摘 要：本文運(yùn)用PLC控制技術(shù)和直流調(diào)速技術(shù)改造大型龍門刨B2025的電氣控制系統(tǒng)和直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，討論了機(jī)床的控制及驅(qū)動(dòng)要求，完成了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并給出了詳細(xì)的速度控制電路和橫梁升降、刀架進(jìn)給控制程序。通過改造，提高了機(jī)床的可靠性、穩(wěn)定性，對(duì)同類機(jī)床的改造具有實(shí)際意義。 關(guān)鍵詞：龍門刨;可編程控制器;直流驅(qū)動(dòng) Abstract：This paper reconstructed large-scale B2025 gantry plane electricity control system and DC driving system by using PLC control technology and DC speed governing technology, discussed requirement of machine controlling and driving, designed system hardware and software, provided detailed speed controlling circuit, control program for raising or dropping crossbeam and feeding. It improved machine’s reliability and stability, and had practical significance to reconstruct similar machining. Keywords：Gantry Plane、PLC、DC Driving 1 引言 　　某廠的B2025龍門刨是七十年代初由武漢重型機(jī)床廠生產(chǎn)，其控制系統(tǒng)是傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，工作臺(tái)前進(jìn)、后退、升速、減速及超程保護(hù)等重要位置采用的是有觸點(diǎn)的行程開關(guān)，它們動(dòng)作頻繁，觸點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)粘連，或閉合不好，導(dǎo)致工作臺(tái)工作故障，維修工作量大，影響生產(chǎn);同時(shí)，機(jī)床的主拖動(dòng)系統(tǒng)采用直流發(fā)電機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，調(diào)速系統(tǒng)采用半導(dǎo)體分離元件，以及接插件結(jié)構(gòu)，不僅噪聲大，浪費(fèi)能源，而且在經(jīng)過近三十年的使用后，整個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)嚴(yán)重老化，在低速段已嚴(yán)重不能達(dá)到加工要求，有時(shí)候甚至?xí)霈F(xiàn)爬行現(xiàn)象，調(diào)速性能極不穩(wěn)定。為了充分利用機(jī)床仍然良好的機(jī)械精度以及完好的大功率直流電機(jī)，有必要利用現(xiàn)代控制技術(shù)和電力電子技術(shù)對(duì)機(jī)床的控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。 2 系統(tǒng)需求分析 　　進(jìn)行機(jī)床改造的總體設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。本機(jī)床的動(dòng)作控制絕大部分屬于邏輯控制，因此選擇可編程序控制器來完成機(jī)床的動(dòng)作控制。由于原機(jī)床的直流電機(jī)功率為60KW，成本較高，而且仍然完好，所以工作臺(tái)仍然采用原直流電機(jī)驅(qū)動(dòng);而直流驅(qū)動(dòng)部分涉及到調(diào)速需要，一方面在正常加工時(shí)工作臺(tái)的正、反向運(yùn)行速度需要根據(jù)工作臺(tái)的位置自動(dòng)調(diào)整，另一方面工作臺(tái)的切削運(yùn)動(dòng)速度又要根據(jù)切削用量進(jìn)行調(diào)整。結(jié)合工廠的實(shí)際情況，本機(jī)床只用于粗加工，因此，不同的速度需求主要是工作臺(tái)往返工作造成的，而對(duì)具體的速度值的精度要求并不高，因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選擇歐陸590系列全數(shù)字直流驅(qū)動(dòng)器594。 3 硬件組成 　　3.1 硬件系統(tǒng)方案 　　根據(jù)系統(tǒng)需求分析，確定出整個(gè)控制、調(diào)速系統(tǒng)的硬件方案如圖1所示。 　　懸掛操作站主要提供工作臺(tái)前進(jìn)起動(dòng)、工作臺(tái)后退起動(dòng)、工作臺(tái)步進(jìn)前進(jìn)、工作步進(jìn)后退、橫梁上升、橫梁下降、垂直刀架快進(jìn)、左側(cè)刀架快進(jìn)、右側(cè)刀架快進(jìn)和急停等信號(hào)。 　　控制柜按鈕主要提供工作模式選擇、工作刀架選擇、594使能、594使能停止、程序停車、停車和急停等信號(hào)。 　　各種行程開關(guān)包括工作臺(tái)前進(jìn)、后退中減速和換向接近開關(guān)、各刀架抬落刀行程開關(guān)、各刀架進(jìn)刀行程開關(guān)和橫梁放松行程開關(guān)。 　　各類保護(hù)信號(hào)包括各刀架抬落刀電機(jī)的熱保護(hù)、各進(jìn)給電機(jī)熱保護(hù)、橫梁松緊電機(jī)的過流保護(hù)、通風(fēng)電機(jī)的熱保護(hù)、左右垂直刀架的位置保護(hù)橫梁上下位置的保護(hù)、左右側(cè)刀架的位置保護(hù)等信號(hào)。 　　速度給定電路由電位器調(diào)節(jié)輸出電壓，由PLC選擇速度給定電路的輸出電壓，將此電壓信號(hào)傳送給594，從而控制工作臺(tái)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的調(diào)速和換向要求。 [align=center] 圖1 控制系統(tǒng)硬件組成方案[/align] 　　3.2 硬件設(shè)計(jì) 　　本系統(tǒng)的輸入輸出全部是數(shù)字量，其中，數(shù)字量輸入點(diǎn)總計(jì)66個(gè)，數(shù)字量輸出點(diǎn)總計(jì)37個(gè)，因此選擇西門子PLC CPU224（AC/DC/繼電器）為主機(jī)，并擴(kuò)展5個(gè)數(shù)字量擴(kuò)展模塊，它們分別是一個(gè)EM223（16DI/16DO，繼電器輸出）、一個(gè)EM223（16DI/16DO 晶體管輸出）、三個(gè)EM221（8DI）。 　　速度控制電路如圖2所示。直流驅(qū)動(dòng)器594的B3為+10V參考電壓端子，B4為-10V參考電壓端子，A1為0V參考電壓端子，A4為速度給定電壓端子，R1～R8為可調(diào)電位器。B3與0V參考電壓端子之間可以有四條回路：從B3端分別經(jīng)R5、R6、R7、R8，然后到A1，這四條回路中每接通一條回路，速度給定電壓端子A4就從相應(yīng)的電位器上取得相應(yīng)的電壓，從而實(shí)現(xiàn)給定一定的速度，A4從這四條回路取得的電壓為正電壓，此時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)前進(jìn)。同理A4從B4與A1之間所形成的回路取得四種負(fù)電壓，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)后退。 [align=center] 圖2 速度給定電路[/align] 4 軟件設(shè)計(jì) 　　按照機(jī)床的工作要求，同時(shí)考慮到盡量符合改造前操作人員的操作習(xí)慣，設(shè)置了自動(dòng)工作模式和手動(dòng)工作模式。 　　手動(dòng)工作模式下能夠完成垂直刀架快速進(jìn)給、左側(cè)刀架快速進(jìn)給、右側(cè)刀架快速進(jìn)給、橫梁升降控制、工作臺(tái)步進(jìn)前進(jìn)和工作臺(tái)步進(jìn)后退等動(dòng)作。 　　4.1 橫梁升降控制 　　橫梁升、降的前提是橫梁處于松開狀態(tài);橫梁下降到指定位置后，一方面要保證橫梁保持水平，另一方面要盡快制動(dòng)橫梁的下降運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)中使橫梁有短暫的上升動(dòng)作來達(dá)到要求;橫梁上升或下降完畢后還需要讓橫梁夾緊。圖3給出了橫梁升降控制PLC梯形圖。 [align=center] 圖3 橫梁升降控制程序段[/align] 　　圖3中Network 4程序段完成橫梁的下降控制，當(dāng)按住橫梁下降按鈕（I0.1），橫梁開始放松（Q0.2），放松完畢，放松限位開關(guān)（I0.2、I0.3）接通下降回路，橫梁開始下降（Q0.1）;橫梁下降到位，松開下降按鈕（I0.1），其常閉觸點(diǎn)接通，取其上升沿接通橫梁上升（Q0.0）回路并自保持，同時(shí)計(jì)時(shí)器T37開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間到，橫梁上升結(jié)束。其它輸入輸出有橫梁上升按鈕I0.0、橫梁夾緊電流繼電器I0.4、橫梁上升限位開關(guān)I0.5、左側(cè)刀架與橫梁互碰限位開關(guān)I0.6、右側(cè)刀架與橫梁互碰限位開關(guān)I0.7、橫梁夾緊接觸器Q0.3。 　　4.2 刀架進(jìn)給、制動(dòng)控制 　　在自動(dòng)工作模式下，需要進(jìn)行刀架的進(jìn)給、制動(dòng)控制。為了檢測(cè)進(jìn)給電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，將進(jìn)給電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)通過凸輪機(jī)構(gòu)傳遞給行程開關(guān)。通過控制進(jìn)給電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到控制進(jìn)給量的目的;進(jìn)給電機(jī)每轉(zhuǎn)代表的進(jìn)給量是通過調(diào)整進(jìn)給箱的傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)。圖5所示為自動(dòng)工作模式下右側(cè)刀架的自動(dòng)進(jìn)給控制梯形圖。 [align=center] 圖5 右側(cè)刀架進(jìn)給程序段[/align] 　　右側(cè)刀架被選中（I3.4）工作的情況下，若進(jìn)給電機(jī)過載保護(hù)繼電器（I3.5）沒有動(dòng)作且自動(dòng)進(jìn)刀選擇開關(guān)（I3.2）接通，同時(shí)右側(cè)刀架處于正常位置，即右側(cè)刀架與橫梁互碰限位開關(guān)（I3.1）右側(cè)刀架下限位開關(guān)（I3.0）未受壓，則進(jìn)行進(jìn)給動(dòng)作（Q2.4）;進(jìn)給電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，右側(cè)刀架進(jìn)給檢測(cè)行程開關(guān)（I3.3）從接通到斷開到再接通，利用其上升沿通過計(jì)數(shù)器（C3）進(jìn)行計(jì)數(shù);當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到預(yù)置值，進(jìn)給完成，停止進(jìn)給電機(jī)。另一方面，利用計(jì)數(shù)器的上升沿啟動(dòng)電容制動(dòng)回路（Q2.5）并開始計(jì)時(shí)器（T44），計(jì)時(shí)時(shí)間到，斷開電磁制動(dòng)回路，從而完成進(jìn)給過程。左側(cè)刀架、垂直刀架的進(jìn)給、制動(dòng)與此類似。 　　通過撥碼開關(guān)可以設(shè)定每次進(jìn)給時(shí)進(jìn)給電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)（限制在1～4的范圍內(nèi)），并將設(shè)定值存儲(chǔ)在VW4中，從而達(dá)到調(diào)整進(jìn)刀量的目的。 5 結(jié)束語 　　本機(jī)床經(jīng)改造后一年多的運(yùn)行情況證明，采用PLC和歐陸594對(duì)機(jī)床進(jìn)行改造后，既沒有改變操作人員的操作習(xí)慣，又增強(qiáng)了進(jìn)給控制功能，同時(shí)提高了控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。本項(xiàng)目實(shí)施后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益150萬元。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：利用PLC設(shè)計(jì)了方便、實(shí)用的速度給定電路，與采用操作員面板設(shè)定速度、利用通訊功能設(shè)定速度相比，成本低廉，適用于對(duì)速度精度要求不高的普通機(jī)床。 參考文獻(xiàn)： 　　1. 羅兵，楊崇倡，基于PLC的自動(dòng)試樣織機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)[J]，微計(jì)算機(jī)信息，2006，4：57～59 　　2. 陳伯時(shí)，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1995 　　3. 廖常初，PLC編程及應(yīng)用，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003