摘要:龍門銑床工作中，主要是工作臺的主運動和進給運動，本文對龍門銑床的進給直流調速系統進行改造，采用現在流行的PLC加變頻器進行變頻調速控制，按工作臺動作的過程設計PLC程序，控制變頻器。同時，變頻器選用具有矢量控制的變頻器，并設置好變頻器的各種參數。實踐取得較好效果，在類似的工程項目中有一定推廣價值。

　　關鍵詞:龍門銑床;進給運動;PLC;變頻器;改造

　　機械方向評職知識：機床行業那個雜志論文好投?

　　《機床與液壓》雜志創刊于1973年，是中國科學技術協會主管，由中國機械工程學會、廣州機械科學研究院聯合主辦的全國性科技刊物，面向國內外公開發行，是中文核心期刊。自1992年以來，《機床與液壓》一直被評為全國中文核心期刊，在“機械儀表類”23種核心期刊中排名第10位。是中國科技論文統計源期刊、中國科技期刊精品數據庫選用期刊、中國核心期刊(遴選)數據庫收錄期刊、國家科技部中國科技核心期刊。

　　在機械加工中，大型工件往往使用龍門銑床進行加工。在龍門銑床的電氣控制系統中，系統主要控制的是工作臺的主運動和進給機構按事先安排好的時序進行動作這兩大部分[1，2]。傳統的龍門銑床電氣控制系統，它們的進給傳動是采用直流可逆調速方式，主回路、控制回路都使用繼電器-接觸器進行控制，但這種控制方式運行中有很多缺陷，首先是控制系統元器件使用多，器件間接線復雜，經常發生故障，維護成本較高。這些缺點嚴重影響了龍門銑床的銑削質量和效率[3]。為此，我們采用先進的變頻調速技術對工作臺進給機構進行改造設計。

　　1龍門銑床工作臺進給行程分析

　　龍門銑床工作臺的往復直線運動由交流電動機驅動，當工作臺前進時為加工工件過程，后退返回時不加工工件，只做返回行程。在工作臺往復運動中，對工作臺的控制主要表現在拖動系統的速度控制上[4]。其中在曲線的上半部分t1～t7段表示正行程，為銑削過程;在曲線的下半部分t7～t10段表示反行程，為返回原位置的過程。在正行程中，0～t1段為工作臺空行程起動，頻率較小;在t1～t2段，電動機驅動工作臺以恒定轉速n1運轉，此時銑頭開始切入被加工工件，切入速度的大小由被加工材料的硬度決定，此過程較快;在t2～t4段，電動機按正比加速，同時帶動工作臺銑削加速，直到穩定在工作速度n2上;在t4～t5段，為電動機制動過程，此時刀具在銑削過程中減速，直到速度降到n3;在t5～t6段，為退刀過程，此時保持速度n3使刀具離開工件，速度n3也稱為切出速度;在t6～t7段，電動機再次制動，直到工作臺空行程速度降為零。在反行程t7～t10段，電動機速度過零后再反向加速直到速度n4;在t8～t9段，工作臺以恒速n4返回;在t9～t10段，工作臺返回到原點，并且速度減小到零，準備進行下一次銑削。系統就是重復上述過程進行銑削循環的。

　　2控制系統的組成

　　銑床銑削工件時，由于走刀的速度較低，所以要求拖動系統在低速時還能保持較大的輸出轉矩。同時在刀具切入和切出工件時，系統處于起動過程和制動過程，在這個過程中，需要保證一段恒速運行階段，這就延長了工作周期。此外，在t1～t3段和t4～t7段，都存在速度變化率過大的問題，這些問題都會使系統產生速度超調、工作臺越程等不利現象[5]。而傳統的直流調速系統雖然通過改進，可以解決此類問題，但它是通過延長過渡過程的時間來解決的，這種解決方法會使系統響應變慢，從而使生產效率大大降低。

　　改進后的控制系統采用矢量變頻器與交流電動機組成的變頻調速系統取代直流調速系統，可以很好滿足系統對銑削工件時在速度超調、換向、負載轉矩方面的要求。同時使用PLC程序控制來取代銑床復雜的邏輯控制與時序控制，接線大大減少，系統可靠性增高。通過對比，選用具有矢量轉矩控制的森蘭(SENLAN)BT40變頻器，該變頻器在低頻時也具備很強的過載能力。并且其無速度傳感器的變頻器組成的系統，其調速性能經測試能與直流閉環調速系統相媲美。控制核心選用三菱FX2N系列PLC，該PLC屬于三菱小型PLC，具有很高的性價比，完全能滿足系統控制的各種加工工藝要求。

　　2.1工作臺運行控制

　　在工作臺往復周期運動中，工作臺的運行由接近塊接近開關的狀況決定[6]。SQ1～SQ4為接近開關，其通過觸點的閉合控制工作臺的運行;SQ5、SQ6為限位開關，對工作臺起限位保護。SQ1～SQ4在被工作臺撞擊后閉合，發出“1”狀態信號;在工作臺運動離開后，SQ1～SQ4的狀態由“1”狀態復位后為“0”狀態。按鈕SB1為程序起動信號，SB2為停止信號，SB3、SB4為調整工作臺的正反轉點動按鈕。變頻器的數字端子X1、X2、X3為進行頻率控制的多段速端子，通過導線與PLC的輸出繼電器Y3、Y4、Y5連接。PLC通過程序控制輸出繼電器Y3、Y4、Y5進行導通組合，這種組合一共有7種，哪么變頻器的多段速端子X1、X2、X3的導通組合也就有7種。PLC的輸出繼電器Y6、Y7與變頻器的加速、減速時間控制端X4、X5相連，控制X4、X5的導通就可以得到不同階段的上升、下降速時間。變頻器的點動控制端JOG、正向控制端FWD、反向控制端REV分別與PLC的輸出Y0、Y1、Y2相連，進行正反向、點動控制。

　　3控制系統設計

　　3.1變頻器參數設置

　　銑床電氣控制中，對變頻器的使用，主要是點動、電動機的多段速控制[7]，故變頻器參數設置相對簡單。變頻器控制參數設置，電動機參數根據實際值進行設置。

　　3.2PLC控制程序設計

　　在PLC控制程序中，按下起動按鈕SB1，外部信號驅動PLC輸入繼電器X1，驅動輔助繼電器M0，起動信號被輔助繼電器M0保存，為后面的運行做好準備[8]。程序中沒有設計工作臺自動回原點程序，是為了保證銑床的工作安全，采用手動回原點方式。在起動程序后，先通過點動將工作臺調到一端，使工作臺碰觸到接近開關SQ1，使其常開觸點處于閉合狀態，此時PLC的輸入繼電器X4被驅動，通過PLC程序驅動輸出繼電器Y2，Y2驅動變頻器FWD正傳端子，電動機正轉;同時PLC程序驅動Y3、Y6線圈得電，Y3使變頻器的多段速控制端子X1接通，變頻器輸出第1擋工作頻率10Hz;Y6使變頻器加速時間端子X4接通，使變頻器輸出頻率按第1擋加速時間10s上升到第1工作頻率，當變頻器頻率升到10Hz后，輸出繼電器Y6自動斷開，變頻器停止加速，工作臺以較低速度n1前進，銑頭開始切入工件。

　　此過程為時間段0～t2，變頻器升速中，SQ1自動復位。工作臺按第1擋工作頻率運行，觸碰到接近開關SQ2，PLC的輸入繼電器X5常閉觸點閉合，PLC程序使輸出繼電器Y3線圈失電、Y4、Y6線圈得電，這樣變頻器的多段速端子X1失電、X2接通，加速時間端子X4接通。變頻器選擇第2擋工作頻率，按第1擋加速時間加速，當變頻器頻率達到40Hz時，工作臺以選定速度n2前進，進行銑削。此過程為時間段t2～t4。銑削結束，SQ3接通，PLC的輸入繼電器X6接通，PLC程序使輸出繼電器Y4線圈失電、Y5、Y7線圈得電，這樣變頻器多段速端子X2斷開、X3、X5接通，變頻器選擇第3擋工作頻率，同時以第1降速時間較緩降至第3工作頻率15Hz，工作臺以較低速度n3正向運行，將離開刀具。此過程中，SQ3自動復位。

　　SQ4接通，PLC的輸入繼電器X7接通，PLC程序使輸出繼電器Y3、Y4、Y7線圈得電，變頻器X1、X2、X5接通，變頻器選擇第4擋工作頻率，選擇第1擋降速時間;當降速時間等于(t6～t7)的時間時，PLC程序使輸出繼電器Y1線圈得電、Y2線圈失電，變頻器FWD斷開，REV接通，電動機反轉。這時，變頻器以第1降速時間反向升至第4擋工作頻率30Hz，工作臺由低速前進轉為高速后退。返回過程中，SQ4復位。當變頻器在第4擋工作頻率30Hz運行的時間等于(t8～t9)的時間時，PLC程序使輸出繼電器Y3、Y4、Y7線圈失電，Y6線圈得電，變頻器停止輸出第4擋工作頻率，同時按第1擋加速時間減速，減速時間到，工作臺返回至SQ1動作，PLC程序使輸出繼電器Y1失電、Y2得電，斷開變頻器REV，接通變頻器FWD，工作臺前進，進入下一個循環。點動控制。如果要調整工作臺的位置，可按下正轉點動按鈕SB3或反轉點動按鈕SB4。正轉點動調整時，PLC程序使Y0、Y2線圈得電，接通變頻器JOG和FWD，工作臺正向調整;反轉點動調整時，是Y0、Y1線圈得電，接通變頻器JOG和REV，工作臺反向調整。

　　3.3系統保護

　　變頻器出現故障，變頻器的輸出繼電器觸30A、30B接通，可知PLC的輸入繼電器X13被驅動，PLC驅動報警程序，使紅色報警指示燈亮、蜂鳴器鳴叫，同時系統停止工作。工作臺連續運行時或加工零件硬度過大，電動機容易過載，此時熱保護動作，熱繼電器的常開觸點將閉合，驅動PLC的輸入繼電器X12，PLC程序接收到過保信號后，將停止整個程序運行。為了解決工作臺運行中頻繁制動產生的的“泵升電壓”，系統中增加制動單元，當變頻器“泵升電壓”升高到600V時，制動單元自動接通，使存儲在變頻器儲能電容中的電量迅速釋放，保護變頻器的安全。

　　4結束語

　　改造后的拖動系統使用PLC、變頻器進行控制，較好的實現了對交流電動機的調速控制，同時滿足了龍門銑床工作臺電力拖動控制的工藝要求。龍門銑床主運動的控制比工作臺的運動，相對簡單，也可使用同一臺PLC進行控制。改造后的拖動系統與原直流拖動系統相比，具有維護量小，修改系統程序方便，運行更可靠，大大提高了龍門銑床的工作效率。

　　參考文獻:

　　[1]向曉漢.西門子PLC高級應用實例精解[M].北京:機械工業出版社，2010.

　　[2]高銳，姜波.基于USS協議的WinCC與S7-200變頻器網絡通訊研究[J].工業控制計算機，2009，22(5):3.

　　[3]劉美俊.變頻器應用與維護技術[M].北京:中國電力出版社，2008.