龙门刨床刀架自动进给控制系统结构特点

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传统的龙门刨床电气控制系统普遍采用接触器继电器控制技术。由于采用硬点接触且连线复杂，因此电气系统时常发生触点故障，使龙门刨床经常处于停机维修状况，不能保证正常生产。作者曾经应用PLC对多台龙门刨床电气控制系统进行过改造，对龙门刨床各个运动部件的控制总结了一套成熟的解决方案。本文着重介绍一种运用PLC控制调速器，结合减速装置实现刀具自动进给控制系统。该方案替换了原机械式进刀量控制机构，极大地改善了进刀精度和可操作性，并具有很好的可移植性，可广泛应用于各种机床的进刀系统控制。
# }8 Q3 V7 M! \3 X& \: m/ U以BQ 2020型龙门刨床电器控制系统为例，它的刀架进刀机构为机械式进刀方式，其传动示意图如下图所示。蜗杆经电动机传动从而带动蜗轮转动，齿轮处在左位时，进刀机构处在进给工位，结合子1和结合子2结合，进刀机构处在快速工位。当齿轮处在右位时，结合子3和结合子4结合，超越离合器带动齿轮旋转。通过改变超越离合器可转动的角度，使齿轮转动不同的角度，从而获得刀架不同的进给量。传统的龙门刨床多采用该类型的刀架进给机构，是典型的间歇进给运动。在实际使用过程中，进给电动机频繁正反转，机械冲击大，电器故障多，超越离合器易磨损，经常出现进刀不均或进刀无力的现象，此种机构故障多且维修量大。本文提出的自动进给控制方案，可以有效地解决这些问题。
1 R" k( h& {# K# ]/ u% x, `) g, i
! Y! @: m; m* y$ }. v1 L进刀机构传动示意图
; n# l* ^, l. ?  N, Y1 整体改造方案
$ [" l3 U! ?' Q+ h3 \( _/ R6 A" H改造后的龙门刨床主控系统采用PLC，实现其全部工作过程自动控制，包括横梁上下、刀架移动、抬刀落刀、工作台自动往复运动及联锁保护、报警等。PLC的硬件设计基本上按照常规进行。本设计中不直接用PLC的输出继电器带动交流接触器，而是在每个输出触点后面增加了一个24 V的直流继电器，用该继电器的触点驱动负载，不仅可以扩展输出点数，提高通用性，也对PLC的输出继电器起到了保护作用。其中工作台拖动电机的起动、停止、正反转以及转速调节由PLC控制调速装置完成，取代原有的继电器接触器控制系统和交直流发电机组拖动装置。横梁升降仍然用原有的电动机，抬刀仍然保留原有的电磁铁，但是都由PLC统一控制。龙门刨床的整体系统控制结构。
2 刀架自动控制方案
2.1 刀架工作方式的控制
本文提出的刀架工作方式。
龙门刨床的刀架分为垂直刀架、左侧刀架和右侧刀架，其动作原理基本一样，只是位置不同，现以垂直刀架为例进行说明。
5 i  O# O  F  z$ C2 O! g刀架的移动分为手动快速移动和自动进给两种工作方式，由控制柜面板上的刀架工作方式选择开关给PLC发送指令进行选择。变频器输出频率由两个电位器给定，WR1决定快移速度；WR2决定自动进给速度；由操作人员根据需要随时进行调节。
当需要刀架快移对刀时，刀架工作方式选择开关选择“快移”方式，由按钮通过PLC控制变频器的状态，进而控制电机运转的起停，电动机的转速由WR1给定。
在需要刀架自动进给时，刀架工作方式选择开关选择“进给”方式，此时，电动机的转速由WR2给定。每次工作台由前进转换到后退时，PLC接通抬刀电磁铁的电源，刨刀抬起，同时刀架完成进给动作。当工作台由后退转换到前进时，抬刀电磁铁线圈断电，刨刀弹簧复位落下。当自动进给行程结束后，刀架撞击行程开关，刀架以快移速度快速返回，可以设置另一行程开关控制刀架停止，也可以由操作人员手动停止。另外还有一个手动抬刀控制开关在选刀架时使用。
2.2 刀架进刀量的控制
刀具进给时，由PLC通过变频器调速装置控制刀架进给电机的起动和停止，进刀量则由每次电动机运转的时间△t和电动机的转速决定。
设电动机的转速为n转/分，每次进给时转动的时间为△t秒，传动丝杠的螺距为L毫米，则进给当量为：δ=△t×n×L/60 （mm）（1）
2 r9 W2 S( F# ^（1）式中传动丝杠的螺距L是固定的，△t在PLC中由专业人员通过修改程序参数设定，一般也不需要变更。在△t和L不变的情况下，自动进刀量可通过控制柜上的速度调节电位器WR2调整电机的转速来调节，方便工人的现场操作。
2.3 刀架进刀量的精度控制
# @2 i  \# r1 l+ s# N一般来说，PLC能够很好地保障△t的精度，传动丝杠的螺距L的精度也可以保证，所以电机转速的稳定性是保证进刀量精度的关键。
# M) n  Z- |- u1 n龙门刨床的刀架在自动进刀时的进刀量通常都为几个毫米，如果由电动机直接带动丝杠，电机转速相应就要调得很低，而低速状态下电机转速的变化率高，同时，由于交流异步电动机起动的时间难于精确控制，从而会引起较大的误差。为了减少误差，我们在电机和刀架传动丝杠之间加装了减速箱，这样，电机就可以工作在较高的速度上，时间也可以加长。转速不稳和起动时间不确定性所造成的误差就可以大大减小。
举例来说，设进刀量为2 mm，传动丝杠的螺距L为2 mm，由电动机直接带动丝杆，电动机转速调节到20 r/min，按照理想的情况，电动机不需要起动时间，由（1）式可以计算出电动机运行时间需要3 s。但是，如果电动机起动时间由±0.6 s的变化范围，就有可能造成20%左右的误差。如果加上30∶1的加速器，误差就可以控制在1%之内，可以满足加工要求。在实际设计时，由于电机的转动时间设定和速度调节都有很好的自由度，减速箱的减速比设定主要考虑电机的额定转速和进刀速度要求，以使电机可以有较高的工作效率和稳定性。
" e2 o! e) L0 u4 V, P1 K3 进刀机构拖动电源的设计
龙门刨床工作台有直流和交流两种拖动方案，进刀机构的拖动方案也有交流和直流两种。如果选用直流电动机，可采用各种品牌的直流数字调速装置进行控制。如果选用交流电动机，可以采用各种品牌的变频器，用以对各类交流电机进行调速控制。
$ v6 e1 D2 X" a6 T3.1 直流拖动方式
9 E+ m8 u  V7 _& D* `6 {以实际采用的SSD 950+为例，它是一种全数字式直流调速装置，使用一个内部的电流环和一个外部的速度环来控制直流电动机，可以采用电枢电压反馈，具有IR补偿，也可采用编码反馈，或模拟测速电机反馈；考虑到工作环境和性价比，本方案选用测速电机反馈，速度范围为100∶1，其工作原理。
+ K4 }* W" j. _MB为直流电机，BR为直流测速电机，PLC控制的继电器触点KA16闭合时刀架快移，KA17闭合时刀架进给，WR1、WR2为调速电位器。KA20、KA28闭合时电机正转，KA21、KA28闭合时电机反转。KA28是有故障时紧急停机用的常开触点，正常工作时加电处于闭合状态。在进刀机构中使用时，要求对刀准确，加工精度高，停机时间设为标准模式的下限0.1 s。
3.2 交流拖动方式
0 e" |( ~, r- Z6 |采用法国施耐德公司的ATV31系列变频器作为进刀电机的调速控制器，它提供丰富的软件功能，操作简便，体积小，节省空间，具有可编程逻辑输入。以本文所用的ATV31HU40N4型变频器为例，其适用电机为4 kW的三相交流电机，使用方法。
M为进刀电机，RZ为电机制动电阻，PO为直流母线正极性，它和PA+之间一定要有共用连接，KA16和KA17是由PLC控制的继电器触点，分别控制进刀电机的快速移动和刀架进给，电机的转速分别由安装在控制柜上的电位器WR3和WR4调整，KA20和KA21分别控制电机的正转和反转，决定快移与进刀的方向，KA29为紧急停机用的常开触点，正常工作时闭合，由PLC监控系统的工作状态，在有故障时断开电机供电。
4 结论
& V$ I; h1 f# a7 N& i  N作者在改造多台龙门刨床电气控制系统的过程中，在研究了各种进刀机构的结构特点和性能特点的基础上，研制了一种通用的龙门刨床刀架自动进给控制系统。该系统采用PLC配合调速装置，极大地简化了机电控制结构，并通过在刀架进刀丝杠和电机的传动之间加入了减速装置，减小了转速稳定性和起动时间不确定性所造成的误差，保证了刀具进给的精度。实践证明，该系统设计先进、性价比高、调速范围大、结构简单、运行可靠、可移植性强，可以广泛应用于各种类型的龙门刨床的电气控制系统改造，对其它的交直流电机的调速控制也有很好的参考价值。
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