龍門(mén)刨床技術(shù)改造應(yīng)用分析

常汝剛

（山東金嶺礦業(yè)機(jī)械廠，山東 淄博 255081）

1 引言

原B2020 龍門(mén)刨床的工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)由交流機(jī)組、直流發(fā)電機(jī)組、直流電動(dòng)機(jī)組及交磁擴(kuò)大機(jī)組成，控制調(diào)速系統(tǒng)為接觸器-繼電器系統(tǒng)。因當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件限制，整個(gè)系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：（1）設(shè)備使用時(shí)間已久，電器控制元件嚴(yán)重老化，設(shè)備故障率高，維修量大，維修費(fèi)用大。（2）調(diào)速范圍小，精度、加工工件的表面質(zhì)量差。（3）效率低，能耗高。（4）低速易爬行，不穩(wěn)定。（5）控制部分體積大，運(yùn)行噪音大。為此，決定對(duì)該設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造。

2 技術(shù)改造方案比較

目前舊龍門(mén)刨床的改造方案主要由主軸調(diào)速方案和相配套PLC 程序控制組成。主軸調(diào)速方案主要有可逆直流調(diào)速、交流變頻調(diào)速、開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)調(diào)速三種方案。（1）直流調(diào)速改造方案。系統(tǒng)主要由PLC 程序控制器、直流電機(jī)、可逆直流調(diào)速器、測(cè)速發(fā)電機(jī)（數(shù)字編碼器）等組成，可保留刨臺(tái)傳動(dòng)直流電機(jī)（或更換新的、效率較高Z4 系列直流電動(dòng)機(jī)）。（2）交流變頻調(diào)速改造方案。系統(tǒng)由PLC 程序控制器、通用變頻器、交流電動(dòng)機(jī)（如Y315S-8）、測(cè)速器等組成閉環(huán)系統(tǒng)。（3）開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)調(diào)速方案。系統(tǒng)由PLC 程序控制器、開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)等組成，開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)（Switched Reluotance Drive，SRD），主要有開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、控制器與位置檢測(cè)器四部分組成。

按以上三種方案，以55kW 電機(jī)電氣控制、相同PLC配置成本、調(diào)速范圍、額定轉(zhuǎn)矩/低速轉(zhuǎn)矩、維護(hù)工作量、可靠性幾方面比較見(jiàn)表1。

3 技術(shù)方案具體實(shí)施

經(jīng)過(guò)綜合分析，擬采用直流調(diào)速改造方案，具體方案如下：主軸傳動(dòng)采用全數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。采用PLC可編程序控制器控制。增加銑削功能。

表1

整個(gè)系統(tǒng)主要由PLC 程序控制器、直流電機(jī)、可逆直流調(diào)速器、測(cè)速發(fā)電機(jī)、銑刨一體變速箱、7.5kW 銑頭等組成。

（1）主軸調(diào)速部分。電機(jī)Z4-200-31直流電動(dòng)機(jī)、ETD790全數(shù)字直流調(diào)速器、ZYS-100A 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)做控制反饋、FX1N-60MR 編程序控制器等組成系統(tǒng)。因ETD790全數(shù)字直流調(diào)速裝置是直接三相交流輸入，直流輸出的邏輯無(wú)環(huán)流的可逆調(diào)速系統(tǒng)，需要配套三相交流進(jìn)線電抗器，4只快速熔斷器及輸入接觸器。采用2只10kΩ 電位器分別用于前進(jìn)和后退速度設(shè)定，而且速度可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)；另外保持正、反向點(diǎn)動(dòng)及加減速的多段速度功能，點(diǎn)動(dòng)速度可用軟件設(shè)定，加減速過(guò)程中的多段速度用內(nèi)部數(shù)學(xué)運(yùn)算方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)正、反向換向采用回饋制動(dòng)方式，電能回饋電網(wǎng)；正、反向自動(dòng)多段斜坡加減速，減少機(jī)械沖擊。

（2）銑刨選擇。因銑削功能需要的變速范圍大，一般＞40，故選用銑刨一體變速箱，通過(guò)箱體上的操縱手柄來(lái)選擇銑或刨，通過(guò)控制按鈕站來(lái)控制7.5kW 銑頭。

（3）工作臺(tái)換向。工作臺(tái)換向的6個(gè)限位開(kāi)關(guān)改為光控?zé)o觸點(diǎn)接近開(kāi)關(guān)。

（4）電氣控制系統(tǒng)。原潤(rùn)滑油泵電機(jī)的起動(dòng)/停止，垂直刀架運(yùn)動(dòng)、側(cè)刀架運(yùn)動(dòng)、橫梁升降電機(jī)的起動(dòng)/停止及自動(dòng)回升的正反轉(zhuǎn)、與工作臺(tái)的保護(hù)聯(lián)鎖、時(shí)間聯(lián)鎖等，采用PLC 可編程序控制器及輸出繼電器模組。這樣，使用過(guò)程中可通過(guò)察看PLC的輸入/輸出指示燈很容易判斷各控制點(diǎn)的工作狀態(tài)，查找故障快捷方便。繼電器輸出模組帶有輸出指示、保護(hù)熔電器，熔斷器熔斷指示、阻容吸收保護(hù)，用于隔離PLC 輸出與負(fù)載，以及進(jìn)行多重保護(hù)。

抬刀控制、垂直刀架與側(cè)刀架的工作與快移仍采用原來(lái)的工作方式，但由PLC 來(lái)完成聯(lián)鎖控制。

4 實(shí)施效果經(jīng)濟(jì)分析

4.1 設(shè)備改造涉及的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

與原設(shè)備比較，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有所提高：①交直流機(jī)組更換為高效直流電機(jī)，電氣效率由原來(lái)的58%提高到現(xiàn)在的88%，提高效率30%；②電機(jī)功率降低5kW；③故障率減少，大大降低了維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用；④增加了銑削功能，可調(diào)速范圍大，提高了工件加工質(zhì)量及精度，提高設(shè)備綜合效率20%。

4.2 設(shè)備改造技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算

按兩班制，龍門(mén)刨床一年運(yùn)轉(zhuǎn)天數(shù)240d，工時(shí)單價(jià)50元/h，工業(yè)用電平均電價(jià)0.75元/kW·h。

（1）年節(jié)電量

降低功率節(jié)電量：

5kW/h×16h/d×240d/年×0.75元/kW·h=14400元/年

提高電氣效率：

［60kW/h×（1-58%）-55kW/h×（1-88%）］×16h/d×240d/年×0.75元/kW·h=53568元/年

年節(jié)電量：67968元/年

（2）提高設(shè)備綜合工時(shí)效率，增加產(chǎn)值

50元/h×16h/d×240d/年×20%=38400元/年

（3）故障率降低，節(jié)約維護(hù)費(fèi)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，年節(jié)約維護(hù)費(fèi)5000元，與原設(shè)備比較年提高價(jià)值：111368元/年。

4.3 設(shè)備改造實(shí)施前后的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)照及應(yīng)用效果

項(xiàng)目實(shí)施前、后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

B2020 龍門(mén)刨床技術(shù)改造采用目前成熟的直流調(diào)速技術(shù)。從方案論證、設(shè)計(jì)選型、實(shí)施到現(xiàn)在已兩年，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能及效率提高明顯。項(xiàng)目數(shù)控改造投資8.9萬(wàn)元，當(dāng)年收回投資。

表2

5 結(jié)語(yǔ)

直流調(diào)速是目前成熟的技術(shù)，具有調(diào)速性能好、調(diào)速控制電路簡(jiǎn)單、可靠的特點(diǎn)，B2020 刨床技術(shù)改造后比原系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）電機(jī)的啟動(dòng)電流小，啟動(dòng)力矩大，對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊。（2）系統(tǒng)閉環(huán)控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，滿(mǎn)載無(wú)降速。（3）系統(tǒng)全數(shù)字控制，具有斷電保護(hù)功能，避免工作臺(tái)在意外停電時(shí)沖出床身；同時(shí)具有多種自保護(hù)功能，可靠性高。（4）制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，換向時(shí)越位距離小，返程速度快，提高了加工效率，也為類(lèi)似設(shè)備改造提供了借鑒。

［1］史步海，張選正.特種電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)及應(yīng)用［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2010.

［2］鄭萍.現(xiàn)代電氣控制技術(shù)［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2001.