龙门刨床控制系统设计

基于PLC、变频器的龙门刨床控制系统设计要求一、龙门刨床系统介绍龙门刨床是一种广泛使用的金属切削加工机床，是具有门式框架和卧式长床身的刨床，是许多大型企业不可缺少的设备。

龙门刨床主要用于刨削大型工件，也可在工作台上装夹多个零件同时加工，是制造重型设备（如大型轧钢机，汽轮机，发电机，矿山设备等）不可缺少的工作母机，是用来加工各种平面、斜面、槽，更适合于加工大型而狭长的工件的机床设备（如机床的床身，箱体，导轨等），在机械加工行业里应用十分广泛。

龙门刨床主要分为机械控制和电气控制两大组成部分，生产工艺对刨床电力拖动自动控制系统的要求也越来越高，要使龙门刨床运行在最优状态主要取决于电气控制部分。

龙门刨床工作时需要控制的对象:●工作台的运动：工作台的人工点动运行(进\退)，自动往复循环运行及速度变换。

●刀架的运动：垂直刀架和左、右侧刀架的自动进给、手动快速移动；●横梁升降和夹紧等；1.龙门刨床的基本结构龙门刨床主要用来加工各种平面、斜面、槽，更适合于加工大型而狭长的工件，如机床床身、横梁、立柱、导轨和箱体等。

龙门刨床的结构如图9-1所示，主要由以下七个部分组成。

图1.1 龙门刨床的结构（1）机座：是一个箱形体，上有V形和U形导轨，用于安置工作台。

（2）工作台：也叫刨台，用于安置工件。

下有传动机构，可顺着床身的导轨作往复运动。

（3）立柱：用于安置横梁及刀架。

（4）横梁：用于安置垂直刀架，在切削过程中严禁动作，仅在更换工件时移动，用以调整刀架的高度。

（5）垂直刀架：横梁上一般装有左右两个垂直刀架，由一台三相交流异步电动机驱动，通过机械结构切换驱动哪个刀架。

垂直刀架具有自动进给和手动快速移动两种工作方式，每种工作方式下垂直刀架都具有垂直上、下，水平左、右移动四个运动方向。

横梁上的刀架，可在横梁导轨上作横向进给运动，以刨削工件的水平面；刀架亦可偏转一定角度以刨削斜面。

（6）左右侧刀架：在两个立柱上还安装有可沿立柱上下移动的左、右侧刀架,它们各自由一台三相交流异步电动机驱动，左右侧刀架具有自动进给和手动快速移动两种工作方式，每种工作方式下左右侧刀架只具能沿立柱导轨作上、下运动，以刨削垂直面，以扩大加工范围。

（7）主拖动电机：用于拖动工作台的往返运动。

龙门刨床工作台的往复运动为主运动。

龙门刨床上的工件一般用压板螺栓压紧，龙门刨床的工作台带着工件通过门式框架作直线往复运动，空行程（快退）速度大于工作行程（切削）速度。

机床工作台的驱动可用交流异步电动机+变频器的控制方式，调速范围较大，在低速时也能获得较大的驱动力。

工作台既可作快速的运动，也可作慢速的进给运动，横梁可沿立柱导轨上下升降，以调整刀具和工件的相对位置。

工作台回程时能机动抬刀，以免划伤工件表面。

图1.1A龙门刨床产品图片2.龙门刨床的运动及工艺、技术要求龙门刨床的运动主运动：机床的主运动是指工作台纵向往复运动。

龙门刨床的刨削过程是工件与刨刀作相对运动的过程。

为此工件必须与工作台一起频繁地进行往复运动，工件的切削加工仅在工作行程中，返回行程是空行程。

辅助运动：指横梁的上下移动，垂直刀架沿横梁的左右移动，侧刀架在立柱上的上下运动。

各运动部分的工艺要求（1）工作台的运动◆对工作台运动(主运动)的控制要求龙门刨床工作台的主运动分为点动运行和自动循环两种方式。

◎点动控制即步进（点动前进）和步退（点动后退），调试及对刀时用，目的是调整工作台到达合适位置，以便摆放加工工件。

步进、步退阶段是工件加工前的准备阶段。

工作台步进或步退时，挡块(见图1.2）不能压住前进换向行程开关BG2或后退换向行程计关BG4，如果压住它们，应松开档块，调整挡块位置，使挡块处于这两个行程开关之间。

在工作台步进、步退阶段，首先要求油泵先起动，油压升到设定值时，油压继电器动作，另外要求风机和变频器运转正常。

满足以上条件时，按下工作台步进或步退按钮，可以使工作台点动前进（或点动后退）；当工作台到达需要的位置时，松开该按钮，工作台即停止运动。

步进与步退必须互锁。

“步进”或“步退”是为了调整机床工作台的位置，只能点动控制，此时主运动多采用较低的速度。

◎工作台自动循环往返运动工作台自动循环往返运动是对工件进行加工的过程。

在B2012A型龙门刨床的床身上装有6个行程开关。

前进减速BG1、前进换向BG2、后退减速BG3、后退换向BG4、前进终端保护限位BG5、后退终端保护限位BG6。

工作台侧面装有A、B、C、D 4个撞块，如图1.2所示，减速与换向行程开关的工作情况如表1-1 所示。

图1.2 行程开关布置示意图当横梁已经夹紧，风机和油泵已经工作，并且机床润滑油供给情况正常（油压升到设定值时，油压继电器动作），变频器处于正常状态时，工作台自动往返工作将处于准备状态。

龙门刨床在刨削加工时；工作台应能自动往复运动（见图1.2），往复运动中的速度能按照下列要求相应变化：◎开始加工前，工作台处于原位，此时撞块C压合限位BG3（BG3动作），撞块D压合限位BG4（BG4动作）；BG1和BG2没有被压合，两限位开关处于复位状态。

◎刀具慢速切入：加工开始时，为减小刀具切入工件时的冲击而使工件边沿崩溃，工作台应降低速度使刀具慢速切入；慢速切入期间（t1段），撞块D先离开限位BG4（BG4复位），工作台低速前进一段后，撞块C离开限位BG3（BG3复位）。

◎刨削加工恒速：刀具切入工件后，工作台速度开始上升，增加到规定值，并保持恒定（t2段），使得工件表面均匀光滑；t2段四个限位开关都没有压合。

◎刀具慢速退出：在刀具离开工件之前，为防止工件边缘剥裂，工作台速度应降低，使刀具慢速切出，也可减小工作台对机械的冲击；当工作台前进到撞块A压合限位BG1（BG1动作）时，工作台开始减速（t3段）。

◎工作台前进换向：当切削完毕，工作台到达前进结束位置时，刀具离开工件，撞块B压合限位BG2（BG2动作,此时BG1仍保持压合），工作台停止前进，开始换向。

在返回之前，必须“抬刀’，以免刨刀在返回过程中在工件上留下划痕，影响光洁度，抬刀动作由抬刀电磁铁来完成。

◎快速返回和缓冲过渡过程：由于返回行程比工作行程速度高，为减小反向冲击和停车的超程，也要求在返回行程的末尾先减速，然后停车再换向，这样既准确又可以减少对机械和电机的冲击。

其速度曲线如图1.3 所示。

工作台开始回退时，撞块B离开限位BG2（BG2复位，BG1仍保持压合），工作台高速回退，退一小段后撞块A离开限位BG1（BG1复位），工作台继续高速回退。

当工作台回退到接近原位时撞块C压合限位BG3（BG3动作）时，工作台开始减速回退。

当工作台又回退到原位时，撞块D压合限位BG4（BG4动作，BG3仍保持压合）时，工作台回退到原位，停止或开始换向。

图1.3 龙门刨床工作台自动运行图在自动循环工作方式下（切削过程中），在工作台由返回行程转到工作行程的期间，刀架会进行一定量的进给。

由于工作台直线往返运动，经常处在速度变化和反向的过度状态，为提高机床生产效率和防止刨台“脱轨”，要求系统的过渡过程时间要短，而且传动要平稳。

限位开关BG5是工作台前进超限保护限位开关，限位开关BG6是工作台后退超限保护限位开关，正常情况下限位开关BG5、BG6处于复位状态，只有换向限位BG2、BG4失效（故障）时，工作台超出换向限位位置时，才会被压合，作用是切断电路，使工作台停下来。

工作台停止时有制动，防止“爬行”；四个限位开关的通断规律见表1-1。

由表1-l可知，工作台停在返回行程终了位置时，BG1-b、BG2-b、BG3-a 和BG4-a触点是闭合的，BG1-a、BG2-a、BG3-b和BG4-b触点是断开的。

此时，若按下起动按钮，刨床工作台将按图1.3所示的规律运行，即正向起动慢速切入→工作进程→慢速退出→反向起动并快速退回→反向减速。

◆主运动的调速范围加工不同的工件需要使用不同的刀具，要求机床具有不同的速度以满足生产工艺的要求。

B2012A/型龙门刨床的主电动机工作台前进（切削工件）时的最大转速约500r／min（33.33Hz），工作台后退时的最大转速为700r／min（46.67Hz）。

慢速切入时的最低速度为50rpm／min（3.33Hz）。

即调速范围为14：l，见表1-5。

◆主运动的静差度实际加工过程中由于工件表面不平及材料的不均匀性，将会导致刨削力波动，为保证工作台速度不致因负载波动而变化太大，因此对系统的静差度有一定的要求。

B2012A型龙门刨床要求的直线度为S＝0.015。

（2）龙门刨床的刀架结构、运动控制及进刀量的控制◆对刀架运动的基本要求龙门刨床装有左侧刀架、右侧刀架和横梁上的左、右垂直刀架；它们分别由三台交流异步电动机来拖动（如图中MA5、MA6、MA7）。

刀架的控制电路用于控制刀架的快速移动与自动进给。

刀架具有自动进给和快速移动两种控制方式。

刀架的快速移动/自动进给方式选择是由进刀箱上的机械手柄的位置来决定。

机械手柄的位置与限位开关的关系及刀架控制要求如下：●垂直刀架快速移动/自动进给切换的机械手柄打向：选择快速移动时：行程开关BG21释放，常闭触点闭合，常开触点断开；选择自动进给时：行程开关BG21压合，常开触点闭合，常闭触点断开；●垂直刀架在每种工作方式下（快速移动/自动进给）都有水平左右进刀、垂直上下进刀四个方向的动作，这些都是由一台垂直刀架电动机MA5来完成的。

★垂直刀架快速移动时，电动机只能正转，快速移动正反方向是靠装在进刀架侧面的进刀手柄（选择快进、快退）来控制，即由机械部分实现方向切换。

★垂直刀架自动进给时，选择水平左右进刀、垂直上下进刀的方向也是靠机械手柄来实现的，即由机械部分实现。

垂直刀架运动方向选择左右时，手柄打在行程开关BG24压合位置，垂直刀架运动方向选择上下时，手柄打在行程开关BG24释放位置★垂直刀架自动进给时，刀架的正向进给和反向退刀则是通过控制垂直刀架电动机正反转来实现。

●左侧刀架快速移动/自动进给切换机械手柄打向：自动进给位置时：行程开关BG22压合，常开触点闭合；快速移动位置时：行程开关BG22复位，常闭触点闭合；左侧刀架只能沿垂直方向上下运动。

●右侧刀架快速移动/自动进给切换机械手柄打向：自动进给位置时：行程开关BG23压合，常开触点闭合；快速移动位置时：行程开关BG23复位，常闭触点闭合；右侧刀架只能沿垂直方向上下运动。

垂直刀架、左侧刀架、右侧刀架快速移动与自动进给不能同时进行。

●刀架快速移动的条件：工作台处于静止状态，刀架自动进给手柄断开，刀架退刀电动机未动作。

此时按刀架快速移动按钮，电机正转，刀架快速移动，到达所需位置时，松开按钮，刀架快移过程结束。

刀架快速移动的正反方向由机械手柄来切换，快速移动时刀架电动机只能正转。