引言：某廠A1024A單臂四米龍門刨床，其電氣系統由主拖動和控制系統兩部分組成。電氣主拖動系統是JF-D直流調速系統，電控部分采用繼電邏輯控制系統。因已運行了三十多年，電氣系統存在著嚴重的老化現象，設備精度降低，調速性差，故障率高且繼電邏輯控制系統線路復雜，查找故障必須按照一定的步驟和順序進行，設備發生故障的次數和處理故障的時間也越來越長。
因此，采用PLC對A1024A龍門刨床進行數控改造，提高其加工精度，延長其工作壽命，并滿足客戶對產品技術性能指標的要求，不失為一種投入少，見效快的解決辦法。
l數控改造方案
1.1龍門刨床的工藝流程對控制系統的要求
1.1.1 調速范圍
JF-D調速系統的速度范圍為100～1 000 rpm／min，即調速范圍為10：1；有磨削功能的JF-D調速系統的速度范圍為25～1 000 rpm／min，即調速范圍為40：1。
1.1.2 靜差度
一般要求S=0.1～0.05，即S=10％～5％。
1.1.3 工作臺的自動循環往返運動
刨削加工時，工作臺應能自動往復運動。
1.2龍門刨床電氣控制系統的硬件設計
1.2.1 系統的總體結構
目前改造龍門刨床的主拖動部分一般采用全數字直流調速系統或交流變頻調速系統，控制部分使用PLC。全數字直流調速系統選用國外的成套設備，設備的運行參數用英文顯示，設備操作及維護人員要消化和掌握系統的性能，需花費較長的時間和具備一定的技術水平。
而變頻調速系統經過多年的推廣和使用，各項性能和技術指標不斷趨于完善和成熟，節能效果顯著。并且由于變頻調速系統的各種運行狀況和故障情況都可以通過監示器顯示，因此，根據當前電氣技術的發展趨勢和龍門刨床的實際狀況，提出圖1所示的電氣技術改造原理框圖。
改造方案中，保留了原來的操作按鈕，這樣可以適應原操作人員的操作習慣，設備的大部分操作都可通過按鈕完成。操作指令傳送給PLC控制系統，PLC對這些指令進行處理后控制相應的設備。PLC將設備的運行狀態信號傳送給按鈕，按鈕用指示燈顯示相應的信息。
監示器選用觸摸屏，可以形象直觀地顯示整個電氣系統的各種運行狀態和設備可能發生的電氣故障。操作人員和電氣維護人員，查看觸摸屏畫面就可以了解整個設備運行狀況和故障發生的位置。
PLC用于實現開關量邏輯控制和控制變頻電機轉速的方向和大小。按鈕站的按鈕、外部行程開關和操作手柄通過PLC，控制油泵、風機、橫梁升降、橫梁夾緊、垂直刀架、右側刀架、左側刀架的電動機，以及后退行程抬刀電磁鐵線圈。
1.2.2 電力拖動系統主回路設計
電氣改造時主回路基本不變，只是將主拖動的直流電動機換為交流變頻電機?？諝忾_關1ZK，4ZK，5ZK一般處于閉合狀態，設備運行時合上總空氣開關ZK，非工作時斷開。主回路電路如圖2所示。
1.3 PLC基本單元選型與PLC的外部接線圖
1.3.1 PLC基本單元選型
根據所需的PLC的輸入／輸出點數，并留有一定的余地，選擇三菱公司生產的FX2N-80MR-001的PLC。它的基本指令執行時間每條0.08μs，存儲器容量可擴展到16K步，最大可擴展到256個I／O點，有多種摸擬量輸入／輸出模塊、高速計數器模塊、脈沖輸出模塊、位置控制模塊、RS 232／RS 422，RS 485串行通信模塊、功能擴展板和模擬電位器擴展板等，可完全滿足設計需要。
1.3.2 PLC的外部接線圖
圖3是PLC的外部接線圖。輸入部分可以分為外部工作環境、工作臺運行、刀架控制和橫梁運行四部分。輸出點分為信號顯示、交流接觸器線圈控制和變頻器控制三部分。
1.4 電機選型
龍門刨床原直流調速系統的直流電機型號為BCD-93，通過對比，選用55 kW的8極變頻電動機，其額定轉矩為700.7 N·m。55 kW的8極變頻電動機的轉矩比原來的直流電動機大，能夠滿足系統調速范圍的要求。
1.5 變頻器選型
通過對各主要生產廠家的產品的性能價格比分析，選用日本安川公司的變頻器。為減少改造成本，選用安川的CIMR-F7A4055變頻器，它的帶PG V／f控制方式的調速范圍為1：40，速度控制精度可達±0.03％，可以滿足系統的調速要求。
2 軟件設計
2.1工作臺控制程序設計
龍門刨床工作臺的工作分為點動和自動循環兩種方式。點動包括步進(點動前進)和步退(點動后退)，目的是調整工作臺到達合適位置，以便擺放加工工件。工作臺的自動循環往返運動是對工件進行加工的過程。工作臺自動循環往返過程由裝在床身的六只行程開關(接近開關)控制。
在工作臺自動循環往返過程的開始階段，要求工作臺處于前進減速行程開關X4和后退減速行程開關X5之間，如果工作臺沒有在這個區間，應在步進或步退方式下，按點動按鈕，將工作臺調整到該范圍之內。將油泵轉換開關置于‘接通’位置，若風機和油泵動作，則工作臺自動運行的外部條件符合要求。工作臺自動運行的順序功能圖如圖4所示。
2.2故障診斷程序設計
在龍門刨床運行過程中，經常會出現各種各樣的故障，查找老式的繼電器邏輯控制系統的故障非常困難。龍門刨床采用PLC控制后，利用PLC和觸摸屏強大的信息處理功能和信息顯示功能，在出現故障時，通過觸摸屏及時通知操作人員，可以指導檢修人員準確地處理故障。
2.2.1工作臺自動運行故障診斷程序設計
工作臺的自動運行過程與前進／后退換向行程開關和前進／后退減速行程開關的狀態變化密切相關，如果這4個行程開關出了問題，工作臺不能正確地實現步M20～M28描述的自動循環過程。
2.2.2 外部設備故障診斷程序設計
外部設備包括風機、油泵和變頻器，有外部設備故障時，用起保停電路保持，信號用觸摸屏顯示。
3人機界面設計
3.1觸摸屏選用
通過綜合考慮后選用WEINVIEW生產的MT-510T型8線精密電阻網絡型工業觸摸屏，它是10.4’彩色TFT液晶觸摸屏，640×480點像素，有2 MBFLASH ROM和4 MB DRAM。通信口COM1有一個用于PC的RS 232口和一個用于PLC的RS 485／422口，COM2是用于PLC的RS 232口。它還有一個標準的并行打印機接口。
3.2主畫面的設計
主畫面形象直觀地顯示龍門刨床工作臺的往復運動狀態、抬刀動作和與工作臺有關的限位開關的通斷狀態。用指示燈顯示工作臺的各種狀態，例如前進、后退、慢速切入、前進減速和后退減速，以及工作臺步進和步退．。還用指示燈顯示油泵風機、變頻器的狀態，以及進刀、退刀和故障信號等。畫面轉換關系和主畫面如圖5和圖6所示。
4 改造效果
對龍門刨床的電氣控制系統進行了總體設計。主拖動采用調速范圍寬、節能效果顯著的變頻器，用PLC實現開關量邏輯控制和變頻電動機的轉速控制。控制系統用觸摸屏作人機界面，觸摸屏用各種畫面來顯示龍門刨床的運行狀態和故障信息。實踐證明，改造好的龍門刨銑床大大提高了機床的性能和加工能力，有效地提高了工件的加工精度，產生了顯著的經濟效益和社會效益。
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