6 m龍門(mén)刨床電氣系統(tǒng)改造

黃初榕

（蘇州蘇福馬機(jī)械有限公司 江蘇蘇州）

一、存在的問(wèn)題

蘇州蘇福馬機(jī)械有限公司現(xiàn)使用的B1016A和B2020Q型6 m龍門(mén)刨床由濟(jì)南第二機(jī)床廠20世紀(jì)80年代生產(chǎn)，采用AG-G-M直流調(diào)速系統(tǒng)（交磁放大機(jī)—直流發(fā)電機(jī)組—直流電機(jī)），主要用于框架類(lèi)長(zhǎng)形零件的粗精加工等。刨削加工過(guò)程中由工件與刨刀相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成金屬切削加工。工作臺(tái)與工件必須頻繁地進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)（主運(yùn)動(dòng)），切削加工只在工作臺(tái)工進(jìn)行程中進(jìn)行，返回行程只是空行程。在切削過(guò)程中刀架沒(méi)有進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，只有在返回行程中才有刀架的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（橫梁、刀架運(yùn)動(dòng)稱(chēng)作輔助運(yùn)動(dòng)）。6 m龍門(mén)刨床行程見(jiàn)圖1，其中0～t1——工作臺(tái)前進(jìn)起動(dòng)階段；t1～t2——刀具慢速切入階段，防止崩壞工件又可提高刀具使用壽命；t2～t3——加速至穩(wěn)定工作速度；t3～t4——工作速度階段；t4～t5——減速退出工件階段；t5～t9——返回階段，快速返回以提高加工效率。

6 m龍門(mén)刨床服役日久，電氣系統(tǒng)運(yùn)行很不穩(wěn)定。直流發(fā)電機(jī)組和擴(kuò)大機(jī)組耗電量較大，進(jìn)刀機(jī)構(gòu)采用繼電器控制進(jìn)刀，繼電器經(jīng)常出現(xiàn)粘連，造成控制失靈。另外交磁擴(kuò)大機(jī)的換向比一般直流發(fā)電機(jī)困難，存在磁滯回環(huán)，出現(xiàn)工作點(diǎn)不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率降低等問(wèn)題。

圖1 刨床行程

二、改造方案

改用S-M直流調(diào)速系統(tǒng)（由IGBT組成的全數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)）。考慮到原有設(shè)備調(diào)速比達(dá)到20∶1以上，靜差度＜10%，工件加工時(shí)切削力恒定、平穩(wěn)、沖擊小，刀具切入切出時(shí)自動(dòng)減速及安全可靠等要求，采用歐陸SSD590直流調(diào)速器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)SSD590）。改造后的調(diào)速系統(tǒng)不僅具有交磁擴(kuò)大機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，而且可抵抗電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)雙閉環(huán)系統(tǒng)可分別進(jìn)行整定和調(diào)節(jié)，不僅有較硬調(diào)速特性，而且還有較大功率的啟動(dòng)特性，可帶大負(fù)載快速啟動(dòng)或較低速運(yùn)行。為使SSD590更有效地控制電機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)充分使用電流與速度反饋信號(hào)給一個(gè)相應(yīng)的環(huán)，電流反饋傳感器是內(nèi)置式的，速度反饋由模擬測(cè)速發(fā)電機(jī)提供。直流電機(jī)的調(diào)速方法主要是勵(lì)磁電壓保持不變，通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電壓控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。刨床電氣控制系統(tǒng)以三菱FX2N-80MR型PLC為控制核心（圖2），重新設(shè)計(jì)、制作電控箱，工作臺(tái)PLC控制流程見(jiàn)圖3。

圖2 刨床電氣控制系統(tǒng)原理

圖3 刨床工作臺(tái)PLC控制流程

預(yù)計(jì)方案實(shí)施后，S-M直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍可達(dá)100∶1，更換不同工作模式仍可使龍門(mén)刨床用于刨、銑削兩用。工作臺(tái)的速度不隨切削量的變化而變化，靜差度＜3%，可提高加工精度。根據(jù)參數(shù)設(shè)定要求自動(dòng)調(diào)速，調(diào)速方便且數(shù)字化。接近理想速度運(yùn)行曲線，提高了加工質(zhì)量與效率。

三、改造實(shí)施

工作臺(tái)主運(yùn)動(dòng)采用1臺(tái)國(guó)產(chǎn)Z4系列55 kW直流電機(jī)取代交磁擴(kuò)大機(jī)組和直流發(fā)電機(jī)組，外配1臺(tái)ZYS-100A測(cè)速機(jī)，Z4直流電機(jī)可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩控制，并能達(dá)到低速切入的工作特性。經(jīng)減速箱驅(qū)動(dòng)后，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，為保持減速箱位置不變，重新制作Z4電機(jī)底座。工作臺(tái)換向制動(dòng)利用直流驅(qū)動(dòng)自帶的能量反饋裝置，制動(dòng)速度快，能量又反饋回電網(wǎng)。垂直刀架和左右側(cè)刀架采用PLC控制，使進(jìn)刀量準(zhǔn)確，提高了加工精度。采用HED40A10/35L24G型油路壓力開(kāi)關(guān)替代LX2機(jī)械式觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，清洗工作臺(tái)面液壓回路，確保運(yùn)行可靠。工作臺(tái)組合行程開(kāi)關(guān)選用LJM18A-10Z/NK型光電接近開(kāi)關(guān)替代機(jī)械式行程開(kāi)關(guān)，位置可隨意調(diào)節(jié)，方便操作。

四、改造效果

1.節(jié)能顯著使用DZFC-1電能綜合分析測(cè)試儀、AWA5633P精密聲級(jí)計(jì)和其他常用儀表測(cè)試改造前后刨床主要參數(shù)（表1），設(shè)備測(cè)試狀態(tài)為空載和輕載（走刀量0.5 mm、切削深度3 mm、切削行程5 m、切削刀具尖頭刀、1只切削刀架）。方案實(shí)施前后單臺(tái)6 m龍門(mén)刨床的實(shí)際耗電量分別為218.4 kW·h/8 h和134.4 kW·h/8 h。若按1年250個(gè)工作日、每日兩班工作16 h、電費(fèi)單價(jià)0.8元/kW·h計(jì)算，單臺(tái)設(shè)備1年可節(jié)省電費(fèi)33 600元，改造的兩臺(tái)6 m龍門(mén)刨床每年可節(jié)省電費(fèi)6.72萬(wàn)元。

表1 刨床參數(shù)數(shù)據(jù)

2.其他

改造后刨床故障率明顯降低，機(jī)床低速性能得到明顯改善。可滿(mǎn)足“精刨代刮”的先進(jìn)工藝，在大負(fù)載情況下，可實(shí)現(xiàn)0.5 m/min的超低速平穩(wěn)運(yùn)行，加工零件的直線度和表面粗糙度指標(biāo)部分達(dá)到了研磨的水平。裝銑頭后還能銑削加工。改造周期短，對(duì)生產(chǎn)影響小。