基于 pLC和變頻器的C650臥式車床主軸電機(jī)多段速系統(tǒng)設(shè)計*

喬東凱，陳　軍

(廣東石油化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 茂名　525000)

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基于 pLC和變頻器的C650臥式車床主軸電機(jī)多段速系統(tǒng)設(shè)計*

喬東凱，陳軍

(廣東石油化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 茂名525000)

摘要：闡述了C650臥式車床主軸轉(zhuǎn)速控制的現(xiàn)狀和缺點，并介紹了采用可編程控制器和變頻器對C650臥式車床的主軸進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的具體方法，從而實現(xiàn)了對主軸多段調(diào)速的目的。實踐證明該方法經(jīng)濟(jì)實效，對其它類型的機(jī)床電氣改造具有借鑒和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：可編程控制器；變頻器；車床；主軸多段速

0引言

C650車床廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)工件的車削加工，可以加工內(nèi)、外圓、圓錐面、端面、鏜孔、割槽、鉆孔、滾花，亦能車削常用的公制和英制螺紋[1]，對于不同的加工工藝，需要主軸電動機(jī)輸出不同的轉(zhuǎn)速。C650車床主軸轉(zhuǎn)速的多段性，是通過幾個不同的齒輪之間的嚙合來實現(xiàn)的[2]。一直以來，C650臥式車床的主軸轉(zhuǎn)速的選擇都是通過轉(zhuǎn)動手柄到不同的刻度上來改變的，要改變主軸轉(zhuǎn)速時，必須在主軸停止的情況下[3-4]。速度轉(zhuǎn)換時要轉(zhuǎn)動手柄，操作起來非常不便。有時候需要頻繁地更換其主軸轉(zhuǎn)速，加快了齒輪之間的磨損，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速達(dá)不到要求。此外，齒輪在運轉(zhuǎn)時，會出現(xiàn)噪聲大，啟動、傳動時不平穩(wěn)，換速時沖擊大等問題[5-6]。為了延長機(jī)器使用年限和方便操作人員使用，同時考慮到經(jīng)濟(jì)因素，對C650車床進(jìn)行小型化改造具有重要意義，同時該方法對其它機(jī)床類設(shè)備的電氣改造具有借鑒和指導(dǎo)意義。

通過調(diào)節(jié)變頻器的參數(shù)使不同輸出端口具有不同頻率信號，再將pLC的輸出端口接至對應(yīng)信號的輸出端口上來實現(xiàn)主軸多段調(diào)速控制的目的。

1調(diào)速改造方案

未改造前，主軸調(diào)速是通過齒輪減速箱中不同齒輪之間的嚙合，即齒數(shù)少的齒輪來帶動齒數(shù)多的齒輪來達(dá)到減速的目的。機(jī)床改造后，用pLC、變頻器和三相異步電機(jī)來代替整個減速箱，實現(xiàn)主軸電機(jī)的有級調(diào)速。

(1)調(diào)速原理

三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速:

n=(1-s)60f/p

(1)

式(1)中:

n—三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速;

f—頻率;

s—轉(zhuǎn)差率。

通過公式(1)可知，改變變頻器的頻率就可以達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)速度的效果，且變頻器頻率f可以在0～400Hz的范圍內(nèi)變化，對于變頻電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬[7-8]，普通三相異步電動機(jī)因為結(jié)構(gòu)和制造的原因其頻率調(diào)節(jié)范圍會小一些。

(2)pLC及變頻器的選擇

根據(jù)C650臥式車床主軸所采用的電機(jī)的型號和變頻器控制電機(jī)的特點，并考慮到經(jīng)濟(jì)性，pLC選擇AB Micro 830 2080-LC30-24QWB，其輸入點14個，輸出點為10個。為使電機(jī)能有多種速度，選擇有4個數(shù)字量輸入端口和8種預(yù)設(shè)置速度的power Flex 40變頻器。

(3)pLC與變頻器的連接設(shè)置

如圖1所示，pLC的輸出端口DO_01、DO_02、DO_03、DO_05、DO_06、DO _07分別接變頻器端口01、02、03、05、06、07端口。為了防止輸出端子公共端流過過大電流，將pLC的COM0～COM3接在一起。

圖1　pLC與變頻器的接線圖

(4)電機(jī)的多段速控制

式中：γsr為系統(tǒng)對外散熱損失比例，取0.5%；Qp為給水泵加入系統(tǒng)的能量，kJ/h；hBFP,in、hBFP,out分別為給水泵進(jìn)、出口給水的焓，kJ/kg。

三相異步電機(jī)采用三線制控制，需要將變頻器的啟動源[p036]的參數(shù)設(shè)置為1，其正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止分別通過變頻器的端口02、03和01來實現(xiàn)的。因為變頻器的預(yù)置頻率參數(shù)只有8個，只需要使用三個數(shù)字量輸入端口，如表1所示。

表1　多段速的頻率參數(shù)與對應(yīng)端子

對于電機(jī)的多段速的控制，需要將變頻器的p038[速度基準(zhǔn)值]參數(shù)設(shè)置為4，A501、A502和A503數(shù)字量輸入?yún)?shù)設(shè)置為4，由變頻器的端口05、06和07來實現(xiàn)，并由變頻器的預(yù)先設(shè)置頻率參數(shù)A070～A077來保存8個多段速頻率值。要設(shè)置的變頻器參數(shù)如表2所示。

表2　變頻器參數(shù)設(shè)置

通過pLC的按鈕DI_00、DI_01、DI_02分別來控制電動機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)和停止，將pLC的輸出端口DO_01、DO_02、DO_03、DO_05、DO_06、DO _07分別接變頻器端口01、02、03、05、06、07端口。另外，將COM口接在11端口，提供+24V電源。正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)只有在變頻器接通電源后才能進(jìn)行；變頻器只有正反轉(zhuǎn)都不工作的時候才能切斷電源。

電機(jī)正轉(zhuǎn)的不同頻率控制程序如圖2所示。

圖2　電機(jī)正轉(zhuǎn)的不同頻率控制

圖2中，當(dāng)m1～m8中任一個頻率信號有效，并且按下正轉(zhuǎn)信號按鈕時，電動機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)按下停止按鈕時，電機(jī)停止運行。當(dāng)電動機(jī)正在反轉(zhuǎn)時，不能正轉(zhuǎn)。

電機(jī)反轉(zhuǎn)的不同頻率控制程序如圖3所示。

圖3　電機(jī)反轉(zhuǎn)的不同頻率控制

圖3中，當(dāng)m1～m8中任一個頻率信號有效，并且按下反轉(zhuǎn)信號按鈕時，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)按下停止按鈕時，電機(jī)停止運行。當(dāng)電動機(jī)正轉(zhuǎn)時，不能反轉(zhuǎn)。

電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止控制程序如圖4所示。

圖4　電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止控制

圖4中，當(dāng)按下停止按鈕時，電動機(jī)停止，并使正轉(zhuǎn)信號m10和反轉(zhuǎn)信號m11復(fù)位；當(dāng)按下正轉(zhuǎn)按鈕時，發(fā)送出一個正轉(zhuǎn)信號m10，m10常開觸點閉合并且形成自鎖回路；當(dāng)按下反轉(zhuǎn)按鈕時，發(fā)送出一個反轉(zhuǎn)信號m11，m11常開觸點閉合且形成自鎖回路。

電機(jī)頻率的選擇控制程序如圖5所示。圖5中，當(dāng)按下頻率選擇按鈕IO_EM_DI_03～I(xiàn)O_EM_DI_13，相應(yīng)的頻率信號m1～m8通電并自鎖。當(dāng)按下停止按鈕時，頻率信號m1～m8信都將復(fù)位。

圖5　電機(jī)頻率的選擇

電機(jī)第七、第八頻率選擇控制程序如圖6所示。

圖6　電機(jī)第七、第八頻率選擇

如圖6所示，并結(jié)合表1所示，當(dāng)?shù)诙⒌谒摹⒌诹偷诎祟l率接通時，變頻器端口5有輸出；當(dāng)?shù)谌⒌谒摹⒌谄吆偷诎祟l率接通時，變頻器端口6有輸出；當(dāng)?shù)谖濉⒌诹⒌谄吆偷诎祟l率接通時，變頻器端口7有輸出。

2結(jié)束語

針對C650車床以前采用的通過轉(zhuǎn)動手柄來調(diào)速的手工操作方式，該方法自動化程度低，齒輪傳動副磨損大，設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障，工作效率較低，為了提高效率，該設(shè)備的電氣化多段速控制改造勢在必行。針對原系統(tǒng)的不足之處，本設(shè)計從電氣控制方案、元器件選型及機(jī)加工系統(tǒng)現(xiàn)場環(huán)境等諸多不利因素綜合考慮，對C650車床的主軸多段速進(jìn)行了電氣化改造，經(jīng)改造后的該設(shè)備控制電路簡單，穩(wěn)定性和可靠性也大大增強(qiáng)，實操非常方便，變頻調(diào)速擁有節(jié)能、容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機(jī)的調(diào)速控制、可以實現(xiàn)大范圍的高效連續(xù)調(diào)速控制[9-10]。設(shè)備改造后至今從未出現(xiàn)過故障，工作效率為100﹪，系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、安全性和可靠性得到了保證，受到了行業(yè)人員的一致好評。

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The Multi-speed System Design of C650 Horizontal Lathe Spindle Motor Based on pLC and Inverter

QIAO Dong-kai ,CHEN Jun

(College of Electromechanical Engineering,Guangdong University of petrochemical Technology, Maoming Guangdong 525000,China)

Abstract：This paper elaborates the current situation shortcomings of spindle speed control of C650 horizontal lathe , and describes the specific methods, adopting pLC and inverter, to control spindle speed of C650 horizontal lathe, in order to achieve the purpose of multi-speed of spindle.

Key words：pLC; inverter; lathe;multi-speed of spindle

中圖分類號：TH122;TG65

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：喬東凱(1974—)，男，安徽安慶人，廣東石油化工學(xué)院副教授，博士研究生,研究方向為機(jī)械制造及其自動化，(E-mail)qiaodongkai@163.com。

*基金項目：廣東省茂名市科技計劃重點資助項目(512060)

收稿日期：2015-01-27；修回日期：2015-03-09

文章編號：1001-2265(2016)01-0098-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.027