PLC和变频器在龙门刨床主拖动系统中的应用

沈玉梅

（大连职业技术学院，辽宁大连116035）

龙门刨床是机械制造业中主要工作机床之一，常用来加工大型零件，在工业生产中占有重要位置。龙门刨床的主运动，是工作台的直线往复运动。早期的龙门刨床电气主拖动系统主要有两种：一种是电动机扩大机—发电机—直流电动机组（A-G-M）系统；另一种是晶闸管-直流电动机组（V-M）系统。这两种系统的控制电路，普遍采用有触点的继电器控制方式，在经过多年的使用后，系统电气控制器件已经严重老化，出现了加工精度低、调速性能差、电气故障频繁、维护和保养难度大等问题[1]，已不能满足正常加工生产的需要。

变频调速技术经过多年的推广和使用，各项性能和技术指标不断趋于完善和成熟，节能效果显著。为提高龙门刨床的加工精度和生产效率，采用PLC和变频器对龙门刨床电气主拖动系统进行改造，已成必然趋势。

1 龙门刨床电气主拖动系统的控制要求

龙门刨床的刨削过程是工件（固定在工作台上）与刨刀之间做相对运动的过程，龙门刨床的主运动，是工作台往返交替循环的直线运动。因此，龙门刨床对其主拖动系统的要求比较高[2]。具体控制要求如下：

（1）工作台主拖动系统，具有比较宽的调速范围和较硬的机械特性；

（2）工作台能根据不同工件自由调节工作速度，而且前进和后退的速度要单独调整；

（3）工作台起动和制动快速、平稳，对电网和机械的冲击小，能够按照需要实现自动往返循环运行；

（4）工作台要求能够人工点动运行，即“工作台步进”和“工作台步退”，以利于切削前的调整；

（5）与刀架、横梁的互锁。刀架与工作台之间、横梁与工作台之间必须有可靠的互锁；

（6）与油泵电动机的互锁。只有在油泵正常供油的情况下，才允许进行工作台的往复运动；如果在工作台往复运动过程中，油泵电动机因发生故障而停机，工作台将不允许在刨削中间停止运行，而必须等工作台返回至起始位置时再停止。

2 电气控制系统的设计

2.1 系统改造方案

目前，龙门刨床控制系统的改造，主要根据主拖动直流电动机的设备状况进行选择。

第一种是工作台主拖动直流电动机的各项技术指标均优良，而且还有较长的使用年限。在这种情况下，为节省改造费用，建议保留直流电动机，采用全数字直流调速装置，取代电机扩大机—发电机组进行改造。

第二种是主拖动直流电动机的使用寿命已不太长，或没有太大使用价值，在这种情况下，建议用交流异步电动机取代主拖动直流电动机，采用变频器进行改造。本文以A系列龙门刨床电气主拖动系统为例,介绍用变频器对其进行改造的方案设计。

2.2 电气主拖动系统的电路设计

龙门刨床电气主拖动系统的电路如图1所示。

图1 龙门刨床电气主拖动系统的电路图

当空气断路器合闸后，由按钮SB7和SB8控制接触器KM1，分别控制变频器的通电与断电，并由指示灯HL1进行指示。工作台的步进和步退，分别通过按钮SB1和SB2来控制。工作台的刨削速度和返回速度，分别通过电位器RP1和RP2来调节；工作台步进和步退的速度，由变频器预置的点动频率决定。当变频器发生故障时，触点KF闭合，切断变频器的电源，同时,指示灯HL2亮，进行报警。当油泵发生故障时，继电器KT闭合，PLC程序使工作台在往复周期结束之后，停止工作台的继续运行，同时，指示灯HL3亮，进行报警。

2.3 电动机的选择

对于机床类负载，由于在切削过程中转速是不调节的，故对机械特性的要求较高，且调速范围也往往较大。一般来说，以选用变频调速专用电动机为宜。龙门刨床工作台原电气拖动系统的直流电动机的主要额定数据为PN=60kW，nN=1800r/min。

通过对比，现选用YVP250M-4型异步电动机，主要额定数据如下

能够满足系统的要求。

2.4 变频器的选择

考虑到龙门刨床本身对机械特性的硬度和动态响应能力的要求较高,近年来，龙门刨床常常与铣削和磨削兼用，而铣削和磨削的进刀速度,约为刨削时的1%，故要求拖动系统兼用良好的低速运行性能。现选用日本安川公司生产的通用高性能矢量控制变频器，控制方式为“有速度反馈”。根据异步电动机的容量PN=55kW，可选用变频器的型号为CIMR-G7B4055，其容量为98kVA，额定电流为128A。

2.5 PLC的选择

根据控制系统所需的输入输出点数，并留有一定裕量备用，考虑选取维护使用方便、性价比高的机型，选用日本三菱公司生产的FX2N-128MR-001PLC。其具有高速处理及可扩展功能模块等特点，完全可以满足控制要求。

3 龙门刨床工作台工作流程

龙门刨床工作台的工作流程如图2所示。工作台启动后，为避免刀具切入工件时的冲击而使工件边缘崩裂，或损坏刀具，先以低速前进（慢速切入）；刀架进刀机构自动进刀一次后，工作台加速至刨削速度，对工件进行加工；刨削结束，为避免刀具将工件剥落，工作台减速运行（低速切出）；进刀结束后，刀架抬起，电动机换向、反向加速至高速，工作台高速后退，以提高工作效率；为了减小停车时的超程（又称越位），在后退换向前先减速运行，直至换向，进入下一次循环[3]。

在工作台自动运行的过程中，通过“前进速度”和“后退速度”旋钮，可以根据需要对每个阶段工作台的运行速度进行调节，以达到理想的工作状态。

图2 龙门刨床工作台工作流程图

4 结束语

采用PLC和变频器对龙门刨床工作台主拖动系统改造后，工作台的拖动系统结构大大简化，加工的调速范围变宽，且为无级调速，工作台运行更加平稳，尤其是换向迅速且冲击小，加工效率提高，节能效果显著，具有良好的经济效益。

[1]王 岩，刘乐庆.用可编程控制器对龙门刨床的改造[J].现代电子技术，2009，（7）：117-119.

[2]王雪洁，娄 莹.变频调速系统和PLC在龙门刨床上的应用[J].组合机床与自动化加工技术，2003，（2）：17-18.

[3]金 燕，王海平.PLC和变频器在龙门刨床控制系统改造中的应用[J].制造技术与机床，2010，（11）：112-114.