摘要：本文針對龍門刨床機(jī)械式進(jìn)刀量控制機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用PLC為主控制器，以變頻器作為控制電源，結(jié)合變速箱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，研制了一種龍門刨床刀架自動(dòng)進(jìn)給控制系統(tǒng)。實(shí)踐表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)*，操縱方便，運(yùn)行可靠，性價(jià)比高，可移植性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于各種機(jī)床刀具進(jìn)給系統(tǒng)的電氣改造。
　　
　　前言
　　
　　傳統(tǒng)的龍門刨床電氣控制系統(tǒng)普遍采用接觸器繼電器控制技術(shù)。由于采用硬點(diǎn)接觸且連線復(fù)雜，因此電氣系統(tǒng)時(shí)常發(fā)生觸點(diǎn)故障，使龍門刨床經(jīng)常處于停機(jī)維修狀況，不能保證正常生產(chǎn)。作者曾經(jīng)應(yīng)用PLC對多臺龍門刨床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行過改造，對龍門刨床各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的控制總結(jié)了一套成熟的解決方案。本文著重介紹一種運(yùn)用PLC控制調(diào)速器，結(jié)合減速裝置實(shí)現(xiàn)刀具自動(dòng)進(jìn)給控制系統(tǒng)。該方案替換了原機(jī)械式進(jìn)刀量控制機(jī)構(gòu)，極大地改善了進(jìn)刀精度和可操縱性，并具有很好的可移植性，可廣泛應(yīng)用于各種機(jī)床的進(jìn)刀系統(tǒng)控制。
　　
　　以BQ2020型龍門刨床電器控制系統(tǒng)為例，它的刀架進(jìn)刀機(jī)構(gòu)為機(jī)械式進(jìn)刀方式，其傳動(dòng)示意圖如下圖所示。蝸桿經(jīng)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)從而帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪處在左位時(shí)，進(jìn)刀機(jī)構(gòu)處在進(jìn)給工位，結(jié)合子1和結(jié)合子2結(jié)合，進(jìn)刀機(jī)構(gòu)處在快速工位。當(dāng)齒輪處在右位時(shí)，結(jié)合子3和結(jié)合子4結(jié)合，超越離合器帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)。通過改變超越離合器可轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，使齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)不同的角度，從而獲得刀架不同的進(jìn)給量。傳統(tǒng)的龍門刨床多采用該類型的刀架進(jìn)給機(jī)構(gòu)，是典型的間歇進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際使用過程中，進(jìn)給電動(dòng)機(jī)頻繁正反轉(zhuǎn)，機(jī)械沖擊大，電器故障多，超越離合器易磨損，經(jīng)常出現(xiàn)進(jìn)刀不均或進(jìn)刀無力的現(xiàn)象，此種機(jī)構(gòu)故障多且維修量大。本文提出的自動(dòng)進(jìn)給控制方案，可以有效地解決這些題目。
　　　　1整體改造方案
　　
　　改造后的龍門刨床主控系統(tǒng)采用PLC，實(shí)現(xiàn)其全部工作過程自動(dòng)控制，包括橫梁上下、刀架移動(dòng)、抬刀落刀、工作臺自動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)及聯(lián)鎖保護(hù)、報(bào)警等。PLC的硬件設(shè)計(jì)基本上按照常規(guī)進(jìn)行。本設(shè)計(jì)中不直接用PLC的輸出繼電器帶動(dòng)交流接觸器，而是在每個(gè)輸出觸點(diǎn)后面增加了一個(gè)24V的直流繼電器，用該繼電器的觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，不僅可以擴(kuò)展輸出點(diǎn)數(shù)，進(jìn)步通用性，也對PLC的輸出繼電器起到了保護(hù)作用。其中工作臺拖動(dòng)電機(jī)的起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)由PLC控制調(diào)速裝置完成，取代原有的繼電器接觸器控制系統(tǒng)和交直流發(fā)電機(jī)組拖動(dòng)裝置。橫梁升降仍然用原有的電動(dòng)機(jī)，抬刀仍然保存原有的電磁鐵，但是都由PLC同一控制。龍門刨床的整體系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)。
　　
　　2刀架自動(dòng)控制方案
　　
　　2.1刀架工作方式的控制
　　
　　本文提出的刀架工作方式。
　　
　　龍門刨床的刀架分為垂直刀架、左側(cè)刀架和右側(cè)刀架，其動(dòng)作原理基本一樣，只是位置不同，現(xiàn)以垂直刀架為例進(jìn)行說明。
　　
　　刀架的移動(dòng)分為手動(dòng)快速移動(dòng)和自動(dòng)進(jìn)給兩種工作方式，由控制柜面板上的刀架工作方式選擇開關(guān)給PLC發(fā)送指令進(jìn)行選擇。變頻器輸出頻率由兩個(gè)電位器給定，WR1決定快移速度；WR2決定自動(dòng)進(jìn)給速度；由操縱職員根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
　　
　　當(dāng)需要刀架快移對刀時(shí)，刀架工作方式選擇開關(guān)選擇“快移”方式，由按鈕通過PLC控制變頻器的狀態(tài)，進(jìn)而控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的起停，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由WR1給定。
　　
　　在需要刀架自動(dòng)進(jìn)給時(shí)，刀架工作方式選擇開關(guān)選擇“進(jìn)給”方式，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由WR2給定。每次工作臺由前進(jìn)轉(zhuǎn)換到后退時(shí)，PLC接通抬刀電磁鐵的電源，刨刀抬起，同時(shí)刀架完成進(jìn)給動(dòng)作。當(dāng)工作臺由后退轉(zhuǎn)換到前進(jìn)時(shí)，抬刀電磁鐵線圈斷電，刨刀彈簧復(fù)位落下。當(dāng)自動(dòng)進(jìn)給行程結(jié)束后，刀架撞擊行程開關(guān)，刀架以快移速度快速返回，可以設(shè)置另一行程開關(guān)控制刀架停止，也可以由操縱職員手動(dòng)停止。另外還有一個(gè)手動(dòng)抬刀控制開關(guān)在選刀架時(shí)使用。
　　
　　2.2刀架進(jìn)刀量的控制
　　
　　刀具進(jìn)給時(shí)，由PLC通過變頻器調(diào)速裝置控制刀架進(jìn)給電機(jī)的起動(dòng)和停止，進(jìn)刀量則由每次電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間△t和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。
　　
　　設(shè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為n轉(zhuǎn)/分，每次進(jìn)給時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間為△t秒，傳動(dòng)絲杠的螺距為L毫米，則進(jìn)給當(dāng)量為：
　　
　　δ=△t×n×L/60（mm）（1）
　　
　?。?）式中傳動(dòng)絲杠的螺距L是固定的，△t在PLC中由專業(yè)職員通過修改程序參數(shù)設(shè)定，一般也不需要變更。在△t和L不變的情況下，自動(dòng)進(jìn)刀量可通過控制柜上的速度調(diào)節(jié)電位器WR2調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)，方便工人的現(xiàn)場操縱。
　　
　　2.3刀架進(jìn)刀量的精度控制
　　
　　一般來說，PLC能夠很好地保障△t的精度，傳動(dòng)絲杠的螺距L的精度也可以保證，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性是保證進(jìn)刀量精度的關(guān)鍵。
　　
　　龍門刨床的刀架在自動(dòng)進(jìn)刀時(shí)的進(jìn)刀量通常都為幾個(gè)毫米，假如由電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)絲杠，電機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)就要調(diào)得很低，而低速狀態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化率高，同時(shí)，由于交流異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的時(shí)間難于控制，從而會(huì)引起較大的誤差。為了減少誤差，我們在電機(jī)和刀架傳動(dòng)絲杠之間加裝了減速箱，這樣，電機(jī)就可以工作在較高的速度上，時(shí)間也可以加長。轉(zhuǎn)速不穩(wěn)和起動(dòng)時(shí)間不確定性所造成的誤差就可以大大減小。
　　
　　舉例來說，設(shè)進(jìn)刀量為2mm，傳動(dòng)絲杠的螺距L為2mm，由電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)絲桿，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到20r/min，按照理想的情況，電動(dòng)機(jī)不需要起動(dòng)時(shí)間，由（1）式可以計(jì)算出電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間需要3s。但是，假如電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間由±0.6s的變化范圍，就有可能造成20%左右的誤差。假如加上30∶1的加速器，誤差就可以控制在1%之內(nèi)，可以滿足加工要求。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間設(shè)定和速度調(diào)節(jié)都有很好的自由度，減速箱的減速比設(shè)定主要考慮電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和進(jìn)刀速度要求，以使電機(jī)可以有較高的工作效率和穩(wěn)定性。
　　
　　3進(jìn)刀機(jī)構(gòu)拖動(dòng)電源的設(shè)計(jì)
　　
　　龍門刨床工作臺有直流和交流兩種拖動(dòng)方案，進(jìn)刀機(jī)構(gòu)的拖動(dòng)方案也有交流和直流兩種。假如選用直流電動(dòng)機(jī)，可采用各種品牌的直流數(shù)字調(diào)速裝置進(jìn)行控制。假如選用交流電動(dòng)機(jī)，可以采用各種品牌的變頻器，用以對各類交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。
　　
　　3.1直流拖動(dòng)方式
　　
　　以實(shí)際采用的SSD950+為例，它是一種全數(shù)字式直流調(diào)速裝置，使用一個(gè)內(nèi)部的電流環(huán)和一個(gè)外部的速度環(huán)來控制直流電動(dòng)機(jī)，可以采用電樞電壓反饋，具有IR補(bǔ)償，也可采用編碼反饋，或模擬測速電機(jī)反饋；考慮到工作環(huán)境和性價(jià)比，本方案選用測速電機(jī)反饋，速度范圍為100∶1，其工作原理。
　　
　　MB為直流電機(jī)，BR為直流測速電機(jī)，PLC控制的繼電器觸點(diǎn)KA16閉合時(shí)刀架快移，KA17閉合時(shí)刀架進(jìn)給，WR1、WR2為調(diào)速電位器。KA20、KA28閉合時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，KA21、KA28閉合時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。KA28是有故障時(shí)緊急停機(jī)用的常開觸點(diǎn)，正常工作時(shí)加電處于閉合狀態(tài)。在進(jìn)刀機(jī)構(gòu)中使用時(shí)，要求對刀正確，加工精度高，停機(jī)時(shí)間設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)模式的下限0.1s。
　　
　　3.2交流拖動(dòng)方式
　　
　　采用法國施耐德公司的ATV31系列變頻器作為進(jìn)刀電機(jī)的調(diào)速控制器，它提供豐富的軟件功能，操縱簡便，體積小，節(jié)省空間，具有可編程邏輯輸進(jìn)。以本文所用的ATV31HU40N4型變頻器為例，其適用電機(jī)為4kW的三相交流電機(jī)，使用方法。
　　
　　M為進(jìn)刀電機(jī)，RZ為電機(jī)制動(dòng)電阻，PO為直流母線正極性，它和PA+之間一定要有共用連接，KA16和KA17是由PLC控制的繼電器觸點(diǎn)，分別控制進(jìn)刀電機(jī)的快速移動(dòng)和刀架進(jìn)給，電機(jī)的轉(zhuǎn)速分別由安裝在控制柜上的電位器WR3和WR4調(diào)整，KA20和KA21分別控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，決定快移與進(jìn)刀的方向，KA29為緊急停機(jī)用的常開觸點(diǎn)，正常工作時(shí)閉合，由PLC監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，在有故障時(shí)斷開電機(jī)供電。
　　
　　4結(jié)論
　　
　　作者在改造多臺龍門刨床電氣控制系統(tǒng)的過程中，在研究了各種進(jìn)刀機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研制了一種通用的龍門刨床刀架自動(dòng)進(jìn)給控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PLC配合調(diào)速裝置，極大地簡化了機(jī)電控制結(jié)構(gòu)，并通過在刀架進(jìn)刀絲杠和電機(jī)的傳動(dòng)之間加進(jìn)了減速裝置，減小了轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性和起動(dòng)時(shí)間不確定性所造成的誤差，保證了刀具進(jìn)給的精度。實(shí)踐證實(shí)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)*、性價(jià)比高、調(diào)速范圍大、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、可移植性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于各種類型的龍門刨床的電氣控制系統(tǒng)改造，對其它的交直流電機(jī)的調(diào)速控制也有很好的參考價(jià)值。