大型龍門刨床電氣系統(tǒng)的改造

蕪湖恒升重型機床股份有限公司 (安徽 241100)汪同洲 邢海生

當前企業(yè)都進入了高成本運營時代，要想獲得長期穩(wěn)定健康發(fā)展，就要不斷從各個方面降低消耗，降低生產(chǎn)和運營成本，尤其要注重節(jié)能減排，減少能源的損耗。目前對大型老舊設(shè)備的電氣系統(tǒng)改造就是一種很好的方法。

本公司的B2020A 是20 世紀70 年代制造的大型龍門刨床，該機床工作臺寬2m，縱向行程達14m，由于使用年代較長，電氣系統(tǒng)老化嚴重，故障率高，已無法正常完成生產(chǎn)任務(wù)，故對其進行大修改造。

1.改造前基本情況

該龍門刨床電氣系統(tǒng)包括:電氣控制柜、懸掛按鈕站、兩臺Z2 型59kW 直流電動機、1 臺100kW交流電動機、1 臺138kW 直流發(fā)電機、1 臺5kW 勵磁機、1 臺1.9kW 電動機擴大機和其他輔助電器等。核心部分是傳統(tǒng)的變流機組直流調(diào)速系統(tǒng)，工作臺驅(qū)動采用兩臺Z2 型59kW 直流電動機串聯(lián)拖動，運行速度最高可達60m/min，可實現(xiàn)正反向加、減速，前進與后退運行以及慢速切入等動作。工作臺往復(fù)運動的自動循環(huán)由4 只JLXK1—411 限位開關(guān)控制實現(xiàn)。聯(lián)軸的交流電動機—發(fā)電機(勵磁機)系統(tǒng)主要提供59kW 直流電動機的磁場和4 個抬刀線圈的電源。輔助動作有橫梁夾緊放松和升降系統(tǒng)，刀架快速或進給控制等。

2.改造的基本要求

對于這臺大型龍門刨床的電氣系統(tǒng)改造主要有以下幾個方面的要求:

(1)保持按鈕功能和機床操作習(xí)慣基本不變，各限位開關(guān)的功能和位置不變。

(2)整個電路簡單、安全、可靠便于維護且要有很好的節(jié)能效果。

(3)工作臺的控制性能好，要有較寬的調(diào)速范圍，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、平滑性好。

(4)能根據(jù)不同工件加工要求自主調(diào)節(jié)工作臺運動速度，前進和后退速度應(yīng)可以單獨且方便地調(diào)整。

(5)盡可能減少高能耗電器件的使用，保留原直流抬刀電磁線圈。

3.改造方案的確定和說明

龍門刨床的電氣改造首先是對工作臺拖動系統(tǒng)的改造。目前比較成功的方法有3 種:開關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)配合磁阻電動機、大功率交流變頻器加變頻電動機、590+全數(shù)字直流調(diào)速裝置加節(jié)能型Z4 直流電動機。根據(jù)以上3 種調(diào)速系統(tǒng)的特點，結(jié)合這臺大型龍門刨床對控制系統(tǒng)的要求，特別是頻繁高速換向要求，決定采用先進的英國歐陸公司的590 +全數(shù)字直流調(diào)速裝置和1 臺國產(chǎn)Z4—225—11/75kW 直流電動機拖動工作臺，取代原來的JF—D 變流機組調(diào)速系統(tǒng)和兩臺串聯(lián)的Z2 型59kW 直流電動機。歐陸公司的590 +全數(shù)字直流調(diào)速裝置是基于計算機的全數(shù)字化產(chǎn)品，它利用電腦程序模擬PID 調(diào)節(jié)器，可完美地實現(xiàn)直流電動機的二象限或四象限精確調(diào)速運行，能完全滿足龍門刨床工作臺拖動要求，且具有較高的性價比，是目前在龍門刨床改造中應(yīng)用最多的數(shù)字式直流調(diào)速驅(qū)動裝置，該裝置主要有以下特點:

(1)具有16 位高速CPU 實現(xiàn)全數(shù)字控制，所有功能均能通過系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定完成，操作簡單，使用方便。

(2)系統(tǒng)配備3 種反饋方式:電樞電壓反饋、測速機反饋和編碼器反饋。龍門刨床常用測速機反饋，速比可達100∶1。

(3)具有程序停車、慣性停車等多種設(shè)定功能，速度環(huán)的加減速可通過斜坡設(shè)定，電流環(huán)可用自適應(yīng)功能進行參數(shù)優(yōu)化。

(4)調(diào)速精度高:電壓反饋＜2%，測速機反饋＜0.1%，編碼器反饋＜0.01%。

(5)過載能力強:200%額定電流時10s 動作，150%額定電流時30s 動作。

(6)對電網(wǎng)要求不高，抗干擾性好，主回路電源電壓要求110～500V，控制電源電壓要求110～240V。

(7)具有過流、過壓、超速、失速、失磁、缺相、堵轉(zhuǎn)等多種保護功能，且有完善的自診斷及記憶報警功能。

輔助動作和交流控制回路采用1 臺日本光洋公司的SH—64R1 可編程序控制器(PLC)作為控制核心，配合少量繼電器和接觸器以及電動機保護開關(guān)等實現(xiàn)輔助動作控制。PLC 是基于工業(yè)控制計算機技術(shù)，用于工業(yè)環(huán)境且通用性強的自動控制設(shè)備，由于其具有應(yīng)用靈活方便、功能強、可靠性高、體積小及接線簡單等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在各種機床電氣控制中。PLC 作為機床動作控制核心，替代原來的繼電器控制方式，有利于與調(diào)速系統(tǒng)的配合協(xié)調(diào)和各輔助動作的可靠性提高，且控制線路大大簡化。

4.改造中的問題和解決方法

(1)刨床橫梁升降結(jié)束，在夾緊過程中，當限位開關(guān)失靈或過電流繼電器沒有及時動作，就很容易燒壞夾緊電動機，現(xiàn)利用PLC 內(nèi)部時間繼電器對夾緊時間進行控制，即無論限位開關(guān)損壞還是電流繼電器失靈，只要PLC 內(nèi)部時間一到，夾緊電動機就停止。方法是:先用鉗形電流表在橫梁夾緊過程中測量電流，通過調(diào)整電流繼電器的整定值對橫梁夾緊程度進行確定，然后再用秒表測量橫梁夾緊全過程的時間，反復(fù)三次，找出最精確的一次時間值再加1s，以此值作為PLC 內(nèi)部時間繼電器的計時值，這樣既能保證橫梁被夾緊，又能確保夾緊電動機不被損壞。

(2)刨刀的抬起落下仍用220V 直流抬刀線圈控制，由于改造中去掉了勵磁機，所以抬刀線圈的電源用1 只JBK5—300VA 變壓器和1 只40A/1 200V 整流橋經(jīng)ZCO—40A 直流接觸器提供，因抬刀線圈電感量很大，在線圈斷電瞬間有很強的電磁感應(yīng)，極易造成整流橋損壞，因此仍用原機床上1kΩ/100W琺瑯電阻并接在線圈兩端釋放感應(yīng)電勢，保護整流橋和線圈。

(3)控制工作臺往復(fù)運動的組合限位開關(guān)JLXK1—411 受頻繁撞擊，經(jīng)常損壞，每年都要更換數(shù)只，改造中極限終端限位仍用JLXK1—411 開關(guān)，目的是確保安全可靠。另4 只減速換向限位改用2 只接近開關(guān)(NPN 常開型)替代，實踐證明這樣效果很好。具體方法是:工作臺往復(fù)運動過程中(前進或后退)，只要1 只接近開關(guān)動作，PLC 輸入點得到信號，通過PLC 內(nèi)部程序就可完成減速、換向的全過程。工作臺減速是通過減小直流調(diào)速裝置的給定輸入來實現(xiàn)的。減速過程的強弱由1 只可調(diào)電位器完成?？赏ㄟ^對電位器的調(diào)節(jié)來獲得最佳的減速換向效果，減少機械撞擊。

(4)原工作臺前進、后退速度調(diào)節(jié)電阻和4 只抬刀控制開關(guān)上所加電壓為直流220V 且體積較大，所以都裝在電器柜上。改造中由于590 +調(diào)速裝置的模擬量輸入給定是0～±10V，且抬刀開關(guān)控制的是PLC 輸入點，因此均移至按鈕站上，以便機床操作調(diào)整，提高工作效率。

5.590 +調(diào)速裝置主要參數(shù)設(shè)置

(1)電動機參數(shù)配置(參照電動機銘牌):在調(diào)速器配置菜單中設(shè)定電動機電樞電壓值為440V，電樞電流193A，磁場電流5.6A 勵磁控制方式為電壓模式，磁場電壓比例為58%。根據(jù)龍門刨床切削加工特點，電樞電流極限值設(shè)成額定電流的130%較好。為了提高拖動系統(tǒng)的剛性和調(diào)速范圍，系統(tǒng)反饋模式選擇成測速機模式。

(2)系統(tǒng)主要參數(shù)配置:在調(diào)速器參數(shù)設(shè)定菜單中將斜坡加速時間設(shè)成2.5s，可使工作臺起動平穩(wěn)。為防止工作臺在減速或停車制動過程中系統(tǒng)出現(xiàn)過流報警，又要盡可能減小工作臺的越位距離，斜坡減速時間可設(shè)成1～1.5s。在速度環(huán)子菜單中將速度比例增益設(shè)成12，速度積分設(shè)成0.8s。以上4 個參數(shù)的設(shè)置要根據(jù)每臺機床工作特點作適當調(diào)整。原則是:既要求工作臺有快速響應(yīng)，又要求在加減速時運行平穩(wěn)，目的是能有效降低齒輪減速箱的沖擊噪聲。

6.改造后的節(jié)能效果

原機床用交流電動機拖動直流發(fā)電動機和電動機擴大機提供直流電給驅(qū)動機床的直流電動機，由于存在機組銅損、鐵損、機械傳動損耗及機組空運轉(zhuǎn)損耗等，所以效率低，耗電多，不節(jié)能?，F(xiàn)采用590 +全數(shù)字調(diào)速裝置直接對拖動工作臺的直流電動機供電，又利用可編程控制器(PLC)進行控制，上述損耗均能消除，工作效率也大大提高。改造前后運行情況對比如附表所示。

改造前后運行情況對比

7.結(jié)語

應(yīng)用590 +全數(shù)字直流調(diào)速裝置和SH—64R1 可編程控制器對B2020A 大型14m 龍門刨床進行技術(shù)改造后，大大簡化了電氣系統(tǒng)，降低了故障率，電氣設(shè)備體積也明顯減小，尤其對刨床工作臺拖動系統(tǒng)的徹底改造后，節(jié)電效果非常顯著，經(jīng)過一段時間加工運行，機床完全滿足生產(chǎn)工藝要求，在降低能耗的同時提高了生產(chǎn)率，取得了很好的經(jīng)濟效益。