基于全数字直流调速器的龙门刨控制系统改造

摘要：本文介绍了B220型龙门刨床的电气控制系统改造设计，其中以欧陆590P全数字直流调速器取代原先的发电机组及扩大机控制调速系统， 采用可编程逻辑控制器为控制核心，用来代替老式的继电控制电路，进行了全面的技术改造。改造后的龙门刨控制系统体现了硬件结构简单，运行可靠性高等特点，更具有直观性强，可控性好，能耗低，投入资金少，维护便利等优点。

关键词：直流调速器 可编程控制器 龙门刨床 控制系统改造

中图分类号：TM571 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）05-0012-02

在重型制造业中，龙门刨床作为不可或缺的工作母机，广泛应用于大型工件的切削。龙门刨床的主拖动系统的工作流程主要是刀具和工件的相对运动，所以频繁的往复运动时其工作台的重要运动特点。龙门刨床对工作台的电机拖动系统有着较高的要求，不但要求主机床的切削功率要足够大，调速范围要足够宽，还要保证在工作过程中工作台速度可以自行调整，可以适应不同的工作环境。而老式B220型龙门刨的控制过于陈旧，其主拖动系统为K-F-D（电机扩大-发电机-电动机）系统调速，有着投入资金高、功耗大、调速精度低，换向产生的冲击过大等一系列缺陷，而本文提出的基于全数字直流调速器和可编程控制器的电气控制系统可以较好的解决上述问题。

1 龙门刨床对电气控制系统的要求

龙门刨床的主拖动系统主要有以下几部分组成：在前进工作阶段进行工件的加工与切削，完成之后自动返回。整个返回行程当中，电机都处于空转状态。返回至初始位置之后，再次前进工作进行切削，如此反复，不断循环。

（图1）即是龙门刨台的速度运行曲线图：L1为工作台的前进行程长度，L2为工作台的后退行程长度。V0为慢速切入速度，V1为切削速度，V2为返回速度。0-t1是工作台前进启动阶段，t1-t2是刀具慢速切入阶段，t2-t3是加速至稳定工作速度阶段，t3-t4是稳定工作速度阶段，t4-t5是减速退出工作阶段，t5-t6是反接制动到后退工作阶段，t6-t7是后退稳定速度阶段，t7-t8是后退减速阶段，t8-t9后退反接制动阶段，此阶段后再次进入工作台前进启动阶段并不断重复循环。之所有存在刀具慢速切入阶段，是因为这样可以减少工件对刀具产生的冲击，以延长刀具使用寿命。同样，减速退出时为了保护工件边缘部分不崩裂。

除主拖动外，龙门刨床还有一系列的进给运动和辅助运动。包括左右刀架的快速移动、抬刀动作，横梁的上升下降、夹紧与放松等。

2 直流调速控制系统的电路设计

为了解决B220型龙门刨床老式控制系统的诸多问题，本文采用了欧陆590P全数字直流调速器对原控制系统进行改造。系统的电气控制构成框图如（图2）所示。

改造后，电机拖动系统中仅保留直流调速器和直流拖动电机，去除了多余的交直流机组。设计后的系统主要有9台电机和制动电源、抬刀电源组成。其中直流电机M由直流调速器拖动，柜风机FJ1与电机风机FJ2主要起冷却作用，以保持设备稳定的正常运行，剩下的M1至M6这六台电机采用传统的电机拖动方式。

原先老旧的K-F-D（电机扩大-发电机-电动机）调速电路全部舍去，重新设计了新的调速电路。工作台的运动有如下几种：点动前进、点动后退，前进、后退，前进减速、后退减速。相应地直流电动机也应具备这6种速度，即前进和后退各3种，因此这6种不同的速度由同一台直流调速器提供。同时由于直流电机的功率较大，为250KW，所以我们选用了英国欧陆公司的590P-725A-A1型直流调速器。此款型号还内置了电枢电压、电流双闭环的比例-积分（PI）调节器，这样组成的双闭环系统，既发挥了两个调节器的作用，又避免了单环系统两种反馈互相牵制的缺陷，从而获得较好的静、动态特性。

直流调速器的电路如（图3）所示。基本端子L1、L2、 L3为三相电源进线端。A+，A-为直流电动机电枢电路供电。B1为0V电压基准端，B3为+10V基准电压端，B4为-10V基准电压端。C1为0V基准，C2为电动机过热保护，本方案没有使用，所以将C1、C2短接。输入端子B8提供了手动急停的功能，而输出端子K10、K11、K12、K13、K14、K15、K16配合接触器实现了主拖动系统中电机的正常启动、加减速和换向，从而实现工作台的往复运动。

3 可编程控制器的选型及其软件设计

根据实际改造的需要，主模块选择西门子S7-200系列中CPU226型PLC，模块集成24路输入、16路输出共40个数字量I/O点，可外挂7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点，或者35路模拟量I/O点。该型号有13K字节程序和数据存储空间。内含6个独立的30kHz高速计数器， 2路独立的20kHz高速脉冲输出，并且具有PID控制器其内部含有256个定时器，可以较为方便地通过程序进行延时、计数控制，处理的准确性高且速度快。

数字量扩展模块选择西门子EM223，该模块共含有16路数字量输入，16路数字量输出。扩展模块的试用目的是为主模块提供更多的输入/输出点数，具有较高的灵活性，可根据自己的实际需要进行扩展。在复杂程度更高，应用范围更广的控制系统中可以通过增加扩展模块来获得更多的I/O点数。（图4）标明了本次设计中PLC及扩展模块的I/0点数分配情况。

本次设计过程中，根据控制的要求，需输入点数36点，输出点数24点，同时考虑到了10%-15%的裕量。具体输入输出点数如（图5）所示。

主传动控制系统的PLC指令表程序如（图6）所示，该程序主要用来完成刨台的前行和后行、正向和反向点动、加速和减速、前点动和反向点动。

刀架以及横梁控制系统的PLC程序设计中，程序主要用来完成横梁的上升与下降、夹紧与放松以及3个刀架的进给、退刀、快进。

4 结语

利用全数字直流调速器和可编程控制器完成了对B220型龙门刨床的控制系统进行了数控化改造，是一种行之有效的技术手段。利用直流调速和PLC技术，采用软、硬件相结合的方式，克服了原控制系统中的一系列缺点。经过大连博众轨道交通装备有限公司的实际运行，验证了机床的性能的改善与系统可靠性的提高，对改造传统机械加工行业具有现实意义。

参考文献

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