龙门刨床自动进刀控制系统的设计

摘要：本文针对龙门刨床机械式进刀量控制机构的结构特点，采用PLC为主控制器，以变频器作为控制电源，结合变速箱传动机构，研制了一种龙门刨床刀架自动进给控制系统。实践表明该系统设计先进，操作方便，运行可靠，性价比高，可移植性强，可广泛应用于各种机床刀具进给系统的电气改造。

关键词：龙门刨床；刀架进刀机构；可编程序控制器；变频调速器

The automatic feed control system design of double housing planer

YE Yucheng,WANG Ji, YAN Baoding, WANG Guoqiang

Abstract：With the double housing planer mechanical feed control characteristics, this paper developed one kind of automatic feed control system of double housing planer combined with PLC controller and converter control power supply and gear-box drive. The system has an advanced design, easy operation, high reliability, and high performance- price relative and strong portability in practice. It can be widely used in various electrical feed system transformations.

Key words：double housing planer; knife feed mechanism; PLC; converter

前言

传统的龙门刨床电气控制系统普遍采用接触器继电器控制技术。由于采用硬点接触且连线复杂，因此电气系统时常发生触点故障，使龙门刨床经常处于停机维修状况，不能保证正常生产。作者曾经应用PLC对多台龙门刨床电气控制系统进行过改造，对龙门刨床各个运动部件的控制总结了一套成熟的解决方案。本文着重介绍一种运用PLC控制调速器，结合减速装置实现刀具自动进给控制系统。该方案替换了原机械式进刀量控制机构，极大地改善了进刀精度和可操作性，并具有很好的可移植性，可广泛应用于各种机床的进刀系统控制。

以BQ 2020型龙门刨床电器控制系统为例，它的刀架进刀机构为机械式进刀方式，其传动示意图如下图所示。蜗杆经电动机传动从而带动蜗轮转动，齿轮处在左位时，进刀机构处在进给工位，结合子1和结合子2结合，进刀机构处在快速工位。当齿轮处在右位时，结合子3和结合子4结合，超越离合器带动齿轮旋转。通过改变超越离合器可转动的角度，使齿轮转动不同的角度，从而获得刀架不同的进给量。传统的龙门刨床多采用该类型的刀架进给机构，是典型的间歇进给运动。在实际使用过程中，进给电动机频繁正反转，机械冲击大，电器故障多，超越离合器易磨损，经常出现进刀不均或进刀无力的现象，此种机构故障多且维修量大。本文提出的自动进给控制方案，可以有效地解决这些问题。

进刀机构传动示意图

1 整体改造方案

改造后的龙门刨床主控系统采用PLC，实现其全部工作过程自动控制，包括横梁上下、刀架移动、抬刀落刀、工作台自动往复运动及联锁保护、报警等。PLC的硬件设计基本上按照常规进行。本设计中不直接用PLC的输出继电器带动交流接触器，而是在每个输出触点后面增加了一个24 V的直流继电器，用该继电器的触点驱动负载，不仅可以扩展输出点数，提高通用性，也对PLC的输出继电器起到了保护作用。其中工作台拖动电机的起动、停止、正反转以及转速调节由PLC控制调速装置完成，取代原有的继电器接触器控制系统和交直流发电机组拖动装置。横梁升降仍然用原有的电动机，抬刀仍然保留原有的电磁铁，但是都由PLC统一控制。龙门刨床的整体系统控制结构。

2 刀架自动控制方案

2.1 刀架工作方式的控制

本文提出的刀架工作方式。

龙门刨床的刀架分为垂直刀架、左侧刀架和右侧刀架，其动作原理基本一样，只是位置不同，现以垂直刀架为例进行说明。

刀架的移动分为手动快速移动和自动进给两种工作方式，由控制柜面板上的刀架工作方式选择开关给PLC发送指令进行选择。变频器输出频率由两个电位器给定，WR1决定快移速度；WR2决定自动进给速度；由操作人员根据需要随时进行调节。

当需要刀架快移对刀时，刀架工作方式选择开关选择“快移”方式，由按钮通过PLC控制变频器的状态，进而控制电机运转的起停，电动机的转速由WR1给定。

在需要刀架自动进给时，刀架工作方式选择开关选择“进给”方式，此时，电动机的转速由WR2给定。每次工作台由前进转换到后退时，PLC接通抬刀电磁铁的电源，刨刀抬起，同时刀架完成进给动作。当工作台由后退转换到前进时，抬刀电磁铁线圈断电，刨刀弹簧复位落下。当自动进给行程结束后，刀架撞击行程开关，刀架以快移速度快速返回，可以设置另一行程开关控制刀架停止，也可以由操作人员手动停止。另外还有一个手动抬刀控制开关在选刀架时使用。

2.2 刀架进刀量的控制

刀具进给时，由PLC通过变频器调速装置控制刀架进给电机的起动和停止，进刀量则由每次电动机运转的时间△t和电动机的转速决定。

设电动机的转速为n转/分，每次进给时转动的时间为△t秒，传动丝杠的螺距为L毫米，则进给当量为：

（1）式中传动丝杠的螺距L是固定的，△t在PLC中由专业人员通过修改程序参数设定，一般也不需要变更。在△t和L不变的情况下，自动进刀量可通过控制柜上的速度调节电位器WR2调整电机的转速来调节，方便工人的现场操作。

2.3 刀架进刀量的精度控制

一般来说，PLC能够很好地保障△t的精度，传动丝杠的螺距L的精度也可以保证，所以电机转速的稳定性是保证进刀量精度的关键。

龙门刨床的刀架在自动进刀时的进刀量通常都为几个毫米，如果由电动机直接带动丝杠，电机转速相应就要调得很低，而低速状态下电机转速的变化率高，同时，由于交流异步电动机起动的时间难于精确控制，从而会引起较大的误差。为了减少误差，我们在电机和刀架传动丝杠之间加装了减速箱，这样，电机就可以工作在较高的速度上，时间也可以加长。转速不稳和起动时间不确定性所造成的误差就可以大大减小。

举例来说，设进刀量为2 mm，传动丝杠的螺距L为2 mm，由电动机直接带动丝杆，电动机转速调节到20 r/min，按照理想的情况，电动机不需要起动时间，由（1）式可以计算出电动机运行时间需要3 s。但是，如果电动机起动时间由±0.6 s的变化范围，就有可能造成20%左右的误差。如果加上30∶1的加速器，误差就可以控制在1%之内，可以满足加工要求。在实际设计时，由于电机的转动时间设定和速度调节都有很好的自由度，减速箱的减速比设定主要考虑电机的额定转速和进刀速度要求，以使电机可以有较高的工作效率和稳定性。

3 进刀机构拖动电源的设计

龙门刨床工作台有直流和交流两种拖动方案，进刀机构的拖动方案也有交流和直流两种。如果选用直流电动机，可采用各种品牌的直流数字调速装置进行控制。如果选用交流电动机，可以采用各种品牌的变频器，用以对各类交流电机进行调速控制。

3.1 直流拖动方式

以实际采用的SSD 950+为例，它是一种全数字式直流调速装置，使用一个内部的电流环和一个外部的速度环来控制直流电动机，可以采用电枢电压反馈，具有IR补偿，也可采用编码反馈，或模拟测速电机反馈；考虑到工作环境和性价比，本方案选用测速电机反馈，速度范围为100∶1，其工作原理。

MB为直流电机，BR为直流测速电机，PLC控制的继电器触点KA16闭合时刀架快移，KA17闭合时刀架进给，WR1、WR2为调速电位器。KA20、KA28闭合时电机正转，KA21、KA28闭合时电机反转。KA28是有故障时紧急停机用的常开触点，正常工作时加电处于闭合状态。在进刀机构中使用时，要求对刀准确，加工精度高，停机时间设为标准模式的下限0.1 s。

3.2 交流拖动方式

采用法国施耐德公司的ATV31系列变频器作为进刀电机的调速控制器，它提供丰富的软件功能，操作简便，体积小，节省空间，具有可编程逻辑输入。以本文所用的ATV31HU40N4型变频器为例，其适用电机为4 kW的三相交流电机，使用方法。

M为进刀电机，RZ为电机制动电阻，PO为直流母线正极性，它和PA+之间一定要有共用连接，KA16和KA17是由PLC控制的继电器触点，分别控制进刀电机的快速移动和刀架进给，电机的转速分别由安装在控制柜上的电位器WR3和WR4调整，KA20和KA21分别控制电机的正转和反转，决定快移与进刀的方向，KA29为紧急停机用的常开触点，正常工作时闭合，由PLC监控系统的工作状态，在有故障时断开电机供电。

4 结论

作者在改造多台龙门刨床电气控制系统的过程中，在研究了各种进刀机构的结构特点和性能特点的基础上，研制了一种通用的龙门刨床刀架自动进给控制系统。该系统采用PLC配合调速装置，极大地简化了机电控制结构，并通过在刀架进刀丝杠和电机的传动之间加入了减速装置，减小了转速稳定性和起动时间不确定性所造成的误差，保证了刀具进给的精度。实践证明，该系统设计先进、性价比高、调速范围大、结构简单、运行可靠、可移植性强，可以广泛应用于各种类型的龙门刨床的电气控制系统改造，对其它的交直流电机的调速控制也有很好的参考价值。