发布时间 : 星期一 文章基于PLC的两工位钻孔攻丝组合机床控制系统设计更新完毕开始阅读
在1996年左右，交流变频器得到很大的发展，它性能也完善了许多，而且使用极为方便、可通过其外围的少数几个端子进行全范围的控制，内部还有完善的保护措施，不用在其外围线路中设计各种保护电路，所以开始尝试着将变频器运用于拖动系统。许多企业和大学研究院联合试制，将PLC和变频器成功地应用两工位钻孔攻丝组合机床上，使该机床的电气性能和各项技术指标都得到了极大的改善。例如机床的调速范围宽，一般的通用型变频器都可实现0-400HZ范围内无级调速；机械特性好，节能效果显着提高，能够满足各种工艺要求，该系统的另一大优点是变频器的故障代码显示为排除故障提供了大量的信息，大大缩短了故障排除时间。
目前，变频器应用在组合机床的发展趋势表现为：一是高性能：基本上所有的变频器都要求矢量掌握方式；二是易掌握性不断提高：好多变频器在结构上考虑到现场安装的要求，同时在软件上加入起动设置工具，通过用户操作从而简化调试进程；三是功能模块化以及智能化，方便了选型、安装、调试等。
2.4 改造方案的选取
改造方案的选取直接影响整个机床的工作情况。在选择时，要综合分析机床的总体结构,多查阅相关资料，并和有关的工作人员进行讨论，最终确定方案。
根据前面的分析，改造两工位钻孔攻丝组合机床的主拖动部份一般采交流变频调速系统，控制部份采用PLC。由于变频调速系统的各种运行状况和故障情况都可以通过显示器显示，因此得到电气设计人员和维护人员的推崇和喜爱。所以在本设计中对电机的转速控制用交流变频调速技术。
第三章 两工位钻孔攻丝组合机床电气控制
系统的硬件设计
3.1 电力拖动系统主回路设计
在该控制系统中，根据工艺的要求，共选择电机五个，其中M1作为液压电机;M2为控制凸轮电机：M3为钻孔动立头电机；M4为攻丝动力头电机；M5作为冷却泵电机。QS空气开关一个，KM交流接触器六个，FU熔断器二十一个，FR热继电器五个，变压器一台。根据控制要求绘制出主回路电路原理图，如图3-1所示。
在图 3-1中，QS空气开关一般处于闭合状态，设备运行时合上空气开
关 ，非工作时断开。在该控制电路中旋转闭合手动开关SA，HL3指示灯亮，之后可进行手动操作，KA1常闭触点起保护作用；断开手动开关SA之后才能闭合SB，KA1线圈得电，完成自锁同时自动指示灯亮，系统自动对工件进行加工。
3.2 变频器及PLC的选型
目前，变频器在我国的使用已经越来越多，通常所应用的变频器是指能适用于工业中通常所用得电机和一般的变频电机、一般情况下供电的电压是：单相220v、三相380v，频率是50hz，用来作为调速控制的变频器。由于这种变频器广泛应用在工业控制领域，所以成为变频器的主流。调速的基本原理来源于以下公式:
式中:n1—同步转速(r/min); f1—定子供电电源频率(HZ); ?p—磁极对数。
在选择变频器的时候，一定要注意变频器输出电流和功率一定要等于或大于被驱动的异步电动机的电流和功率。由于变频器的超负荷能力赶不上异步电动机的过载能力，如果异步电动机出现过载现象，首先变频器就会被损坏。应用变频器前就要明白变频器的调速原理和过程与机械调速之间存在很大的区别，绝对不可以将异步电动机的机械调速部分变为具有相等功率的变频器，主要是因为功率是由转矩与转速的乘积得到的。
采用机械变速时(如皮带变速、齿转变速)，若它们的变比为k，在不改变电动机功率情况下，电机转速就会降底k倍，同时转矩就升高了k倍，这种属于恒定功率的负载。然而变频器的转速与转矩之间的关系是：当频率不高于它的额定频率时，运行过程转矩不变，电动机输出转矩也不能被提高；当频率高于它的额定频率时，随着转速的升高转矩就会下降。当电动机在运行过程中低于它的额定频率时，没有增加负载力矩，所以，当电机运行在额定频率以下时，可以根据电动机的功率大小来配置变频器的功率。一些功率不变的负载，转速较低时力矩会有所增加，然而电动机和变频器在低于额定频率时它们的电流都会被限制，也不能增加力矩，所以当用变频器将电机转速调低时可能会造成电动机带不动负载。选择时一定要根据减速时增加力矩的比例，选择的电机和变频器要比原来的电机功率大。例如原来1.5kw电机，负载转矩1kgm,转速1460r/min，机械变速后转速降到720r/min，转矩就可达2kgm，但原来的电机和变频器不可能输出2kgm的转矩。因此，要改变电
机和变频器都是1.5×2=3kw，选用标准功率3.7或4kw的电机和变频器才行。 变频器的选用型号还应根据使用要求而仔细考虑下列因素： ?
(1) 考虑内容是使用是电网电压、所处环境条件、负载的大小以及性质。 (2) 电网电压处于不正常时，变频器可能会受害。电压过高，如对380v的线电压如上升到450v就会造成损坏，因此电网电压超过使用手册规定范围的场合，要使用变压器调整，以确保变频器的安全
(3) 为使变频器正常的工作，不但要配置标准的冷却通风系统，而且在选择上要有所增大，这样做是为了应对在额定运行时的温升下降。同时也考虑了，使用时温度一直较高，如果安装在不能通风冷却良好的机柜内时，那么变频器寿命一定会缩短。更坏的情况是，那些电子精密器件、最典型是电容电解等器件、在大于一定的标准温度后，寿命会随着每升高10℃而下降一半。
(4) 使用于不同用途时，选择变频器的系列型号应作分析，对于一般用途的变频器而采用v/f常数得控制模式已可满足，但是对那些数控机床等精密传动等所对应的变频器，显然就不能满足了，要采用闭环控制方式，当然也要包含对应的接口。总体来说这些变频器变化范围大，而且要求比较高运转精度的时候，典型的是低速并且要求保持一定的速度和负载得能力，那就要选择矢量控制的方式的变频器。总体来说就要综合考虑。
(5) 当变频器为降低电动机噪声而将调制频率重新设置得较高并高过出厂时设置的频率时,那么会使变频器的损耗加大。设置频率越高，损耗越大，因此要 适当减载，不同公司、不同系列会有差别，但趋势是相似的。如果一味增加调制频率，则会造成变频器的过热损坏，或者变频器输不出额定功率。。
(6)电动机容量之和一定要小于变频器的容量，所对应的情况是一台变频器来驱动好几台电动机时候，并且只能选择v/f控制模式，矢量控制模式不予采用。
(7) 能够比较正确地运用矢量控制的方式，那么驱动前，对应的变频器对这些电机的一些参数进行自动输入或者自动识别还是有必要的。 矢量控制方式却只能对应一台变频器而驱动一台电机，电动机的额定电流一定不能太大于在实际运用的电流(不低于变频器额定电流的1/8)。
通过对各主要生产厂家的产品的性能价格比分析，选用无锡富士电机公司的变频器。富士的变频器有以下4种控制方式：
(1) 无PG（脉冲编码器）矢量控制。 (2) 带PG 矢量控制。 (3) 无PG V/f控制。 (4) 带PG V/f控制。
V/f 是压频比的缩写，变频器一般用 PG 作为速度反馈装置，来实现速度闭环控制，其效果比测速发电机好得多，并且价格适中，安装方便，测量精度完全能满足要求。矢量控制分别独立控制磁场电流和力矩电流，可以像直流电动机调速一样，对电磁力矩进行控制。对调速范围要求不高的主拖动系统，可以选择无 PG 的开环控制。调速范围要求宽的系统，应选择速度闭环控制。带 PG 矢量控制方式的调速范围宽广，速度控制精度高，可以用于各种伺服驱动、高精度速度控制和力矩控制。但是带有 PG 矢量控制功能的变频器的价格相当高，其价格是没有这一功能的系列的价格的1.5倍。为减少成本，并且钻孔攻丝机床对于速度的要求不是太高，所以可以用开环控制方式。基于一上各种因素，本次设计决定选取变频器的型号为FRENIC-MEGA系列无PG V/f控制方式。
本次选取的变频装置是用于控制三相异步电动机的变速运转装置。变频器在控制时只要对其参数进行设定即可，钻孔攻丝组合机床所用的参数设置如下：
（1） F00设置为3。功能为有数据保护，有数字设定保护。 （2） F01频率设定为1。功能为模拟电压输入（DC0－±10v）。 （3） F02设置为1。外部信号时，运转，操作。 3.2.2 PLC 的选型
PLC的电源应选择220VAC电源，与国内电源电压一致。根据所需的 PLC 的输入/输出点数，并留有一定的余地。选择PLC时，应该考虑性能价格比，输入输出点数对价格有直接的影响，每增加一块输入输出卡件就需要增加一定的费用，所以在估计和选择时应充分考虑这一点。
本次设计的机床所用的输入为10点，输出为13点，选择 PLC 的基本单元的型号为 FX2N-32MR-001，输入输出点数总和为32，其中16点输入，16点输出，M是基本单元，R表示继电器输出，001表示适用于中国，选用该型号的PLC已足够。
3.3 控制柜及控制面板的设计