六米龍門刨床的節能改造

馮嘉花

(河北宣化工程機械股份有限公司，河北宣化 075105)

我公司現有龍門刨床4臺，都是二十世紀六七十年代的產品，工作臺調速采用G－M方式(發電機－電動機)，加工效率低、耗電量高、噪聲大，加上這些設備使用年限較長，電器元件老化，故障率增高，急需對其進行技術改造。隨著新技術的出現，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

1.1 主拖動調速系統的負荷

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，在調速過程中負荷具有恒轉矩性質;切削速度vq≥25 m/min，允許的最大切削力應隨著速度的提高成反比地減小，在調速過程中負荷又具有恒功率性質。

1.2 主拖動的調整方式

B2016A龍門刨床主傳動采用G－M調速系統。直流電動機的額定功率60 kW;直流發電機的額定功率70 kW;拖動直流發電機的交流異步電動機55 kW;控制發電機勵磁系統的交磁放大機組為22 kW。采用機械速比為2∶1和電器調速范圍10∶1的機電聯合調速系統。

1.3 主拖動調速的分析

上述主拖動調速系統的調速特性如圖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對應于最大轉矩時的最高速度，稱為計算速度。在V1～V2范圍內要求恒轉矩調速;而在V2～V3范圍內則要求恒功率調速。如果在整個調速范圍均采用具有恒轉矩性質的調壓調速，則所需要的電動機功率Pm3將是負載需要的最大切削功率Pm1的(V3/V2)倍。當V3=90 m/min，V2=25 m/min時，Pm3/Pm1=3.6，顯然，單純采用調壓調速的方案是不合理的。

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

可見機電聯合調速與單純調壓調速比較，電動機的設計功率可縮小一半。不過，由于機電聯合與生產機械的調速要求仍不完全匹配，電動機的功率仍比負載所需最大功率大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速系統，通過靈活地預置恒轉矩與恒功率調速的轉換點，使調速系統的特性更好地滿足龍門刨床主拖動負載的調速要求，進而降低主拖動電動機的設計功率。

1.4 進刀機構

大型龍門刨床的進刀機構主要有兩種形式。例如，B210型龍門刨床采用緊脹環進刀機構，而B2016A型龍門刨床采用進刀繼電器控制機構。該機構運用的是行程控制原理，當工作臺移動至返回行程末尾時，給出進刀信號，刀架電動機開始轉動，同時進刀。由電動機帶動的圓盤開始轉動，當轉到一定角度，圓盤的齒輪將進刀繼電器頂開，控制電動機斷電，停止進刀。依靠不同的圓盤、不同齒間距離就可以控制進刀量，如果同時配以機械齒輪改變圓盤的轉速就可獲得大范圍可調的進刀量。該方法的缺陷是隨著時間的推移，進刀繼電器鐵心和圓盤齒因頻繁運動而磨損嚴重，使精度下降。由于左右側刀架圓盤剛更換，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，實現無級調速，形成新的進給系統。

2 直流調速系統性能分析

針對龍門刨床的特點，技術部、分廠技術組對自動控制系統提出如下要求:(1)調速范圍寬，工作時能適應不同的刀具，要有良好的切削速度，調速范圍要寬不低于10∶1，最好是無級調速。(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，切削力保持恒定。(5)能單獨調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)工作臺的運行速度能自動調整，在刀具切入與切出工件時，能自動減速。(7)工作臺運行方向應迅速而平滑地改變，動態品質要好。(8)節省輔助工時，工作臺要有可靠的自動往復循環，調速時不必停車。(9)工作臺反向時要迅速、平穩、沖擊小。(10)傳動效率要高，耗電量要小，工作噪聲應符合環境保護要求。(11)操作簡單，安全可靠，易于修理和維護。(12)銑削:5～70 m/min無級調速。(13)每次進給量，垂直刀架:垂直方向為0.2～25 mm/次;水平方向為0.4～50 mm/次;側刀架:垂直方向為0.4～50 mm/次。

3 直流調速系統改造技術方案設計

3.1 主拖動系統的電動機容量

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

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

3.2 主拖動系統的控制原理

為滿足龍門刨床工作臺頻繁換向及負載劇烈變化時轉速的動態響應和機械特性硬的要求，主拖動控制采用改變直流電動機電樞電壓U和主磁通φ的控制方法。直流電動機轉矩:

式中:φ為每級磁通，Wb;Ia為電樞電流，A;Cm為轉矩常數，僅與電動機結構有關。

直流電動機電樞回路平衡公式:

式中:Ea為電樞繞組在磁場中旋轉產生的感應電動勢，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，僅與電動機結構有關;n為電樞旋轉速度，r/min。

基于上述主拖動電動機的特點用45 kW的Z4直流電動機更換原60 kW直流電動機，用西門子6RA7075－6DV62全數字控制裝置對電動機電樞和勵磁進行控制，采用四象限工作方式，該裝置本身帶有參數設定單元，不需要其他的附加設備即可完成參數的設定。所有的控制、調節、監視及附加功能都由微處理器來實現。龍門刨床直流調速系統控制原理如圖2。

3.3 改造方案的確定與實施

之前我們曾用KBS－Ⅲ型可控硅調速柜(方案1)，富士FRENIC 5000P9S交流變頻器(方案2)，西門子6RA7075－6DV62數字直流調速器(方案3)以及數字直流調速器+PLC+變頻器(方案4)等4種方案對其進行改造，雖然取得了明顯的節能效果，但也存在一些不足。方案1，早期產品，分離元件多，體積大，調速控制繁瑣;方案2，工件加工過程中機械特性較“軟”只能加工鑄鐵部件;方案3，只對主拖動進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，元件數量多，在新電路圖的設計上以PLC為核心直接控制6RA70調速裝置，以確?？煽啃院头€定性。刨床的其他部分:風機、油泵、抬刀、進刀、橫梁升降、橫梁夾緊及放松都由PLC控制，重新設計的線路簡單清晰，繼電器、接觸器均按“模塊”組合，數量減至14個，除調速器及PLC外，全部是國產品牌。整個改造過程分為兩部分:PLC程序編制與外圍線路的設計(圖3、4);直流調速器的參數設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計梯形圖，并進行調試，使設計的程序完全符合原機床的電氣控制?，F場聯機運行，使工作臺主拖動、橫梁部分、刀架裝置及風機、油泵等動作達到規定要求。之后進行直流調速器的調試:輸入信號、勵磁信號、模擬輸入信號、使能信號、參數值和功能模塊依次進行調試。PLC輸出信號與6RA70調速裝置的連接是此次改造的重點。6RA70裝置的布局:34#、37#、38# 運行控制端子;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動前進、后退、減速、自動前進、自動后退等控制。首先輸入主電動機的基本參數(額定電壓、額定電流、勵磁電壓、勵磁電流)，然后根據速度反饋的類型選擇P083#，勵磁運行P082#，直流調速裝置與直流電動機最佳配合的參數優化等。現將6RA70裝置的部分參數及功能模塊列出，以供參考。

P051=25 電樞和勵磁的預控制和電流調節器的優化運行

P051=26 速度調節器的優化運行

P051=27 勵磁減弱的優化運行

P051=28 摩擦和轉動慣量補償的優化運行

P303 1.6 斜坡上升時間

P304 0.5 斜坡下降時間

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，因硬件輸入點不足計劃購買調速器的擴展版，反復研究后，利用PLC及直流調速器豐富的軟件功能，重新調整參數的配置。由于PLC抗干擾、可靠性高、使用靈活，因此在工業領域得到廣泛運用，而6RA70直流調速裝置具有控制方式先進、結構緊湊、精度高等優點，將二者結合起來，達到了此次改造的目的。改造后的刨床具有無級變速，低速轉矩恒定輸出，操作方便、加工效率高，故障率降低90%，平均節電30%等優點。經過一年時間的運行，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，隨著任務量的增加制約了工作效率的提高。為此，我們會同技術部的工程師一起對該刨床的橫梁進行分析，并參照濟南第二機床廠龍門刨床的銑頭結構結合本公司刨床的橫梁結構(該刨床滄州機床廠制造)繪制出機械零件圖(圖5)，進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行配套調試，實行機械二檔，6種速度的變頻調速(80～610 r/min)。選擇銑頭時，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，則會出現銑頭發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。經過挑選，在垂直刀架位置配置了一款性價比較高的龍門銑專用銑頭，重量僅150 kg，主軸電動機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的通用標準錐孔錐度，具有可更換性。安裝時，由于刀架溜板比銑頭安裝面小，需整體調整銑頭與工作臺的垂直度，打定位銷定位聯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，為適應被加工件角度旋轉的要求，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，在過渡板及溜板上部安裝一套蝸桿配扇形蝸輪的傳動機構，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。角度調整時，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，當控制左溜板的下光杠與橫梁右端的傳動機構脫開時，需用手柄固定，便于減速機輸入軸伸出，用于手動調整。2.2 kW變頻電動機50 Hz時的轉速為1 000 r/min，通過1∶30的蝸輪減速機減速后，下光杠轉速1 000/30=33 r/min，絲杠導程8×2=16 mm，則橫銑最快移動速度為33×16=528 mm/min，變頻調速調節范圍1∶20，橫銑可調速度為27～528 mm/min，滿足橫向銑削速度要求。經過實際銑削測試，效果良好。比原來的效率又提高了20%(直流調速改造后)，取得了很好的經濟效益。

5 B2016A龍門刨床運行情況對比

運行情況對比如表1所示。

表1 運行情況對比