重型鏜銑床鏜箱重錘平衡方式分析與改進(jìn)

王建明，賴 兵，何松桃

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽 618000）

1 設(shè)備簡介

東方電機(jī)有限公司2006 年安裝投用的FAF-260 數(shù)控重型鏜銑床，配置多種附件頭及大型數(shù)控轉(zhuǎn)臺，精度高、應(yīng)用范圍廣，主要用于大型水電蝶閥、球閥、蝸殼，火電轉(zhuǎn)子、機(jī)座等零部件加工。隨著使用年限的增加，設(shè)備自身缺陷逐漸暴露，特別是鏜箱重錘平衡機(jī)構(gòu)故障率直線上升，嚴(yán)重制約了設(shè)備效能和產(chǎn)品質(zhì)量。為恢復(fù)設(shè)備使用效能，研究分析重錘平衡機(jī)構(gòu)及原理，制定改進(jìn)方案。

2 重錘平衡結(jié)構(gòu)

在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，鏜箱自重25 t[1]，鏜箱重力平衡采用伺服電機(jī)扭矩拉力式平衡。平衡機(jī)構(gòu)如圖1 所示，平衡電機(jī)輸出恒扭矩，通過減速器帶動卷揚(yáng)滾筒，卷揚(yáng)滾筒收放平衡鋼絲繩，鋼絲繩由滾筒向下穿過平衡壓力電橋?qū)蜉啠蛏险鄯档搅⒅敳繉?dǎo)向輪，再向下固定在鏜箱上，整個鋼絲繩呈“之”字形。

電氣結(jié)構(gòu)上，611U 驅(qū)動器控制平衡電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接收PLC 速度信號，壓力電橋傳感器實(shí)時采集平衡電機(jī)轉(zhuǎn)速是否達(dá)到平衡速度，并將采集值傳送給PLC，以供PLC 計(jì)算判斷平衡電機(jī)轉(zhuǎn)速，信號源、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測元件形成嚴(yán)格的閉環(huán)控制，電氣控制如圖2所示，其中電機(jī)采用速度/扭矩控制，611U 主控信號為DC 0～±10 V[2]模擬信號。

圖1 平衡機(jī)構(gòu)

3 故障現(xiàn)象及檢查

機(jī)床運(yùn)行時，平衡系統(tǒng)經(jīng)常觸發(fā)平衡電機(jī)超溫報警，并伴隨電機(jī)嘯叫。經(jīng)檢測報警時核心溫度達(dá)到報警極限溫度150 ℃（電機(jī)長期處于超溫狀態(tài)，導(dǎo)致該平衡電機(jī)已燒損一臺），進(jìn)而導(dǎo)致該設(shè)備故障停機(jī)。

圖2 電氣結(jié)構(gòu)

進(jìn)一步檢測發(fā)現(xiàn)，鏜箱靜止或上下移動式，平衡電機(jī)運(yùn)行時基本處于滿載狀態(tài)，扭矩輸出440 N·m 左右，電流115 A 左右，最大達(dá)到120 A，而此時鏜箱伺服電機(jī)輸出基本處于正常狀態(tài)，電流負(fù)載5%～8%。

4 平衡機(jī)構(gòu)主要配置

鏜箱自重（無附件頭狀態(tài)）25 t，鏜箱快移速度8 m/min，鏜箱齒輪箱傳動比747/247，鏜箱絲杠導(dǎo)程20 mm，平衡電機(jī)型號1PH7186-2NE05-0BA0,平衡電機(jī)性能參數(shù)：60 kW/1250（r/min）/458 N·m/S1 63 A/117 A，驅(qū)動器611U 6SN11180NH000AA1，平衡齒輪傳動比275.8，卷揚(yáng)半徑0.45 m。

在理想狀態(tài)下忽略傳動效率及摩擦力等損耗，按照機(jī)械傳動比等結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算，完全平衡鏜箱自重，平衡電機(jī)扭矩輸出408 N·m，占其額定輸出的89.1%。而實(shí)際上傳動機(jī)構(gòu)存在傳動效率、且摩擦力不可能為0 等因素，結(jié)合檢測結(jié)果，基本確定在該平衡機(jī)構(gòu)下，平衡電機(jī)輸出扭矩偏小，平衡電機(jī)長期處于滿載或超載狀態(tài)，由于工作繁重，平衡電機(jī)無法建立熱平衡，導(dǎo)致電機(jī)超溫。

5 改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

為徹底消除電機(jī)超溫現(xiàn)象，提出兩種改進(jìn)方案：方案1，電氣改進(jìn)，通過增大電機(jī)功率或降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高電機(jī)輸出扭矩進(jìn)而達(dá)到增大扭矩輸出裕度，主要措施為更換大扭矩平衡電機(jī)；方案2，機(jī)械改進(jìn)，增大平衡機(jī)構(gòu)傳動比，減少許用扭矩，間接達(dá)到增大扭矩輸出裕度。

5.1 電氣改進(jìn)方案

通過傳動比計(jì)算，為達(dá)到或接近鏜箱設(shè)計(jì)快移速度（設(shè)定速度的80%），平衡電機(jī)額定轉(zhuǎn)速≥625 r/min，同時為了達(dá)到30%的電機(jī)輸出裕度，電機(jī)額定輸出扭矩應(yīng)為現(xiàn)在的1.3 倍，即≥530 N·m。綜合以上轉(zhuǎn)速及扭矩要求，平衡電機(jī)選型只能在1PH7224 機(jī)座號中選擇，最佳選型為1PH7224-*NC**[3]，額定功率55 kW，額定轉(zhuǎn)速700 r/min，額定扭矩750 N·m,額定電流114 A。

該方案實(shí)施較為簡單，電機(jī)驅(qū)動器、動力電纜等全部可以保留利用，更換電機(jī)后直接應(yīng)用SimoComU 調(diào)試軟件對驅(qū)動器進(jìn)行新電機(jī)配置及優(yōu)化即可，機(jī)械方面需配合修改電機(jī)軸輸出聯(lián)軸器尺寸及電機(jī)安裝孔位置。該方案缺點(diǎn)是，電機(jī)采購周期較長（3 個月以上），電機(jī)采購價格較高（約15 萬元人民幣），且電機(jī)安裝孔修改存在一定難度，但該方案總體制約因素為電機(jī)采購周期長。

5.2 機(jī)械改進(jìn)方案

受平衡鋼絲繩長度限制，平衡滾筒尺寸不能改變，齒輪傳動比是機(jī)械改進(jìn)方案的主要對象。為達(dá)到電機(jī)輸出扭矩30%的扭矩裕度，即平衡配重許用扭矩≤320 N·m，平衡傳動比需增大至1.3 倍，即平衡齒輪傳動比≥359。

（1）途徑一，對原減速器減速比進(jìn)行修改，但原減速器為整體式進(jìn)口減速器，結(jié)構(gòu)緊湊，無法對其進(jìn)行減速比修改只能整體更換，通過咨詢，該齒輪減速器采購價約10 萬歐元，采購周期6 個月。

（2）途徑二，在平衡電機(jī)和原減速器輸入軸之間增加一副齒輪減速機(jī)構(gòu)，以增大平衡電機(jī)扭矩裕量，根據(jù)實(shí)際速度需要，減速比為50/35。該齒輪減速器安裝空間足夠大，國內(nèi)齒輪生產(chǎn)商及減速器制造商都能制造，周期短，配件來源廣泛，同時增加一段連接軸后即可完成裝配。

增加減速機(jī)構(gòu)后，平衡電機(jī)同樣轉(zhuǎn)速時，鏜箱移動速度變?yōu)樵瓉淼?5/50，平衡電機(jī)速度將無法跟隨鏜箱移動速度。特別是鏜箱移動加減速階段，觸發(fā)重錘平衡設(shè)定值與實(shí)際值偏差過大報警。通過對平衡機(jī)構(gòu)電氣控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，獲得電氣控制結(jié)構(gòu)（圖3）。

平衡控制方式分手動控制和自動控制，其中手動控制主要用于維修調(diào)整，手動輸入平衡驅(qū)動模擬量轉(zhuǎn)速，該方式下平衡壓力值不再參與控制。

自動控制方式下，平衡電機(jī)轉(zhuǎn)速主控變量為鏜箱速度值，矯正變量為平衡壓力傳感器壓力反饋值。

為消除平衡偏差超限報警，使平衡電機(jī)速度能夠跟隨鏜箱移動速度，平衡電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速應(yīng)為原來的50/35 倍。深入分析平衡電機(jī)速度控制計(jì)算公式，得知重錘設(shè)定值與壓力傳感器反饋值為一對控制變量，當(dāng)壓力傳感器反饋值等于重錘設(shè)定值時，重錘平衡電機(jī)與鏜箱重量達(dá)到平衡，此時鏜箱為靜止或勻速運(yùn)動，在該狀態(tài)下，鏜箱重量與原值相同，壓力傳感器反饋值亦與原值相同，因此重量設(shè)定值必須與原值相同，即重量設(shè)定值與壓力傳感器反饋值不可改變。

圖3 平衡控制流程

由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的鋼絲繩連接，平衡電機(jī)速度與鏜箱移動速度成嚴(yán)格比例關(guān)系，因此為將平衡電機(jī)轉(zhuǎn)速提升至原輸出轉(zhuǎn)速的50/35 倍，只需將鏜箱移動速度控制變量增大為原來的50/35 倍，即將轉(zhuǎn)換系數(shù)C 變?yōu)?0/35×C，平衡電機(jī)轉(zhuǎn)速就可以跟隨鏜箱伺服速度。利用SimoComU[4]軟件對平衡電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行優(yōu)化，使平衡電機(jī)具有動態(tài)反應(yīng)快，靜態(tài)不振動等特性，伺服軸Y 軸上下運(yùn)行負(fù)載率變化不超過5%。同時優(yōu)化數(shù)控伺服軸Y 軸增益[5]等，最后鏜箱以6 m/min 快移試車，平衡電機(jī)實(shí)際電流最大90 A，輸出扭矩最大為380 N·m，為額定扭矩的83%，電機(jī)扭矩輸出符合設(shè)計(jì)預(yù)期，且鏜箱勻速運(yùn)行或靜止時重錘平衡實(shí)際值與設(shè)定值偏差0～±100 kg，在加減速階段平衡偏差0～±500 kg，平衡電機(jī)輸出扭矩及速度能夠跟隨鏜箱速度及平衡要求，未觸發(fā)平衡扭矩報警，電機(jī)超溫現(xiàn)象得以徹底消除。

6 結(jié)語

改進(jìn)設(shè)計(jì)中，分析機(jī)床重錘平衡機(jī)械及電氣結(jié)構(gòu)，為相關(guān)機(jī)床設(shè)計(jì)及維修提供較為完整的理論支持。

改進(jìn)后，消除了機(jī)床原設(shè)計(jì)缺陷，最大程度節(jié)省成本，具有較強(qiáng)的操作性和實(shí)用性。經(jīng)過長期使用，機(jī)床平衡機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，平衡電機(jī)超溫現(xiàn)象消除，驗(yàn)證了該方案的可行性。