交流異步伺服系統在龍門刨銑磨中的應用

張莉軍 杜宏祺

（齊重數控裝備股份有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161005）

1 概述

龍門刨是一種通用型的大型機床。作為五種最基本的加工方式之一，刨床被廣泛應用于平面加工領域，目前大多數的機床（包括:刨床、車床、銑床、落地鏜、注塑機等）的床身加工都要用到這種機床。早期的龍門刨其電路設計主要采用傳統的發電機組+直流電動機形式。由于這種電路效率極低，噪聲也很大，隨著電子技術的發展已經被淘汰了。同時，龍門結構作為最通用的形式，為了充分利用其改裝的便利性，龍門刨被增加了銑削和磨削的功能，這樣就要求龍門刨同時具有高速刨削和低速銑削的功能。

目前的調速系統，如:變頻調速、直流調速、開關磁阻調速等，都達不到很高的調速范圍，這樣給機械設計和安裝增加了許多困難。交流異步伺服系統是基于變頻調速基礎之上的全閉環控制系統，其最根本的特性就是調速比寬，普遍配套在數控驅動部分，實現精密調速及位置控制。時光交流伺服系統具有1∶20 000以上的調速比，完全滿足這種龍門刨銑磨的調速要求，大大簡化機械結構，而且在改造應用中也可以輕松達到刨改銑的功能。

同時，時光伺服系統作為智能伺服系統，獨有的內置PLC實現了整個龍門刨系統的一體化設計，使所有功能都集成到伺服系統中，使得安裝、維修等工作變得非常簡單。伺服系統獨有的位置控制功能，改變了原來系統靠換向開關換向的設計，通過位置控制實現了無換向開關運行，有效減少了原有龍門刨系統的故障點。

2 時光交流異步伺服控制器在龍門刨主拖動改造中的應用

如何用好伺服系統，實現對機床的一體化控制方案，使機床操作靈活方便，工作穩定可靠，是一個研發課題，必須加以重視。以下是我們在龍門刨銑磨中應用的成功案例。這個方案集中解決了4個方面的問題。

2.1 提升性能節能降噪

采用時光交流異步伺服系統，有效地利用了交流伺服系統的寬調速比。時光伺服系統調速比大于1∶20 000，簡化了機械結構設計，機械的簡化還可以有效地避免機械爬行現象的發生。時光伺服系統同時還具有2倍過載的高過載性能，使切削力更大，運行更快更平穩，異步電動機獨有的柔和特性使數噸重的工作臺在換向時不會出現沖擊現象。

采用交流伺服系統后有效地實現了節能降噪。時光伺服系統可以使電動機效率提高到90%以上，而且噪聲遠小于直流系統以及開關磁阻系統。

幾種常見系統的性能對比見表1。

表1 常見伺服系統性能對比

2.2 功能的一體化設計

龍門刨驅動系統是一個比較簡單的小系統，原來的實現方式有兩種，一種是通過硬件中間繼電器搭建，另一種是通過PLC編程實現。前一種硬件電路復雜，不但安裝麻煩，而且故障點多;后一種不但增加了成本，而且PLC功能沒能得到充分利用。

時光伺服系統獨有的內置PLC功能，完全解決了這種狀況。利用伺服系統可編程功能實現對整個機床的控制，包括抬落刀，間歇、快速進刀，以及橫梁的升降等，真正實現了集成控制。兩路模擬量輸入可自定義編程，從而實現了工作臺正反方向分別調速，適應了龍門刨的工作要求。通過功能的集成最大地減少了故障點，從拓撲結構上就能看出明顯優于多硬件結構和PLC+驅動結構。

2.3 實現無換向開關運行

以往的龍門刨系統在換向時都使用換向開關，換向開關的質量直接關系整個系統的運行，一旦換向開關出現故障整個系統將不能正常工作，甚至會出現危險狀況，同時換向開關作為系統中工作最頻繁的器件故障也是最多的。

伺服電動機可實現位置的全閉環控制，從而為無換向開關控制提供了條件。使用時只需要先設定好加工工件的前端和后端（或者設定好工件起點和工件長度）就可以輕松實現無換向開關換向。這樣有效地避免了原有系統的常見故障，而且由于全程采用了位置控制，使得換向更加平穩。

2.4 優化人機界面

時光伺服控制器還可以獨立與觸摸屏通訊，通過觸摸屏實現龍門刨的位置、速度等信息的顯示，另外如工件長度等數據也可以通過觸摸屏設定，優化了人機交互的界面，減輕了工人的勞動強度。手脈微動功能更使工人在對刀時能夠準確、快捷。

3 應用方案

3.1 功能概述

（1）工作臺運動。控制工作臺電機正反運行，實現點動、自動正反運動。

（2）雙向分別調速。根據龍門刨的特點，通過兩路模擬量輸入實現雙向分別調速。

（3）進刀控制。根據機械需要可以控制進刀箱進刀、延時進刀、以及伺服進刀機構。

（4）抬落刀控制。工作臺正向運行時落刀，反向運行時抬刀。

（5）橫梁升降控制。控制橫梁的升降，包括橫梁的升降動作、橫梁的放松鎖緊動作以及橫梁下降后反升動作。

（6）手脈微動功能。通過手搖脈沖發生器控制工作臺實現微動調節，實現銑削對刀。

3.2 接口圖

接口圖見圖1。

3.3 接口定義

接口定義如下。

（1）輸入口

C4D0:正向點動

C4D1:反向點動

C4D2:正向自動

C4D3:反向自動

C4D4:停止

C4D5:橫梁上升

C4D6:橫梁下降

C4D7:橫梁鎖緊

C5D0:起點設定（或正端換向開關）

C5D1:終點設定（或反端換向開關）

C5D2:手脈選通

C5D3:備用

（2）輸出口

C0D0:抬刀/落刀

C0D1:位置指示（或自動指示）

C0D2:橫梁上升

C0D3:橫梁下降

C0D4:橫梁放松

C0D5:橫梁鎖緊

C0D6:進刀信號

C0D7:退刀信號

（3）模擬量輸入

AD0:正向速率給定

AD1:反向速率給定

GND:模擬量地

3.4 程序框圖

程序框圖見圖2。

4 結語

通過研發與實踐，并經多年在大型龍門刨上的使用、驗證，國產交流異步伺服系統專項技術的應用取得良好效果。由時光交流異步伺服控制器構成的機床交流伺服系統充分體現了當代伺服技術的先進性。采用國產數字化的伺服系統和電動機，完全能發揮出最高的技術水平和最大的經濟效益。