对龙门刨床自动化改造的实施方案与探讨

一、前言： 我单位是以全矿的的大中型设备的大中修为主，尤其是在备品备件的加工方面，在整个检修过程中显得十分重要，各种机床数十台，但存在设备老化、故障率高的矛盾，影响加工效率、精度。尤其是仅有的一台70年代购买一台B2012A型龙门刨床，已经使用了30多年，包括机械电气都已老化严重，既影响加工精度又提高不了效率，尤其让人头疼的是故障率高，让你防不胜防，做为一名基层维修电工对此深有感触，在目前单位资金紧缺的情况下，更换新机床是不太现实，所以，本人和单位技术人员决定对此进行一次技术改造，是迫在眉睫的大事。 二、原刨床的基本概况： （1） 基本结构：龙门刨床包括，左侧刀架、横梁、左右垂直刀架、进给箱、立柱、工作台、床身等主要部分。 （2） 主拖动系统：采用的是交流变流机组的方式，即采用了交流异步电动机拖动的直流发电机提供直流电源，由直流电动机作主电动机方案，这样的直流发电机—电动机调速系统即为G—M系统。其基本原理如图一所示，工作原理是三相交流异步电动机M1拖 直流发电机—电动机系统原理图图一 动同轴连接的的两台直流发电机G1和G2，并励直流发电机G2作为励磁机，G2为直流发电机G1和直流电动机M2的励磁绕组提供直流电源。G1发出的电动势供给直流电动机M2的电枢回路，最后由直流电动机拖动负载。则直流电动机又由交磁放大机控制发电机的励磁系统，反过来再来对直流电动机进行调速，再结合两级机械变速，从而达到20：1的机电联合调速系统。进刀机构采用进刀继电器进刀，而继电器铁芯及机械磨损又造成动作异常，损坏线圈，既影响加工精度又影响效率。 （3） 主工作台运行过程：主拖动系统的刨削过程是工件与刨刀相对运动。因此工作台与工件必须频繁的进行往复运动，，切削加工只在工作行程中 ，返回行程只是空转。在切削过程中没有进给运动，只有在返回行程中才有刀架的进给运动。其中，工作台与工件的往复运动称为主运动，横梁、刀架的运动称作辅助运动。 （4） 工作台要求的运动速度图：主运动速度图，如图二所示 图中： 0—t1为工作台前进启动阶段； t1—t2为刀具慢切入阶段； t2—t3为工件前进加速阶段，以加速到规定的工作速度； t3—t4为工作台稳定工作速度阶段； t4—t5为工作台前进减速阶段； t5—t6为工作台慢速前进阶段； t6—t7为工作台前进制动之零。 t7—t10为工作台返回阶段。 其中机床加工要求的慢速切入与切出，主要是为了减小工件对刀具的冲击提高刀具使用寿命，以及防止蹦坏工件。高速切削、返回以提高加工效率。 龙门刨床的主运动是一个比较复杂的往复直线运动，它不仅要求启动快，制动快，还要求工作速度稳定，速度调节范围宽。在这种情况下，考虑用PLC和变频技术对此机床进行一次改造，既能在技术要求上满足现有的加工需要，又能够彻底改变目前故障率高的矛盾。 三、变频技术 （1） 变频技术的优越性：时至今日，变频技术的应用已十分普及了，是交流异步电动机的一种理想调速方法，其调速性能好、效率高。所以，将其该技术运用到机床的改造上，考虑到原机床要求的调速范围结合变频使机床调速高达40：1，而且，改造后更换不同的工作组件还可使刨床用于刨、铣、磨一机三用。为提高加工精度，工作台的速度不随切削量变化而变化，静差度小于3%，自动调速，达到速度曲线的要求提高加工质量与效率。 （2） 设备组成：根据原主拖动电机的容量（为直流60KW），用一台45KW—50KW的异步电动机经变频作为主拖动，实现无级变速。工作台的换向制动利用变频器自带的能量反馈装置，使制动速度快，能量又反馈到电网中。垂直刀架和左侧刀架采用步进电机控制，使进刀量准确，以提高加工精度。另增加一个11KW的变频器控制铣刀头，作为附加组件。 （3） 组成框图 系统以PLC为控制核心，具体组成如图三所示 系统原理图图三 四、PLC的控制系统 （1） PLC的特点及主要功能 PLC的种类虽千差万别，但为了在恶劣的工业环境中使用，设计上都有着很强的优势，其抗干扰能力强、可靠性高；编程、使用、维护方便；设计、施工、调试周期短；易于实现一体化等。它的控制功能更是无与伦比，可用来完成各种控制功能的自动化设备，用来取代传统继电器控制系统实现逻辑控制和顺序控制。既可用于单机或多机控制，又可用于自动化生产线、运动、定时、等控制。 （2） 为此，我们控制部分采用PLC可编程控制器，利用其功能强、速度快、接点数少、可靠性高、并可通过CNC接口接入CIMS系统的优点来实现各种自动控制。 （3） 控件的选配这一点在整个改造中至关重要，若对变频器的选型及使用不当，往往会造成变频器不能正常运行，对调速控制影响很大，为此，必须慎重，鉴于此考虑决定采用三菱的FR—A740型通用变频器，具有矢量控制、自动保护、反馈制动、V/F控制、转矩控制等功能可以满足刨床的要求；则PLC选择的基本原则是，在满足要求的前提下，考虑选择最可靠、维护使用方便以及性价比最优的机型，所以，再三考虑采用三菱FX2N—64MR，具有32点输入、32点输出。根据控制系统的具体要求其输入、输出的点数I/O，留有10%左右的备用。 （4） 控制电路 A、 变频器的设置，将变频器的设置为外部控制状态，实现远程控制，由A0，A1按编码组合为四种运行速度，以A2点动控制；A3为反转控制；A4为停车。GM为光电编码器反馈输入信号。 B、 PLC的X0—X25为操作和工艺控制的输入信号端。输出端是：Y0—Y5为控制主变频器，Y6—Y15为控制横梁升降，刀架进给、铣、磨头的运动控制。 端子功能及接线图如图四所示： 五、结束语 在整个机床的改造过程中将涉及到许多测试，调整的具体问题，尤其是硬件方面要根据现场的实际情况，需要多次反复的安装调整，使机械配合灵活，动作到位。变频器的参数设置与原机床的配接情况，必须进行仔细的斟酌，无数次的试验，方可进行，否则，难以实现原有的控制参数要求。PLC程序的外部开关量、模拟量的输入输出，要经过仔细的分析，然后灌入编程，十分复杂；既要考虑自身的特点，又要考虑B2012A的加工要求问题，因为此项改造对原来较为复杂的继电器控制过程，转换为PLC和变频器的联合控制过程，需要大量的精心的准备与后期的安装调试，才能真正达到和实现提高加工精度、效率、减少故障、维修成本的目标。真正实现低功耗、安全可靠、易于维护的控制特点。 参考资料 张燕宾 常用变频器功能手册 机械工业出版社2005 胡学林 可编程控制器教程（基础篇）北京电子工业出版社2003 彭利标 可编程控制器原理及应用 西安电子科技大学出版社2001 刘贤兴 电力拖动与控制 机械工业出版社2001 陈在平 可编程序控制器技术与应用系统设计 机械工业出版社 2002