龙门刨床控制系统设计

1 基于PLC、变频器的龙门刨床控制系统设计要求 一、 龙门刨床系统介绍 龙门刨床是一种广泛使用的金属切削加工机床，是具有门式框架和卧式长床身的刨床，是许多大型企业不可缺少的设备。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加工，是制造重型设备（如大型轧钢机，汽轮机，发电机，矿山设备等）不可缺少的工作母机，是用来加工各种平面、斜面、槽，更适合于加工大型而狭长的工件的机床设备（如机床的床身，箱体，导轨等），在机械加工行业里应用十分广泛。 龙门刨床主要分为机械控制和电气控制两大组成部分，生产工艺对刨床电力拖动自动控制系统的要求也越来越高，要使龙门刨床运行在最优状态主要取决于电气控制部分。 龙门刨床工作时需要控制的对象: ● 工作台的运动：工作台的人工点动运行(进\退)，自动往复循环运行及速度变换。 ● 刀架的运动：垂直刀架和左、右侧刀架的自动进给、手动快速移动 ； ● 横梁升降和夹紧等；

1. 龙门刨床的基本结构 龙门刨床主要用来加工各种平面、斜面、槽，更适合于加工大型而狭长的工件，如机床床身、横梁、立柱、导轨和箱体等。龙门刨床的结构如图9-1所示，主要由以下七个部分组成。

图1.1 龙门刨床的结构 （1）机座：是一个箱形体，上有V形和U形导轨，用于安置工作台。 （2）工作台：也叫刨台，用于安置工件。下有传动机构，可顺着床身的导轨作往复运动。 （3）立柱：用于安置横梁及刀架。 （4）横梁：用于安置垂直刀架，在切削过程中严禁动作，仅在更换工件时移动，用以调整刀架的高 2

度。 （5）垂直刀架：横梁上一般装有左右两个垂直刀架，由一台三相交流异步电动机驱动，通过机械结构切换驱动哪个刀架。垂直刀架具有自动进给和手动快速移动两种工作方式，每种工作方式下垂直刀架都具有垂直上、下，水平左、右移动四个运动方向。横梁上的刀架，可在横梁导轨上作横向进给运动，以刨削工件的水平面；刀架亦可偏转一定角度以刨削斜面。 （6）左右侧刀架：在两个立柱上还安装有可沿立柱上下移动的左、右侧刀架, 它们各自由一台三相交流异步电动机驱动，左右侧刀架具有自动进给和手动快速移动两种工作方式，每种工作方式下左右侧刀架只具能沿立柱导轨作上、下运动，以刨削垂直面，以扩大加工范围。 （7）主拖动电机：用于拖动工作台的往返运动。 龙门刨床工作台的往复运动为主运动。龙门刨床上的工件一般用压板螺栓压紧，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（快退）速度大于工作行程（切削）速度。机床工作台的驱动可用交流异步电动机+变频器的控制方式，调速范围较大，在低速时也能获得较大的驱动力。工作台既可作快速的运动，也可作慢速的进给运动， 横梁可沿立柱导轨上下升降，以调整刀具和工件的相对位置。工作台回程时能机动抬刀，以免划伤工件表面。

图1.1A 龙门刨床产品图片 2. 龙门刨床的运动及工艺、技术要求 龙门刨床的运动 主运动：机床的主运动是指工作台纵向往复运动。 龙门刨床的刨削过程是工件与刨刀作相对运动的过程。为此工件必须与工作台一起频繁地进行往复运动，工件的切削加工仅在工作行程中，返回行程是空行程。 辅助运动：指横梁的上下移动，垂直刀架沿横梁的左右移动，侧刀架在立柱上的上下运动。 各运动部分的工艺要求 （1）工作台的运动 ◆ 对工作台运动 (主运动) 的控制要求 龙门刨床工作台的主运动分为点动运行和自动循环两种方式。 ◎ 点动控制 即步进（点动前进）和步退（点动后退），调试及对刀时用，目的是调整工作台到达合适位置，以便摆放加工工件。 3

步进、步退阶段是工件加工前的准备阶段。工作台步进或步退时，挡块(见图1.2）不能压住前进换向行程开关BG2或后退换向行程计关BG4，如果压住它们，应松开档块，调整挡块位置，使挡块处于这两个行程开关之间。 在工作台步进、步退阶段，首先要求油泵先起动，油压升到设定值时，油压继电器动作，另外要求风机和变频器运转正常。满足以上条件时，按下工作台步进或步退按钮，可以使工作台点动前进（或点动后退）；当工作台到达需要的位置时，松开该按钮，工作台即停止运动。步进与步退必须互锁。 “步进”或“步退”是为了调整机床工作台的位置，只能点动控制，此时主运动多采用较低的速度。 ◎ 工作台自动循环往返运动 工作台自动循环往返运动是对工件进行加工的过程。 在 B2012A型龙门刨床的床身上装有6个行程开关。前进减速BG1、前进换向BG2、后退减速BG3、后退换向BG4、 前进终端保护限位BG5、后退终端保护限位BG6。工作台侧面装有A、B、C、D 4个撞块，如图1.2所示，减速与换向行程开关的工作情况如表1-1 所示。

图1.2 行程开关布置示意图 当横梁已经夹紧，风机和油泵已经工作，并且机床润滑油供给情况正常（油压升到设定值时，油压继电器动作），变频器处于正常状态时，工作台自动往返工作将处于准备状态。 龙门刨床在刨削加工时；工作台应能自动往复运动（见图1.2），往复运动中的速度能按照下列要求相应变化： ◎ 开始加工前，工作台处于原位，此时撞块C压合限位BG3（BG3动作），撞块D压合限位BG4（BG4动作）；BG1和BG2没有被压合，两限位开关处于复位状态。 ◎ 刀具慢速切入：加工开始时，为减小刀具切入工件时的冲击而使工件边沿崩溃，工作台应降低速度使刀具慢速切入；慢速切入期间（t1段），撞块D先离开限位BG4（BG4复位），工作台低速前进一段后，撞块C离开限位BG3（BG3复位）。 ◎ 刨削加工恒速：刀具切入工件后，工作台速度开始上升，增加到规定值，并保持恒定（t2段），使 4

得工件表面均匀光滑；t2段四个限位开关都没有压合。 ◎ 刀具慢速退出：在刀具离开工件之前，为防止工件边缘剥裂，工作台速度应降低，使刀具慢速切出，也可减小工作台对机械的冲击；当工作台前进到撞块A压合限位BG1（BG1动作）时，工作台开始减速（t3段）。 ◎ 工作台前进换向：当切削完毕，工作台到达前进结束位置时，刀具离开工件，撞块B压合限位BG2（BG2动作,此时BG1仍保持压合），工作台停止前进，开始换向。在返回之前，必须“抬刀’，以免刨刀在返回过程中在工件上留下划痕，影响光洁度，抬刀动作由抬刀电磁铁来完成。 ◎ 快速返回和缓冲过渡过程：由于返回行程比工作行程速度高，为减小反向冲击和停车的超程，也要求在返回行程的末尾先减速，然后停车再换向，这样既准确又可以减少对机械和电机的冲击。 其速度曲线如图1.3 所示。 工作台开始回退时，撞块B离开限位BG2（BG2复位，BG1仍保持压合），工作台高速回退，退一小段后撞块A离开限位BG1（BG1复位），工作台继续高速回退。 当工作台回退到接近原位时撞块C压合限位BG3（BG3动作）时，工作台开始减速回退。 当工作台又回退到原位时，撞块D压合限位BG4（BG4动作，BG3仍保持压合）时，工作台回退到原位，停止或开始换向。

图1.3 龙门刨床工作台自动运行图 在自动循环工作方式下（切削过程中），在工作台由返回行程转到工作行程的期间，刀架会进行一定量的进给。 由于工作台直线往返运动，经常处在速度变化和反向的过度状态，为提高机床生产效率和防止刨台“脱轨”，要求系统的过渡过程时间要短，而且传动要平稳。 限位开关BG5是工作台前进超限保护限位开关，限位开关BG6是工作台后退超限保护限位开关，正常情况下限位开关BG5、BG6处于复位状态，只有换向限位BG2、BG4失效（故障）时，工作台超出换向限位位置时，才会被压合，作用是切断电路，使工作台停下来。 工作台停止时有制动，防止“爬行”； 四个限位开关的通断规律见表1-1。由表1-l可知，工作台停在返回行程终了位置时，BG1-b、BG2-b、BG3-a 和BG4-a触点是闭合的，BG1-a、BG2-a、BG3-b和BG4-b触点是断开的。此时，若按下起动按钮，刨床工作台将按图1.3所示的规律运行，即正向起动慢速切入→工作进程→慢速退出→反向起动并快速退回→反向减速。 5

◆ 主运动的调速范围 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。 B2012A/型龙门刨床的主电动机工作台前进（切削工件）时的最大转速约500 r／min（33.33Hz），工作台后退时的最大转速为700 r／min（46.67Hz）。慢速切入时的最低速度为50 rpm／min（3.33Hz）。即调速范围为14：l，见表1-5。 ◆ 主运动的静差度 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。B2012A型龙门刨床要求的直线度为S＝0.015。

（2）龙门刨床的刀架结构、运动控制及进刀量的控制 ◆ 对刀架运动的基本要求 龙门刨床装有左侧刀架、右侧刀架和横梁上的左、右垂直刀架；它们分别由三台交流异步电动机来拖动（如图中MA5、MA6、MA7）。刀架的控制电路用于控制刀架的快速移动与自动进给。 刀架具有自动进给和快速移动两种控制方式。刀架的快速移动 / 自动进给方式选择是由进刀箱上的机械手柄的位置来决定。机械手柄的位置与限位开关的关系及刀架控制要求如下： ● 垂直刀架快速移动/自动进给切换的机械手柄打向： 选择快速移动时：行程开关BG21释放，常闭触点闭合，常开触点断开； 选择自动进给时：行程开关BG21压合，常开触点闭合，常闭触点断开； ● 垂直刀架在每种工作方式下（快速移动/自动进给）都有水平左右进刀、垂直上下进刀四个方向的动作，这些都是由一台垂直刀架电动机MA5来完成的。 ★ 垂直刀架快速移动时，电动机只能正转，快速移动正反方向是靠装在进刀架侧面的进刀手柄（选择快进、快退）来控制，即由机械部分实现方向切换。