利用PLC对龙门刨床的改造设计.docx
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利用PLC对龙门刨床的改造设计
本科毕业设计说明书
利用PLC对龙门刨床的改造设计
USEOFPLCINLONGMENPLEBERRECONSTRUCTIONDESIGN
学院(部):
专业班级:
学生姓名:
指导教师:
2011年06月11日
利用PLC对龙门刨床的改造设计
摘要
龙门刨床主要用来加工大型工件的各种平面、斜面、凹槽等,特别适应于加工大型的、狭长的机械零件,是常见的大型机械加工设备。
传统的龙门刨床的主拖动采用电机扩大机-发电机-电动机(A-G-M)调速系统,电控部分采用继电器逻辑控制,线路复杂,故障率高,检修、维修困难。
本论文根据龙门刨床的工艺对控制系统的要求,对电气控制系统进行总体的设计。
主拖动采用调速范围宽、节能效果显著的变频器,用PLC取代传统继电器控制方式,实现开关量逻辑控制和变频电动机的转速控制,充分发挥PLC可靠性高、功耗低、维修方便等优势,对龙门刨床进行电气改造,以达到投资小、改造周期短、降低能量损耗等目的,弥补继电器控制方式的不足和缺点,以提高龙门刨床的生产效率,满足加工工艺的要求。
通过对龙门刨床进行PLC电气改造设计,大大提高了刨床的效率和加工精度,加强了刨床的可靠性和稳定性。
关键词:
可编程序控制器,龙门刨床,变频器,电气改造
USEOFPLCINLONGMENPLEBERRECONSTRUCTIONDESIGN
ABSTRACT
Doublehousingplanerisacommonhugemachinetool,whichmainlyusedinprocessinghugeworkpieces,variousplane,bevelface,notch,etc,especiallyadaptstoprocesshugeandlongandnarrowmachinesparepart.Themaindriveofthetraditionalplanerutilizesamplidynegeneratorelectromotordrivewhichisnoisy,energy-consumingroom-taking.Relaylogiccontrolisusedintraditionalplaner,anditscircuitryiscomplicated,sothemalfunctionrateishigh,anditisdifficulttofindoutthemalfunction.
Thedissertationdesignsanoutlineoftheelectriccontrolsystembasedontherequirementofthetechnologyofplanerforthecontrolsystem.Themaindriveoftheplaner’sconverter,forithasawidespeedregulationrangeandwelleffectinsavingenergy.TheplanerutilizesPLCinsteadofthetraditionalrelaycontrollingwaytoachievethelogicalcontrol,andtocontrolthespeedofconvertermotor.GivingfullplaytoPLCabilityoftheadvantageofhighreliability,lowenergyconsumptionandconvenientmaintenance.Transformingelectricoftheplanertoachievesmallinvestment,shorttransformationcycleandreducedenergyconsumption,makeupthedisadvantageandweaknessofrelaycontrollingwaytoimproveproductivityoftheplaner,andtosactisfytheneedofprocessingworkpieces.
AftertheelectricalrebuildingandimprovementwithPLCofframeplaner,theefficiencyandprocessingaccuracyaregreatlyimprovedandthereliabilityandstabilityoftheplanerisenhanced.
KEYWARDS:
PLC,Frameplaner,FrequencyConverter,Electricalrebuilding
1绪论
1.1课题的研究背景及意义
随着工业科技的飞速发展,数控技术的发展在一定程度上代表了一个国家先进的科学技术水平。
就目前而言,我国是世界上机床产量最多的国家,虽然我国科技水平在世界上稍有一席之地,但生产的数控机床的产品竞争力在国际市场中任处于较低的水平,生产的普通数控机床比重大,生产效率低,大部分采用继电器控制,存在着易故障,难检修等弊端,对加工业的发展有很大的制约和限制性。
随着计算机技术的高速发展,推动了工业科技发展的步伐,给机械制造业带来根本性的变化。
近几年来,我国在普通机床改造方面取得了很大的成就,普通机床的控制系统逐步被PLC控制的高效率,高精度的数控机床所代替,产生了巨大的生产力,然而在机械加工制造中被广泛使用的用来加工大型工件的设备—龙门刨床的改造却少之又少,在一定程度上影响着制造业的发展。
1.2课题的提出
传统龙门刨床的电气控制系统控制逻辑采用硬件接线,利用继电器机械触点的串联或并联等组成控制逻辑,其连线多而复杂,体积大,功耗大,其改造或增加功能较为困难,而且继电器控制系统依靠机械触点的动作实现控制,工作频率低,机械触点还会出现抖动问题,很大程度上提高了故障发生率,且由于使用大量的机械触点,存在机械磨损、电弧烧伤等问题,寿命短,系统的大量连线使得机床的可靠性和可维护性较差。
本设计提出通过采用PLC对其传统的龙门刨床进行电气改造改造是因为PLC很容易实现比较复杂的控制逻辑,与其传统的继电器实现同样的功能则需要大量的控制继电器,在同种要求下,PLC可省去大量的控制继电器,节能降耗,降低运行成本,且改变工艺控制简便易行,而且PLC是无触点电路,反应快、噪音小、寿命长等优点,在实现同样功能的基础上还可以弥补继电器逻辑控制的不足,可以大大提高机床的工作效率,完全可以达到预期电气改造的目的。
1.3PLC与继电器控制系统的比较
在PLC出现以前,继电器硬件接线电路是逻辑、顺序控制的唯一执行者,它结构简单、价格低廉,一直被广泛应用。
PLC出现之后,在几乎所有方面都大大超过了继电器控制,两者的性能比较如表1-1所示。
表1-1PLC与继电器控制系统的比较
比较项目
继电器控制
PLC
控制逻辑
硬件接线多,体积大,连线复杂
软件逻辑,体积小,接线少,控制灵活
续表1-1
控制速度
通过触电开关实现控制,动作速度受继电器硬件限制,一般十几毫秒
由半导体电路实现控制,指令执行时间短,一般为微秒级
定时控制
由时间继电器控制,精度差
由集成电路实现,精度高
设计与实施
设计、施工、调试必须按照顺序进行,周期长
系统设计完成后,施工与程序设计同时进行,周期短
可靠性与维护性
继电器触点寿命短,可靠性与维护性差
无触点,寿命长,可靠性高,有自诊断功能
价格
使用继电器、接触器等元件,价格低
使用大规模集成电路,价格高
1.4龙门刨床控制系统的发展
龙门刨床是一种广泛使用的金属切削加工机床,是许多大型企业不可缺少的设备。
龙门刨床的电气系统由主拖动和控制系统两部份组成。
主拖动系统可以概括为4类:
JF-D调速系统、晶闸管-直流电动机(SCR-D)模拟直流调速系统、全数字直流调速系统和交流变频调速系统。
控制系统有继电器逻辑控制系统或继电器与PLC结合的控制系统。
JF-D调速系统是上世纪60年代在龙门刨床上广泛使用的调速系统,目前该系统在国有大中型企业仍然占有相当大的比重。
JF-D主要由直流发电机、直流电动机和交磁放大机组成。
其工作原理为:
通过交磁放大机控制直流发电机的励磁电压,后者控制直流发电机的输出电压,从而控制直流电动机的电枢电压,最终控制直流电动机的转速。
另外还有二台交流电动机和一台直流发电机为该系统服务,大的交流电动机是直流发电机的原动机,小的交流电动机是交磁放大机的原动机,直流发电机为直流电动机的励磁绕组提供励磁电压。
目前,JF-D型的龙门刨床的电气系统存在下列问题:
1)调速系统占地面积大,噪音大;
2)耗电量大,效率低;
3)惯性大,调速系统动态及静态性能均不理想;
4)故障率高,可靠性差,维护检修工作量大;
5)设备严重老化;
6)电气系统的连线多,判明故障性质和查找故障困难,查找故障的时间较长;
7)工作台频繁地来回运动,继电器和接触器的触点容易损坏或接触不良。
上世纪80年代初,许多企业对龙门刨床进行电气改造时,用晶闸管-直流电动机(SCR-D)模拟直流调速系统取代JF-D调速系统。
代表产品是1980年襄樊机床厂设计的SCR模拟直流调速系统。
该系统大大缩小了占地面积,减少了噪音,而且节省能源,效率高,使调速系统的动态和静态品质得到很大改善。
目前,该系统存在下列问题:
1)PID控制电路由分立元件组成,元件参数容易发生变化,使系统静态和动态性能恶化。
2)众多功能单元之间接插件多,接插件的触点容易出现接触不良的故障,影响了系统的可靠性。
3)维护和检修难度大。
1990年左右,随着半导体和计算机技术的不断发展和完善,工业先进国家研制出成套的全数字晶闸管直流调速装置,并成功地应用在工业实践中,其代表产品有西门子的6RA27和英国的MENTOR-II。
晶闸管全数字直流调速系统具有以下特点:
1)采用微处理器控制,为适应各行各业的需要,设置了用户菜单供用户使用,通用性强;
2)各种参数的写入、修改由触摸式按钮实现,既简单实用,又灵活方便;
3)具有自动定相功能;
4)具有电流环自整定功能;
5)具有完善的过流、过压、欠磁、缺相、超速等保护功能。
我国从1996年左右将全数字直流调速系统和PLC成功地应用于龙门刨床电气系统。
该系统具有如下特点:
1)由于用CPU取代多个模拟单元,系统的接线极少,维护方便,可靠性高;
2)电流环的自整定功能保证电流环总是工作在最佳状态,系统的动态和静态性能优良;
3)系统具有自适应功能,保证了切削加工的要求;
4)系统具有“软换向”功能,大大地减轻了换向时的机械冲击,延长了机械设备的使用寿命;
5)数据窗口实时显示龙门刨床运行中的特征参数,为操作和维护人员了解刨床的工作状况提供了极大的方便;
6)用工作可靠、编程灵活方便的PLC取代原系统众多的中间继电器和时间继电器,因此能准确无误地指挥全数字直流调速系统工作,大大地提高了加工质量和工作效率。
目前,全数字直流调速系统存在的问题是低速性能不好,所有的电气参数均是英文显示,对电气维护人员的技术水平要求很高。
1996左右,由于变频器性能的不断完善和推广,人们通过变频器在风机和水泵上使用所积累的经验,尝试将变频器运用于拖动系统。
许多企业和大学研究院联合试制,将PLC和变频器成功地应用于龙门刨床,使龙门刨床的电气性能和各项技术指标都得到了极大的改善。
例如大连机车车辆厂用变频技术和PLC改造的龙门刨床的机械特性好、调速范围宽,节能效果显著,能够满足各种工艺要求。
该系统的另一大优点是变频器的故障代码显示为排除故障提供了大量的信息,大大缩短了故障排除时间。
变频调速系统应用于龙门刨床的缺点是低速开环运行时机械特性较软,对维护人员的水平要求较高。
1.5论文的主要工作
1)对龙门刨床的电气控制系统进行总体方案设计;
2)进行PLC和变频器的选型及设计外部接线;
3)根据龙门刨床的工艺流程设计工作台、刀架、横梁的运行及控制梯形图;
4)进行调试和验证设计改造的控制系统的可行性。
2龙门刨床的结构及电气分析
2.1刨床的作用及分类
刨床是用刨刀对加工工件的平面、沟槽或成形表面进行刨削的机床。
用刨床刨削窄长表面时具有较高的效益,它适用于中小批量生产和维修车间。
刨床主要有牛头刨床、龙门刨床和单臂刨床。
本课题所改造的龙门刨床与牛头刨床相比,从结构上看,其体积大,结构复杂,刚性好;从机床运动上看,牛头刨床时由滑枕带着刀架作直线往复运动,而龙门刨床则是刀架不动,工作台作直线往复运动,二者恰好相反。
2.2龙门刨床的结构
龙门刨床主要用于刨削大型工件,也可在工作台上装夹多个零件同时工作,如图2-1所示。
它主要由床身、工作台、立柱、横梁、左右侧及垂直刀架组成,其横梁和立柱组成龙门式框架结构,所以称为龙门刨床。
龙门刨床的工作台带着工件通过门式框架作直线往复运动,空行程速度大于工作行程速度。
横梁上装有两个垂直刀架,刀架滑座可在垂直面内回转一个角度,并可沿横梁作横向进给运动,横梁也可在两立柱上作上下调整,一般在两个立柱上还安装有可沿立柱上下移动的侧刀架,以扩大加工范围。
工作台回程时刀架可机动抬到,以免滑伤工作表面。
机床工作台的驱动可用发电机-电动机组或可控硅直流调速方式,调速范围较大,在低速时也能获得较大的驱动力。
从整体上看,工作加工过程较为简单。
2.3龙门刨床的加工工艺特点
龙门刨床主要用来加工大型工件的各种平面、斜面、槽,特别适宜于加工大型的、狭长的机械零件,但加工精度要求不高,且机械加工制造业中广泛使用的大型工件加工设备。
其加工工艺特点是:
被加工的工件固定在工作台上,工件连同工作台频繁地进行往复运动,工件地切削加工仅在工作进程内进行,而返回进程只作空运转。
刀架地进给运动是在工作台于返回行程到工作行程地换向期间内进行的,故龙门刨床的主运动是工件连同工作台的纵向往复,辅助运动是刀架的进给,抬刀、落刀和快速移动,横梁的夹紧、放松和升降,以及工作台的步进、步退等辅助动作。
2.4龙门刨床的工艺流程对控制系统的要求
1)调速范围
加工不同的工件需要使用不同的刀具,要求机床具有不同的速度,以满足生产工艺的要求。
JF-D调速系统的速度范围为100~1000
,即调速范围为10:
1,有磨削功能的JF-D调速系统的速度范围为25~1000
,即调速范围为40:
1,实际上工作台最高转速为600~700
,最低速度为50
。
2)静差度
实际加工过程中由于工件表面不平及材料的不均匀性,将会导致刨削力的波动,为保证工作台速度不致因负载波动而变化太大,因此对系统的静差度有一定的要求。
一般要求S=0.1~0.05,即S=10%~5%。
3)工作台的自动循环往返运动
龙门刨床对电力拖动的技术要求-龙门刨床是频繁往复运动的生产机械,它的工作方式为循环方式。
前进进程是切削行程,后退不作切削,只让工作台为下一步切削做准备,工作台运动示意图如图2-2所示。
4)刀架的移动、进刀、退刀和抬刀要与工作台的运动有机地配合,在调节时刀架应能快速移动。
5)设置必要的连锁
为保证刨床的各部位动作协调、工作安全可靠,避免因机床的误动作而引起人身事故,机床必须设置必要的连锁装置。
例如在工作台越位、横梁或刀架快速移动时,连锁功能应能使工作台停止运动。
本设计将根据龙刨床加工工艺的特点,以及控制系统所具备的要求,运用所学的电气控制方面的专业知识,采用PLC对龙门床传统的控制系统进行简单的改造,以达到投资小、改造周期短、节能降耗等目的,弥补继电器控制的不足,充分发挥PLC的优势,以提高龙门刨床的生产效率。
3可编程控制器(PLC)相关知识的概述
3.1PLC的产生和特点及其应用方向
3.1.1PLC的发展史
可编程序控制器(ProgrammableLogicController),简称PLC,是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。
20世纪60年代末期,美国汽车制造工业竞争激烈,为了适应生产工艺不断更新的需要,在1968年美国通用汽车公司(GM)首先公开招标,对控制系统提出的具体要求基本为:
a)它的继电控制系统设计周期短,更改容易,接线简单成本低。
b)它能把计算机的功能和继电器控制系统结合起来。
但编程要比计算机简单易学、操作方便。
c)系统通用性强。
1969年美国数字设备公司(DEC)根据上述要求,研制出世界上第一台PLC,并在GM公司汽车生产线上首次试用成功,实现了生产的自动化。
其后日本、德国等相继引入,可编程序控制器迅速发展起来,但是主要应用于顺序控制,只能进行逻辑运算,故称为可编程逻辑控制器,简称PLC。
其定义:
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
随着电子技术和计算机技术的迅猛发展,PLC的功能也越来越强大,更多地具有计算机的功能,所以又简称PC(PROGRAMMABLECONTROLLER),但是为了不和PERSONALCOMPUTER混淆,仍习惯称为PLC。
目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展,并且现今已出现SOFTPLC,更是PLC领域无限的发展前景。
3.1.2可编程序控制器的功能特点
可编程序控制器是属于存储程序控制的一种装置,其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实现的,若要对控制功能作修改,在很大程度上只须改变软件指令即可,使得硬件软件化。
因此它在工业控制中的地位越来越高,占有极其重要的地位,最重要的原因是它具有如下独特的特点:
1)可靠性高
PLC是专门为工业控制设计的,在设计和制造过程中采取了多层次抗干扰、精选元件的措施,可在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作,运行的稳定性和可靠性较高。
PLC是以集成电路为基本单元的电子设备,内部处理不依赖于接点,元件的寿命长,平均无故障工作时间高。
2)编程简单易学
PLC的最大特点之一,就是采用易学易懂的梯形图语言,它是以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型,形成一套独具风格的以继电器梯形图为基础的形象编程语言。
方便电气人员在了解PLC工作原理和它的编程技术后,就可迅速地结合实际需要进行应用设计,进而将PLC用于实际控制系统中。
3)通用性强,使用方便
由于PLC自身硬件特点,用户在进行控制系统的设计时,不需要自己设计和制作硬件装置,只需要根据控制要求进行模块的配置;用户所作的工作只是设计满足控制对象的控制要求的应用程序。
对于一个控制系统,当控制要求改变时,只需修改程序,就能变更控制功能;与外围设备的连接方便,通讯协议标准。
4)系统设计周期短
由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配置适当的模块,而不要设计具体的接口电路,同时软件设计和外围电路设计可以同时进行,这样大大缩短了整个系统设计的时间,加快了系统的设计周期。
5)对生产工艺改变适应性强
其控制功能是通过软件编程来实现的,当生产工艺改变时,在很大程度上只需改变用户程序,这对现代化的小批量、多品种产品的生产尤其适合;现今PLC已经朝着嵌入式系统发展,将进入日常生活中。
6)安装简单、调试方便、维护工作量小
PLC控制系统的安装接线工作量比继电器控制系统少得多,只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O口相连。
PLC软件设计和调试大部分可以在实验室模拟进行,模拟调试好后再将PLC控制系统进行现场联机调试,方便省时。
其本身可靠性高,有完善的自诊断能力和系统监控能力,方便迅速故障查明和排除,维护的工作效率高。
7)适应工业环境
PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作,能在强电磁干扰环境下可靠工作。
这是PLC产品的市场生存价值。
3.2可编程控制器的结构及基本原理
PLC由于其自身的特点,在工业生产的各个领域得到了愈来愈广泛的应用。
而作为PLC的用户,要正确地应用PLC去完成各种不同的控制任务,首先应了解其组成结构和工作原理。
3.2.1PLC的基本结构
可编程序控制器实施控制,其实质就是按一定算法进行输入输出变换,并将这个变换与以物理实现。
输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点,同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处,其需要考虑实际控制的需要,应能排除干扰信号适应于工业现场,输出应放大到工业控制的水平,能为实际控制系统方便使用,所以PLC采用了典型的计算机结构,主要是由微处理器(CPU)、存储器(RAM/ROM)、输入输出接口(I/O)电路、通信接口及电源组成。
PLC的基本结构如下图所示:
1)中央处理单元(CPU)
中央处理单元(CPU)是PLC的控制核心。
它按照PLC系统程序赋予的功能:
a)接收并存储从用户程序和数据;b)检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时,首先它以扫描的方式采集现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象寄存区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算并将结果送入I/O映象寄存区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映象寄存区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性,近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统,或采用三CPU的表决式系统。
这样,即使某个CPU出现故障,整个系统仍能正常运行。
2)存储器
可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。
存放系统软件(包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序)的存储器称为系统程序存储器;存放用户程序(用户程序存和数据)的存储器称为用户程序存储器,所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。
PLC常用的存储器类型:
a)RAM(RandomAssessMemory)这是一种读/写存储器(随机存储器),其存取速度最快,由锂电池支持。
b)EPROM(ErasableProgrammableReadOnlyMemory)这是一种可擦除的只读存储器。
在断电情况下,存储器内的所有内容保持不变。
(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。
c)EEPROM(ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory)这是一种电可擦除的只读存储器。
使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。
3)输入接口电路
输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种,在我们实习室涉及到的信号当中,开关量最普遍,也是实验条件所限,在次我们主要介绍开关量接口电路。
可编程序控制器优点之一是抗干扰能力强。
这也是其I/O设计的优点之处,经过了电气隔离后,信号才送入CPU执行的,
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