1  引言
某廠A1024A單臂四米龍門刨床，其電氣系統(tǒng)由主拖動和控制系統(tǒng)兩部分組成。電氣主拖動系統(tǒng)是JF-D直流調(diào)速系統(tǒng)，電控部分采用繼電邏輯控制系統(tǒng)。因已運行了三十多年，電氣系統(tǒng)存在著嚴重的老化現(xiàn)象，設(shè)備精度降低，調(diào)速性差，故障率高且繼電邏輯控制系統(tǒng)線路復雜，查找故障必須按照一定的步驟和順序進行，設(shè)備發(fā)生故障的次數(shù)和處理故障的時間也越來越長。
因此，采用PLC對A1024A龍門刨床進行數(shù)控改造，提高其加工精度，延長其工作壽命，并滿足客戶對產(chǎn)品技術(shù)性能指標的要求，不失為一種投入少，見效快的解決辦法。
l數(shù)控改造方案
1.1龍門刨床的工藝流程對控制系統(tǒng)的要求
1.1.1  調(diào)速范圍
JF-D調(diào)速系統(tǒng)的速度范圍為100～1 000 rpm／min，即調(diào)速范圍為10：1；有磨削功能的JF-D調(diào)速系統(tǒng)的速度范圍為25～1 000 rpm／min，即調(diào)速范圍為40：1。
1.1.2  靜差度
一般要求S=0.1～0.05，即S=10％～5％。
1.1.3  工作臺的自動循環(huán)往返運動
刨削加工時，工作臺應(yīng)能自動往復運動。
1.2龍門刨床電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
1.2.1  系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
目前改造龍門刨床的主拖動部分一般采用全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)或交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，控制部分使用PLC。全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)選用國外的成套設(shè)備，設(shè)備的運行參數(shù)用英文顯示，設(shè)備操作及維護人員要消化和掌握系統(tǒng)的性能，需花費較長的時間和具備一定的技術(shù)水平。
而變頻調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)過多年的推廣和使用，各項性能和技術(shù)指標不斷趨于完善和成熟，節(jié)能效果顯著。并且由于變頻調(diào)速系統(tǒng)的各種運行狀況和故障情況都可以通過監(jiān)示器顯示，因此，根據(jù)當前電氣技術(shù)的發(fā)展趨勢和龍門刨床的實際狀況，提出圖1所示的電氣技術(shù)改造原理框圖。

改造方案中，保留了原來的操作按鈕，這樣可以適應(yīng)原操作人員的操作習慣，設(shè)備的大部分操作都可通過按鈕完成。操作指令傳送給PLC控制系統(tǒng)，PLC對這些指令進行處理后控制相應(yīng)的設(shè)備。PLC將設(shè)備的運行狀態(tài)信號傳送給按鈕，按鈕用指示燈顯示相應(yīng)的信息。
監(jiān)示器選用觸摸屏，可以形象直觀地顯示整個電氣系統(tǒng)的各種運行狀態(tài)和設(shè)備可能發(fā)生的電氣故障。操作人員和電氣維護人員，查看觸摸屏畫面就可以了解整個設(shè)備運行狀況和故障發(fā)生的位置。
PLC用于實現(xiàn)開關(guān)量邏輯控制和控制變頻電機轉(zhuǎn)速的方向和大小。按鈕站的按鈕、外部行程開關(guān)和操作手柄通過PLC，控制油泵、風機、橫梁升降、橫梁夾緊、垂直刀架、右側(cè)刀架、左側(cè)刀架的電動機，以及后退行程抬刀電磁鐵線圈。
1.2.2  電力拖動系統(tǒng)主回路設(shè)計
電氣改造時主回路基本不變，只是將主拖動的直流電動機換為交流變頻電機?？諝忾_關(guān)1ZK，4ZK，5ZK一般處于閉合狀態(tài)，設(shè)備運行時合上總空氣開關(guān)ZK，非工作時斷開。主回路電路如圖2所示。

1.3     PLC基本單元選型與PLC的外部接線圖
1.3.1  PLC基本單元選型
根據(jù)所需的PLC的輸入／輸出點數(shù)，并留有一定的余地，選擇三菱公司生產(chǎn)的FX2N-80MR-001的PLC。它的基本指令執(zhí)行時間每條0.08μs，存儲器容量可擴展到16K步，最大可擴展到256個I／O點，有多種摸擬量輸入／輸出模塊、高速計數(shù)器模塊、脈沖輸出模塊、位置控制模塊、RS 232／RS 422，RS 485串行通信模塊、功能擴展板和模擬電位器擴展板等，可完全滿足設(shè)計需要。
1.3.2  PLC的外部接線圖
圖3是PLC的外部接線圖。輸入部分可以分為外部工作環(huán)境、工作臺運行、刀架控制和橫梁運行四部分。輸出點分為信號顯示、交流接觸器線圈控制和變頻器控制三部分。

1.4  電機選型
龍門刨床原直流調(diào)速系統(tǒng)的直流電機型號為BCD-93，通過對比，選用55 kW的8極變頻電動機，其額定轉(zhuǎn)矩為700.7 N·m。55 kW的8極變頻電動機的轉(zhuǎn)矩比原來的直流電動機大，能夠滿足系統(tǒng)調(diào)速范圍的要求。
1.5  變頻器選型
通過對各主要生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品的性能價格比分析，選用日本安川公司的變頻器。為減少改造成本，選用安川的CIMR-F7A4055變頻器，它的帶PG V／f控制方式的調(diào)速范圍為1：40，速度控制精度可達±0.03％，可以滿足系統(tǒng)的調(diào)速要求。
2軟件設(shè)計
2.1工作臺控制程序設(shè)計
龍門刨床工作臺的工作分為點動和自動循環(huán)兩種方式。點動包括步進(點動前進)和步退(點動后退)，目的是調(diào)整工作臺到達合適位置，以便擺放加工工件。工作臺的自動循環(huán)往返運動是對工件進行加工的過程。工作臺自動循環(huán)往返過程由裝在床身的六只行程開關(guān)(接近開關(guān))控制。

在工作臺自動循環(huán)往返過程的開始階段，要求工作臺處于前進減速行程開關(guān)X4和后退減速行程開關(guān)X5之間，如果工作臺沒有在這個區(qū)間，應(yīng)在步進或步退方式下，按點動按鈕，將工作臺調(diào)整到該范圍之內(nèi)。將油泵轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“接通”位置，若風機和油泵動作，則工作臺自動運行的外部條件符合要求。工作臺自動運行的順序功能圖如圖4所示。

2.2故障診斷程序設(shè)計
在龍門刨床運行過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)各種各樣的故障，查找老式的繼電器邏輯控制系統(tǒng)的故障非常困難。龍門刨床采用PLC控制后，利用PLC和觸摸屏強大的信息處理功能和信息顯示功能，在出現(xiàn)故障時，通過觸摸屏及時通知操作人員，可以指導檢修人員準確地處理故障。
2.2.1工作臺自動運行故障診斷程序設(shè)計
工作臺的自動運行過程與前進／后退換向行程開關(guān)和前進／后退減速行程開關(guān)的狀態(tài)變化密切相關(guān)，如果這4個行程開關(guān)出了問題，工作臺不能正確地實現(xiàn)步M20～M28描述的自動循環(huán)過程。
2.2.2  外部設(shè)備故障診斷程序設(shè)計
外部設(shè)備包括風機、油泵和變頻器，有外部設(shè)備故障時，用起保停電路保持，信號用觸摸屏顯示。
3人機界面設(shè)計
3.1觸摸屏選用
通過綜合考慮后選用WEINVIEW生產(chǎn)的MT-510T型8線精密電阻網(wǎng)絡(luò)型工業(yè)觸摸屏，它是10.4”彩色TFT液晶觸摸屏，640×480點像素，有2 MBFLASH ROM和4 MB DRAM。通信口COM1有一個用于PC的RS 232口和一個用于PLC的RS 485／422口，COM2是用于PLC的RS 232口。它還有一個標準的并行打印機接口。
3.2主畫面的設(shè)計
主畫面形象直觀地顯示龍門刨床工作臺的往復運動狀態(tài)、抬刀動作和與工作臺有關(guān)的限位開關(guān)的通斷狀態(tài)。用指示燈顯示工作臺的各種狀態(tài)，例如前進、后退、慢速切入、前進減速和后退減速，以及工作臺步進和步退．。還用指示燈顯示油泵風機、變頻器的狀態(tài)，以及進刀、退刀和故障信號等。畫面轉(zhuǎn)換關(guān)系和主畫面如圖5和圖6所示。

4  改造效果
對龍門刨床的電氣控制系統(tǒng)進行了總體設(shè)計。主拖動采用調(diào)速范圍寬、節(jié)能效果顯著的變頻器，用PLC實現(xiàn)開關(guān)量邏輯控制和變頻電動機的轉(zhuǎn)速控制。控制系統(tǒng)用觸摸屏作人機界面，觸摸屏用各種畫面來顯示龍門刨床的運行狀態(tài)和故障信息。實踐證明，改造好的龍門刨銑床大大提高了機床的性能和加工能力，有效地提高了工件的加工精度，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。