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1、摘 要在分析和研究龙门刨床（B2012A）原控制系统的基础上，设计了龙门刨床直流脉宽调速系统。该系统以直流脉宽调速电路和可编程控制器为调速器件，能通过主电动机实际转速自动调节，从而实现工作台的可逆调速，克服了龙门刨床换向冲击大、工作效率不高的一系列缺点。系统硬件结构简单，控制安全可靠，运行平稳，调速精度高，且经济实用，具有广阔的应用前景。关键词：龙门刨床；可编程控制器；直流脉宽；可逆调速AbstractBase on the analysis and research of the original control system of double housing planer (B2012A
2、), designed a pulse width type of direct current speed regulat system. The dircet current pulse width speed regulat and programmable control is in this system as the main speed governing device, it can automaincally regulate the speed according to the real rotalain speed, and realized reversibly reg
3、ulating the speed of the work platform. It eliminated the impact of original system, improaed the work efficierrcy greatly. The structure of hardware is simple, the controlling is salf and dependable, the moving is smooth and the speed regulating is precies. Furthermore, this system is economical an
4、d practical, the outlook of its application is wide.Key words: double housing planer; programmable control; pulse width type of direct current; reversibly speed regulating目 录第一章 概论 11.1 龙门刨床自动控制技术的发展历史及趋势 11.2 龙门刨床的工艺特点 21.3 现有龙门刨床控制系统存在的问题 31.4 课题的研究意义 31.5 本课题的主要任务 4第二章 系统方案设计 52.1 理想的速度运行曲线 52.2
5、实现理想速度运行曲线的方法 62.3 总体方案设计 62.3.1 系统方案论证 62.3.2 系统主要配置和使用方法 82.3.3 系统硬件设计 112.3.4 系统工作流程和控制功能实现 122.3.5 系统重要参数测定和计算 13第三章 双闭环直流脉宽调速系统 153.1 转速电流双闭环直流调速系统 153.2 直流电动机的PWM控制原理 19第四章 系统软件设计 244.1 FXGP/WIN软件介绍244.2 程序设计分析 244.3 编程用到的特殊指令 254.3.1 FROM-TO指令254.3.2 PWM指令264.3.3 PLSY指令274.4 I/O分配列表274.5 部分程序
6、设计 284.6 程序设计中应注意的问题 294.7 系统接线图 30第五章 系统调试 315.1 调试中出现的问题及解决方法 315.2 开关问题及元件好坏判定 31第六章 结论 33结束语 34致谢 35参考文献 36附录 38湖北汽车工业学院毕业设计（论文）第一章 概论1.1 龙门刨床自动控制技术的发展历史及趋势在进给系统（如横梁、刀架）中，用交流鼠笼电机拖动，利用皮带、齿轮传动或用电磁离合器来改变进刀和退刀方向。这种传动方式电气装置简单，但机械结构较复杂并且调速困难，皮带和离合器经常损坏，这是比较古老的龙门刨床。龙门刨床的电力传动系统12，由始至今一般有以下两种方式：1）工作台主传动系
7、统在历史上曾经采用电机扩大机-直流发电机-直流电动机组成的直流调速系统，简称K-F-D系统。利用这种直流机组传动克服了古老刨床机械结构复杂、难以调速的毛病，系统可靠性相对较高一些，调速范围较宽，因它只受电枢压降的影响，但K-F-D系统有扩大机组和发电机组，故成本高，占地面积大，噪音大，且K-F-D系统是机组变流，变流过程损耗大，效率低，其系统的惯性除受直流电动机影响外，还受到发电机和电机扩大机电磁惯性的影响，故惯性大，换向时冲击大。2）随着电力电子技术的发展，从上世纪七八十年代起，工作台主传动系统是以可控硅-直流电动机系统，简称SCR-D系统为主。SCR-D系统可省掉扩大机组和发电机组，节省成
8、本，其系统的效率几乎与负载无关，适宜于负载变动较大的情况，且可控硅基本上属于无惯性环节，反应速度较快，电磁惯性可以减到很少，但SCR-D系统可靠性稍差。因可控硅电压与电流过载能力小，在过压、过流、电压和电流上升率太大的情况下容易损坏，且受温度影响，特性易变化，触发部分用的半导体元件其特性受温度影响也易发生变化，受外界干扰，易产生误动作。另外，SCR-D系统的调速范围，除了受电动机电枢压降影响外，还受可控整流线路参数的影响，在低速时可控硅控制角增大，管压降增大，致使静差度增大，调速范围低。龙门刨床的主拖动系统在加工过程中起主要作用，而现有的龙门刨床主拖动系统都存在着投资大、消耗量大、调节精度不高
9、、换向冲击大等一系列缺点，因此对龙门刨床电控系统进行改造势在必行。近些年来，随着科学技术的高度发展，控制领域的数字化进程加快，全数字直流调速技术不断完善，部分龙门刨床己改造成各种各样的数控机床，工作效率大大提高，老式龙门刨床的电控系统将逐步被淘汰，最终将被全数字控制系统完全取代。1.2 龙门刨床的工艺特点龙门刨床是制造大型机械设备不可缺少的工作母机。应用非常广泛，具有多种控制要求。其主要用来加工大型工件的各种平面、斜面、槽。特别适用于加工大型的、狭长的机械零件，如机床的床身、箱体、立柱、导轨等。其生产工艺的特点是工作台与工件频繁的进行往复运动。工件的切削加工仅在工作行程内进行，而返回行程只做空
10、运转。在切削时没有进给运动，只在返回行程转到工作行程的期间内刀架才位移一定距离。因而龙门刨床的主运动是工作台和工件的纵向往复运动。龙门刨床工作台速度运行图12如图1.1所示。图中：LQ工作行程；LH返回行程；VJ慢速切入速度；VQ切削速度；VH返回速度；图1.1 原龙门刨床工作台速度运行图0-t1工作台前进起动阶段；t1-t2刀具慢速切入阶段；t2-t3加速至稳定工作速度阶段；t3-t4稳定工作速度阶段；t4-t5减速退出工作阶段；t5-t6反接制动到后退工作阶段；t6-t7后退穗定速度阶段；t7-t8后退减速阶段；t8-t9后退反接制动阶段。刀具切入工件之前减速的目的，是为了减少刀具在切入时
11、所承受的冲击，延长刀具的使用寿命，称为慢速切入。切入工件后再加速到规定的切削速度VQ。切出工件之前减速的目的是为了防止工件边缘的崩裂。返回过程不切削工件，为提高生产率，反向时直接加速到高速返回速度VH。返回行程再反向到工作速度之前，为了减少反向时的越位，还要求有一个减速过程。1.3 现有龙门刨床控制系统存在的问题从速度运行图1.1可以看出，在龙门刨床的工作过程中，对起动、制动特性要求很高，由于换向快，正反向起动、制动频繁，其中有很大一部分时间是工作在过渡过程中，为了提高生产效率，显然必须尽量缩短换向过渡时间。但是换向的时间愈短，起、制动电流就愈大，这样又容易损坏电机，而且换向时速度突变使刨床产
12、生较大的机械冲击，这对工作台主拖动直流电机和传动机构都有很大的影响，导致传动部件的快速磨损，降低刨削加工质量。而且，由于老式龙门刨床大多数采用的是“电机扩大机-直流发电机-直流电动机(K-F-D)”主拖动系统，存在投资大、用料多、耗电量大、占地面积宽、噪音大、难维护等一系列缺点。经上世纪后期改进为可控硅直流调速系统(SCR-D系统)，但还存在着一些问题：如电路结构复杂，需要的功率开关元件多；在相控方式下电压、电流波形的畸变因数和相移因数随运行速度一同下降；主电路开关频率低，使系统的截止频率过低，不利于提高系统对外部信号的响应速度等。因此，提高调速精度和工作效率，消除换向冲击，保护主电机和传动机
13、构，成为大型龙门刨床期待解决的技术问题。1.4 课题的研究意义龙门刨床如控制和使用得当，不仅能提高效率，节约成本，还可大大延长使用寿命。龙门刨床主要分为机械和电气控制两大组成部分，机械部分相对比较稳定，使龙门刨床运行在最优状态主要取决于电气控制系统控制方式。在传统龙门刨床中，这种现象尤其明显，其机械部分刚性好，精度较高，一般其基本性能可达到现代同类机械的水平，但控制和驱动部分则显得不同程度的老化，这对加工性能及成本有很大的影响，有的甚至无法在一些加工要求稍高的工件场合下使用，本科题通过对原系统以及龙门刨床加工运行性能和要求进行分析研究，设计了一套低成本高性能的控制方案，如果应用于实践，可最大限
14、度发挥龙门刨床的加工潜力，提高可靠性，降低运行成本，对老式龙门刨床的改造提高有很大的实际意义。1.5 本课题的主要任务本课题对龙门刨床的控制系统进行全面改造，对龙门刨床主电机设计了双闭环直流PWM调速系统，以取代原来的控制系统，消除其诸多弊端，使刨床经济有效运行。课题主要做以下工作：（1）设计出系统的方案，并对系统重要参数进行测定和计算。（2）本课题要用双闭环直流脉宽调速系统，所以主要是对其论述。（3）用PLC对双闭环直流脉宽调速系统的转速环和电流环进行编程实现，并用设计出的电路图进行硬件的焊接和接线。（4）对系统进行运行和调试，测定系统的运行情况。第二章 系统方案设计2.1 理想的速度运行曲
15、线龙门刨床横梁、刀架等部件的控制可以用可编程控制器来完成，而要提高龙门刨床的工作效率，解决工作台的换向冲击等问题，必须平滑精确地调节工作台运行速度及过渡过程的加、减速，使其实现可逆运行。其理想的速度运行图37如图2.1所示：图2.1 工作台理想速度运行图图中：LQ工作行程；LH返回行程；VQ切削速度；VH返回速度；0-t1工作台前进加速至稳定工作速度阶段；t1-t2稳定工作速度阶段；t2-t3减速至零前进换向；t3-t4后退加速阶段；t4-t5后退稳定速度阶段；t5-t6减速至零后退换向。由图2.1可见，工作台换向时加、减速平滑且时间短，能很好地消除因换向时速度突变产生的机械冲击，大大提高工作效率。2.2 实现理想速度运行曲线的方法1.速度反馈：安装直流测速发电机。直流测速发电机能够产生和电动机转轴角速度成比例的电信号，为速度控制系统提供转轴速度负反馈，具有在宽广的范围内提供速度信号等优点。2.电流反馈：限流保护是为了解决反馈闭环调速系统的启动和堵转时电流过大的问题
