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1、1.绪论传统的大型龙门刨床其调速系统采用直流发电机电动机组拖动系统，靠改变直流发电机与直流电动机的磁通量来调节速度，控制系统采用分离元件，交流接触器、继电器等来控制电机组的起动以及刀架、横梁及工作台的换向、抬刀等动作。这种控制系统故障环节较多，维修困难，调速系统占地面积大，噪音大，设备投资大，惯性大，调整系统动态及静态性能均不理想 1。我们采用一种新型全数字式大功率直流调速装置来进行调速，它采用了 16 位(或 32 位) 微处理器及其它先进技术，使其具有很高的调速精度，优良的控制性能和较强的抗干扰能力，大大减少了故障环节，降低噪音，节约电能，提高可靠性等 2，且欧陆 590 全数字式直流调速
2、系统采用 16 位微处理器，通过优化的闭环控制，实现直流他励电动机和永磁电动机的精确调速控制。2 全数字闭环直流调速系统的工作原理2.1 概述该系统采用先进的网络数字技术，以串行通讯方式把所有指令器件、检测器件以及执行设备连接在一起。系统还采用先进的数字式行程检测定位技术，淘汰了原来用行程开关检测刨台的行程及控制刨台换向的传统方式。系统的主要控制环节是由三菱公司 FXZN 系列 LPC、英国欧陆 590 数字化直流调速器(590+/38A0)和鞍山通用电气公司生产的龙门刨床 AT59RH 型汉字显示人机对话装置组成，并且由此构成全数字龙门刨床控制系统 【3】 。2.2 全数字化直流调速装置传动
3、简介全数字化直流调速控制传动是指由三相交流电源直接供电，用于直流电机电枢和励磁供电，完成调速任务。其中单象限工作装置的电枢整流回路为三相桥式全控电路; 四象限工作装置的电枢整流回路为反并联三相桥式全控电路。励磁整流回路采用单相半控桥，所有的控制、调节、监控及附加功能都由微处理器来实现，且全部控制过程在 VLS(I 极大规模集成电路)技术和微机化硬件环境下以程序软件实现，系统内部信息交换以数字方式进行。全数字化的应用解决了模拟系统中电子元器件参科学训练方法论1数性能受环境因素影响的问题，特别是温度漂移问题，从而使系统精度的不可控影响因素得以消除，控制精度仅受微处理器字长、检测元件精度的影响，从而
4、达到极高品质的控制功能和水平 【4】 。2.3 工作行程数字定位原理2.3.1 龙门刨床的运动特征龙门刨床是一种广泛使用的切削加工机床，其电力拖动自动控制主要包括江作台的、后往复运动;横梁的升、降运动及夹紧、放松控制 ;刀架的快速移动和自动进给运动及抬刀和落刀控制。在上述三大运动中，尤以工作台的前、后往复运动要求最高，它不仅要求调速，而且调速范围要宽;不仅要求频繁地换向，而且要求动态及静态性能优良。龙门刨床工艺要求工作台前、后往复运动的速度图如图 2.1 所示 【5】 。2.3.2 工作行程数字定位原理 【6】【9】传统龙门刨床的往返行程控制和速度自动控制，都是采用机械式限位开关或晶体管接近开
5、关来完成。其故障率高，在现场经常撞坏; 同时操作者要经常调节挡铁的位置，以改变刨台的行程，这就给工人操作带来许多不便，既费劲、费工还容易跑偏。本系统采用先进的数字定位技术，能使刨刀及工作台按设定的行程和速度进行科学训练方法论2有序的运行。按着刀架进给一刀架落刀一工作台前进一工作台加速一工作台速度保持一工作台减速一工作台前进到位一刀架抬刀一工作台后退工作台后退到位一刀架进给，自动循环工作。在操作上，本系统可利用 Af59RH 面板上的清零和定位按钮，很方便的设置其工作区间。刨台数字定位的原理是利用旋转编码器来检测刨台拖动电机旋转的角位移量，再把这个角位移量输送到主站 PLC 进行运算后通过串行接
6、口输出到欧陆 590 数字直流调速装置对其进行控制。系统数字定位控制过程图如图 2.2。刨台在自动往复运动中，需要在刨台后退结束时自动进刀，在刨台前进结束时自动退刀( 抬刀 )，那么刨台的行程位置可这样确定:（1）后退终点即进刀位置的设定:当需要设置刨台工作行程时，按动吊挂正向点动按钮，使刨台正向运行到进刀位置，停止正向点动;再按 Af59RH 清零按键，Af59RH 会把这个指令输到 PLC 并把 PLC 内部的测量角位移量计数器清零，系统会自动记忆住这个起始位置;(2)前进终点即退刀位置的设定:按动吊挂反向点动按钮，使刨台正向运行到退刀位置，停止反向点动;再按 AT59RJI 的定位按键，
7、AT59RH 会把这个指令传输到主站PLC，并把 PLC 内部测量角位移量计数器置位，同时记忆住这个结束位置。在运行时，在主站 PLC 把这两个反映工作台之间实际运行距离的信号，与来自数字测速装置的信号进行比较进行运算处理，从而产生控制工作台的行程及刨台电机正反运转及加减速的指令。科学训练方法论32.4 本章小结本章重点介绍了利用 PLC 技术将全数字直流调进装置，以及 HMI(人机对话)编码器反馈以数字通讯方式适连接起来，构成一个全数字闭环直流调速系统，合理用于 Zx6m 龙门创床的电气设计改造中，并对其工作原理作了简单描述。利用转编码器来检测刨台拖动电机旋转的角位移量，通过串行数字通讯技术
8、，从而实现数字定位控制，减少故障率且操作方便。3 全数字闭环直流调速系统的合理匹配3.1 全数字直流调速系统构成通过分析研究 ，所设计的系统如图 3.1 所示。327(1)主站 CPU:是控制系统的核心，它把智能型 HMI(人机对话装置)、角速度及行程检测、直流调速装置等以数字通讯方式连接起来，各种控制信号传送到 CUP，再经 CUP 运算处理后，分别控制刨台电机和其它辅助设备，对它们进行起动，停止及调速等控制。(2)通讯转换模块:主要是实现电平匹配，以保证主站 CUP 和全数字直流调速装置之间的数据通讯。(3)全数字直流调速装置:从吊挂按钮站给定的各种控制信号传送到 CUP，再经科学训练方法
9、论4CUP 运算处理后直接通过 485/232 串行通讯模块以数字传输方式，控制全数字直流调速装置，使其负载电动机按系统控制需要进行运转。(4)MH 工( 人机对话装置 ):即智能型吊挂按钮站，该装置能以全中文的形式显示系统对全数字直流调速装置的设定参数、系统的运行状态及故障等。并且当系统发生故障时，它能自动准确迅速的指示该系统的故障位置。(5)行程及速度检测:该系统采用先进的数字式行程检测定位技术，淘汰了原来用行程开关检测刨床台面的行程及控制刨床台面换向。(6)限位开关站:主要功能是把系统在工作时所有限位开关的工作状态进行采集处理后，以串行通讯的方式传输到主站 PLC，再由主站 PLC 根据
10、系统控制要求控制相应的辅助设备及主轴电机。(7)辅助设备: 辅助设备包括润滑电机、主轴风机、进给电机、抬落刀电磁阀。它们在刨台自动运行时都是由主站 PLC 的程序进行控制的。(8)线路电抗器:其主要作用是消除电网中存在的谐波分量，抑制从网侧过来的过电流冲击，减小电流的脉动，保护直流调速装置。3.2 全数字直流调速装置的选择3.2.1 直流电机调速原理众所周知，直流电机的外加电压即电枢电压 Ua、电枢反电动势 Es、电枢绕组压降的关系是:Ua=Es+IaxRS (3.1)式中:Es= ，Rs=Ra+RAnce因此n=Ua 一 Ia(Ra+RA)/ (3.2)ec式中:Ce 一电机结构决定的电势系
11、数;Ra 一电枢回路电阻;科学训练方法论5RA 一与电枢回路串联的电阻;If 一电枢电流。由式(3.1)可知，直流电动机的调速方法可分为三种，即改变电枢电压 Ua、改变电枢回路的串联电阻 Ra 和改变磁通 进行调速。3.2.2 590 控制器介绍欧陆 590 可完美地实现直流电动机单向或可逆运行的调速，能完全满足用户的使用条件，具有较高的性能价格比，是目前在机床中应用最多的数字式直流电动机调速驱动器。590 全数字直流调速器具有如下主要特点:高速 16 位 CPU 实现全数字化控制，所有功能均由参数设定完成。电流环自适应，参数自优化;具有斜坡给定、程序停机、惯性滑行停机等多种设定功能，O 电流
12、时间可自行设定。有 3 种反馈方式:测速机、编码器、电枢电压、均由用户自主选择。具有多种保护功能，如过流、过压、失速、超速、失磁、缺相、堵转、触发失败等;并且具有完善的自诊断及记忆显示功能。调速范围宽，调速比100:1。稳态精度高:测速反馈0.1% ，编码器反馈0.01%，电压反馈2%。可方便地与计算机、PLC 等接口，并可实现通讯联网。过载能力强:200%额定电流时.10 秒动作，150%额定电流时 30 秒动作。可自行定义指定的模拟、数字量输入/输出端子。工作宽松，主回路电源电压 110-500V，控制电源 110-240V，频率:45-65HZ3.3 HMI(人机接口)和 PLC(可编程
13、控制器)的选择工业人机界面(HunlnaMachineIniearfec) ，简称 HMI，又称触摸屏监控器，是一种智能化操作控制显示装置。工业人机界面由特殊设计的计算机系统(32 位科学训练方法论6RJSCCPU 芯片)为核心，在 STN，TFT 的液晶显示屏或 EL(电发光) 显示器上罩盖有透明的电阻网络式的触摸屏。3.3.I Af59FJJ 人机对话操作站590 原配有两排 16 个字符的液晶显示器给用户提供了一个简单明了的用户窗口。上边一行显示说明现行菜单或功能，下一行说明下一个菜单或功能，或上边一行所选功能的数值或状态，便于用户设定或修改参数。AT59RH 人机对话装置如图 3.5
14、所示，其核心部件是单片机 89C52，它通过三总线( 地址、数据、控制) 和 LCD 液晶显示器、1/0 扩展模块、SK 数据存储模块实现总线连接;利用通讯模块 ADM485 与外部实现数据交换。图 3.2 B220 龙门刨床人机对话装置电气结构图LCD(T6963C 芯片) 点阵图形液晶显示模块，选用 FM240128 型，具有 240X1283.3.2 PLC(可编程控制器)PLC 基于微机技术，且适用于工业现场工作，通用性强的自动控制设备。它既能控制开关量，也能控制模拟量，控制规模从几十点到上万点不等。作为 590 数字调速器的上位机，可很方便地实现数字通讯。(1)PLC 硬件本系统 P
15、LC 选用三菱公司 FX-2N 型，属小型可编程序控制器，采用模块化组合。科学训练方法论7CPU 模块选用常见的 CPU226，它负责执行程序和存储数据，并且作为网站的指挥中心实现和操作站 AT59RH 及 590 等的通讯联网，以便实现机床的控制和调速。CPU226 模块主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成。另外，还有总线接口，以实现 CPU 与内存及 Uo 模块等的联系。系统中选用 RS-485 接口，它具有通讯距离远、数据传输速率高，抗干扰能力强等优点。本系统选用光电隔离型接口转换器 HF485G，它将 RS232 接口转换为隔离型 RS-485 接口
16、，使系统变得简单。其内部独特的控制电路使之无需修改 RS232 通讯软件即可实现多机通讯和远程通讯。(2)PLC 软件本系统的软件流程图见图 3.7【9】图 3.3 软件流程图科学训练方法论83.4 光电旋转编码器的选择光电旋转编码器(以下简称旋转编码器)主要应用于检测角度位置，也可通过机械联动转换成直线运动来检测线性位置。常见的类型主要有:单相输出、正交 AB 相增量脉冲输出、绝对值格雷码输出、原点输出、防溅、防水、防油、耐震动、抗冲击等等。与以前使用的检测旋转角度产品，如凸轮开关、旋转变压器测速机等相比，在性能、价格、体积、重量、数字化方面，旋转编码器都具有较大的优势，它已成为检测旋转角度和线性位置的最为重要的手段图 3.4 基本原理图 3.8 所示为旋转编码器的基本原理:主轴与两块圆光栅盘相连，光射入并通过
