基于 PLC 和變頻器的 C650 臥式車床主軸電機(jī)多段速系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2017-7-3 來源：廣東石油化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 作者：?jiǎn)號(hào)|凱，陳 軍
摘要: 闡述了 C650 臥式車床主軸轉(zhuǎn)速控制的現(xiàn)狀和缺點(diǎn)，并介紹了采用可編程控制器和變頻器對(duì)C650 臥式車床的主軸進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的具體方法，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)主軸多段調(diào)速的目的。實(shí)踐證明該方法經(jīng)濟(jì)實(shí)效，對(duì)其它類型的機(jī)床電氣改造具有借鑒和指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞: 可編程控制器; 變頻器; 車床; 主軸多段速
0 引言
C650 車床廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)工件的車削加工，可以加工內(nèi)、外圓、圓錐面、端面、鏜孔、割槽、鉆孔、滾花，亦能車削常用的公制和英制螺紋［1］，對(duì)于不同的加工工藝，需要主軸電動(dòng)機(jī)輸出不同的轉(zhuǎn)速。C650 車床主軸轉(zhuǎn)速的多段性，是通過幾個(gè)不同的齒輪之間的嚙合來實(shí)現(xiàn)的［2］。一直以來，C650 臥式車床的主軸轉(zhuǎn)速的選擇都是通過轉(zhuǎn)動(dòng)手柄到不同的刻度上來改變的，要改變主軸轉(zhuǎn)速時(shí)，必須在主軸停止的情況下［3-4］。速度轉(zhuǎn)換時(shí)要轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，操作起來非常不便。有時(shí)候需要頻繁地更換其主軸轉(zhuǎn)速，加快了齒輪之間的磨損，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速達(dá)不到要求。此外，齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)噪聲大，啟動(dòng)、傳動(dòng)時(shí)不平穩(wěn)，換速時(shí)沖擊大等問題［5-6］。為了延長(zhǎng)機(jī)器使用年限和方便操作人員使用，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)因素，對(duì) C650 車床進(jìn)行小型化改造具有重要意義，同時(shí)該方法對(duì)其它機(jī)床類設(shè)備的電氣改造具有借鑒和指導(dǎo)意義。通過調(diào)節(jié)變頻器的參數(shù)使不同輸出端口具有不同頻率信號(hào)，再將 PLC 的輸出端口接至對(duì)應(yīng)信號(hào)的輸出端口上來實(shí)現(xiàn)主軸多段調(diào)速控制的目的。
1.調(diào)速改造方案
未改造前，主軸調(diào)速是通過齒輪減速箱中不同齒輪之間的嚙合，即齒數(shù)少的齒輪來帶動(dòng)齒數(shù)多的齒輪來達(dá)到減速的目的。機(jī)床改造后，用 PLC、變頻器和三相異步電機(jī)來代替整個(gè)減速箱，實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)的有級(jí)調(diào)速
通過公式(1) 可知，改變變頻器的頻率就可以達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)速度的效果，且變頻器頻率 f 可以在 0 ～400Hz 的范圍內(nèi)變化，對(duì)于變頻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬［7-8］，普通三相異步電動(dòng)機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和制造的原因其頻率調(diào)節(jié)范圍會(huì)小一些。(2) PLC 及變頻器的選擇根據(jù) C650 臥式車床主軸所采用的電機(jī)的型號(hào)和變頻器控制電機(jī)的特點(diǎn)，并考慮到經(jīng)濟(jì)性，PLC 選擇AB Micro 830 2080-LC30-24QWB，其輸入點(diǎn) 14 個(gè)，輸出點(diǎn)為 10 個(gè)。為使電機(jī)能有多種速度，選擇有 4 個(gè)數(shù)字量輸入端口和 8 種預(yù)設(shè)置速度的 Power Flex 40 變頻器。( 3) PLC 與變頻器的連接設(shè)置如圖 1 所示，PLC 的輸出端口 DO_01、DO_02、DO_03、DO_05、DO_06、DO _07 分別接變頻器端口 01、02、03、05、06、07 端口。為了防止輸出端子公共端流過過大電流，將 PLC 的 COM0 ～ COM3 接在一起。
圖 1 PLC 與變頻器的接線圖
(4) 電機(jī)的多段速控制三相異步電機(jī)采用三線制控制，需要將變頻器的啟動(dòng)源［P036］的參數(shù)設(shè)置為 1，其正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止分別通過變頻器的端口 02、03 和 01 來實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)樽冾l器的預(yù)置頻率參數(shù)只有 8 個(gè)，只需要使用三個(gè)數(shù)字量輸入端口，如表 1 所示。
表 1 多段速的頻率參數(shù)與對(duì)應(yīng)端子
對(duì)于電機(jī)的多段速的控制，需要將變頻器的 P038［速度基準(zhǔn)值］參數(shù)設(shè)置為 4，A501、A502 和 A503 數(shù)字量輸入?yún)?shù)設(shè)置為 4，由變頻器的端口 05、06 和 07 來實(shí)現(xiàn)，并由變頻器的預(yù)先設(shè)置頻率參數(shù) A070 ～ A077來保存 8 個(gè)多段速頻率值。要設(shè)置的變頻器參數(shù)如表2 所示。
表 2 變頻器參數(shù)設(shè)置
通過 PLC 的按鈕 DI_00、DI_01、DI_02 分別來控制電動(dòng)機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)和停止，將 PLC 的輸出端口 DO_01、DO_02、DO_03、DO_05、DO_06、DO _07 分別接變頻器端口 01、02、03、05、06、07 端口。另外，將 COM 口接在 11 端口，提供 + 24V 電源。正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)只有在變頻器接通電源后才能進(jìn)行; 變頻器只有正反轉(zhuǎn)都不工作的時(shí)候才能切斷電源。電機(jī)正轉(zhuǎn)的不同頻率控制程序如圖 2 所示。
圖 2 電機(jī)正轉(zhuǎn)的不同頻率控制
圖 2 中，當(dāng) m1 ～ m8 中任一個(gè)頻率信號(hào)有效，并且按下正轉(zhuǎn)信號(hào)按鈕時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)行。當(dāng)電動(dòng)機(jī)正在反轉(zhuǎn)時(shí)，不能正轉(zhuǎn)。電機(jī)反轉(zhuǎn)的不同頻率控制程序如圖 3 所示。
圖 3 電機(jī)反轉(zhuǎn)的不同頻率控制
圖 3 中，當(dāng) m1 ～ m8 中任一個(gè)頻率信號(hào)有效，并且按下反轉(zhuǎn)信號(hào)按鈕時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)行。當(dāng)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，不能反轉(zhuǎn)。電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止控制程序如圖 4 所示。
圖 4 電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止控制圖
4 中，當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止，并使正轉(zhuǎn)信號(hào) m10 和反轉(zhuǎn)信號(hào) m11 復(fù)位; 當(dāng)按下正轉(zhuǎn)按鈕時(shí)，發(fā)送出一個(gè)正轉(zhuǎn)信號(hào) m10，m10 常開觸點(diǎn)閉合并且形成自鎖回路; 當(dāng)按下反轉(zhuǎn)按鈕時(shí)，發(fā)送出一個(gè)反轉(zhuǎn)信號(hào) m11，m11 常開觸點(diǎn)閉合且形成自鎖回路。電機(jī)頻率的選擇控制程序如圖 5 所示。圖 5 中，當(dāng)按下頻率選擇按鈕 IO_EM_DI_03 ～ IO_EM_DI_13，相應(yīng)的頻率信號(hào) m1 ～ m8 通電并自鎖。當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，頻率信號(hào) m1 ～ m8 信都將復(fù)位。
圖 5 電機(jī)頻率的選擇
電機(jī)第七、第八頻率選擇控制程序如圖 6 所示。
圖 6 電機(jī)第七、第八頻率選擇
如圖 6 所示，并結(jié)合表 1 所示，當(dāng)?shù)诙?、第四、第六和第八頻率接通時(shí)，變頻器端口 5 有輸出; 當(dāng)?shù)谌⒌谒摹⒌谄吆偷诎祟l率接通時(shí)，變頻器端口 6 有輸出; 當(dāng)?shù)谖濉⒌诹?、第七和第八頻率接通時(shí)，變頻器端口 7 有輸出。
2.結(jié)束語
針對(duì) C650 車床以前采用的通過轉(zhuǎn)動(dòng)手柄來調(diào)速的手工操作方式，該方法自動(dòng)化程度低，齒輪傳動(dòng)副磨損大，設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障，工作效率較低，為了提高效率，該設(shè)備的電氣化多段速控制改造勢(shì)在必行。針對(duì)原系統(tǒng)的不足之處，本設(shè)計(jì)從電氣控制方案、元器件選型及機(jī)加工系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等諸多不利因素綜合考慮，對(duì) C650 車床的主軸多段速進(jìn)行了電氣化改造，經(jīng)改造后的該設(shè)備控制電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性和可靠性也大大增強(qiáng)，實(shí)操非常方便，變頻調(diào)速擁有節(jié)能、容易實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制、可以實(shí)現(xiàn)大范圍的高效連續(xù)調(diào)速控制［9-10］。設(shè)備改造后至今從未出現(xiàn)過故障，工作效率為 100 ﹪，系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、安全性和可靠性得到了保證，受到了行業(yè)人員的一致好評(píng)。
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