BQ2031A八米刨床低速切削速度不穩(wěn)的傳動(dòng)電控改造

趙國(guó)強(qiáng)

（湖北萬(wàn)洲電氣集團(tuán)有限公司，湖北襄樊 441002）

1 八米龍門刨床傳動(dòng)電控改造概述

2006年11月，我公司承接了山東萊蕪鋼鐵集團(tuán)機(jī)械廠的一臺(tái)BQ2031A八米龍門刨床（3.5 m×8 m）電控系統(tǒng)技術(shù)改造任務(wù)。

BQ2031A八米龍門刨床是我國(guó)武漢重型機(jī)床廠上世紀(jì)60年代研發(fā)生產(chǎn)的一種大型龍門刨床的主導(dǎo)產(chǎn)品。其在1992年經(jīng)歷了一次電控更新改造，使用了V57數(shù)模混合控制晶閘管可逆直流調(diào)速電柜作為主控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由于沿用半導(dǎo)體分立元件，接插件“翻板”結(jié)構(gòu)，柜體龐大，熱穩(wěn)定性差，且經(jīng)常出現(xiàn)接觸不良問(wèn)題，致使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的故障率高;更為頭疼的是該系統(tǒng)大量使用模擬元件電路組成的電路板，受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件（氣溫、灰塵、信號(hào)干擾）等諸多因素影響較大，致使這些模擬電路信號(hào)極易產(chǎn)生漂移和失真，尤其是其速度、電流調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)全靠幾個(gè)電位器互相配合細(xì)調(diào)才能達(dá)到最佳效果。調(diào)試時(shí)都必須使用示波器監(jiān)視波形才能完成，調(diào)試步驟繁瑣，維護(hù)極為麻煩;一旦系統(tǒng)失調(diào)，要經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)才能滿足要求，以至于該電控系統(tǒng)還存在致命性“缺陷”，那就是低速性能差，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行到低速50 r/min左右，工作臺(tái)床身就出現(xiàn)抖動(dòng)，無(wú)法滿足該刨床刨臺(tái)對(duì)大型工件刨磨加工的工藝要求。

此次改造方案的核心要點(diǎn)主要有:

（1）采用歐陸590+全數(shù)字直流調(diào)速裝置驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)電動(dòng)機(jī)，取代原V57數(shù)模混合控制晶閘管可逆直流調(diào)速電控系統(tǒng)，并在工作臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)尾部加裝測(cè)速發(fā)電動(dòng)機(jī)，提高穩(wěn)速精度;

（2）其電控邏輯部分采用三菱FX系列PLC取代以往的接觸器－繼電器控制模式，由PLC檢測(cè)各路按鈕、限位開關(guān)和直流調(diào)速器等信號(hào)，按照程序去控制各接觸器及相關(guān)執(zhí)行元件;

（3）將原工作臺(tái)的行程限位開關(guān)更換為電磁感應(yīng)的接近開關(guān)，使性能更趨穩(wěn)定，并延長(zhǎng)其使用壽命。

此次技術(shù)改造已經(jīng)成功地滿足了該機(jī)床要求調(diào)整的平滑性要好，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，靜差度較小，起、制動(dòng)時(shí)性能既能快速起動(dòng)和制動(dòng)，又能保證機(jī)械沖擊不致過(guò)大，系統(tǒng)穩(wěn)定性很高，時(shí)間響應(yīng)快，且能快速地實(shí)現(xiàn)提速、降速和平穩(wěn)地調(diào)節(jié)速度，對(duì)于負(fù)載的波動(dòng)和電網(wǎng)的波動(dòng)有較強(qiáng)的抗干擾能力，良好地實(shí)現(xiàn)慢速切入，穩(wěn)速前進(jìn)切削，慢速切出、快速返回，點(diǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)等刨床的各種加工工藝要求。

2 改造中遇到的技術(shù)難題

上述BQ2031A八米龍門刨床的電控系統(tǒng)技術(shù)改造非常成功，但在此次改造調(diào)試過(guò)程中，也遇到了一個(gè)較為棘手的技術(shù)難題:那就是該八米刨床一旦加工較長(zhǎng)的大型工件時(shí)，刨床正常切削速度需要調(diào)整得較慢，但慢速運(yùn)行低到一定程度時(shí)，如一進(jìn)入前進(jìn)減速狀態(tài)后，工作臺(tái)運(yùn)行速度不降反升，這就會(huì)造成工件加工表面明顯出現(xiàn)刨刀換速的劃痕，影響工件加工質(zhì)量，同時(shí)極易引發(fā)工作臺(tái)超程越位停車的故障。

3 技術(shù)問(wèn)題分析

針對(duì)該八米龍門刨床工作臺(tái)低速切削運(yùn)行過(guò)程中所遇到這一技術(shù)難題，我們決定從龍門刨床的工作臺(tái)自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行的工作特點(diǎn)入手，展開深入的理論應(yīng)用分析，從中找出問(wèn)題原因，尋求進(jìn)一步解決方案。

3．1 龍門刨床自動(dòng)刨削工作流程描述

在八米龍門刨床的床身右側(cè)導(dǎo)軌下裝有6支行程開關(guān)（表1），分別是前進(jìn)減速、前進(jìn)換向、前進(jìn)極限、后退減速、后退換向和后退極限;它們?cè)诓煌男谐涛恢檬瓜鄳?yīng)的行程開關(guān)動(dòng)作，自動(dòng)改變工作臺(tái)的動(dòng)作狀態(tài)。

表1 行程開關(guān)及輸出信號(hào)

BQ2031A八米刨床的工作臺(tái)正常進(jìn)入自動(dòng)刨削工件時(shí)的工作流程（圖1）是:

按下工作臺(tái)前進(jìn)按鈕，主拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)進(jìn)入調(diào)速狀態(tài)后，拖動(dòng)工作臺(tái)前進(jìn)，在慢速切身入工件后隨即開至正常工進(jìn)刨削速度，當(dāng)工作臺(tái)上的前進(jìn)撞塊通過(guò)前進(jìn)減速接近開關(guān)后，工作臺(tái)進(jìn)入減速運(yùn)行，減速前進(jìn)運(yùn)行至換向返回接近開關(guān)后，主電動(dòng)機(jī)由慢速減至零速，略有停頓后，迅速反轉(zhuǎn)并加速使工作臺(tái)空載高速返回，直至后退撞塊通過(guò)后退減速接近開關(guān)后，工作臺(tái)后退減速至零速，略有停頓后，迅速反向加速至慢切入工作速度，慢切入的行程時(shí)間由PLC內(nèi)部控制輸出，當(dāng)刨刀切入工件后，工作臺(tái)由慢切入速度升至正常工進(jìn)刨削速度，直至前進(jìn)撞塊又一次通過(guò)前進(jìn)減速接近開關(guān)后，工作臺(tái)再一次進(jìn)入減速運(yùn)行狀態(tài)，如此周而復(fù)始，自動(dòng)往復(fù)循環(huán)工作，直至刨削工件完成，按下停止按鈕后，方可停止此自動(dòng)工作循環(huán)狀態(tài)。

3．2 工作臺(tái)循環(huán)工作過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)

（1）慢速切入的目的是避免刨刀切入工件時(shí)崩裂工件，同時(shí)，也為了減小刀具在切入時(shí)所承受的沖擊，延長(zhǎng)刀具的使用壽命;

（2）刨削行程末尾減速進(jìn)入慢速運(yùn)行切出工件的目的:一是在刨刀切出工件時(shí)，也要防止將工件剝落;二是限制主電動(dòng)機(jī)在減速、反向過(guò)程中的沖擊電流不致過(guò)大，從而減小對(duì)機(jī)械傳動(dòng)部分的沖擊，同時(shí)最主要目的是給工作臺(tái)運(yùn)行反向前一個(gè)緩沖過(guò)程，不至于工作臺(tái)以過(guò)高速度換向造成沖程越位而引發(fā)飛車事故;

（3）高速后退返程階段減速反向的目的是工作臺(tái)在高速反向返程過(guò)程中的返回速度較高且工作臺(tái)的慣性大，很容易造成停車超程（即出現(xiàn)越位現(xiàn)象），為了減小反向時(shí)因沖擊力過(guò)大而引起的越位和對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的沖擊，還要求有一個(gè)減速過(guò)程，這樣停車反向再次進(jìn)入正常工作循環(huán)過(guò)程，就會(huì)既準(zhǔn)確又易于操作。這3個(gè)關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)中，最為重要的是前進(jìn)減速和后退返程減速具體控制過(guò)程，而歐陸590+系列直流調(diào)速裝置提供470多個(gè)參數(shù)可供調(diào)整，以適應(yīng)不同的使用場(chǎng)合和不同的負(fù)載需求，這些參數(shù)出廠時(shí)有一個(gè)預(yù)設(shè)值，使用時(shí)絕大部分參數(shù)可不予更改，只對(duì)個(gè)別參數(shù)加以調(diào)整和設(shè)定就可以了，要想實(shí)現(xiàn)上述兩種減速功能，就需要變更的主要參數(shù)有:

而決定前進(jìn)減速和后退返程減速的運(yùn)行參數(shù)為拉緊1和拉緊2，其百分比設(shè)定是針對(duì)主電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（Ne）而言的，如果前進(jìn)減速（拉緊1）設(shè)定為29%表明直流調(diào)速裝置運(yùn)行減速時(shí)，是從實(shí)際外部模擬電位器規(guī)定的實(shí)際運(yùn)行速度（N1）降至額定轉(zhuǎn)速的29%的速度（29% ×Ne）減速運(yùn)行，同樣道理，后退返程減速運(yùn)行原理也是一樣的，無(wú)非就是方向不同罷了。

3．3 工作臺(tái)前進(jìn)減速后速度不穩(wěn)的主要原因分析

從以上分析不難發(fā)現(xiàn)，造成八米刨床的工作臺(tái)前進(jìn)換向低速不穩(wěn)的主要原因就在590+直流調(diào)速裝置的速度設(shè)定缺陷上了，因?yàn)榕俅驳那斑M(jìn)減速設(shè)定既要兼顧刨床加工短小工件高速運(yùn)行減速，又要兼顧加工大型工件慢速減速運(yùn)行的條件，而590+裝置的減速設(shè)定就只有一個(gè)根據(jù)額定轉(zhuǎn)速（Ne）的比例設(shè)定值（拉緊1）來(lái)規(guī)定這一減速速度，其設(shè)定值一旦預(yù)設(shè)不好，就會(huì)出現(xiàn)兩種截然不同效果:

現(xiàn)象一:該值如果設(shè)定滿足一般的低速切削減速要求時(shí)，刨床在高速減速時(shí)就會(huì)出現(xiàn)減速太猛，工作臺(tái)由于慣性經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)越線超程沖過(guò)極限保護(hù)而停車;而如果低速減速設(shè)定值過(guò)低，還會(huì)出現(xiàn)由于減速速度過(guò)小，減速速度跑不起來(lái)，減速后未到換向點(diǎn)就停車了。

現(xiàn)象二:該值如果設(shè)定滿足一般的高速切削減速要求后，就會(huì)出現(xiàn)上面提到的低速切削的技術(shù)難題了。例如該刨床由于590+直流調(diào)速裝置的拉緊1設(shè)定為額定轉(zhuǎn)速的29%的速度（29% ×Ne），而外部模擬電位器設(shè)定的實(shí)際運(yùn)行速度N1如果小于拉緊1設(shè)定值（即N1＜Ne×29%）時(shí)，工作臺(tái)在進(jìn)入工件運(yùn)行至正常低速刨削時(shí)，如遇到前進(jìn)減速命令，就即刻會(huì)從設(shè)定運(yùn)行速度（N1）跳轉(zhuǎn)升速至拉緊1設(shè)定值速度（29% ×Ne）下運(yùn)行，工作臺(tái)這時(shí)會(huì)有一個(gè)明顯的不降反升的調(diào)速過(guò)程，其危害是顯而易見(jiàn)的。

3．4 解決的思路

既然590+直流調(diào)速裝置的前進(jìn)減速的參數(shù)設(shè)置有這樣局限性，依靠該裝置的點(diǎn)動(dòng)/慢速區(qū)的這幾個(gè)參數(shù)來(lái)解決這一棘手問(wèn)題顯然是不可能的了，因?yàn)槲ㄒ坏那斑M(jìn)減速的拉緊1的參數(shù)在八米龍門刨床工作臺(tái)運(yùn)行是不能滿足高、低速兼顧的，而刨床的高速運(yùn)行減速是非常重要的，這關(guān)系到工作臺(tái)沖程會(huì)否有嚴(yán)重事故發(fā)生。所以，前進(jìn)減速設(shè)定在完全滿足高速切削減速要求而進(jìn)行具體設(shè)定后，刨床一旦進(jìn)入到了低速切削運(yùn)行時(shí)，我們可以分兩種情況區(qū)別對(duì)待:

（1）當(dāng)?shù)退偾邢鬟\(yùn)行速度高于設(shè)定減速速度（N1＞TAKE UP1）時(shí)，工作臺(tái)實(shí)際運(yùn)行軌跡一切照常，正常接收前進(jìn)減速限位開關(guān)命令后，正常進(jìn)入減速拉緊1的參數(shù)設(shè)定值，執(zhí)行減速運(yùn)行直至碰到反向限位開關(guān)后，及時(shí)執(zhí)行反向高速返程命令;

（2）當(dāng)?shù)退偾邢鬟\(yùn)行速度低于設(shè)定減速速度（N1＜TAKE UP1）時(shí)，工作臺(tái)實(shí)際運(yùn)行軌跡可以改變以往正常循環(huán)程式規(guī)定，可以在接收到前進(jìn)減速限位開關(guān)命令后，不執(zhí)行進(jìn)入減速拉緊1的參數(shù)設(shè)定值運(yùn)行狀態(tài)，依然維持原先較為低速的外部模擬電位器設(shè)定的速度運(yùn)行至前進(jìn)換向限位開關(guān)處，直接執(zhí)行反向高速返程命令。

從以上分析就引出了必須有檢測(cè)主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速這一判據(jù)問(wèn)題。主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋是通過(guò)測(cè)速電動(dòng)機(jī)直接返給590+裝置的測(cè)速板，處理后被590+裝置獲取與使用的，而590+直流調(diào)速裝置的調(diào)速控制指令又是來(lái)源于三菱PLC程序命令的。既然速度檢測(cè)通道不能直接給PLC處理，那么可不可以從590+裝置上找到這樣一種功能，它可以時(shí)時(shí)檢測(cè)主電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度，在裝置內(nèi)設(shè)定一個(gè)速度判斷點(diǎn)，一旦檢測(cè)速度滿足這一重要判據(jù)，就及時(shí)輸出開關(guān)量信號(hào)給PLC，讓其果斷作出不減速（即屏蔽前進(jìn)減速信號(hào)）運(yùn)行命令，從而解決上述技術(shù)難題。所以，我們重點(diǎn)工作便放在了挖掘歐陸590+直流調(diào)速裝置具體使用功能上了。

4 巧用歐陸590+直流調(diào)速裝置解決技術(shù)難題

590+直流調(diào)速裝置使用手冊(cè)中有關(guān)靜止章節(jié)中詳細(xì)介紹到了靜止控制模塊使用過(guò)程，原控制功能是在零速運(yùn)行時(shí)，如果調(diào)速器在零速閾值以下時(shí)，靜止邏輯將“使能”，然后電流環(huán)和速度環(huán)將停止，停止調(diào)速器轉(zhuǎn)動(dòng)，從而防止零速時(shí)軸的振動(dòng)而引起變速箱的磨損。圖2是其邏輯控制圖和模塊輸入輸出功能指示。

從該控制邏輯模塊說(shuō)明文字中，我們了解到了它完全滿足我們對(duì)590+裝置提出的特殊要求:

（1）來(lái)自速度環(huán)的速度反饋輸入端口可以完全反映來(lái)自測(cè)速機(jī)檢測(cè)主電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)工作臺(tái)低速運(yùn)行速度判斷的門檻問(wèn)題。

（2）來(lái)自設(shè)定點(diǎn)的速度設(shè)定值輸入端口可以完全滿足檢測(cè)主電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度，并能及時(shí)反饋該速度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，及時(shí)輸出信號(hào)報(bào)警給PLC做程序處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)速度設(shè)定臨界判據(jù)的目的。

（3）數(shù)字輸出B5端口也完全滿足判斷完成后，開關(guān)量直接輸出的需要。

由此，我們將590+裝置的零速檢測(cè)功能巧妙轉(zhuǎn)化成了前進(jìn)減速預(yù)判功能了。在裝置參數(shù)設(shè)定上需要變更的主要參數(shù)有:

停止 MIN DEMAND

［011］靜止邏輯 STANDSTILLLOGIC

［012］零閾值 ZERO THRESHOLD 30%

通過(guò)在590+裝置中將零速檢測(cè)速度設(shè)定，讓這個(gè)速度略高于拉緊1的前進(jìn)減速的速度設(shè)定，然后，將裝置上的B5數(shù)字輸出端口接上一個(gè)繼電器輸出開關(guān)量信號(hào)給PLC輸入端口，另外在PLC編程上略作一些處理，就徹底實(shí)現(xiàn)低速刨削屏蔽前進(jìn)減速信號(hào)保持速度穩(wěn)定換向控制過(guò)程。具體改造策略實(shí)施見(jiàn)圖3、圖4。

5 實(shí)際改造應(yīng)用效果

2006年11月，我們對(duì)590+直流調(diào)速裝置的零速檢測(cè)功能模塊進(jìn)行了各項(xiàng)功能試驗(yàn)，在完全滿足使用要求的情況下，才運(yùn)用到了“萊鋼”的BQ2031A八米龍門刨床電控系統(tǒng)中。增添了這一低速刨削檢測(cè)速度轉(zhuǎn)換功能后，很好地解決了該機(jī)床低速切削速度不穩(wěn)技術(shù)難題，真正實(shí)現(xiàn)了“巧用”歐陸590+直流調(diào)速裝置的強(qiáng)大功能，使該八米刨床機(jī)械特性變硬，平穩(wěn)性更好，大大提高工件切削表面質(zhì)量，獲得了用戶贊譽(yù)。設(shè)備使用至今一切反映正常，取得了良好社會(huì)效益和廣泛推廣價(jià)值。

［1］590+系列直流數(shù)字式調(diào)速器產(chǎn)品手冊(cè)［Z］．歐陸傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司HA466461U002．

［2］王兵．常用機(jī)床電氣檢修［M］．北京:中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2006．

［3］張東立，陳麗蘭，仲衛(wèi)峰，等．直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006．