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基于 Ｐ Ｌ Ｃ的龙门刨床改造 李玉婉 （ 兰州交通大学 机电工程学院， 甘肃 兰州 ７ ３ ０ ０ ７ ０ ） 摘 要 针对大型龙门刨床 Ｂ ２ ０ ２ ５目前存在的问题， 对其电气控制系统进行全面的技术改造， 增加铣削功能以适应各 种加工要求。该控制系统以 Ｐ Ｌ Ｃ为核心以及人机界面为控制界面， 完成开关量逻辑控制、 转速控制、 工作台智能调节 及人机界面交互； 西门子直流调速器 ６ Ｒ Ａ ８ ０实现刨削控制系统改造； 西门子变频器 Ｍ Ｍ ４ ４ ０实现铣削功能控制。通过 改造， 提高了系统的可靠性、 稳定性， 操作界面简单、 友好， 满足生产加工多元化要求。 关键词 龙门刨床； 铣削； Ｐ Ｌ Ｃ ； 人机界面（ Ｈ Ｍ Ｉ ） ； 直流调速器； 变频器 中图分类号 Ｔ Ｐ ２ ７ ３ 文献标志码 Ａ 文章编号 １ ０ ０ ７ － ４ ４ １ ４ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ２ － ０ １ ２ ８ － ０ ４ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ Ｇ ａ ｎ ｔ ｒ ｙＰ ｌ ａ ｎ ｅＣ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍＢ ａ ｓ ｅ ｄｏ ｎＰ Ｌ Ｃ Ｌ Ｉ Ｙ ｕ － ｗ ａ ｎ （ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｌ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕＪ ｉ ａ ｏ ｔ ｏ ｎ ｇＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｌ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕＧ ａ ｎ ｓ ｕ ７ ３ ０ ０ ７ ０ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ａ ｉ ｍ ｉ ｎ ｇａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｉ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍｏ ｆ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ － ｓ ｃ ａ ｌ ｅ Ｂ ２ ０ ２ ５ｇ ａ ｎ ｔ ｒ ｙ ｐ ｌ ａ ｎ ｅ ，ａ ｃ ｏ ｍ ｐ ｒ ｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉ ｖ ｅ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｉ ｓ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄｔ ｏ ｉ ｔ ｓ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｉ ｔ ｙ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ，ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｉ ｎ ｇｔ ｈ ｅｍ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇｃ ａ ｐ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｉ ｅ 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铣削时， 拆除原机床一个垂直刀架， 并且在拆除 垂直刀架溜板上增加一台 １ ５ｋ Ｗ 铣头， 在主减速箱 与交流变频电机之间增加一套铣削减速机， 来满足铣 削时直流电机对工作台的驱动要求， 确保铣削时， 工 作台低速运行时稳定， 不抖动、 不爬行。增加一套电 磁离合器来实现刨削和铣削电机之间的切换。变频 器具有低速性能好、 响应快、 定位精度高， 过载能力强 等优点， 因此主传动采用变频器配 １ ５ｋ Ｗ 交流变频 电机来驱动工作台的运行， 以满足工作台铣销时的加 工要求。 ８２１ 设计与制造 ２ ０ １ ５年第 ２期 （ 第 ２ ８卷， 总第 １ ３ ６期）机械研究与应用 收稿日期 ２ ０ １ ５ － ０ ２ － １ ５ 作者简介 李玉婉（ １ ９ ８ ９ － ） ， 女， 甘肃武威人， 硕士研究生， 研究方向 自动化控制。 龙门刨床的大部分动作属于逻辑控制， 因此以 Ｐ Ｌ Ｃ为核心实现开关量逻辑控制， 触摸屏实现人机界 面（ Ｈ Ｍ Ｉ ） 交互和刨铣的切换。触摸屏主画面实时显 示龙门刨铣床的运行状态以及故障信息［ ３ ］。Ｐ Ｌ Ｃ 、 变 频器、 直流调速器及触摸屏都选择西门子公司产品， 因为配套的系统兼容性较好， 运行方便、 稳定可靠。 制作电气控制柜一台， 方便龙门刨铣床控制以及检测 维修。控制系统结构框图如图 １所示。 图 １ 控制系统结构框图 ２ ． ２ 控制系统各部分流程设计 ２ ． ２ ． １ 自动控制子模块／ 工作台点动 自动控制有三种工作方式， 在加工时根据所加工 工件的工艺要求进行选择， 其控制流程如图 ２所示。 图 ２ 工作台自动控制流程图 工作台分别有点动控制和自动控制两种运动方 式， 其中点动控制用来调整工作台步进和步退动 作［ １ ］， 工作台在启动前需先启动润滑油泵。自动循 环控制是以 Ｐ Ｌ Ｃ为核心， 以接近开关等配合相关电 路和 Ｐ Ｌ Ｃ梯形图程序来完成。 ２ ． ２ ． ２ 横梁控制子模块 横梁控制是指横梁的升降、 夹紧放松控制， 在横 梁动作前先要对横梁进行放松控制， 移动到位后横梁 夹紧。确保丝杠和螺母之间的无间隙配合， 在横梁下 降动作完成后有短暂的回升控制， 紧接着执行夹紧动 作， 回升控制时间由定时器设定。在横梁升降过程中 碰到接近开关， 控制程序结束运行， 升降电动机停止。 横梁调整必须在工作台停止运行时进行， 那么在硬件 电路中和程序执行时需要设计联锁电路。横梁控制 子模块流程图如图 ３所示。 图 ３ 横梁控制流程图 ２ ． ２ ． ３ 刀架控制子模块 交流电动机的正反转动作控制的刀架进刀动作、 退刀动作。刀架自动控制是指四个刀架的自动进给、 快速移动控制。其中两个侧刀架和一个垂直刀架完 成水平、 垂直方向的刨削动作， 另一个垂直刀架安装 铣刀完成铣削动作。刀架快速移动时必须在工作台 停止运行时进行。选择开关完成刀架的选择［ ４ ］， 并 将电信号送给 Ｐ Ｌ Ｃ ， Ｐ Ｌ Ｃ根据合理的逻辑判断并产生 输出信号，相应的交流电机响应并进行正反向控制， 完成刀架的自动进刀、 退刀的控制。 ２ ． ２ ． ４ 故障报警及位置调整子模块 故障报警子模块是为了系统在出现故障时， 对系 统进行安全保护。在控制系统设计时除了基本功能 外， 还必须设计一些安全联锁保护功能， 以保证系统 安全可靠地正常运行。 位置调整子模块是为了在控制系统启动检测一 ９２１ 机械研究与应用２ ０ １ ５年第 ２期 （ 第 ２ ８卷， 总第 １ ３ ６期） 设计与制造 些运动部件故障动作， 先进行故障排除并进行位置调 整， 使运动部件运行到合适位置。在本系统中， 一般 设置工作台前进／ 后退极限保护， 横梁上升／ 下降极限 保护以及刀架极限保护。 ３ 刨铣功能控制系统设计 ３ ． １ 控制系统总体硬件结构 根据控制系统的要求， 本系统选择德国西门子 Ｓ ７ － ２ ０ ０系列的 Ｐ Ｌ Ｃ 。系统的大部分输入输出量是数 字量， 其中， 一共数字量输入点为 ４ ２个， 数字量输出 点为 ２ ９个， 因此选择西门子 Ｐ Ｌ ＣＣ Ｐ Ｕ ２ ２ ４ （ Ａ Ｃ ／ Ｄ Ｃ继 电器） 为主机， 并扩展 ２个数字量扩展模块， 他们分 别是一个 Ｅ Ｍ ２ ２ ３ （ １ ６ Ｄ Ｉ ／ １ ６ Ｄ Ｏ ， 继电器输出） 、 一个 Ｅ Ｍ ２ ２ ３ （ １ ６ Ｄ Ｉ ／ １ ６ Ｄ Ｏ ， 晶体管输出） ［ ４ － ８ ］。 ３ ． ２ 刨削功能硬件结构 ３ ． ２ ． １ 直流调速器的选型 直流调速器的选型主要依据所控制的 Ｚ Ｂ Ｄ － ９ ３ 型直流电机的额定电源电压（ ２ ２ ０Ｖ ） ； 额定直流电压 （ 即电枢电压＝ ２ ２ ０Ｖ ） ； 额定电枢电流（ ３ ０ ５Ａ ） 及运 行方式（ 两象限或四象限， 该系统的直流电机在四象 限运行） 几个要素来进行选型。综合考虑以上几个 要素最终选择西门子 ６ Ｒ Ａ ８ ０ ８ ７ － ６ Ｄ Ｖ ６ ２直流调速器。 启动直流调速器将电机铭牌上的参数输入到直流调 速器， 设置结束按下确认键， 结束电机数据的输入。 ３ ． ２ ． ２ 辅助功能硬件的选型 本系统用接近开关用作限位控制， 接近开关重新 选择综合考虑使用环境、 检测物、 电源电压、 使用寿命 和价格等因素， 选择欧姆龙直流 ３线式 Ｅ ２ Ｅ － Ｘ ５ Ｅ １ （ 非屏蔽） 型接近开关若干， 大小为 Ｍ １ ２ ， 检测距离为 ５ｍ ｍ ， 一般设定检测距离为 ０～ ４ ． ０ｍ ｍ 。 本系统用旋转编码器来检测刨床工作台减速及 返回信号［ ９ ］， 并将信号送给 Ｐ Ｌ Ｃ 。旋转编码器的选型 综合考虑以下三方面因素 ①机械安装尺寸； ②分辨 率； ③电气接口。为合理利用 Ｐ Ｌ Ｃ的 ２ ４Ｖ电源， 最 终选择 Ｅ ６ Ａ ２ － Ｃ Ｗ３ Ｅ型增量式旋转编码器， 该旋转编 码器的分辨率为 ５ ０ ０ （ 脉冲／ 转数） ， 与之相配套安装 的耦合器的型号为 Ｅ ６ ９ － Ｃ ０ ４ Ｂ ， 用金属安装的配件为 Ｅ ６ ９ － １ 。 ３ ． ３ 铣削功能硬件结构 主传动采用变频器配 １ ５ｋ Ｗ交流变频电机来驱 动工作台的运行。变频调速电机一般均选择 ４级电 机， 基频工作点设计在 ５ ０Ｈ ｚ ， 频率 ０～ ５ ０Ｈ ｚ （ 转速 ０ ～ １ ４ ８ ０ｒ ／ ｍ ｉ ｎ ） 范围内电机作恒转矩运行， 频率 ５ ０～ １ ０ ０Ｈ ｚ （ 转速 １ ４ ８ ０～ ２ ８ ０ ０ｒ ／ ｍ ｉ ｎ ） 范围内电机作恒功 率运行， 整个调速范围为（ ０～ ２ ８ ０ ０ｒ ／ ｍ ｉ ｎ ） 。根据控 制要求， 在满足基本驱动设备的要求， 要提高输出转 矩， 选择 ６级电机， 其工作特性与直流调速电机相同， 调速平滑稳定， 最终选择 Ｙ Ｖ Ｐ － １ ８ ０ Ｌ － ６型变频电机 来实现工作台调速的目的。 变频器的选型综合考虑所控制变频电机的实际 电流值以及负载特性等。所驱动的电机属于恒功率 型负载， 要求低速运行时转矩要足够大， 变频器电压 电流都要匹配［ １ ０ ］。最终选择 Ｓ ｉ ｅ ｍ ｅ ｎ ｓ Ｍ Ｍ ４ ４ ０型变频 器进行调速。通过减速机、 变频电机， 电磁离合器综 合带动工作台运动， 完成铣削动作。 ４ 系统控制分析及人机界面设计 ４ ． １ 刨削功能系统控制分析 按照机床的工作要求以及刨削铣削的工艺对控 制系统的要求， 设置自动工作和手动工作两种模式， 符合操作人员的操作习惯， 图 ４为系统控制流程图。 图 ４ 系统控制流程图 机床刨削时在手动工作模式下能够完成以下几 个动作， 分别是垂直刀架快速进给、 左／ 右侧刀架快速 进给、 横梁升降夹紧控制、 工作台步进前进和步进后 退等动作［ ４ ］。 机床刨削时， 电磁离合器分离， 工作台分别向前 和向后两方向运动， 其运动的速度值由电位计 Ｗ１ 、 Ｗ２设置， 设置值送给 ６ Ｒ Ａ ８ ０全数字直流调速装置。 当满足启动条件的情况下， 按下工作台相应前进、 后 退按钮， ６ Ｒ Ａ ８ ０全数字直流调速装置即解除封锁输 出相应电压， 电机响应开始运转带动机床工作台作相 应的运动［ ９ ］。旋转编码器检测机床工作台减速及返 回信号， 并将其检测到的信号送给 Ｐ Ｌ Ｃ 。慢进和慢退 的速度值由整流装置参数设定。Ｐ Ｌ Ｃ控制正反方向 给定及慢进、 慢退等信号给 ６ Ｒ Ａ ８ ０全数字直流调速 ０３１ 设计与制造 ２ ０ １ ５年第 ２期 （ 第 ２ ８卷， 总第 １ ３ ６期）机械研究与应用 装置， 同时 ６ Ｒ Ａ ８ ０全数字直流调速装置控制电压输 出大小及方向， 实现 刨床工作台自动控制［ ８ ］。机床 铣削时， １ ５ｋ Ｗ的变频电机启动， 电磁离合器结合， 主 电机仅起传递作用使得工作台处于铣削运行状态， 其 速度值由变频器设定来控制电机运行速度， 完成铣削 动作。 龙门刨铣床横梁控制主要有上升、 下降， 夹紧、 放 松控制， 上下的调整移动和自动夹紧相互配合自动的 工作。由按钮站上的横梁上升和横梁下降按钮控制， Ｐ Ｌ Ｃ检测其输入信号， 并控制其升降接触器、 夹紧放 松接触器， 控制交流电动机正反运转， 完成横梁升降、 夹紧、 放松控制［ ９ ］。工作台自动循环工作时， 横梁自 动夹紧于立柱上。横梁上升或下降时， 首先放松， 上 升或下降完成后自动夹紧， 夹紧信号由过电流继电器 检测， 通过 Ｐ Ｌ Ｃ自动控制完成。图 ４给出了系统总 体控制流程。 ４ ． ２ 人机界面设计 人机界面（ Ｈ Ｍ Ｉ ） 的选型综合考虑品牌、 接口形 式、 屏幕尺寸、 稳定性、 可靠性、 使用寿命和价格等因 素， 以及工业现场条件和控制要求， 最后选用西门子 １ ０寸触摸屏 Ｈ Ｍ ＩＳ ｍ ａ ｒ ｔｌ ｉ ｎ ｅ １ ０ ０ ０Ｉ Ｅ 。运用 Ｗｉ ｎ Ｃ Ｃ ｆ ｌ ｅ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ 组态软件实现人机界面（ Ｈ Ｍ Ｉ ） 交互［ １ １ ］。人机 界面（ Ｈ Ｍ Ｉ ） 的主要功能是用触摸屏控制下位机 （ Ｐ Ｌ Ｃ ） ， 以达到控制机器各部件的目的。控制系统主 要由主画面、 横梁升降、 风机油泵、 故障显示画面等组 成。通过组态形成的控制系统画面， 可以使工作人员 通过触摸屏进行数据的输入、 启动或停止整个机器， 以及监控整个系统的运行状况。 设计横梁动作控制界面可以实时显示横梁工作 在哪一步， 按下画面返回按钮时， 画面将切换到主画 面； 按下故障显示按钮时， 画面将切换到故障显示画 面上。触摸屏的每个操作画面都与主画面以及故障 显示画面联接起来， 当故障报警时主画面的报警灯闪 烁并且蜂鸣器响起， 切换到故障显示画面， 可以观察 故障信息。故障排除后， 报警自动解除。图 ５给出了 故障显示画面。 图 ５ 故障显示画面 ５ 结 语 本机床经过 Ｐ Ｌ Ｃ 、 西门子 ６ Ｒ Ａ ８ ０直流调速器刨 削控制改造以及西门子 Ｍ Ｍ ４ ４ ０变频器增加铣削功能 控制， 既没有改变操作人员的操作习惯， 又增强了进 给控制功能， 同时节约了改造资金、 提高了控制系统 和驱动系统的可靠性、 提高了加工效率、 稳定性和自 动化水平， 促进了技术进步。实现了多元化的产品加 工， 满足了市场需求。 参考文献 ［ １ ］ 陈文菊． 基于直流数字调速方案的龙门刨床电控系统改造［ Ｄ ］ ． 成都 电子科技大学， ２ ０ ０ ９ ． ［ ２ ］ 潘新平． 龙门刨床改刨铣床实例［ Ｊ ］ ． 设备管理与维修，２ ０ ０ ９ （ ９ ） ３ ９ － ４ ０ ． ［ ３ ］ 陈竞雄． 基于可编程控制器和变频器的龙门刨床控制系统的研 究［ Ｄ ］ ． 重庆 重庆大学， ２ ０ ０ ５ ． ［ ４ ］ 秦付军．基于 Ｐ Ｌ Ｃ和直流驱动的龙门刨控制系统［ Ｊ ］ ． 微计算 机信息， ２ ０ ０ ７ ， ２ ３ （ １ ） ５ ９ － ６ ０ ． ［ ５ ］ 肖宝兴． 西门子 Ｓ ７ 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