六米龍門刨床的節(jié)能改造

馮嘉花

(河北宣化工程機(jī)械股份有限公司，河北宣化 075105)

我公司現(xiàn)有龍門刨床4臺，都是二十世紀(jì)六七十年代的產(chǎn)品，工作臺調(diào)速采用G－M方式(發(fā)電機(jī)－電動機(jī))，加工效率低、耗電量高、噪聲大，加上這些設(shè)備使用年限較長，電器元件老化，故障率增高，急需對其進(jìn)行技術(shù)改造。隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，也為改造提供了諸多方法，本文主要介紹對B2016A龍門刨床的改造。

1 拖動系統(tǒng)

1.1 主拖動調(diào)速系統(tǒng)的負(fù)荷

切削速度vq≤25 m/min，B2016龍門刨床允許的最大切削力為80 000 N。因此，在調(diào)速過程中負(fù)荷具有恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì);切削速度vq≥25 m/min，允許的最大切削力應(yīng)隨著速度的提高成反比地減小，在調(diào)速過程中負(fù)荷又具有恒功率性質(zhì)。

1.2 主拖動的調(diào)整方式

B2016A龍門刨床主傳動采用G－M調(diào)速系統(tǒng)。直流電動機(jī)的額定功率60 kW;直流發(fā)電機(jī)的額定功率70 kW;拖動直流發(fā)電機(jī)的交流異步電動機(jī)55 kW;控制發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的交磁放大機(jī)組為22 kW。采用機(jī)械速比為2∶1和電器調(diào)速范圍10∶1的機(jī)電聯(lián)合調(diào)速系統(tǒng)。

1.3 主拖動調(diào)速的分析

上述主拖動調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性如圖1所示，圖中Fm表示最大切削力;V1表示切削速度;Pm表示最大切削功率;V2對應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的最高速度，稱為計(jì)算速度。在V1～V2范圍內(nèi)要求恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速;而在V2～V3范圍內(nèi)則要求恒功率調(diào)速。如果在整個(gè)調(diào)速范圍均采用具有恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的調(diào)壓調(diào)速，則所需要的電動機(jī)功率Pm3將是負(fù)載需要的最大切削功率Pm1的(V3/V2)倍。當(dāng)V3=90 m/min，V2=25 m/min時(shí)，Pm3/Pm1=3.6，顯然，單純采用調(diào)壓調(diào)速的方案是不合理的。

為克服上述方案的缺點(diǎn)，B2016A龍門刨床的主傳動采用了機(jī)電聯(lián)合調(diào)速方案，即采用機(jī)械傳動比為2∶1的齒輪變速與直流電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速配合。其中齒輪變速具有恒功率調(diào)速特性。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍可縮小至(V1～V3)/2，所需電動機(jī)功率Pm2是負(fù)載所需要的最大切削功率Pm1的V3/(2V2)倍，即Pm2/Pm1=90/(2×25)=1.8。

可見機(jī)電聯(lián)合調(diào)速與單純調(diào)壓調(diào)速比較，電動機(jī)的設(shè)計(jì)功率可縮小一半。不過，由于機(jī)電聯(lián)合與生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速要求仍不完全匹配，電動機(jī)的功率仍比負(fù)載所需最大功率大0.8倍。顯而易見，B2016A龍門刨床直流電動機(jī)的功率并沒有得到充分利用。如果采用西門子公司的直流調(diào)速系統(tǒng)，通過靈活地預(yù)置恒轉(zhuǎn)矩與恒功率調(diào)速的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，使調(diào)速系統(tǒng)的特性更好地滿足龍門刨床主拖動負(fù)載的調(diào)速要求，進(jìn)而降低主拖動電動機(jī)的設(shè)計(jì)功率。

1.4 進(jìn)刀機(jī)構(gòu)

大型龍門刨床的進(jìn)刀機(jī)構(gòu)主要有兩種形式。例如，B210型龍門刨床采用緊脹環(huán)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)，而B2016A型龍門刨床采用進(jìn)刀繼電器控制機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)運(yùn)用的是行程控制原理，當(dāng)工作臺移動至返回行程末尾時(shí)，給出進(jìn)刀信號，刀架電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動，同時(shí)進(jìn)刀。由電動機(jī)帶動的圓盤開始轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)到一定角度，圓盤的齒輪將進(jìn)刀繼電器頂開，控制電動機(jī)斷電，停止進(jìn)刀。依靠不同的圓盤、不同齒間距離就可以控制進(jìn)刀量，如果同時(shí)配以機(jī)械齒輪改變圓盤的轉(zhuǎn)速就可獲得大范圍可調(diào)的進(jìn)刀量。該方法的缺陷是隨著時(shí)間的推移，進(jìn)刀繼電器鐵心和圓盤齒因頻繁運(yùn)動而磨損嚴(yán)重，使精度下降。由于左右側(cè)刀架圓盤剛更換，因此，只用1臺3.7 kVA變頻器控制垂直刀架2.2 kW異步電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，形成新的進(jìn)給系統(tǒng)。

2 直流調(diào)速系統(tǒng)性能分析

針對龍門刨床的特點(diǎn)，技術(shù)部、分廠技術(shù)組對自動控制系統(tǒng)提出如下要求:(1)調(diào)速范圍寬，工作時(shí)能適應(yīng)不同的刀具，要有良好的切削速度，調(diào)速范圍要寬不低于10∶1，最好是無級調(diào)速。(2)靜差度小，為提高加工精度，工作臺的速度不隨切削力的變化而變動，靜差度要小于10%。(3)要有較高的切削速度(低速一般不低于75 m/min)和足夠的切削力。(4)低速范圍內(nèi)，切削力保持恒定。(5)能單獨(dú)調(diào)整工作行程和返回行程的速度，且返回速度要高于工作速度。(6)工作臺的運(yùn)行速度能自動調(diào)整，在刀具切入與切出工件時(shí)，能自動減速。(7)工作臺運(yùn)行方向應(yīng)迅速而平滑地改變，動態(tài)品質(zhì)要好。(8)節(jié)省輔助工時(shí)，工作臺要有可靠的自動往復(fù)循環(huán)，調(diào)速時(shí)不必停車。(9)工作臺反向時(shí)要迅速、平穩(wěn)、沖擊小。(10)傳動效率要高，耗電量要小，工作噪聲應(yīng)符合環(huán)境保護(hù)要求。(11)操作簡單，安全可靠，易于修理和維護(hù)。(12)銑削:5～70 m/min無級調(diào)速。(13)每次進(jìn)給量，垂直刀架:垂直方向?yàn)?.2～25 mm/次;水平方向?yàn)?.4～50 mm/次;側(cè)刀架:垂直方向?yàn)?.4～50 mm/次。

3 直流調(diào)速系統(tǒng)改造技術(shù)方案設(shè)計(jì)

3.1 主拖動系統(tǒng)的電動機(jī)容量

龍門刨床主拖動電動機(jī)的容量選擇是由刨床的工作臺最大牽引力與計(jì)算速度決定的。負(fù)載所需切削功率:

式中:Fm為最大牽引力，N;Vg為計(jì)算速度，m/min;K1為功率變化系數(shù);Kh為允許過負(fù)荷系數(shù);η為機(jī)械傳動效率。

3.2 主拖動系統(tǒng)的控制原理

為滿足龍門刨床工作臺頻繁換向及負(fù)載劇烈變化時(shí)轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)和機(jī)械特性硬的要求，主拖動控制采用改變直流電動機(jī)電樞電壓U和主磁通φ的控制方法。直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩:

式中:φ為每級磁通，Wb;Ia為電樞電流，A;Cm為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，僅與電動機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。

直流電動機(jī)電樞回路平衡公式:

式中:Ea為電樞繞組在磁場中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，V;Ra為電樞繞組的電阻值，Ω;Rpa為附加的電阻值，Ω;Ce為電動勢常數(shù)，僅與電動機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān);n為電樞旋轉(zhuǎn)速度，r/min。

基于上述主拖動電動機(jī)的特點(diǎn)用45 kW的Z4直流電動機(jī)更換原60 kW直流電動機(jī)，用西門子6RA7075－6DV62全數(shù)字控制裝置對電動機(jī)電樞和勵磁進(jìn)行控制，采用四象限工作方式，該裝置本身帶有參數(shù)設(shè)定單元，不需要其他的附加設(shè)備即可完成參數(shù)的設(shè)定。所有的控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)視及附加功能都由微處理器來實(shí)現(xiàn)。龍門刨床直流調(diào)速系統(tǒng)控制原理如圖2。

3.3 改造方案的確定與實(shí)施

之前我們曾用KBS－Ⅲ型可控硅調(diào)速柜(方案1)，富士FRENIC 5000P9S交流變頻器(方案2)，西門子6RA7075－6DV62數(shù)字直流調(diào)速器(方案3)以及數(shù)字直流調(diào)速器+PLC+變頻器(方案4)等4種方案對其進(jìn)行改造，雖然取得了明顯的節(jié)能效果，但也存在一些不足。方案1，早期產(chǎn)品，分離元件多，體積大，調(diào)速控制繁瑣;方案2，工件加工過程中機(jī)械特性較“軟”只能加工鑄鐵部件;方案3，只對主拖動進(jìn)行了改造而電控部分未改造，故障率較高;相比較，方案4最佳。

原刨床是由繼電器組成的控制系統(tǒng)，元件數(shù)量多，在新電路圖的設(shè)計(jì)上以PLC為核心直接控制6RA70調(diào)速裝置，以確保可靠性和穩(wěn)定性。刨床的其他部分:風(fēng)機(jī)、油泵、抬刀、進(jìn)刀、橫梁升降、橫梁夾緊及放松都由PLC控制，重新設(shè)計(jì)的線路簡單清晰，繼電器、接觸器均按“模塊”組合，數(shù)量減至14個(gè)，除調(diào)速器及PLC外，全部是國產(chǎn)品牌。整個(gè)改造過程分為兩部分:PLC程序編制與外圍線路的設(shè)計(jì)(圖3、4);直流調(diào)速器的參數(shù)設(shè)置及功能模塊的選擇。

采用三菱公司的FX2N－64MR PLC，用編程軟件依照原電氣原理圖重新設(shè)計(jì)梯形圖，并進(jìn)行調(diào)試，使設(shè)計(jì)的程序完全符合原機(jī)床的電氣控制。現(xiàn)場聯(lián)機(jī)運(yùn)行，使工作臺主拖動、橫梁部分、刀架裝置及風(fēng)機(jī)、油泵等動作達(dá)到規(guī)定要求。之后進(jìn)行直流調(diào)速器的調(diào)試:輸入信號、勵磁信號、模擬輸入信號、使能信號、參數(shù)值和功能模塊依次進(jìn)行調(diào)試。PLC輸出信號與6RA70調(diào)速裝置的連接是此次改造的重點(diǎn)。6RA70裝置的布局:34#、37#、38# 運(yùn)行控制端子;36#、39#功能端子;2#、3#、4#、5#模擬量輸入端子;用這些端子的不同組合可完成工作臺的點(diǎn)動前進(jìn)、后退、減速、自動前進(jìn)、自動后退等控制。首先輸入主電動機(jī)的基本參數(shù)(額定電壓、額定電流、勵磁電壓、勵磁電流)，然后根據(jù)速度反饋的類型選擇P083#，勵磁運(yùn)行P082#，直流調(diào)速裝置與直流電動機(jī)最佳配合的參數(shù)優(yōu)化等?，F(xiàn)將6RA70裝置的部分參數(shù)及功能模塊列出，以供參考。

P051=25 電樞和勵磁的預(yù)控制和電流調(diào)節(jié)器的優(yōu)化運(yùn)行

P051=26 速度調(diào)節(jié)器的優(yōu)化運(yùn)行

P051=27 勵磁減弱的優(yōu)化運(yùn)行

P051=28 摩擦和轉(zhuǎn)動慣量補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化運(yùn)行

P303 1.6 斜坡上升時(shí)間

P304 0.5 斜坡下降時(shí)間

P305 0.4 初始圓弧

P306 0.4 最終圓弧

P401 10 正向固定值

P402 －12 反向固定值

P431 001:402 固定給定值的源

002:401 固定給定值的源

在改造中，因硬件輸入點(diǎn)不足計(jì)劃購買調(diào)速器的擴(kuò)展版，反復(fù)研究后，利用PLC及直流調(diào)速器豐富的軟件功能，重新調(diào)整參數(shù)的配置。由于PLC抗干擾、可靠性高、使用靈活，因此在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用，而6RA70直流調(diào)速裝置具有控制方式先進(jìn)、結(jié)構(gòu)緊湊、精度高等優(yōu)點(diǎn)，將二者結(jié)合起來，達(dá)到了此次改造的目的。改造后的刨床具有無級變速，低速轉(zhuǎn)矩恒定輸出，操作方便、加工效率高，故障率降低90%，平均節(jié)電30%等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過一年時(shí)間的運(yùn)行，效果很好。

4 增加銑削功能

由于該刨床只有刨削功能而沒有銑削裝置，隨著任務(wù)量的增加制約了工作效率的提高。為此，我們會同技術(shù)部的工程師一起對該刨床的橫梁進(jìn)行分析，并參照濟(jì)南第二機(jī)床廠龍門刨床的銑頭結(jié)構(gòu)結(jié)合本公司刨床的橫梁結(jié)構(gòu)(該刨床滄州機(jī)床廠制造)繪制出機(jī)械零件圖(圖5)，進(jìn)行變速箱零件的加工和安裝。變速箱制作完成后與外購的銑頭進(jìn)行配套調(diào)試，實(shí)行機(jī)械二檔，6種速度的變頻調(diào)速(80～610 r/min)。選擇銑頭時(shí)，除考慮滿足加工要求、操作方便、安全可靠以及外觀外，還考慮橫梁的剛性。如果銑頭太重而橫梁承載能力較小，則會出現(xiàn)銑頭發(fā)抖而影響工件的加工精度和表面粗糙度。與龍門銑相比，B2016A的橫梁截面要小很多，不宜選擇較大較重的銑頭。經(jīng)過挑選，在垂直刀架位置配置了一款性價(jià)比較高的龍門銑專用銑頭，重量僅150 kg，主軸電動機(jī)7.5 kW，滿足一般銑削加工要求，可安裝直徑300 mm的銑刀盤，套筒行程140 mm，7∶24的通用標(biāo)準(zhǔn)錐孔錐度，具有可更換性。安裝時(shí)，由于刀架溜板比銑頭安裝面小，需整體調(diào)整銑頭與工作臺的垂直度，打定位銷定位聯(lián)接后垂直度誤差不大于0.01 mm/300 mm，工作臺全寬誤差不大于0.05 mm，滿足一般加工精度的要求。在改造中，為適應(yīng)被加工件角度旋轉(zhuǎn)的要求，即銑頭可扳動±45°。具體做法，在過渡板上鏜一孔，用原溜板上的法蘭臺階定位旋轉(zhuǎn)，在過渡板及溜板上部安裝一套蝸桿配扇形蝸輪的傳動機(jī)構(gòu)，過渡板上有角度刻度線，并在需要的角度位置(如30°或45°)打定位孔。角度調(diào)整時(shí)，松開銑頭固定螺絲，將拔插式的錐形定位銷從0°定位孔拔出，扳動銑頭到刻度指示的角度位置，插入到該角度定位孔并鎖緊即可。

立銑頭的橫銑功能改造如圖5所示。圖中，當(dāng)控制左溜板的下光杠與橫梁右端的傳動機(jī)構(gòu)脫開時(shí)，需用手柄固定，便于減速機(jī)輸入軸伸出，用于手動調(diào)整。2.2 kW變頻電動機(jī)50 Hz時(shí)的轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，通過1∶30的蝸輪減速機(jī)減速后，下光杠轉(zhuǎn)速1 000/30=33 r/min，絲杠導(dǎo)程8×2=16 mm，則橫銑最快移動速度為33×16=528 mm/min，變頻調(diào)速調(diào)節(jié)范圍1∶20，橫銑可調(diào)速度為27～528 mm/min，滿足橫向銑削速度要求。經(jīng)過實(shí)際銑削測試，效果良好。比原來的效率又提高了20%(直流調(diào)速改造后)，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 B2016A龍門刨床運(yùn)行情況對比

運(yùn)行情況對比如表1所示。

表1 運(yùn)行情況對比