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PLC、變頻器技術在車床係統改造中的運用與實踐研究

2017-3-16 來源：棗莊職業學院作者：陳豔

摘要：工業生產需要（yào）大量有效的（de）機械設備協同運作，在有（yǒu）效的機械設備支持下，產（chǎn）品生產的質量和效率得到大幅提升，傳統的繼電器控製係統用於（yú）工業生產中經常（cháng）出現故障，影響（xiǎng）生產的進行，為了提升產品生產質量，我們需要對傳統的車床係統加以改造，並將 PLC、變頻器技術應用於車床係統之中（zhōng），從而保證車床的穩定與質量的提升。

關鍵詞：PLC；變頻器（qì）技術（shù）；車床；係統；改造

由我國沈陽研製的 CA6140 普通車床廣泛應用於工業生產之中（zhōng），在機床製造行業屬於熱銷機械設備，它是一種金屬切削機床，可以用於車削外圓、內圓、螺紋、螺杆等，它的主軸（zhóu）電機係統是采用機械齒輪箱，實現有級的調（diào）速，運（yùn）用機械換向構造實施正反轉的調控。在當（dāng）前企業生產形勢變化的條件下，傳統的 CA6140 車床需要進行（háng）機械設備改造，采用 PLC、變頻器技術相整合的手段，對普通車床（chuáng）的電氣控製係統進行改（gǎi）造，從（cóng）而從現實實踐應用角度出發，提升機械設備的利用率（lǜ），確保機床的高效、節能、穩（wěn）定和可靠。

1.傳統（tǒng） CA6140 普通車床的電氣控製係統要求

在傳統的 CA6140 普通車床之中，由不（bú）同的構成部件，包括：主軸箱、進給箱、溜板箱（xiāng）、刀架（jià）、絲杠等，其沿用已久的電氣控製原理圖，如圖 1 所示：

圖1 CA6140 型車床電氣控製原理圖

原有的控製係統是在三相鼠籠（lóng）式異步電動機的拖動之下完成的，由三台電動（dòng）機負責（zé）控製（zhì），它們分別是：主軸電動機 M1，冷卻泵電動機 M2，刀（dāo）架快速移動電（diàn）動機 M3，在這三台電動機（jī）設備中主要是依靠三個接觸（chù）器實（shí）現有效的車床係統（tǒng）控製，這三個接（jiē）觸器分別為：KM1、KM2、KM3。

該傳統電氣控製係統（tǒng）的主（zhǔ）軸電動機負責（zé）主軸主運（yùn）動以及刀具（jù）的（de）縱橫向運動，在主軸電動機的驅動下，用機（jī）械換向機構實（shí）現正反轉動作。同（tóng）時，由於對速度有一定的要求，因而，要采用機械變速（sù）的手段，並依賴於主軸箱的（de）齒輪變速箱和主軸電動機的鏈接，來實現（xiàn）對機械的調速要求。

冷卻泵電動機 M2 主（zhǔ）要是負（fù）責在車削加工時，拖（tuō）動冷卻泵，再由輸出冷卻液對刀具和加工件的表麵進行（háng）冷卻。在實現冷卻動作的過（guò）程中，冷卻泵電動機是呈單向旋轉，並在主軸電動機啟動運行之後才可啟動，待主軸（zhóu）電動機停車之後，冷卻電動（dòng）機旋即停止。由此可見，冷卻電動機與主軸電動機之間具（jù）有一定的順序關係（xì）。

快速移動電動機負責拖動溜板箱（xiāng），在點動控製的前提下，操作機械手柄裝置，對刀（dāo）架實（shí）現不同方位的改變（biàn），實現溜板（bǎn）箱的快速移動。

CA6140 普通車床之中的三台電（diàn）動機都是（shì）全壓直接起動，其容量較小，並且要配（pèi）備照（zhào）明電路、信號指示電路及保護。

2.PLC 應用於車床電氣（qì）係統改造的設計思路

伴（bàn）隨著科技手（shǒu）段的不斷改進和提高，可編程控製器———PLC 技術在電氣領域顯現出（chū）明顯的優勢（shì）和應用價值。在對（duì）工業生產的車床電氣係統實踐分析中（zhōng）發現，傳統的車床電氣係統極（jí）易出現故障，因而有必要對其進行改造。在將 PLC 技術應（yīng）用於車（chē）床電氣係（xì）統的改造之前，要進（jìn）行實際情況的具體分析，首先要對原有的繼電器、接觸器（qì）等實施嚴格有效（xiào）的控製；然後，還要保證係統改造不能改變原有車床的加工工藝和性能，要使主軸電動機具有正反轉啟停的功能及正轉動功能。同時，對原有係統的改造不能（néng）改變傳統電器（qì）控製係統中的各個按鈕及其（qí）他元件的功能，采（cǎi）用較好的電機保護措施，以確保其正（zhèng）常有效運行。

3.變頻器對主軸電動機的改（gǎi）造控製設計

傳統的 CA6140 型車床主軸的正轉速度和反轉速（sù）度分別有 24種和 12 種，利用齒輪箱，實現機械（xiè）控製下的有級調（diào）速。在車床運動的振動過程中，主軸電動機可以通過 V 帶，將動力傳（chuán）遞給主軸箱，從而減小振動。在用車床（chuáng）進行車削螺紋（wén）時，是借助於（yú）機械（xiè）換向機構實現主軸的正反轉運動。另（lìng）外，齒輪箱、換向機構也在金屬材料（liào）成本、齒輪（lún）設計精度、維護等方麵，顯現出較大的（de）缺陷。

將變頻器技術應用於車床係統改造（zào）之（zhī）中，可以替（tì）代車床（chuáng）齒（chǐ）輪變速訂的機（jī）械傳動，實現電機（jī）起動、製動的自（zì）動控（kòng）製及電（diàn）機特性曲線的調節。以三菱 FR—A500 變頻器為例，主軸電動機在變頻電路通斷多段速端口的（de）控製下，可以獲取（qǔ）更多的速度選擇。電機的正反轉控製也可以利用控製（zhì）電路通斷變頻器實現正轉、反（fǎn）轉的起動。同時，在變頻器技術之下，可以輸入電（diàn）機的多種運行曲線，對電機進行特性曲線的科學而優化的控製。值得一（yī）提的是，變頻（pín）器技術還具有過電流、過電壓、過熱、缺相的保護功能，對於係統的故障實現了故障報（bào）警功能，為係統提供了穩定（dìng）、安全的現代化調度、監控平台。

基於 PLC、變頻器技術下的主軸電動機控製，由圖 2 可以顯（xiǎn）示：

圖 2 PLC、變頻器、觸摸屏（píng）結束結合對主軸電動機的控製

4.PLC、變頻器技術對車床電路的改造設計

以三菱 FX2N—32MR 型為例，利用 PLC、變頻器技術對 CA6140車床進（jìn）行控製改造：

4.1 運用 PLC 改造（zào）傳統車床中的控（kòng）製電路

首先，我們（men）需要對傳統車床的 PLC 改造的（de）電（diàn）路端口配置進行（háng）描述，其配置如表 1 所示：

其次，還要清晰展示出 PLC 輸入輸出端口接線圖，如圖（tú） 3 所示：

圖 3 PLC 輸（shū）入輸出（chū）端口接線圖

同時，我們需要加以注意的（de）是，運用（yòng） PLC 輸出驅動（dòng）技術，在車床係統的電路部分（fèn）中，主要有繼電器、信號燈、照明燈，它（tā）們（men）的（de）電源支持（chí）供電功率分（fèn）別為：110V、6V、24V，鑒於這一考慮，需要在輸（shū）出端口上（shàng），加以分開：Y0～Y3 共用 COM1，其支持電（diàn）源為 AC110V；Y4～Y7 共用 COM2，其支持電源為 AC6V；Y10～Y13 共用 COM3，其（qí）支持電源為AC24V。由此可知，對於傳統車床的PLC 改造技（jì）術，可以實現梯形的控製（zhì），如圖（tú） 4 所示：

4.2 PLC、變頻（pín）器（qì）技（jì）術整合下對傳統（tǒng）車床的改造運用

PLC 端口配置，並添加整合旋轉編碼（mǎ）器等傳感器，在實時的主軸（zhóu）電動機運（yùn）作過程中，實現轉速、方向等參數的實時監控和相關數據的采集，通（tōng）常情況下，速（sù）度信（xìn）號可以（yǐ）經由 PLC高速計數器輸入接口，在參數的（de）計算之後（hòu）進行 PLC 程序的編製加工。同時（shí），PLC 輸（shū）出端（duān）口還要協同變頻器實現正（zhèng）轉、反轉方向的啟動，全麵改進傳統車床係統。綜上所述，應現代化工業生產的要求，傳統的 CA6140 車床係統需要（yào）加以改造和優化，可以采用新型的 PLC、變（biàn）頻器技術，對傳統車（chē）床的機械傳（chuán）動（dòng）部（bù）分和電路係統部分，加以精度（dù）的提升和穩定安全程度的提高，增（zēng）強現代化機床的自動化、智能程度，優化數控車床的性（xìng）能。

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