整體系統控制結構。

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、左側刀架和右側刀架，其動作原理基本一樣，只是位置不同，現以垂直刀架為例進行說明。

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

    當需要刀架快移對刀時，刀架工作方式選擇開關選擇“快移”方式，由按鈕通過PLC控制變頻器的狀態，進而控制電機運轉的起停，電動機的轉速由WR1給定。

    在需要刀架自動進給時，刀架工作方式選擇開關選擇“進給”方式，此時，電動機的轉速由WR2給定。每次工作臺由前進轉換到后退時，PLC接通抬刀電磁鐵的電源，刨刀抬起，同時刀架完成進給動作。當工作臺由后退轉換到前進時，抬刀電磁鐵線圈斷電，刨刀彈簧復位落下。當自動進給行程結束后，刀架撞擊行程開關，刀架以快移速度快速返回，可以設置另一行程開關控制刀架停止，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在選刀架時使用。

2.2 刀架進刀量的控制

    刀具進給時，由PLC通過變頻器調速裝置控制刀架進給電機的起動和停止，進刀量則由每次電動機運轉的時間△t和電動機的轉速決定。

    設電動機的轉速為n轉/分，每次進給時轉動的時間為△t秒，傳動絲杠的螺距為L毫米，則進給當量為：

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中由專業人員通過修改程序參數設定，一般也不需要變更。在△t和L不變的情況下，自動進刀量可通過控制柜上的速度調節電位器WR2調整電機的轉速來調節，方便工人的現場操作。

2.3 刀架進刀量的精度控制

    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，所以電機轉速的穩定性是保證進刀量精度的關鍵。

    龍門刨床的刀架在自動進刀時的進刀量通常都為幾個毫米，如果由電動機直接帶動絲杠，電機轉速相應就要調得很低，而低速狀態下電機轉速的變化率高，同時，由于交流異步電動機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，我們在電機和刀架傳動絲杠之間加裝了減速箱，這樣，電機就可以工作在較高的速度上，時間也可以加長。轉速不穩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，設進刀量為2 mm，傳動絲杠的螺距L為2 mm，由電動機直接帶動絲桿，電動機轉速調節到20 r/min，按照理想的情況，電動機不需要起動時間，由（1）式可以計算出電動機運行時間需要3 s。但是，如果電動機起動時間由±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，可以滿足加工要求。在實際設計時，由于電機的轉動時間設定和速度調節都有很好的自由度，減速箱的減速比設定主要考慮電機的額定轉速和進刀速度要求，以使電機可以有較高的工作效率和穩定性。

3 進刀機構拖動電源的設計

    龍門刨床工作臺有直流和交流兩種拖動方案，進刀機構的拖動方案也有交流和直流兩種。如果選用直流電動機，可采用各種品牌的直流數字調速裝置進行控制。如果選用交流電動機，可以采用各種品牌的變頻器，用以對各類交流電機進行調速控制。

3.1 直流拖動方式

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

    MB為直流電機，BR為直流測速電機，PLC控制的繼電器觸點KA16閉合時刀架快移，KA17閉合時刀架進給，WR1、WR2為調速電位器。KA20、KA28閉合時電機正轉，KA21、KA28閉合時電機反轉。KA28是有故障時緊急停機用的常開觸點，正常工作時加電處于閉合狀態。在進刀機構中使用時，要求對刀準確，加工精度高，停機時間設為標準模式的下限0.1 s。

3.2 交流拖動方式

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

    M為進刀電機，RZ為電機制動電阻，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，分別控制進刀電機的快速移動和刀架進給，電機的轉速分別由安裝在控制柜上的電位器WR3和WR4調整，KA20和KA21分別控制電機的正轉和反轉，決定快移與進刀的方向，KA29為緊急停機用的常開觸點，正常工作時閉合，由PLC監控系統的工作狀態，在有故障時斷開電機供電。

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