某廠單臂四米龍門刨床，其電氣系統(tǒng)由主拖動和控制系統(tǒng)兩部分組成。電氣主拖動系統(tǒng)是jf-d直流調速系統(tǒng)，電控部分采用繼電邏輯控制系統(tǒng)。因已運行了三十多年，電氣系統(tǒng)存在著嚴重的老化現(xiàn)象，設備精度降低，調速性差，故障率高且繼電邏輯控制系統(tǒng)線路復雜，查找故障必須按照一定的步驟和順序進行，設備發(fā)生故障的次數和處理故障的時間也越來越長。
因此，采用plc對龍門刨床進行數控改造，提高其加工精度，延長其工作壽命，并滿足客戶對產品技術性能指標的要求，不失為一種投入少，見效快的解決辦法。
1、數控改造方案
1.1龍門刨床的工藝流程對控制系統(tǒng)的要求
1.1.1 調速范圍
jf-d調速系統(tǒng)的速度范圍為100～1 000 rpm／min，即調速范圍為10：1；有磨削功能的jf-d調速系統(tǒng)的速度范圍為25～1 000 rpm／min，即調速范圍為40：1。
1.1.2 靜差度
一般要求s=0.1～0.05，即s=10％～5％。
1.1.3 工作臺的自動循環(huán)往返運動
刨削加工時，工作臺應能自動往復運動。
1.2龍門刨床電氣控制系統(tǒng)的硬件設計
1.2.1 系統(tǒng)的總體結構
目前改造龍門刨床的主拖動部分一般采用全數字直流調速系統(tǒng)或交流變頻調速系統(tǒng)，控制部分使用plc。全數字直流調速系統(tǒng)選用國外的成套設備，設備的運行參數用英文顯示，設備操作及維護人員要消化和掌握系統(tǒng)的性能，需花費較長的時間和具備一定的技術水平。
而變頻調速系統(tǒng)經過多年的推廣和使用，各項性能和技術指標不斷趨于完善和成熟，節(jié)能效果顯著。并且由于變頻調速系統(tǒng)的各種運行狀況和故障情況都可以通過監(jiān)示器顯示，因此，根據當前電氣技術的發(fā)展趨勢和龍門刨床的實際狀況，提出圖1所示的電氣技術改造原理框圖。
改造方案中，保留了原來的操作按鈕，這樣可以適應原操作人員的操作習慣，設備的大部分操作都可通過按鈕完成。操作指令傳送給plc控制系統(tǒng)，plc對這些指令進行處理后控制相應的設備。plc將設備的運行狀態(tài)信號傳送給按鈕，按鈕用指示燈顯示相應的信息。
監(jiān)示器選用觸摸屏，可以形象直觀地顯示整個電氣系統(tǒng)的各種運行狀態(tài)和設備可能發(fā)生的電氣故障。操作人員和電氣維護人員，查看觸摸屏畫面就可以了解整個設備運行狀況和故障發(fā)生的位置。
plc用于實現(xiàn)開關量邏輯控制和控制變頻電機轉速的方向和大小。按鈕站的按鈕、外部行程開關和操作手柄通過plc，控制油泵、風機、橫梁升降、橫梁夾緊、垂直刀架、右側刀架、左側刀架的電動機，以及后退行程抬刀電磁鐵線圈。
1.2.2 電力拖動系統(tǒng)主回路設計
電氣改造時主回路基本不變，只是將主拖動的直流電動機換為交流變頻電機?？諝忾_關1zk，4zk，5zk一般處于閉合狀態(tài)，設備運行時合上總空氣開關zk，非工作時斷開。主回路電路如圖2所示。
1.3 plc基本單元選型與plc的外部接線圖
1.3.1 plc基本單元選型
根據所需的plc的輸入／輸出點數，并留有一定的余地，選擇三菱公司生產的fx2n-80mr-001的plc。它的基本指令執(zhí)行時間每條0.08μs，存儲器容量可擴展到16k步，最大可擴展到256個i／o點，有多種摸擬量輸入／輸出模塊、高速計數器模塊、脈沖輸出模塊、位置控制模塊、rs 232／rs 422，rs 485串行通信模塊、功能擴展板和模擬電位器擴展板等，可完全滿足設計需要。
1.3.2 plc的外部接線圖
圖3是plc的外部接線圖。輸入部分可以分為外部工作環(huán)境、工作臺運行、刀架控制和橫梁運行四部分。輸出點分為信號顯示、交流接觸器線圈控制和變頻器控制三部分。
1.4 電機選型
龍門刨床原直流調速系統(tǒng)的直流電機型號為bcd-93，通過對比，選用55 kw的8極變頻電動機，其額定轉矩為700.7 n•m。55 kw的8極變頻電動機的轉矩比原來的直流電動機大，能夠滿足系統(tǒng)調速范圍的要求。
1.5 變頻器選型
通過對各主要生產廠家的產品的性能價格比分析，選用日本安川公司的變頻器。為減少改造成本，選用安川的cimr-f7a4055變頻器，它的帶pg v／f控制方式的調速范圍為1：40，速度控制精度可達±0.03％，可以滿足系統(tǒng)的調速要求。
2、軟件設計
2.1工作臺控制程序設計
龍門刨床工作臺的工作分為點動和自動循環(huán)兩種方式。點動包括步進(點動前進)和步退(點動后退)，目的是調整工作臺到達合適位置，以便擺放加工工件。工作臺的自動循環(huán)往返運動是對工件進行加工的過程。工作臺自動循環(huán)往返過程由裝在床身的六只行程開關(接近開關)控制。
在工作臺自動循環(huán)往返過程的開始階段，要求工作臺處于前進減速行程開關x4和后退減速行程開關x5之間，如果工作臺沒有在這個區(qū)間，應在步進或步退方式下，按點動按鈕，將工作臺調整到該范圍之內。將油泵轉換開關置于“接通”位置，若風機和油泵動作，則工作臺自動運行的外部條件符合要求。工作臺自動運行的順序功能圖如圖4所示。
2.2故障診斷程序設計
在龍門刨床運行過程中，經常會出現(xiàn)各種各樣的故障，查找老式的繼電器邏輯控制系統(tǒng)的故障非常困難。龍門刨床采用plc控制后，利用plc和觸摸屏強大的信息處理功能和信息顯示功能，在出現(xiàn)故障時，通過觸摸屏及時通知操作人員，可以指導檢修人員準確地處理故障。
2.2.1工作臺自動運行故障診斷程序設計
工作臺的自動運行過程與前進／后退換向行程開關和前進／后退減速行程開關的狀態(tài)變化密切相關，如果這4個行程開關出了問題，工作臺不能正確地實現(xiàn)步m20～m28描述的自動循環(huán)過程。
2.2.2 外部設備故障診斷程序設計
外部設備包括風機、油泵和變頻器，有外部設備故障時，用起保停電路保持，信號用觸摸屏顯示。
3、人機界面設計
3.1觸摸屏選用
通過綜合考慮后選用weinview生產的mt-510t型8線精密電阻網絡型工業(yè)觸摸屏，它是10.4”彩色tft液晶觸摸屏，640×480點像素，有2 mbflash rom和4 mb dram。通信口com1有一個用于pc的rs 232口和一個用于plc的rs 485／422口，com2是用于plc的rs 232口。它還有一個標準的并行打印機接口。
3.2主畫面的設計
主畫面形象直觀地顯示龍門刨床工作臺的往復運動狀態(tài)、抬刀動作和與工作臺有關的限位開關的通斷狀態(tài)。用指示燈顯示工作臺的各種狀態(tài)，例如前進、后退、慢速切入、前進減速和后退減速，以及工作臺步進和步退．。還用指示燈顯示油泵風機、變頻器的狀態(tài)，以及進刀、退刀和故障信號等。畫面轉換關系和主畫面如圖5和圖6所示。
4、改造效果
對龍門刨床的電氣控制系統(tǒng)進行了總體設計。主拖動采用調速范圍寬、節(jié)能效果顯著的變頻器，用plc實現(xiàn)開關量邏輯控制和變頻電動機的轉速控制?？刂葡到y(tǒng)用觸摸屏作人機界面，觸摸屏用各種畫面來顯示龍門刨床的運行狀態(tài)和故障信息。實踐證明，改造好的龍門刨銑床大大提高了機床的性能和加工能力，有效地提高了工件的加工精度，產生了顯著的經濟效益和社會效益。