一. 概述
龍門銑床是加工較大型工件的機(jī)加設(shè)備，其電器控制系統(tǒng)包括工作臺(tái)的主傳動(dòng)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)的邏輯控制兩大部分。河南焦作邁科公司有一臺(tái)龍門銑床，從70年代至今使用了多年。龍門銑床的工作臺(tái)主傳動(dòng)采用直流可逆調(diào)速拖動(dòng)方式。早期的直流調(diào)速控制系統(tǒng)由分立元件構(gòu)成，使用了若干年以后，故障率明顯上升，維修工作量量不斷增大，故障停工工時(shí)急劇上升，已經(jīng)嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。原來的直流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)淘汰了，沒有可能對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)換新處理，進(jìn)行技術(shù)改造是必然的選擇。
二. 改造方案
對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)改造，如果保留直流電機(jī)，調(diào)速系統(tǒng)可用數(shù)字式可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)，如歐陸590A，西門子6RA70，ABB DCS400等。這種方案的優(yōu)點(diǎn)就是利用原有的直流電機(jī)，經(jīng)濟(jì)上比較省，但缺點(diǎn)也是明顯的，其缺點(diǎn)是直流電機(jī)較交流異步鼠籠電機(jī)的維護(hù)工作量大，特別是使用了多年的直流電機(jī)，整流子磨損嚴(yán)重，維修花費(fèi)更多。另一種方案就采用交流調(diào)速系統(tǒng)，將主傳動(dòng)直流電機(jī)換為交流異步鼠籠電機(jī)，調(diào)速控制系統(tǒng)使用變頻器。這種方案的缺點(diǎn)是除需要變頻器外，還需要將直流電機(jī)換為交流電機(jī)，改造的費(fèi)用相對(duì)高一些，但是，交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)量小，變頻器性能優(yōu)良，便于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。比較兩種方案的優(yōu)劣后，選擇用交流調(diào)速的改造方案。
三. 龍門銑床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程
龍門銑床工作臺(tái)的拖動(dòng)屬于平穩(wěn)快速的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，工作臺(tái)的工作流程如圖1所示：圖1 龍門銑床工作臺(tái)工作流程圖
圖中表示了銑床工作臺(tái)工作銑削行程和返回過程的變化。0~t1銑床工作臺(tái)空行程起動(dòng)；t1~ t2銑床工作臺(tái)以穩(wěn)定速度n1運(yùn)轉(zhuǎn)；t2~ t3銑床工作臺(tái)帶銑削負(fù)載加速；t3~ t4銑床工作臺(tái)以穩(wěn)定速度n2運(yùn)轉(zhuǎn)；t4~ t5銑床工作臺(tái)減速；t5~ t6銑床工作臺(tái)保持n3速度條件下刀具離開工件；t6~ t7銑床工作臺(tái)減速到零；t7~ t10銑床工作臺(tái)反向加速到高速運(yùn)轉(zhuǎn)制動(dòng)后返回原加工位置，由此在重復(fù)上面所述的銑削循環(huán)。
四. 龍門銑床的變頻改造
1. 變頻器的選型和容量的計(jì)算-
變頻器的選型要根據(jù)交流電機(jī)的容量，交流電機(jī)的容量的選擇又要以直流電機(jī)為參考依據(jù)。原工作臺(tái)直流電機(jī)參數(shù)為：PN=18.5kW，nN=1000rmin，與此相對(duì)應(yīng)的交流電機(jī)PN=18.5kW，nN=970rmin，龍門銑床經(jīng)常工作在低速加工狀態(tài)，為保證加工質(zhì)量，要求電機(jī)低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大，考慮到交流電機(jī)的機(jī)械特性，在選擇交流電機(jī)時(shí)適當(dāng)增大容量。本例交流電機(jī)選為22kW 6極鼠籠電機(jī)。
電機(jī)容量確定后，可直接選擇變頻器的容量。龍門銑床工作臺(tái)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，要求起動(dòng)和低速力矩大，最好選用矢量控制變頻器，選用希望森蘭公司生產(chǎn)的SB61G變頻器。該變頻器采用先進(jìn)的無速度傳感器矢量控制算法，功能齊全，在各種行業(yè)中應(yīng)用自如?？梢赃x擇Vf開環(huán)、Vf閉環(huán)、無PG矢量控制和有PG矢量控制方式；可選用鍵盤和外部端子，功能端子的操作方式，并有RS485串行通訊口，便于與計(jì)算機(jī)組網(wǎng)控制。在設(shè)計(jì)中進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，電磁兼容設(shè)計(jì)，穩(wěn)定性分析等，具有非常優(yōu)良的性能。本例選用森蘭SB61G22KW變頻器。考慮到銑床工作臺(tái)返回行程時(shí)間比較短，慣性較大，需要配用制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，制動(dòng)電阻按100%制動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)配置30Ω，5kW，考慮到制動(dòng)比較頻繁，適當(dāng)加大電阻的容量到10kW。
常規(guī)設(shè)計(jì)的自冷式交流異步電動(dòng)機(jī)，在額定工況及規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，是不會(huì)超過額定溫升的。但在變頻調(diào)速后自冷式交流異步電動(dòng)機(jī)在20Hz頻率以下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子自帶風(fēng)扇的風(fēng)力減低，電機(jī)的散熱性能變差，如果在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載條件下長期運(yùn)行時(shí)電機(jī)會(huì)過熱。因此，對(duì)長期低速運(yùn)行的電機(jī)需加恒速風(fēng)扇降溫。加恒速風(fēng)扇的方法是將交流異步電動(dòng)機(jī)的尾罩卸下，在尾罩上挖一個(gè)與軸流風(fēng)機(jī)相適應(yīng)的圓孔，使其軸流風(fēng)機(jī)裝好后，所吹出的風(fēng)能全部到電機(jī)的后端蓋上，經(jīng)機(jī)殼導(dǎo)流片導(dǎo)流到電機(jī)機(jī)身的各個(gè)方向上，使之能對(duì)電機(jī)各個(gè)部分都能均勻冷卻。軸流風(fēng)機(jī)的電源用220V市電。
2. 變頻器功能的設(shè)定
從龍門銑床工作臺(tái)工作流程圖可見，工作臺(tái)的運(yùn)行速度有4段，即n1、、n2、n3和返回運(yùn)行速度。設(shè)SB61S22KW變頻器為多段速度控制方式，變頻器的多端頻率控制輸入端子為X1，X2，X3，X4;多段速度的頻率值由所加工的工件決定，加、減速的時(shí)間，由功能代碼F009，F(xiàn)010，F(xiàn)631-F636決定.其控制信號(hào)取自銑床無觸點(diǎn)開關(guān)，只要銑床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的位置，無觸點(diǎn)開關(guān)輸出信號(hào)送到變頻器相應(yīng)的輸入端口上，變頻器就加速、減速、反向或恒速運(yùn)行。
3. PLC的應(yīng)用
由于控制線路和低壓元器件老化，在對(duì)龍門銑床工作臺(tái)主傳動(dòng)變頻調(diào)速改造的同時(shí)，對(duì)銑床的控制線路進(jìn)行改造。用PLC可大大的減少控制電路的復(fù)雜性，并可減低成本。PLC選用HOLLIAS-LEC G3 40點(diǎn)PLC，編程方式為梯形圖，比較簡單，不再贅述。
五. 后記
我國70年代以前生產(chǎn)的機(jī)床，需要調(diào)速時(shí)采用變速箱機(jī)械換檔調(diào)速方式或采用直流調(diào)速方式。直流電源的獲得是使用交流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，發(fā)出的直流電驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行。70年代后，可控硅整流器出現(xiàn)后，直流調(diào)速省去了交流電動(dòng)機(jī)帶直流發(fā)電機(jī)的環(huán)節(jié)，效率大幅度的提高，運(yùn)行噪聲極大的下降。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和完善，變頻器的性能不斷的提高，而價(jià)格不斷下降，已逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。通過其外圍少數(shù)幾個(gè)端子，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床全范圍的控制，且變頻器內(nèi)部有較完善的保護(hù)功能，無需在設(shè)計(jì)控制電路時(shí)考慮保護(hù)電路，既簡化了電路又降低了成本。
通過對(duì)龍門銑床工臺(tái)拖動(dòng)系統(tǒng)的改造，使用了PLC和變頻器，用交流調(diào)速系統(tǒng)取代直流調(diào)速系統(tǒng)，簡化了設(shè)備的控制線路，故障率幾乎下降到零，實(shí)現(xiàn)了可靠、快速、靈活的控制，使工件的銑削質(zhì)量和工作效率都有明顯的提高。
六. 參考文獻(xiàn)
1. 森蘭變頻器制造有限公司，森蘭SB61用戶手冊(cè)，2004
2. 曾毅 調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與維護(hù) 山東科學(xué)技術(shù)出版社
3. 馮垛生 變頻器的應(yīng)用與維護(hù) 華南理工大學(xué)出版社
