1 引言

　　某廠的B2025龍門刨是七十年代初由武漢重型機(jī)床廠生產(chǎn)，其控制系統(tǒng)是傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，工作臺前進(jìn)、后退、升速、減速及超程保護(hù)等重要位置采用的是有觸點(diǎn)的行程開關(guān)，它們動作頻繁，觸點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)粘連，或閉合不好，導(dǎo)致工作臺工作故障，維修工作量大，影響生產(chǎn);同時，機(jī)床的主拖動系統(tǒng)采用直流發(fā)電機(jī)-直流電動機(jī)拖動系統(tǒng)，調(diào)速系統(tǒng)采用半導(dǎo)體分離元件，以及接插件結(jié)構(gòu)，不僅噪聲大，浪費(fèi)能源，而且在經(jīng)過近三十年的使用后，整個系統(tǒng)已經(jīng)嚴(yán)重老化，在低速段已嚴(yán)重不能達(dá)到加工要求，有時候甚至?xí)霈F(xiàn)爬行現(xiàn)象，調(diào)速性能極不穩(wěn)定。為了充分利用機(jī)床仍然良好的機(jī)械精度以及完好的大功率直流電機(jī)，有必要利用現(xiàn)代控制技術(shù)和電力電子技術(shù)對機(jī)床的控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。

2 系統(tǒng)需求分析

　　進(jìn)行機(jī)床改造的總體設(shè)計(jì)時，需要考慮到控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。本機(jī)床的動作控制絕大部分屬于邏輯控制，因此選擇可編程序控制器來完成機(jī)床的動作控制。由于原機(jī)床的直流電機(jī)功率為60KW，成本較高，而且仍然完好，所以工作臺仍然采用原直流電機(jī)驅(qū)動;而直流驅(qū)動部分涉及到調(diào)速需要，一方面在正常加工時工作臺的正、反向運(yùn)行速度需要根據(jù)工作臺的位置自動調(diào)整，另一方面工作臺的切削運(yùn)動速度又要根據(jù)切削用量進(jìn)行調(diào)整。結(jié)合工廠的實(shí)際情況，本機(jī)床只用于粗加工，因此，不同的速度需求主要是工作臺往返工作造成的，而對具體的速度值的精度要求并不高，因此驅(qū)動系統(tǒng)選擇歐陸590系列全數(shù)字直流驅(qū)動器594。

3 硬件組成

　　3.1 硬件系統(tǒng)方案

　　根據(jù)系統(tǒng)需求分析，確定出整個控制、調(diào)速系統(tǒng)的硬件方案如圖1所示。

　　懸掛操作站主要提供工作臺前進(jìn)起動、工作臺后退起動、工作臺步進(jìn)前進(jìn)、工作步進(jìn)后退、橫梁上升、橫梁下降、垂直刀架快進(jìn)、左側(cè)刀架快進(jìn)、右側(cè)刀架快進(jìn)和急停等信號。

　　控制柜按鈕主要提供工作模式選擇、工作刀架選擇、594使能、594使能停止、程序停車、停車和急停等信號。

　　各種行程開關(guān)包括工作臺前進(jìn)、后退中減速和換向接近開關(guān)、各刀架抬落刀行程開關(guān)、各刀架進(jìn)刀行程開關(guān)和橫梁放松行程開關(guān)。

　　各類保護(hù)信號包括各刀架抬落刀電機(jī)的熱保護(hù)、各進(jìn)給電機(jī)熱保護(hù)、橫梁松緊電機(jī)的過流保護(hù)、通風(fēng)電機(jī)的熱保護(hù)、左右垂直刀架的位置保護(hù)橫梁上下位置的保護(hù)、左右側(cè)刀架的位置保護(hù)等信號。

　　速度給定電路由電位器調(diào)節(jié)輸出電壓，由PLC選擇速度給定電路的輸出電壓，將此電壓信號傳送給594，從而控制工作臺直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)工作臺的調(diào)速和換向要求。

圖1 控制系統(tǒng)硬件組成方案

　　3.2 硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的輸入輸出全部是數(shù)字量，其中，數(shù)字量輸入點(diǎn)總計(jì)66個，數(shù)字量輸出點(diǎn)總計(jì)37個，因此選擇西門子PLC CPU224（AC/DC/繼電器）為主機(jī)，并擴(kuò)展5個數(shù)字量擴(kuò)展模塊，它們分別是一個EM223（16DI/16DO，繼電器輸出）、一個EM223（16DI/16DO 晶體管輸出）、三個EM221（8DI）。

　　速度控制電路如圖2所示。直流驅(qū)動器594的B3為+10V參考電壓端子，B4為-10V參考電壓端子，A1為0V參考電壓端子，A4為速度給定電壓端子，R1～R8為可調(diào)電位器。B3與0V參考電壓端子之間可以有四條回路：從B3端分別經(jīng)R5、R6、R7、R8，然后到A1，這四條回路中每接通一條回路，速度給定電壓端子A4就從相應(yīng)的電位器上取得相應(yīng)的電壓，從而實(shí)現(xiàn)給定一定的速度，A4從這四條回路取得的電壓為正電壓，此時電動機(jī)正轉(zhuǎn)，驅(qū)動工作臺前進(jìn)。同理A4從B4與A1之間所形成的回路取得四種負(fù)電壓，從而實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的反轉(zhuǎn)，驅(qū)動工作臺后退。

圖2 速度給定電路

4 軟件設(shè)計(jì)

　　按照機(jī)床的工作要求，同時考慮到盡量符合改造前操作人員的操作習(xí)慣，設(shè)置了自動工作模式和手動工作模式。

　　手動工作模式下能夠完成垂直刀架快速進(jìn)給、左側(cè)刀架快速進(jìn)給、右側(cè)刀架快速進(jìn)給、橫梁升降控制、工作臺步進(jìn)前進(jìn)和工作臺步進(jìn)后退等動作。

　　4.1 橫梁升降控制

　　橫梁升、降的前提是橫梁處于松開狀態(tài);橫梁下降到指定位置后，一方面要保證橫梁保持水平，另一方面要盡快制動橫梁的下降運(yùn)動，設(shè)計(jì)中使橫梁有短暫的上升動作來達(dá)到要求;橫梁上升或下降完畢后還需要讓橫梁夾緊。圖3給出了橫梁升降控制PLC梯形圖。

圖3 橫梁升降控制程序段

　　圖3中Network 4程序段完成橫梁的下降控制，當(dāng)按住橫梁下降按鈕（I0.1），橫梁開始放松（Q0.2），放松完畢，放松限位開關(guān)（I0.2、I0.3）接通下降回路，橫梁開始下降（Q0.1）;橫梁下降到位，松開下降按鈕（I0.1），其常閉觸點(diǎn)接通，取其上升沿接通橫梁上升（Q0.0）回路并自保持，同時計(jì)時器T37開始計(jì)時，計(jì)時時間到，橫梁上升結(jié)束。其它輸入輸出有橫梁上升按鈕I0.0、橫梁夾緊電流繼電器I0.4、橫梁上升限位開關(guān)I0.5、左側(cè)刀架與橫梁互碰限位開關(guān)I0.6、右側(cè)刀架與橫梁互碰限位開關(guān)I0.7、橫梁夾緊接觸器Q0.3。

　　4.2 刀架進(jìn)給、制動控制

　　在自動工作模式下，需要進(jìn)行刀架的進(jìn)給、制動控制。為了檢測進(jìn)給電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，將進(jìn)給電機(jī)的轉(zhuǎn)動信號通過凸輪機(jī)構(gòu)傳遞給行程開關(guān)。通過控制進(jìn)給電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到控制進(jìn)給量的目的;進(jìn)給電機(jī)每轉(zhuǎn)代表的進(jìn)給量是通過調(diào)整進(jìn)給箱的傳動比實(shí)現(xiàn)。圖5所示為自動工作模式下右側(cè)刀架的自動進(jìn)給控制梯形圖。

圖5 右側(cè)刀架進(jìn)給程序段

　　右側(cè)刀架被選中（I3.4）工作的情況下，若進(jìn)給電機(jī)過載保護(hù)繼電器（I3.5）沒有動作且自動進(jìn)刀選擇開關(guān)（I3.2）接通，同時右側(cè)刀架處于正常位置，即右側(cè)刀架與橫梁互碰限位開關(guān)（I3.1）右側(cè)刀架下限位開關(guān)（I3.0）未受壓，則進(jìn)行進(jìn)給動作（Q2.4）;進(jìn)給電機(jī)轉(zhuǎn)動時，右側(cè)刀架進(jìn)給檢測行程開關(guān)（I3.3）從接通到斷開到再接通，利用其上升沿通過計(jì)數(shù)器（C3）進(jìn)行計(jì)數(shù);當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到預(yù)置值，進(jìn)給完成，停止進(jìn)給電機(jī)。另一方面，利用計(jì)數(shù)器的上升沿啟動電容制動回路（Q2.5）并開始計(jì)時器（T44），計(jì)時時間到，斷開電磁制動回路，從而完成進(jìn)給過程。左側(cè)刀架、垂直刀架的進(jìn)給、制動與此類似。

　　通過撥碼開關(guān)可以設(shè)定每次進(jìn)給時進(jìn)給電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)（限制在1～4的范圍內(nèi)），并將設(shè)定值存儲在VW4中，從而達(dá)到調(diào)整進(jìn)刀量的目的。

5 結(jié)束語

　　本機(jī)床經(jīng)改造后一年多的運(yùn)行情況證明，采用PLC和歐陸594對機(jī)床進(jìn)行改造后，既沒有改變操作人員的操作習(xí)慣，又增強(qiáng)了進(jìn)給控制功能，同時提高了控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。本項(xiàng)目實(shí)施后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益150萬元。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：利用PLC設(shè)計(jì)了方便、實(shí)用的速度給定電路，與采用操作員面板設(shè)定速度、利用通訊功能設(shè)定速度相比，成本低廉，適用于對速度精度要求不高的普通機(jī)床。

（轉(zhuǎn)載）