1、畢業論文題 目: 行星內圓磨床控制系統設計 院系名稱：電氣工程 專業班級： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 教師職稱： 43摘 要傳統的行星內圓磨床電氣控制采用繼電器邏輯控制，故障率較高，自動化水平低，精度差。而本論文設計的行星內圓磨床系統采用可編程序控制器plc取代原系統的全部邏輯控制。采用手動、自動功能相結合的方式，以滿足行星內圓磨床的工藝及操作要求;采用變頻控制功能以提高行星內圓磨床的精度。照此方式設計出的行星內圓磨床系統提高了行星內圓磨床的精度及自動化水平，從而提高了生產效率，保證了加工精度。而且由于plc的應用降低了機床的故障率，增加了機床的柔性，也大大地降低了維護費用。 本課題設

2、計的行星內圓磨床電氣控制系統中plc的軟件設計是配合其硬件設置的，進而來完成機床的各種控制功能。在此基礎上盡量利用plc軟件編程的靈活性，來增強機床的控制功能，使其達到日臻完美的地步。關鍵詞：可編程序控制器plc；變頻調速器；行星內圓磨床title the system design of the planet inner-round grinder abstractthe planet inner-round grinder of tradition adopts the overall logic control of the programmable logic controllers

3、replacing electric relay system, which is against the disadvantages, for instance, high fault rate, low level in automation, poor precision and so on. in this paper, to meet the needs of the technology and operation of the planet inner-round grinder, it adopts a way to connect the artificial functio

4、n with the auto one. also,it adopts variable frequency control function, in case of improving the precision of the planet inner-round grinder. the system design of the planet inner-round grinder improves its precision and the level of automation. accordingly, the productivity is improved and the man

5、ufacture precision is ensured. whats more, the application of plc has decreased the fault rate of the machine tool, increased the flexible of the machine tool, as well as decreased the maintenance cost. using plc electrical control system of the software design the planet inner-round grinder is in l

6、ine with its hardware settings, and then to complete a variety of machine control functions. based on these to make full use of the flexibility of software programming, to enhance the control machine to reach the point of becoming more perfect.keywords: programmable logic controllers; frequency conv

7、erter; planet inner-round grinder 目 錄1 引言11.1 論文選題的目的和意義11.2 有關磨床的歷史、現狀和前沿發展情況11.3 行星內圓磨床的工作原理21.4 本課題研究的主要思路31.5 本課題研究的主要內容32 plc及變頻器在工業中的應用42.1 plc的發展和特點42.2 變頻調速的發展和特點102.3 變頻調速原理112.4 變頻器的運行功能112.5變頻器的保護、顯示和預置123 行星內圓磨床的硬件設計183.1行星內回磨床基本功能的設置183.2行星內圓磨床中plc的使用193.3行星內國磨床中變頻器的使用223.4 電路設計244 行星內圓

8、磨床的軟件設計274.1微動功能的實現274.2 自動循環功能的實現295 plc及變頻器的調試375.1 plc的調試375.2變頻器的調試38結論40致謝41參考文獻421 引言1.1 論文選題的目的和意義 傳統的行星內圓磨床電氣控制采用繼電器邏輯控制，有故障率較高，自動化水平低，精度差等缺點。故本論文設計出的行星內圓磨床系統采用可編程序控制器plc取代原系統的全部邏輯控制。采用手動、自動功能相結合的方式，以滿足行星內圓磨床的工藝及操作要求;采用變頻控制功能以提高行星內圓磨床的精度。照此方式設計出的行星內圓磨床系統提高了行星內圓磨床的精度及自動化水平，從而提高了生產效率，保證了加工精度。而

9、且由于plc的應用降低了機床的故障率，增加了機床的柔性，也大大地降低了維護費用。1.2 有關磨床的歷史、現狀和前沿發展情況 磨床是利用磨具對工件表面進行磨削加工的機床。大多數的磨床是使用高速旋轉的砂輪進行磨削加工，少數的是使用油石、砂帶等其他磨具和游離磨料進行加工，如珩磨機、超精加工機床、砂帶磨床、研磨機和拋光機等。 正在精磨軋輥的大型磨床能加工硬度較高的材料，如淬硬鋼、硬質合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花崗石。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能進行高效率的磨削，如強力磨削等。 十八世紀30年代，為了適應鐘表、自行車、縫紉機和槍械等零件淬硬后的加工，英國、德國和美國分別研制出使用天

10、然磨料砂輪的磨床。這些磨床是在當時現成的機床如車床、刨床等上面加裝磨頭改制而成的，它們結構簡單，剛度低，磨削時易產生振動，要求操作工人要有很高的技藝才能磨出精密的工件。 1876年在巴黎博覽會展出的美國布朗-夏普公司制造的萬能外圓磨床，是首次具有現代磨床基本特征的機械。它的工件頭架安裝在往復移動的工作臺上，箱形床身提高了機床剛度，并帶有內圓磨削附件。1883年，這家公司制成磨頭裝在立柱上、工作臺作往復移動的平面磨床。 1900年前后，人造磨料的發展和液壓傳動的應用，對磨床的發展有很大的推動作用。隨著近代工業特別是汽車工業的發展，各種不同類型的磨床相繼問世。例如20世紀初，先后研制出加工氣缸體的

11、行星內圓磨床、曲軸磨床、凸輪軸磨床和帶電磁吸盤的活塞環磨床等。 自動測量裝置于1908年開始應用到磨床上。到了1920年前后，無心磨床、雙端面磨床、軋輥磨床、導軌磨床，研磨機和超精加工機床等相繼制成使用；50年代又出現了可作鏡面磨削的高精度外圓磨床；60年代末又出現了砂輪線速度達6080米/秒的高速磨床和大切深、緩進給磨削平面磨床；70年代，采用微處理機的數字控制和適應控制等技術在磨床上得到了廣泛的應用。 能做鏡面磨削的精密磨床隨著高精度、高硬度機械零件數量的增加，以及精密鑄造和精密鍛造工藝的發展，磨床的性能、品種和產量都在不斷的提高和增長。磨床是各類金屬切削機床中品種最多的一類，主要類型有外

12、圓磨床、內圓磨床、平面磨床、無心磨床、工具磨床等。 外圓磨床是使用最廣泛的磨床，能加工各種圓柱形和圓錐形外表面及軸肩端面的磨床。萬能外圓磨床還帶有內圓磨削附件，可磨削內孔和錐度較大的內、外錐面。不過外圓磨床的自動化程度較低，只適用于中小批單件生產和修配工作。 內圓磨床的砂輪主軸轉速很高，可磨削圓柱、圓錐形內孔表面。普通內圓磨床僅適于單件、小批生產。自動和半自動內圓磨床除工作循環自動進行外，還可在加工中自動測量，大多用于大批量的生產中。 平面磨床是工件一般夾緊在工作臺上，或靠電磁吸力固定在電磁工作臺上，然后用砂輪的周邊或端面磨削工件平面的磨床；無心磨床通常指無心外圓磨床，即工件不用頂尖或卡盤定心

13、和支承，而以工件被磨削外圓面作定位面，工件位于砂輪和導輪之間，由托板支承，這種磨床的生產效率較高，易于實現自動化，多用在大批量生產中。大型曲軸磨床工具磨床是專門用于工具制造和刀具刃磨的磨床，有萬能工具磨床、鉆頭刃磨床、拉刀刃磨床、工具曲線磨床等，多用于工具制造廠和機械制造廠的工具車間。砂帶磨床是以快速運動的砂帶作為磨具，工件由輸送帶支承，效率比其他磨床高數倍，功率消耗僅為其他磨床的幾分之一，主要用于加工大尺寸板材、耐熱材料和大量生產的平面零件等。專門化磨床是專門磨削某一類零件，如曲軸、凸輪軸、花鍵軸、導軌、葉片、軸承滾道及齒輪和螺紋等的磨床。除以上幾類外，還有研磨機、坐標磨床和鋼坯磨床等多種類

14、型。1.3 行星內圓磨床的工作原理行星內圓磨床磨削時，工件固定不轉，砂輪除了繞其自身軸線高速旋轉實現主運動外，同時還繞著被磨內孔的軸線作公轉運動，即圓周進給運動。縱向往復運動由砂輪或工件完成，周期橫向進給運動通過周期地改變砂輪與被磨內孔軸線的偏心距，即增大砂輪公轉運動的旋轉半徑來實現。行星式內圓磨床主要適用于磨削大型工件或形狀不對稱、不便于旋轉的工件。1.4 本課題研究的主要思路本課題設計的行星內圓磨床系統采用可編程序控制器plc及變頻調速技術提高了它的可靠性和自動化水平。1.5 本課題研究的主要內容（1）應用可編程序控制器plc取代繼電器的邏輯控制；（2）應用變頻器實現工作臺調速；（3）設置

15、整個工作過程的自動循環功能。2 plc及變頻器在工業中的應用2.1 plc的發展和特點2.1.1 plc的定義plc即可編程控制器（programmable logic controller，是指以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置。在1987年國際電工委員會（international electrical committee）頒布的plc標準草案中對plc做了如下定義：“plc是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械

16、或生產過程。plc及其有關的外圍設備都應該按易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。” 2.1.2 plc的發展過程 雖然plc問世時間不長，但是隨著微處理器的出現，大規模，超大規模集成電路技術的迅速發展和數據通訊技術的不斷進步，plc也迅速發展，其發展過程大致可分三個階段： （1）早期的plc（60年代末70年代中期） 早期的plc一般稱為可編程邏輯控制器。這時的plc多少有點繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執行原先由繼電器完成的順序控制，定時等。它在硬件上以準計算機的形式出現，在i/o接口電路上作了改進以適應工業控制現場的要求。裝置中的器件主要采用分立元件和

17、中小規模集成電路，存儲器采用磁芯存儲器。另外還采取了一些措施，以提高其抗干擾的能力。在軟件編程上，采用廣大電氣工程技術人員所熟悉的繼電器控制線路的方式梯形圖。因此，早期的plc的性能要優于繼電器控制裝置，其優點包括簡單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指示，能重復使用等。其中plc特有的編程語言梯形圖一直沿用至今。 （2）中期的plc（70年代中期80年代中，后期） 在70年代，微處理器的出現使plc發生了巨大的變化。美國，日本，德國等一些廠家先后開始采用微處理器作為plc的中央處理單元(cpu)。這樣，使plc的功能大大增強。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運算、計時、計數等功能以外，還

18、增加了算術運算、數據處理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開關模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程i/o模塊、各種特殊功能模塊。并擴大了存儲器的容量，使各種邏輯線圈的數量增加，還提供了一定數量的數據寄存器，使plc的應用范圍得以擴大。（3）近期的plc（80年代中、后期至今） 進入80年代中、后期，由于超大規模集成電路技術的迅速發展，微處理器的市場價格大幅度下跌，使得各種類型的plc所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進一步提高plc的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開發了專用邏輯處理芯片。這樣使得plc軟、硬件功能發生了巨大變化。我國對plc的研究和應用始于70年代中

19、期。在1974年我國首先仿制美國生產的第二代plc，由于水平不高及器件的原因，未能推廣應用。1977年我國又采用了美國motorola公司一位機mc14500集成芯片，研制成了我國第一臺具有實用價值的plc，不僅有了批量的產品，而且開始應用于工業生產控制。日前，我國仍以消化吸收和二次開發國外產品為主，同時也積極引進國外的plc生產線，建立一些合資企業，并開發我國自己的產品。但由于受國內技術和設備的限制，仍以生產小型plc為主。2.1.3 plc的特點 為適應工業環境使用，與一般控制裝置相比較，plc機有以下特點：（1） 可靠性高，抗干擾能力強 工業生產對控制設備的可靠性要求：平均故障間隔時間長

20、；故障修復時間（平均修復時間）短。 1) 任何電子設備產生的故障，通常為兩種： 偶發性故障。由于外界惡劣環境如電磁干擾、超高溫、超低溫、過電壓、欠電壓、振動等引起的故障。這類故障，只要不引起系統部件的損壞，一旦環境條件恢復正常，系統也隨之恢復正常。但對plc而言，受外界影響后，內部存儲的信息可能被破壞。 永久性故障。由于元器件不可恢復的破壞而引起的故障。如果能限制偶發性故障的發生條件，如果能使plc在惡劣環境中不受影響或能把影響的后果限制在最小范圍，使plc在惡劣條件消失后自動恢復正常，這樣就能提高平均故障間隔時間；如果能在plc上增加一些診斷措施和適當的保護手段，在永久性故障出現時，能很快查

21、出故障發生點，并將故障限制在局部，就能降低plc的平均修復時間。為此，各plc的生產廠商在硬件和軟件方面采取了多種措施，使plc除了本身具有較強的自診斷能力，能及時給出出錯信息，停止運行等待修復外，還使plc具有了很強的抗干擾能力。 2）硬件措施： 主要模塊均采用大規模或超大規模集成電路，大量開關動作由無觸點的電子存儲器完成，i/o系統設計有完善的通道保護和信號調理電路。a 屏蔽對電源變壓器、cpu、編程器等主要部件，采用導電、導磁良好的材料進行屏蔽，以防外界干擾。b 濾波對供電系統及輸入線路采用多種形式的濾波，如lc或型濾波網絡，以消除或抑制高頻干擾，也削弱了各種模塊之間的相互影響。c 電源

22、調整與保護對微處理器這個核心部件所需的+5v電源，采用多級濾波，并用集成電壓調整器進行調整，以適應交流電網的波動和過電壓、欠電壓的影響。d 隔離在微處理器與i/o電路之間，采用光電隔離措施，有效地隔離i/o接口與cpu之間電的聯系，減少故障和誤動作；各i/o口之間亦彼此隔離。e 采用模塊式結構這種結構有助于在故障情況下短時修復。一旦查出某一模塊出現故障，能迅速更換，使系統恢復正常工作；同時也有助于加快查找故障原因。3）軟件措施： 有極強的自檢及保護功能。a故障檢測軟件定期地檢測外界環境，如掉電、欠電壓、鋰電池電壓過低及強干擾信號等。以便及時進行處理。b信息保護與恢復當偶發性故障條件出現時，不破

23、壞plc內部的信息。一旦故障條件消失，就可恢復正常，繼續原來的程序工作。所以，plc在檢測到故障條件時，立即把現狀態存入存儲器，軟件配合對存儲器進行封閉，禁止對存儲器的任何操作，以防存儲信息被沖掉。c設置警戒時鐘wdt（看門狗）如果程序每循環執行時間超過了wdt規定的時間，預示了程序進入死循環，立即報警。d加強對程序的檢查和校驗一旦程序有錯，立即報警，并停止執行。e對程序及動態數據進行電池后備停電后，利用后備電池供電，有關狀態及信息就不會丟失。 plc的出廠試驗項目中，有一項就是抗干擾試驗。它要求能承受幅值為1000v，上升時間1ns，脈沖寬度為1s的干擾脈沖。一般，平均故障間隔時間可達幾十萬

24、上千萬小時；制成系統亦可達45萬小時甚至更長時間。（2）通用性強，控制程序可變，使用方便plc品種齊全的各種硬件裝置，可以組成能滿足各種要求的控制系統，用戶不必自己再設計和制作硬件裝置。用戶在硬件確定以后，在生產工藝流程改變或生產設備更新的情況下，不必改變plc的硬設備，只需改編程序就可以滿足要求。因此，plc除應用于單機控制外，在工廠自動化中也被大量采用。（3）功能強，適應面廣現代plc不僅有邏輯運算、計時、計數、順序控制等功能，還具有數字和模擬量的輸入輸出、功率驅動、通信、人機對話、自檢、記錄顯示等功能。既可控制一臺生產機械、一條生產線，又可控制一個生產過程。（4）編程簡單，容易掌握目前，

25、大多數plc仍采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”。既繼承了傳統控制線路的清晰直觀，又考慮到大多數工廠企業電氣技術人員的讀圖習慣及編程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形圖語言的編程元件的符號和表達方式與繼電器控制電路原理圖相當接近。通過閱讀plc的用戶手冊或短期培訓，電氣技術人員和技術工很快就能學會用梯形圖編制控制程序。同時還提供了功能圖、語句表等編程語言。plc在執行梯形圖程序時，用解釋程序將它翻譯成匯編語言然后執行（plc內部增加了解釋程序）。與直接執行匯編語言編寫的用戶程序相比，執行梯形圖程序的時間要長一些，但對于大多數機電控制設備來說，是微不足道的，完全可以滿足控制要求。（5）減少了控

26、制系統的設計及施工的工作量由于plc采用了軟件來取代繼電器控制系統中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數器等器件，控制柜的設計安裝接線工作量大為減少。同時，plc的用戶程序可以在實驗室模擬調試，更減少了現場的調試工作量。并且，由于plc的低故障率及很強的監視功能，模塊化等等，使維修也極為方便。（6）體積小、重量輕、功耗低、維護方便plc是將微電子技術應用于工業設備的產品，其結構緊湊，堅固，體積小，重量輕，功耗低。并且由于plc的強抗干擾能力，易于裝入設備內部，是實現機電一體化的理想控制設備。以三菱公司的f1-40m型plc為例：其外型尺寸僅為305110110mm，重量2.3kg，功耗小于25v

27、a；而且具有很好的抗振、適應環境溫、濕度變化的能力。現在三菱公司又有fx系列plc，與其超小型品種f1系列相比：面積為47%,體積為36%，在系統的配置上既固定又靈活，輸入輸出可達24128點。2.1.4 plc的應用范圍 目前，plc在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業，使用情況大致可歸納為如下幾類。 （1）開關量的邏輯控制 這是plc最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍

28、流水線等。 （2）模擬量控制 在工業生產過程當中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現模擬量（analog）和數字量（digital）之間的a/d轉換及d/a轉換。plc廠家都生產配套的a/d和d/a轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 （3）運動控制 plc可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量i/o模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要plc廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器

29、人、電梯等場合。 （4）過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環控制。作為工業控制計算機，plc能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。pid調節是一般閉環控制系統中用得較多的調節方法。大中型plc都有pid模塊，目前許多小型plc也具有此功能模塊。pid處理一般是運行專用的pid子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。 （5）數據處理 現代plc具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信

30、功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統，如無人控制的柔性制造系統；也可用于過程控制系統，如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。 （6）通信及聯網 plc通信含plc間的通信及plc與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發展，工廠自動化網絡發展得很快，各plc廠商都十分重視plc的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統。新近生產的plc都具有通信接口，通信非常方便。2.1.5 plc未來展望 21世紀，plc會有更大的發展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現；從產品規模上看，

31、會進一步向超小型及超大型方向發展；從產品的配套性上看，產品的品種會更豐富、規格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產多品種產品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現少數幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現國際通用的編程語言；從網絡的發展情況來看，可編程控制器和其它工業控制計算機組成構成大型的控制系統是可編程控制器技術的發展方向。目前的計算機集散控制系統dcs（distributed control system）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨著計算機網絡的發展，可編程控制器作為自動化控制網絡和國際通用網絡的重要組成部分，將在工業及

32、工業以外的眾多領域發揮越來越大的作用。2.2 變頻調速的發展和特點上世紀50年代末，由于晶閘管（scr）的研究成功，電力電子器件開始運用于工業生產，可控整流直流調速便成了調速系統中的主力軍。但由于直流電機結構復雜，造價比交流電機高，直流電動機在運行中，炭刷接觸產生炭粉而易引起環火，須經常維護，而且直流調速系統線路復雜，維修十分不便。因而便促進了世界各國對交流調速技術的開發和研制。 20世紀80年代中期，隨著第三代電力電子器件，如門極可關斷晶閘管(gto）、大功率晶體管（gtr）、絕緣柵雙極型晶體管（igbt）等全控型電力電子器件的研制成功，以及電力電子器件從電流驅動型到電壓驅動型全控器件等的發

33、展，日本等國已先后研制開發出了功率等級不同的把控制、驅動、檢測、保護及功率輸出集于一體的變頻調速產品。從而使交流變頻調速的關鍵裝置逆變器性能優良，主電路簡單，驅動方便，工作可靠。同時隨著控制理論、微電子技術和計算機技術的發展，使交流電機變頻調速技術取得了突破性進展，并以其優越的調速性能和良好的節能效果逐漸取代了直流調速系統和其他的調速方式，如變極調速、串級調速、滑差電機調速、整流子電機調速等。 隨著全球能源短缺趨勢的加劇以及交流變頻技術及變頻器產品的性能和功能日趨完善，使其越來越廣泛地應用在工業生產的各個領域中。據有關資料介紹，1994年日本生產100kw以下的中小功率變頻器已達100萬臺。除

34、日本外，歐美等發達國家目前已形成了較完整的變頻器技術產業體系。變頻器采用正弦波脈沖寬度調制，內部采用微處理器實現全數字化控制。可選擇采用按轉子磁場定向的矢量控制技術，即使不安裝測速發電機或編碼器也能得到很寬的調速范圍、平滑的調速特性及快速的動態響應。主電路采用不可控整流簡化了結構，使電網功率因素的大小與逆變器輸出電壓的大小無關且接近于1。中間環節采用電容器實現電壓耦合。逆變器功率器件采用igbt可提高載波頻率，使輸出波形更接近正弦波。為了提高制動性能可選加制動單元，當變頻器處于制動狀態時，吸收由電機回饋主電路直流環節的能量。變頻器控制部分主要由電源板、控制板、操作面板構成。編碼器和現場總線接口

35、可根據需要選用，可用pc機進行參數設定。2.3 變頻調速原理 變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。 它的主電路都采用交直交電路。（1）jp6c-t9/j9 系列低壓通用變頻器工作電壓為：380690v，功率為0.75800kw，工作頻率為0400hz；（2）jp6c-yz 系列中壓通用變頻器工作電壓為：11402300v，功率為371000kw，工作頻率為0400hz；（3）jcs 系列高壓變頻器工作電壓為：3kv / 6kv / 10kv，功率為28020000kw，工作頻率為 060hz； 從理論上我們可知，電機的轉速n 與供電頻率f 關系如式3.1

36、所示. （3.1）式中： p電機極數 s轉差率由式3.1可知，轉速n 與頻率f 成正比，如果不改變電動機的極數，只要改變頻率f 即可改變電動機的轉速，當頻率f 在050hz 的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。2.4 變頻器的運行功能2.4.1 工作頻率的給定 給定頻率與給定信號對應的頻率。給定信號不變，給定頻率也不變。頻率的給定方法:(1) 面板給定利用面板上鍵盤的數字增加鍵和數字減小鍵來進行頻率的數字量的給定和調整。(2) 預置頻率通過程序預置的方法預置給定頻率。起動時，按運行鍵(ru n或 f w

37、d或rev鍵)，變頻器即自行升速至預置的給定頻率為止(3) 外接給定從控制接線端上，引入外部的電壓或電流信號，進行頻率給定 。這種方法常用于遠程控制。2.4.2 與工作頻率有關的功能（1）基本頻率和最高頻率1)基木頻率fb 當變頻器的輸出電壓等于額定電壓時的最小輸出頻率，稱為基本頻率。通常以電動機的額定頻率fn作為fb的設定值。2)最高頻率fmax 當頻率給定信號為最大值時，變頻器的給定頻率。這是變頻器最高工作頻率的設定值，將根據工作需要進行設定。（2） 上限頻率和下限頻率 根據拖動系統的工作需要，變頻器可設定上限工作頻率和下限工作頻率。（3） 點動頻率 生產機械在調試過程中，以及每次新的加工

38、過程開始前，常常需要“點一點、動一動”，以便調整各部位的運轉狀況。如果每次在點動前后，都要進行頻率調整的話，既比較麻煩，又浪費時間。因此，變頻器可以根據生產機械的特點和要求，預先一次性地設定一個“點動頻率”，每次點動時，都在該頻率下運行，而不必變動已經設定好了的給定頻率。2.5變頻器的保護、顯示和預置2.5.1 變頻器自身保護及維護（1） 過電流保護功能變頻器中， 過電流保護的對象主要指帶有突變性質的、電流的峰值超過了變頻器的容許值的情形。由于逆變器件的過載能力較差，所以變頻器的過電流保護是至關重要的一環，迄今為止，已發展得十分完善。過電流的原因1) 工作中過電流即拖動系統在工作過程中出現過電

39、流。其原因大致來自以下幾個方面:a 電動機遇到沖擊負載，或傳動機構出現“卡住”現象，引起電動機電流的突然增加。b 變 頻 器的輸出側短路，如輸出端到電動機之間的連接線發生相互短路，或電動機內部發生短路等。c 變頻器自身工作的不正常，如逆變橋中同一橋臂的兩個逆變器件在不斷交替導通的工作過程中出現異常。例如由于環境溫度過高，或逆變器件老化等原因，使逆變器件的參數發生變化，導致在交替過程中，一個器件已經導通、而另一個器件卻還未來得及關斷，引起同一橋臂的上、下兩個器件間的“直通”使直流電壓的正、負極間處于短路的狀態。2) 升速中的過電流當負載的慣性較大，而升速時間又設定得太短時，將產生過電流。這是因為

40、，升速時間太短，意味著在升速過程中，變頻器的工作頻率上升太快，電動機的同步轉速迅速上升，而電動機轉子的轉速則因負載慣性較大而跟不上去，導致轉子繞組切割磁力線的速度太快(等于轉差太大)，結果是升速電流太大。3) 降速中的過電流當負載的慣性較大，而降速時間設定得太短時，也會引起過電流。因為，降速時間太短，同步轉速迅速下降，而電動機轉子的轉速則因負載慣性較大，仍維持較高的轉速，這也同樣使轉子繞組切割磁力線的速度太快而產生過電流。.變頻器對過電流的處理在實際的拖動系統中，大部分負載都是經常變動的。因此，不論是在工作過程中，還是在升、降速過程中，短時間的過電流總是難免的。所以，對變頻器過電流的處理原則是

41、，盡量不跳閘，為此而配置了防止跳閘的自處理功能(也稱防止失速功能);只有當沖擊電流的峰值太大，或防止跳閘措施不能解決問題時，才迅速跳閘。過載保護功能過載保護功能主要是保護電動機的。常規的電動機控制電路中，是用具有反時限特性的熱繼電器來進行過載保護的。在變頻器內，由于能夠方便而準確地檢測電流，并可通過精密的計算來實現反時限的保護特性，大大提高了保護的可靠性和準確性。由于它能實現和熱繼電器類似的保護功能，故稱為電子熱保護器或電子熱繼電器。（2） 電壓保護功能1）過電壓保護產生過電壓的原因a 電源過電壓;b 降速時因反饋能量來不及釋放而形成的再生過電壓;c 在spwm調制方式中，電路是以系列脈沖的方

42、式進行工作的。由于電路中存在著繞組電感和線路分布電感，所以在每一個脈沖的卜升和下降過程中，可能產生峰值很大的脈沖電壓。這個脈沖電壓將疊加到直流電壓上去，形成具有破壞作用的脈沖高壓。2）過電壓的保護措施a 電源過電壓對于電源電壓的上限，一般規定不能超過額定電壓的10%,當電源線電壓為380v時，其上限值為420v.由于電源電壓過高，將直接反應在整流后的直流電壓上;同時，再生過電壓也直接反映在直流電壓上，所以，進行電壓保護的“取樣電壓”總是從主回路的直流電路中取出。b 再生制動時的防止跳閘功能和升速過程中過電流時的防止跳閘功能一樣，在降速過程中出現的過電壓，也可以采取暫緩降速的方法來防止它跳閘。c

43、 脈沖過電壓的保護對于由線路電感引起的脈沖過電壓，采取常規的“檢測一判斷一保護”的方式是來不及保護的，通常采用吸收的方法來解決。常見的吸收裝置有壓敏電阻吸收和阻容吸收電路等。3）欠電壓保護產生欠電壓的原因a 電源方面b 電源電壓過低;c 電源缺相。4）電路方面a 整流器件損壞，如果六個整流二極管中有部分因損壞而斷路，則整流后的電壓將下降。b 限流電阻未“切出”電路。該電阻是在電源剛合閘時，用以限制濾波電容的充電電流 的。如果由于某種原因，電阻在電源剛合閘后不能及時切出，負載電流將得不到及時的補充，導致直流電壓的下降。5）關于欠電壓保護 對于電源方面引起的欠電壓，變頻器設定的動作電壓一般都較低，

44、顯得不夠嚴格。這是因為:a 欠電壓的后果之一，是電動機的轉矩下降，而新系列的變頻器都有各種補償功能，使電動機能夠繼續運行。b 欠電壓的另一個后果是電動機的電流增大，而變頻器又具有完善的過載保護功能。對于整流器件和晶閘管的損壞，應注意檢查，及時更換。（3） 瞬時停電的處理1) 突然停電對變頻器的影響和對策逆變器件的特點和工作禁區逆變器件的特點是，擊穿電壓很高，最大允許電流也很大，但允許功耗卻很小。所以它只能工作在開關狀態，而絕對不允許工作在放大狀態。一旦工作在放大狀態，逆變管將迅速損壞。所以，逆變器件在工作過程中，絕不允許在放大區停留。變頻器內直流電源的類型及突然停電后的狀態變頻器內的直流電源大

45、致有三種類型a 主回路的直流電源當突然停電后，如逆變管繼續工作，其電壓的下降是較快的，但要將到零，也需要若干秒。b 控制電路的直流電源控制電路對電源電壓的穩定度要求很高，因此，電路中的儲能元件的容量往往很大。停電后，一般可繼續工作達數十秒之久。c 驅動電路的直流電源主要特點是:6個逆變管中，3個和直流電源的“+”端相連，另3個和直流電源的“一”端相連，又分別屬于不同的相。所以，除與“一”極相連的3個可共用一個直流電源外，與“十”極相接的3個驅動電路的電源是各自獨立的。逆變管由截止狀態轉為導通的瞬間，要求驅動電路能提供較大的基極電流(gt r)或柵極電壓(igbt)，以利于迅速飽和。導通之后，又

46、希望適當地減小基極電流或柵極電壓，減輕飽和程度，以利于切換時能迅速退出飽和狀態。所以，驅動電路中，電源的儲能元件的容量很小。停電時 ，如逆變管為gtr，則由于驅動電路提供的基極電流較大，其電源電壓下降得較快。如逆變管為igbt，因驅動電路消耗的功率不大，電源電壓下降較慢。2) 突然停電的后果a 當逆變器件是gtr時，主要矛盾是驅動電路的電源電壓及所提供的基極電流下降得較快，將可能使gtr因進入放大狀態而迅速燒壞。b 當逆變器件是igbt，由于驅動電路功耗甚微，故1gbt進入放大狀態的可能性不大，但由于變頻器的輸出電壓不斷下降，將引起電動機的過電流。3) 保護措施a 逆變器件是gtr時，一旦停電

47、，控制電路將立即停止向驅動電路輸出信號，使驅動電路和gtr全部停止工作。電動機將處于自由制動狀態。b 逆變器件是gbt時，在停電后，將允許變頻器繼續工作一個時間t。當停電時間超過t時，控制電路立即停止輸出信號，使電動機處于自由制動狀態2.5.2變頻器的顯示功能（1）運行數據的顯示變頻器在運行過程中，可以自行測量各種運行數據，如頻率(可轉換成轉速或線速度)、電流、電壓、功率、負荷率等，并在顯示屏上顯示其測量結果。 led顯示屏每次只能顯示一種數據，lcd顯示屏則一次可以顯示若干個數據。顯示內容可以比較方便地進行切換，以便用戶了解運行情況。不同變頻器能夠顯示的內容不盡一致，顯示內容的切換方法也很不

48、相同。（2）輸入、輸出端子的狀態顯示變頻器的顯示屏上可以顯示各輸入控制端和輸出控制端的狀態(即是否有輸入或輸出的信號), 以檢驗變頻器是否已經接受外部的控制信號, 或已經發出相關的輸出信號。各種變頻器的顯示方法差異較大。（3）跳閘原因的顯示變頻器因故障而跳閘后，都會顯示跳閘原因，以便用戶檢查。led顯示屏通常用各種特定的代碼來表示跳閘原因;lcd顯示屏則可以直接用文字來表述故障原因。2.5.3變頻器的功能預置（1）功能預置的概念1）功能預置的目的是使變頻調速過程盡可能地與生產機械的特性和要求相吻合，使拖動系統運行在最佳狀態。2）功能碼表示各種功能的代碼。3）數據碼表示各種功能所需設定的數據或代

49、碼。（2）變頻器的鍵盤配置各種變頻器的鍵盤配置及各鍵的名稱差異很大，歸納起來，大致如下:1）模式轉換鍵用來更改工作模式，主要有顯示模式、運行模式及程序設定模式等。2）增減鍵用于增加或減小數據。3）讀出、寫入鍵在程序設定模式下，用于“讀出”和“寫入”數據碼4）運行操作鍵在鍵盤運行模式下，用來進行“運行” 、“停止”等操作。5）復位鍵用于在故障跳閘后，使變頻器恢復為正常狀態。 3 行星內圓磨床的硬件設計3.1行星內回磨床基本功能的設置 根據行星內圓磨床的工藝及操作要求，整個電氣控制系統分為三大功能，即調整功能、自動功能和顯示功能。3.1.1調整功能 調整功能分為兩部分:點動控制方式和自鎖控制方式。

50、（1）點動控制方式 點動控制方式是為了精確調整機床的起始工作點而設置的。其中主軸運行、主軸箱升降運動以及工作臺前進、后退運行都采用了這種控制方式。而且在此基礎上，根據磨床加工的實際需求，在點動控制方式中又設置了“微動”這一特殊功能。具體地說，就是在點動控制的硬件條件下，配合可編程序控制器plc的軟件編程來實現的功能，它體現了plc在邏輯控制中的靈活性。（2）自鎖控制方式 行星內圓磨床電氣控制系統中，砂輪運行、主軸運行、工作臺前進、后退運行也采用了自鎖控制方式。這種控制方式是為了粗調機床的起始工作點而設置的。3.1.2自動功能 為了減輕生產工人的勞動強度，提高行星內圓磨床的自動化水平，本次設計的

51、電氣控制部分設置了整個加工過程的自動循環功能。它分為兩個步驟;預置循環數和自動循環。（1）預置循環數 機床電氣控制部分設置了一個預置循環數按鈕，在可編程序控制器plc的內部啟用了一個計數器。該計數器是用來存放通過預置循環數按鈕輸入的實際循環數；同時，選用了一個外部可逆計數器，與plc的內部計數器同步工作。預置循環數為自動循環的實現做好準備工作。（2）自動循環 自動循環的工作過程如下: 預置循環數后，按自動循環起動按鈕，電氣控制首先啟動砂輪電動機，經過延時后，啟動主軸電動機，再延時，啟動工作臺移動電動機使工作臺以設定的速度前進，經一段時間運行后，碰限位行程開關1，計數器動作，作一次計數，同時工作

52、臺后退，又經一段時間運行后，碰限位行程開關2，計數器動作，又作一次計數，同時工作臺由后退變為前進，即工作臺按照事先的設定的循環次數作周而復始的往復運動。3.1.3顯示功能顯示功能設置的目的是讓機床操作者和維修人員能夠清晰地了解機床的整個運行狀態，以利于操作者正確的操作及維修人員快速檢修。行星內圓磨床電氣控制系統中，所有的控制動作都設有指示燈顯示。這些動作包括砂輪運行、主軸運行、主軸箱點動、工作臺運行等。外接可逆計數器同樣具有顯示功能，它明確地指示了工作循環的設定次數，以及在自動循環過程中預置數的變化，它指明了具體的工作進程。3.2行星內圓磨床中plc的使用目前，可編程序控制器plc的種類繁多，

53、如美國的ab,德國的西門子、日本的omrom及三菱等等，通過市場調研，從中選出性能價格比高的三菱fxin系列的plc。根據實際設計需要，選用fxin-40mr型plc，它是輸入為24點，輸出為16點的繼電器輸出型plc。系統的硬件設計如圖3.1-3.4所示。圖3.1 plc輸入端圖3.2 plc輸入端圖3.3 plc輸出端圖3.4 plc輸出端（1） plc的輸入部分plc的輸入為24點，它們依次設定為:x0 砂輪起動 x10自動循環數預置 x20工作臺前進換向x1砂輪停止 x11自動起動 x21工作臺后退換向x2主軸起動 x12自動停止 x22砂輪電機保護x3主軸停止 x13主軸點動 x23

54、主軸電機保護x4工作臺前進 x14工作臺前進點動 x24工作臺電機保護x5工作臺后退 x15工作臺后退點動 x25主軸箱電機保護x6工作臺停止 x16主軸箱上升點動 x26紙帶過濾機起動x7自動模式 x17主軸箱下降點動 x27紙帶過濾機停止其中，各個停止按鈕設置為常閉點是必要的。這是因為在實際應用中，如果停止按鈕線脫落，工作前會開不開車，工作中會自動停車;若停止按鈕設置為常開點，就不會有上述功能，遇到緊急情況便停不了車，這是很危險的。（2） plc的輸出部分plc 的輸出為16點，它們依次設定為:y0砂輪運行 y10工作臺前進y1主軸運行 y11工作臺后退y2主軸箱上升 y12工作臺點動y3

55、主軸箱下降 y14加計數y4紙帶過濾機運行 y15減計數y5 報警其中，y0, y1, y2, y3, y4驅動相應的電機;y10, y11, y12與變頻器的控制端子stf(正轉)、str(反轉)、jog(點動)相連;y14, y15與外部的可逆計器相連。3.3行星內國磨床中變頻器的使用3.3.1變頻器的選型變頻器的種類也是多種多樣的，德國西門子、美國ab、英國的ct、日本的三菱等等，考慮到與可編程序控制器plc的配合使用，選用了三菱公司生產的多功能、通用型fr-a500變頻調速器。它的特點是:調速比可達1: 120;柔性pwm，實現更低噪音運行;pid等多種功能適合多種應用場合。3.3.2變頻器的端子介紹行星內圓磨床設計中，變頻調速器實際使用的端子如圖3.6所示。（1）主回路端子:r、 5、t交流電源輸入;d、 v 、w 變頻器輸出;r、s 控制回路電源;p、 p 、r連接制動電阻;（2）控制回路端子:stf正轉啟動;str反轉啟動;jog 點動模式選擇;sd公共輸