使用变频调速技术对龙门铣床控制电路的改造与实现

　　摘要:龙门铣床工作中，主要是工作台的主运动和进给运动，本文对龙门铣床的进给直流调速系统进行改造，采用现在流行的PLC加变频器进行变频调速控制，按工作台动作的过程设计PLC程序，控制变频器。同时，变频器选用具有矢量控制的变频器，并设置好变频器的各种参数。实践取得较好效果，在类似的工程项目中有一定推广价值。

　　关键词:龙门铣床;进给运动;PLC;变频器;改造

　　机械方向评职知识：机床行业那个杂志论文好投?

　　《机床与液压》杂志创刊于1973年，是中国科学技术协会主管，由中国机械工程学会、广州机械科学研究院联合主办的全国性科技刊物，面向国内外公开发行，是中文核心期刊。自1992年以来，《机床与液压》一直被评为全国中文核心期刊，在“机械仪表类”23种核心期刊中排名第10位。是中国科技论文统计源期刊、中国科技期刊精品数据库选用期刊、中国核心期刊(遴选)数据库收录期刊、国家科技部中国科技核心期刊。

　　在机械加工中，大型工件往往使用龙门铣床进行加工。在龙门铣床的电气控制系统中，系统主要控制的是工作台的主运动和进给机构按事先安排好的时序进行动作这两大部分[1，2]。传统的龙门铣床电气控制系统，它们的进给传动是采用直流可逆调速方式，主回路、控制回路都使用继电器-接触器进行控制，但这种控制方式运行中有很多缺陷，首先是控制系统元器件使用多，器件间接线复杂，经常发生故障，维护成本较高。这些缺点严重影响了龙门铣床的铣削质量和效率[3]。为此，我们采用先进的变频调速技术对工作台进给机构进行改造设计。

　　1龙门铣床工作台进给行程分析

　　龙门铣床工作台的往复直线运动由交流电动机驱动，当工作台前进时为加工工件过程，后退返回时不加工工件，只做返回行程。在工作台往复运动中，对工作台的控制主要表现在拖动系统的速度控制上[4]。其中在曲线的上半部分t1～t7段表示正行程，为铣削过程;在曲线的下半部分t7～t10段表示反行程，为返回原位置的过程。在正行程中，0～t1段为工作台空行程起动，频率较小;在t1～t2段，电动机驱动工作台以恒定转速n1运转，此时铣头开始切入被加工工件，切入速度的大小由被加工材料的硬度决定，此过程较快;在t2～t4段，电动机按正比加速，同时带动工作台铣削加速，直到稳定在工作速度n2上;在t4～t5段，为电动机制动过程，此时刀具在铣削过程中减速，直到速度降到n3;在t5～t6段，为退刀过程，此时保持速度n3使刀具离开工件，速度n3也称为切出速度;在t6～t7段，电动机再次制动，直到工作台空行程速度降为零。在反行程t7～t10段，电动机速度过零后再反向加速直到速度n4;在t8～t9段，工作台以恒速n4返回;在t9～t10段，工作台返回到原点，并且速度减小到零，准备进行下一次铣削。系统就是重复上述过程进行铣削循环的。

　　2控制系统的组成

　　铣床铣削工件时，由于走刀的速度较低，所以要求拖动系统在低速时还能保持较大的输出转矩。同时在刀具切入和切出工件时，系统处于起动过程和制动过程，在这个过程中，需要保证一段恒速运行阶段，这就延长了工作周期。此外，在t1～t3段和t4～t7段，都存在速度变化率过大的问题，这些问题都会使系统产生速度超调、工作台越程等不利现象[5]。而传统的直流调速系统虽然通过改进，可以解决此类问题，但它是通过延长过渡过程的时间来解决的，这种解决方法会使系统响应变慢，从而使生产效率大大降低。

　　改进后的控制系统采用矢量变频器与交流电动机组成的变频调速系统取代直流调速系统，可以很好满足系统对铣削工件时在速度超调、换向、负载转矩方面的要求。同时使用PLC程序控制来取代铣床复杂的逻辑控制与时序控制，接线大大减少，系统可靠性增高。通过对比，选用具有矢量转矩控制的森兰(SENLAN)BT40变频器，该变频器在低频时也具备很强的过载能力。并且其无速度传感器的变频器组成的系统，其调速性能经测试能与直流闭环调速系统相媲美。控制核心选用三菱FX2N系列PLC，该PLC属于三菱小型PLC，具有很高的性价比，完全能满足系统控制的各种加工工艺要求。

　　2.1工作台运行控制

　　在工作台往复周期运动中，工作台的运行由接近块接近开关的状况决定[6]。SQ1～SQ4为接近开关，其通过触点的闭合控制工作台的运行;SQ5、SQ6为限位开关，对工作台起限位保护。SQ1～SQ4在被工作台撞击后闭合，发出“1”状态信号;在工作台运动离开后，SQ1～SQ4的状态由“1”状态复位后为“0”状态。按钮SB1为程序起动信号，SB2为停止信号，SB3、SB4为调整工作台的正反转点动按钮。变频器的数字端子X1、X2、X3为进行频率控制的多段速端子，通过导线与PLC的输出继电器Y3、Y4、Y5连接。PLC通过程序控制输出继电器Y3、Y4、Y5进行导通组合，这种组合一共有7种，哪么变频器的多段速端子X1、X2、X3的导通组合也就有7种。PLC的输出继电器Y6、Y7与变频器的加速、减速时间控制端X4、X5相连，控制X4、X5的导通就可以得到不同阶段的上升、下降速时间。变频器的点动控制端JOG、正向控制端FWD、反向控制端REV分别与PLC的输出Y0、Y1、Y2相连，进行正反向、点动控制。

　　3控制系统设计

　　3.1变频器参数设置

　　铣床电气控制中，对变频器的使用，主要是点动、电动机的多段速控制[7]，故变频器参数设置相对简单。变频器控制参数设置，电动机参数根据实际值进行设置。

　　3.2PLC控制程序设计

　　在PLC控制程序中，按下起动按钮SB1，外部信号驱动PLC输入继电器X1，驱动辅助继电器M0，起动信号被辅助继电器M0保存，为后面的运行做好准备[8]。程序中没有设计工作台自动回原点程序，是为了保证铣床的工作安全，采用手动回原点方式。在起动程序后，先通过点动将工作台调到一端，使工作台碰触到接近开关SQ1，使其常开触点处于闭合状态，此时PLC的输入继电器X4被驱动，通过PLC程序驱动输出继电器Y2，Y2驱动变频器FWD正传端子，电动机正转;同时PLC程序驱动Y3、Y6线圈得电，Y3使变频器的多段速控制端子X1接通，变频器输出第1挡工作频率10Hz;Y6使变频器加速时间端子X4接通，使变频器输出频率按第1挡加速时间10s上升到第1工作频率，当变频器频率升到10Hz后，输出继电器Y6自动断开，变频器停止加速，工作台以较低速度n1前进，铣头开始切入工件。

　　此过程为时间段0～t2，变频器升速中，SQ1自动复位。工作台按第1挡工作频率运行，触碰到接近开关SQ2，PLC的输入继电器X5常闭触点闭合，PLC程序使输出继电器Y3线圈失电、Y4、Y6线圈得电，这样变频器的多段速端子X1失电、X2接通，加速时间端子X4接通。变频器选择第2挡工作频率，按第1挡加速时间加速，当变频器频率达到40Hz时，工作台以选定速度n2前进，进行铣削。此过程为时间段t2～t4。铣削结束，SQ3接通，PLC的输入继电器X6接通，PLC程序使输出继电器Y4线圈失电、Y5、Y7线圈得电，这样变频器多段速端子X2断开、X3、X5接通，变频器选择第3挡工作频率，同时以第1降速时间较缓降至第3工作频率15Hz，工作台以较低速度n3正向运行，将离开刀具。此过程中，SQ3自动复位。

　　SQ4接通，PLC的输入继电器X7接通，PLC程序使输出继电器Y3、Y4、Y7线圈得电，变频器X1、X2、X5接通，变频器选择第4挡工作频率，选择第1挡降速时间;当降速时间等于(t6～t7)的时间时，PLC程序使输出继电器Y1线圈得电、Y2线圈失电，变频器FWD断开，REV接通，电动机反转。这时，变频器以第1降速时间反向升至第4挡工作频率30Hz，工作台由低速前进转为高速后退。返回过程中，SQ4复位。当变频器在第4挡工作频率30Hz运行的时间等于(t8～t9)的时间时，PLC程序使输出继电器Y3、Y4、Y7线圈失电，Y6线圈得电，变频器停止输出第4挡工作频率，同时按第1挡加速时间减速，减速时间到，工作台返回至SQ1动作，PLC程序使输出继电器Y1失电、Y2得电，断开变频器REV，接通变频器FWD，工作台前进，进入下一个循环。点动控制。如果要调整工作台的位置，可按下正转点动按钮SB3或反转点动按钮SB4。正转点动调整时，PLC程序使Y0、Y2线圈得电，接通变频器JOG和FWD，工作台正向调整;反转点动调整时，是Y0、Y1线圈得电，接通变频器JOG和REV，工作台反向调整。

　　3.3系统保护

　　变频器出现故障，变频器的输出继电器触30A、30B接通，可知PLC的输入继电器X13被驱动，PLC驱动报警程序，使红色报警指示灯亮、蜂鸣器鸣叫，同时系统停止工作。工作台连续运行时或加工零件硬度过大，电动机容易过载，此时热保护动作，热继电器的常开触点将闭合，驱动PLC的输入继电器X12，PLC程序接收到过保信号后，将停止整个程序运行。为了解决工作台运行中频繁制动产生的的“泵升电压”，系统中增加制动单元，当变频器“泵升电压”升高到600V时，制动单元自动接通，使存储在变频器储能电容中的电量迅速释放，保护变频器的安全。

　　4结束语

　　改造后的拖动系统使用PLC、变频器进行控制，较好的实现了对交流电动机的调速控制，同时满足了龙门铣床工作台电力拖动控制的工艺要求。龙门铣床主运动的控制比工作台的运动，相对简单，也可使用同一台PLC进行控制。改造后的拖动系统与原直流拖动系统相比，具有维护量小，修改系统程序方便，运行更可靠，大大提高了龙门铣床的工作效率。

　　参考文献:

　　[1]向晓汉.西门子PLC高级应用实例精解[M].北京:机械工业出版社，2010.

　　[2]高锐，姜波.基于USS协议的WinCC与S7-200变频器网络通讯研究[J].工业控制计算机，2009，22(5):3.

　　[3]刘美俊.变频器应用与维护技术[M].北京:中国电力出版社，2008.