PLC、變頻器技術(shù)在車床系統(tǒng)改造中的運(yùn)用與實(shí)踐研究
2017-3-16 來(lái)源：棗莊職業(yè)學(xué)院 作者：陳艷
摘要：工業(yè)生產(chǎn)需要大量有效的機(jī)械設(shè)備協(xié)同運(yùn)作，在有效的機(jī)械設(shè)備支持下，產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量和效率得到大幅提升，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)用于工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)故障，影響生產(chǎn)的進(jìn)行，為了提升產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，我們需要對(duì)傳統(tǒng)的車床系統(tǒng)加以改造，并將 PLC、變頻器技術(shù)應(yīng)用于車床系統(tǒng)之中，從而保證車床的穩(wěn)定與質(zhì)量的提升。
關(guān)鍵詞：PLC；變頻器技術(shù)；車床；系統(tǒng)；改造
由我國(guó)沈陽(yáng)研制的 CA6140 普通車床廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)之中，在機(jī)床制造行業(yè)屬于熱銷機(jī)械設(shè)備，它是一種金屬切削機(jī)床，可以用于車削外圓、內(nèi)圓、螺紋、螺桿等，它的主軸電機(jī)系統(tǒng)是采用機(jī)械齒輪箱，實(shí)現(xiàn)有級(jí)的調(diào)速，運(yùn)用機(jī)械換向構(gòu)造實(shí)施正反轉(zhuǎn)的調(diào)控。在當(dāng)前企業(yè)生產(chǎn)形勢(shì)變化的條件下，傳統(tǒng)的 CA6140 車床需要進(jìn)行機(jī)械設(shè)備改造，采用 PLC、變頻器技術(shù)相整合的手段，對(duì)普通車床的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，從而從現(xiàn)實(shí)實(shí)踐應(yīng)用角度出發(fā)，提升機(jī)械設(shè)備的利用率，確保機(jī)床的高效、節(jié)能、穩(wěn)定和可靠。
1.傳統(tǒng) CA6140 普通車床的電氣控制系統(tǒng)要求
在傳統(tǒng)的 CA6140 普通車床之中，由不同的構(gòu)成部件，包括：主軸箱、進(jìn)給箱、溜板箱、刀架、絲杠等，其沿用已久的電氣控制原理圖，如圖 1 所示：
圖1 CA6140 型車床電氣控制原理圖
原有的控制系統(tǒng)是在三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)之下完成的，由三臺(tái)電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)控制，它們分別是：主軸電動(dòng)機(jī) M1，冷卻泵電動(dòng)機(jī) M2，刀架快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī) M3，在這三臺(tái)電動(dòng)機(jī)設(shè)備中主要是依靠三個(gè)接觸器實(shí)現(xiàn)有效的車床系統(tǒng)控制，這三個(gè)接觸器分別為：KM1、KM2、KM3。
該傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的主軸電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)主軸主運(yùn)動(dòng)以及刀具的縱橫向運(yùn)動(dòng)，在主軸電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，用機(jī)械換向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)動(dòng)作。同時(shí)，由于對(duì)速度有一定的要求，因而，要采用機(jī)械變速的手段，并依賴于主軸箱的齒輪變速箱和主軸電動(dòng)機(jī)的鏈接，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械的調(diào)速要求。
冷卻泵電動(dòng)機(jī) M2 主要是負(fù)責(zé)在車削加工時(shí)，拖動(dòng)冷卻泵，再由輸出冷卻液對(duì)刀具和加工件的表面進(jìn)行冷卻。在實(shí)現(xiàn)冷卻動(dòng)作的過(guò)程中，冷卻泵電動(dòng)機(jī)是呈單向旋轉(zhuǎn)，并在主軸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行之后才可啟動(dòng)，待主軸電動(dòng)機(jī)停車之后，冷卻電動(dòng)機(jī)旋即停止。由此可見(jiàn)，冷卻電動(dòng)機(jī)與主軸電動(dòng)機(jī)之間具有一定的順序關(guān)系。
快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)拖動(dòng)溜板箱，在點(diǎn)動(dòng)控制的前提下，操作機(jī)械手柄裝置，對(duì)刀架實(shí)現(xiàn)不同方位的改變，實(shí)現(xiàn)溜板箱的快速移動(dòng)。
CA6140 普通車床之中的三臺(tái)電動(dòng)機(jī)都是全壓直接起動(dòng)，其容量較小，并且要配備照明電路、信號(hào)指示電路及保護(hù)。
2.PLC 應(yīng)用于車床電氣系統(tǒng)改造的設(shè)計(jì)思路
伴隨著科技手段的不斷改進(jìn)和提高，可編程控制器———PLC 技術(shù)在電氣領(lǐng)域顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值。在對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的車床電氣系統(tǒng)實(shí)踐分析中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的車床電氣系統(tǒng)極易出現(xiàn)故障，因而有必要對(duì)其進(jìn)行改造。在將 PLC 技術(shù)應(yīng)用于車床電氣系統(tǒng)的改造之前，要進(jìn)行實(shí)際情況的具體分析，首先要對(duì)原有的繼電器、接觸器等實(shí)施嚴(yán)格有效的控制；然后，還要保證系統(tǒng)改造不能改變?cè)熊嚧驳募庸すに嚭托阅?，要使主軸電動(dòng)機(jī)具有正反轉(zhuǎn)啟停的功能及正轉(zhuǎn)動(dòng)功能。同時(shí)，對(duì)原有系統(tǒng)的改造不能改變傳統(tǒng)電器控制系統(tǒng)中的各個(gè)按鈕及其他元件的功能，采用較好的電機(jī)保護(hù)措施，以確保其正常有效運(yùn)行。
3.變頻器對(duì)主軸電動(dòng)機(jī)的改造控制設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的 CA6140 型車床主軸的正轉(zhuǎn)速度和反轉(zhuǎn)速度分別有 24種和 12 種，利用齒輪箱，實(shí)現(xiàn)機(jī)械控制下的有級(jí)調(diào)速。在車床運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)過(guò)程中，主軸電動(dòng)機(jī)可以通過(guò) V 帶，將動(dòng)力傳遞給主軸箱，從而減小振動(dòng)。在用車床進(jìn)行車削螺紋時(shí)，是借助于機(jī)械換向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主軸的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。另外，齒輪箱、換向機(jī)構(gòu)也在金屬材料成本、齒輪設(shè)計(jì)精度、維護(hù)等方面，顯現(xiàn)出較大的缺陷。
將變頻器技術(shù)應(yīng)用于車床系統(tǒng)改造之中，可以替代車床齒輪變速訂的機(jī)械傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)起動(dòng)、制動(dòng)的自動(dòng)控制及電機(jī)特性曲線的調(diào)節(jié)。以三菱 FR—A500 變頻器為例，主軸電動(dòng)機(jī)在變頻電路通斷多段速端口的控制下，可以獲取更多的速度選擇。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制也可以利用控制電路通斷變頻器實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的起動(dòng)。同時(shí)，在變頻器技術(shù)之下，可以輸入電機(jī)的多種運(yùn)行曲線，對(duì)電機(jī)進(jìn)行特性曲線的科學(xué)而優(yōu)化的控制。值得一提的是，變頻器技術(shù)還具有過(guò)電流、過(guò)電壓、過(guò)熱、缺相的保護(hù)功能，對(duì)于系統(tǒng)的故障實(shí)現(xiàn)了故障報(bào)警功能，為系統(tǒng)提供了穩(wěn)定、安全的現(xiàn)代化調(diào)度、監(jiān)控平臺(tái)。
基于 PLC、變頻器技術(shù)下的主軸電動(dòng)機(jī)控制，由圖 2 可以顯示：
圖 2 PLC、變頻器、觸摸屏結(jié)束結(jié)合對(duì)主軸電動(dòng)機(jī)的控制
4.PLC、變頻器技術(shù)對(duì)車床電路的改造設(shè)計(jì)
以三菱 FX2N—32MR 型為例，利用 PLC、變頻器技術(shù)對(duì) CA6140車床進(jìn)行控制改造：
4.1 運(yùn)用 PLC 改造傳統(tǒng)車床中的控制電路
首先，我們需要對(duì)傳統(tǒng)車床的 PLC 改造的電路端口配置進(jìn)行描述，其配置如表 1 所示：
其次，還要清晰展示出 PLC 輸入輸出端口接線圖，如圖 3 所示：
圖 3 PLC 輸入輸出端口接線圖
同時(shí)，我們需要加以注意的是，運(yùn)用 PLC 輸出驅(qū)動(dòng)技術(shù)，在車床系統(tǒng)的電路部分中，主要有繼電器、信號(hào)燈、照明燈，它們的電源支持供電功率分別為：110V、6V、24V，鑒于這一考慮，需要在輸出端口上，加以分開(kāi)：Y0～Y3 共用 COM1，其支持電源為 AC110V；Y4～Y7 共用 COM2，其支持電源為 AC6V；Y10～Y13 共用 COM3，其支持電源為AC24V。由此可知，對(duì)于傳統(tǒng)車床的PLC 改造技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)梯形的控制，如圖 4 所示：
4.2 PLC、變頻器技術(shù)整合下對(duì)傳統(tǒng)車床的改造運(yùn)用
PLC 端口配置，并添加整合旋轉(zhuǎn)編碼器等傳感器，在實(shí)時(shí)的主軸電動(dòng)機(jī)運(yùn)作過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、方向等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，通常情況下，速度信號(hào)可以經(jīng)由 PLC高速計(jì)數(shù)器輸入接口，在參數(shù)的計(jì)算之后進(jìn)行 PLC 程序的編制加工。同時(shí)，PLC 輸出端口還要協(xié)同變頻器實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)方向的啟動(dòng)，全面改進(jìn)傳統(tǒng)車床系統(tǒng)。綜上所述，應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的要求，傳統(tǒng)的 CA6140 車床系統(tǒng)需要加以改造和優(yōu)化，可以采用新型的 PLC、變頻器技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)車床的機(jī)械傳動(dòng)部分和電路系統(tǒng)部分，加以精度的提升和穩(wěn)定安全程度的提高，增強(qiáng)現(xiàn)代化機(jī)床的自動(dòng)化、智能程度，優(yōu)化數(shù)控車床的性能。
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