摘 要：针对龙门刨床机械式进刀量控制机构的结构特点，采用PLC为主控制器，以变频器作为控制电源，研制了一种龙门刨床刀架自动进给控制系统实践表明该系统设计先进、操作方便、运行可靠。
关键词：龙门刨床；刀架进刀机构；可编程序控制器；变频调速器
中图分类号：TG551.2 文献标识码：B
传统的龙门刨床电控系统采用接触器和继电器，时常发生触点故障。本文着重介绍一种运用PLC控制调速器，结合减速装置实现的刀具自动进给控制系统。该方案替换了原机械进刀机构，提高了进刀精度和可操作性，并具有很好的可移植性，可广泛应用于各种机床的进刀系统。
以BQ2020型龙门刨床电器控制系统为例，它的机械进刀传动示意图见图1。电动机1传动蜗杆2带动蜗轮3转动，齿轮8处在左位时，结合子4和5结合，进刀机构处在进给工位。当齿轮8处在右位时，进刀机构处在快速工位，结合子9和10结合，超越离合器11带动齿轮8旋转。通过改变超越离合器转动的角度，使齿轮8转动不同的角度，从而获得刀架不同的进给量。在实际使用过程中表现出机械冲击大、电器故障多、进刀不均或进刀无力的缺点。本文提出的自动进给控制方案，可以有效地解决这些问题。
一、整体改造方案
改造后的龙门刨床主控系统采用PLC可编程控制器，实现其全部工作过程自动控制。包括横梁上下、刀架移动、抬刀落刀、工作台自动往复运动及联锁保护和报警等。PLC的硬件设计基本上按照常规进行。本设计中不直接用PLC的输出继电器带动交流接触器，而是在每个输出触点后面增加了一个24V的直流继电器，用该继电器的触点驱动负载，不仅可以扩展输出点数，提高通用性，也对PLC的输出继电器起到了保护作用。其中工作台拖动电机的启动、停止、正反转以及转速调节由PLC控制调速装置完成，取代原有的继电器接触器控制系统和交直流发电机组拖动装置。横梁升降仍然用原有的电动机，抬刀仍然保留原有的电磁铁，但是都由PLC统一控制。龙门刨床的整体系统控制结构如图2所示。
本文着重介绍刀架自动进刀控制系统的改造方案。
二、刀架自动控制方案
1．刀架工作方式
刀具进给控制系统如图3所示。龙门刨床的刀架分为垂直刀架、左侧刀架和右侧刀架，其动作原理基本一样，现以垂直刀架为例说明。
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刀架的移动分为手动快速移动和自动进给两种方式，由控制柜面板上的刀架工作方式选择开关给PLC发送指令。变频器输出频率由两个电位器给定，WR1决定快移速度，WR2决定自动进给速度，由操作人员根据需要随时进行调节。
当需要刀架快移对刀时，刀架工作方式选择开关选择“快移”，由按钮通过PLC控制变频器（图4中的KA 16）的状态，进而控制电机运转的启停。
在需要刀架自动进给时，刀架工作方式选择开关选择“进给”，此时，电动机的转速由WR2给定。每次工作台由前进转换到后退时，PLC接通抬刀电磁铁的电源，刨刀抬起，同时刀架完成进给动作。当工作台由后退转换到前进时，抬刀电磁铁线圈断电，刨刀弹簧复位落下。当自动进给行程结束后，刀架撞击行程开关，刀架以快移速度快速返回，可以设置另一行程开关控制刀架停止，也可以由操作人员手动停止。另外还有一个手动抬刀控制开关在选刀架时使用。
2．刀架进刀量的控制
刀具进给时，由PLC通过变频器调速装置控制刀架进给电机的启动和停止，进刀量则由每次电动机运转的时间△t和电动机的转速决定。
设电动机的转速为n转／分，每次进给时转动的时间为△t秒，传动丝杠的螺距为Lmm，则进给当量为：
δ=△t×n×L/60 mm（1）
式中传动丝杠的螺距L是固定的，△t在PLC中由专业人员通过修改程序参数设定，一般也不需要变更。在△t和L不变的情况下，自动进刀量可通过控制柜上的速度调节电位器WR2调整电机的转速来调节，方便工人的现场操作。
3．刀架进刀量的精度控制
一般来说，PLC能够很好地保障△t的精度，传动丝杠的螺距L的精度也可以保证，所以电机转速的稳定性是保证进刀量精度的关键。
龙门刨床的刀架在自动进刀时的进刀量通常都为几个毫米，如果由电动机直接带动丝杠，电机转速相应就要调得很低，而低速状态下电机转速的变化率高。同时，由于交流异步电动机启动的时间难于精确控制，从而会引起较大的误差。为了减少误差，我们在电机和刀架传动丝杠之间加装了减速箱。这样，电机就可以工作在较高的速度上，时间也可以加长。
三、进刀机构拖动电源的设计
龙门刨床工作台和进刀机构都有直流和交流两种拖动方案。
1．直流拖动
以实际采用的SSD950十为例，它是一种全数字式直流调速装置，使用一个内部的电流环和一个外部的速度环来控制直流电动机。可以采用电枢电压反馈，具有IR补偿；也可采用编码反馈或模拟测速电机反馈。考虑到工作环境和性价比，本方案选用测速电机反馈，速度范围为100:1，其工作原理如图4所示。
图中MB为直流电机，BR为直流测速电机，PLC控制的继电器触点KA 16闭合时刀架快移，KA 17闭合时刀架进给，WR1、WR2为调速电位器。KA20、KA28闭合时电机正转，KA21、KA28闭合时电机反转。KA28是有故障时紧急停机用的常开触点，正常工作时加电处于闭合状态。在进刀机构中使用时，要求对刀准确、加工精度高、停机时间设为标准模式的下限0.1s。
2．交流拖动方式
采用法国施耐德公司的ATV 31系列变频器作为进刀电机的调速控制器，它提供丰富的软件功能、操作简便、体积小、节省空间、具有可编程逻辑输入。以本文所用的ATV31HU40N4型变频器为例，其适用电机为4kW的三相交流电机，使用方法如图5所示。
M为进刀电机，RZ为电机制动电阻，PO为直流母线正极性，和PA+之间一定要有共用连接，KA 16和KA 17是由PLC控制的继电器触点，分别控制进刀电机的快速移动和刀架进给，电机的转速分别由安装在控制柜上的电位器WR3和WR4调整，KA20和KA21分别控制电机的正转和反转，KA29为紧急停机用的触点，正常工作时闭合，由PLC监控系统的工作状态，在有故障时断开电机供电。
