大型進(jìn)口特種龍門銑床的電氣系統(tǒng)改造

汪同洲 張玉龍

(蕪湖恒升重型機(jī)床股份有限公司，安徽 蕪湖241100)

前蘇聯(lián)明斯克機(jī)床廠制造的MC63033 特種龍門銑床是筆者公司在20 世紀(jì)90 年代初引進(jìn)的一臺大型設(shè)備，該機(jī)床工作臺行程8 m，臺面寬2 m，具有加工范圍大、加工切削量大、機(jī)床剛性好、加工精度高等優(yōu)點(diǎn)，自引進(jìn)以來一直是筆者公司關(guān)鍵設(shè)備之一。機(jī)床經(jīng)過多年高效運(yùn)行，其機(jī)械部分性能仍然良好，但電氣系統(tǒng)故障明顯上升。由于機(jī)床電器元件全部是前蘇聯(lián)產(chǎn)品，更換備件非常困難，嚴(yán)重影響了正常的生產(chǎn)運(yùn)行，因此公司決定對其電氣系統(tǒng)進(jìn)行全面升級改造。

1 總體改造方案

該機(jī)床原電氣系統(tǒng)復(fù)雜龐大，主要包括交流控制部分和晶閘管直流調(diào)速部分。交流電路控制部分主要控制各部分交流電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行、機(jī)床復(fù)雜的液壓系統(tǒng)以及冷卻潤滑等功能，而工作臺、垂直銑頭、左右水平銑頭分別用兩臺前蘇聯(lián)不同功率的晶閘管直流調(diào)速裝置控制相對應(yīng)的直流電動機(jī)，實現(xiàn)各種工件的快、慢速進(jìn)給加工。日常維修中發(fā)現(xiàn)，電氣故障主要是由晶閘管直流調(diào)速裝置元件和原蘇聯(lián)控制電器老化引起的，更換及維修都入極其困難，所以決定對該機(jī)床電氣系統(tǒng)進(jìn)行全面改造。機(jī)床外形和布局如圖1 所示。

1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)電氣控制要求

調(diào)速系統(tǒng)或調(diào)速裝置是現(xiàn)代自動控制領(lǐng)域中重要的控制系統(tǒng)，而直流調(diào)速系統(tǒng)是機(jī)床調(diào)速系統(tǒng)中廣泛使用的調(diào)速系統(tǒng)之一，具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高低速穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，同時具有良好的啟動、制動性能，能在較大范圍內(nèi)平滑調(diào)整。該龍門銑床的原直流調(diào)速部分除具備以上優(yōu)點(diǎn)外，為滿足特種加工工藝的要求，還可實現(xiàn)工作臺進(jìn)給運(yùn)行在大切削量時仍能保持較好的剛性和速度平穩(wěn)性，從而保證工件的加工精度和表面粗糙度，且快慢速響應(yīng)性好。為方便調(diào)整，各刀架還能實現(xiàn)微調(diào)。

1.2 直流部分控制方案確定

通過對原直流調(diào)速系統(tǒng)的控制要求和機(jī)床各部分動作要求進(jìn)行分析，有以下改造方案可以使用:

方案1:使用日本三菱變頻器FR—A540/15 kW、FR—A540/7.5 kW 和變頻電動機(jī)替換原蘇聯(lián)晶閘管調(diào)速部分和直流電動機(jī)。這樣改造的優(yōu)點(diǎn)是:改造徹底，改造后故障率相對較低且便于維修。缺點(diǎn)是:改造周期長，變頻電動機(jī)與機(jī)床接口處需要重新改裝，機(jī)械傳動部分也需要改動，且很難保證原機(jī)床低速加工時的剛性和穩(wěn)定性。

方案2:使用英國歐陸590 +直流調(diào)速裝置替換原蘇聯(lián)晶閘管直流調(diào)速部分，使用日本光洋PLC 作為控制核心，改造交流電路控制部分;用國產(chǎn)Z4 系列直流電動機(jī)替換原蘇聯(lián)直流電動機(jī)。這樣改造的優(yōu)點(diǎn)是:連接簡單，機(jī)械傳動部分不用改動，改造周期短，性價比相對較高，改造后故障率低，便于維修。改造缺點(diǎn)是:直流電動機(jī)需要定期保養(yǎng)，而且比交流電動機(jī)維修困難。

在綜合考慮改造周期和性價比等因素之后，我們決定采用第2 種方案。

1.3 交流部分控制方案確定

原機(jī)床控制電柜為3 臺前后開門的大電柜，所用電器均是前蘇聯(lián)產(chǎn)品，市場上根本買不到，電器排列和布線方式較亂，結(jié)構(gòu)繁雜，完全不符合現(xiàn)代電氣控制和電氣保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，所以決定將原控制電柜全部棄之不用。經(jīng)過對原電氣原理圖仔細(xì)分析解讀，決定用PLC(可編程控制器)和質(zhì)量較好的國產(chǎn)電器對交流部分進(jìn)行升級改造。配電柜殼體選用兩臺本廠立式車床產(chǎn)品所用電柜，故無需另外定做，省時省錢。根據(jù)測算，在保證原機(jī)床操作習(xí)慣的前提下，統(tǒng)計出該機(jī)床需要的PLC 輸入點(diǎn)66 個，輸出點(diǎn)51 個，即I/O 總點(diǎn)數(shù)共117 個。據(jù)此，若選用大型PLC 如西門子S7—300 等固然好，但價格高，改造成本增加。我們對輸入、輸出點(diǎn)進(jìn)行分類統(tǒng)計后決定分別用兩臺64 點(diǎn)的整體式PLC 進(jìn)行控制，同樣選用本廠產(chǎn)品上使用的日本光洋PLC SH—64R1(I/O 比例是32/32)和SH—64R2(I/O 比例是36/28)分裝在兩臺電柜里，SH—64R1 命名為PLC1，主要控制3 個銑頭的主軸旋轉(zhuǎn)、主軸變速、刀具夾緊放松以及橫梁的升降、橫梁的夾緊放松等。SH—64R2 命名為PLC2，主要控制工作臺的放松、正反向快速運(yùn)行或進(jìn)給運(yùn)行以及3 個銑頭的夾緊放松、進(jìn)給或快速運(yùn)行等;由于該銑床工作臺為靜壓導(dǎo)軌，靜壓壓力檢測和流量檢測必不可少，此類檢測信號也輸入PLC2 以便于控制。總之，用兩臺整體式PLC 分裝兩臺電柜進(jìn)行分類控制，再在控制邏輯上加以適當(dāng)互鎖，就可實現(xiàn)整臺機(jī)床的完全控制。實踐證明，這種方式既節(jié)約了改造成本又有利于電柜內(nèi)的走線，電器布局也較合理整齊。

1.4 改造方案設(shè)計與實施

交流控制部分主要考慮電柜里電器件的排列應(yīng)合理整齊，器件容量大小、線徑大小以及是否符合國家安全標(biāo)準(zhǔn)等方面，這里就不再熬述。下面說明直流控制部分。

(1)直流調(diào)速裝置和直流電動機(jī)的選用

根據(jù)電動機(jī)功率和控制特性采用歐陸590 的(590+ /70 A)與(590 + /35 A)直流調(diào)速單元和Z4 型直流電動機(jī)，該裝置采用全數(shù)字微電腦程序控制等先進(jìn)技術(shù)，具有很寬的功率選擇范圍。而Z4 系列直流電動機(jī)采用先進(jìn)的高效節(jié)能技術(shù)與590 +直流調(diào)速裝置配合使用，構(gòu)成非常好的控制系統(tǒng)。根據(jù)這臺龍門銑床原自身結(jié)構(gòu)的要求，垂直銑頭、左側(cè)銑頭、右側(cè)銑頭每次只能選擇一個進(jìn)行進(jìn)給或快速運(yùn)動。因此在設(shè)計時要充分考慮模擬電壓的選擇，同時還要考慮直流電動機(jī)電樞和勵磁線圈對切換過程的影響。綜合以上因素，再參考原有電動機(jī)的參數(shù)來選用國產(chǎn)Z4 節(jié)能型直流電動機(jī)。

具體選型如下:

工作臺直流電動機(jī)Z4—132/4 -2/15 kW 400 V/44.5 A 1 360 r/min

垂直銑頭直流電動機(jī)Z4—112/4 -2/7.5 kW 400 V/22.5 A 1 480 r/min

左側(cè)銑頭直流電動機(jī)Z4—112/4 -2/7.5 kW 400 V/22.5 A 1 480 r/min

右側(cè)銑頭直流電動機(jī)Z4—112/4 -2/7.5 kW 400 V/22.5 A 1 480 r/min

(2)控制部分設(shè)計，如圖2 所示。

工作臺驅(qū)動模擬電壓給定電路，如圖2 所示。進(jìn)給電壓給定由590 +單元的±10 V 模擬電壓輸出，通過KA2 、KA3 控制工作臺正反轉(zhuǎn)。由KA5 得電RV1來調(diào)節(jié)模擬電壓的給定大小。快速模擬電壓給定由KA4 得電打開，通過KA2、KA3 控制工作臺電動機(jī)正反轉(zhuǎn)。此時，模擬給定電壓為最大值，工作臺快速運(yùn)行。

銑頭選擇控制電路如圖3 所示，垂直刀架和右側(cè)刀架和左側(cè)刀架的電動機(jī)及測速反饋回路控制特點(diǎn)是:3 個刀架每次只能來1 個，通過選擇開關(guān)控制PLC的輸出點(diǎn)Q15、Q16、Q17 對應(yīng)接通KA7、KA8、KA9 來選擇其中一個刀架運(yùn)行，其他兩個不工作。模擬電壓給定電路和工作臺控制相似。這樣就解決了1 臺590 +直流調(diào)速裝置分別控制3 臺直流電動機(jī)的問題。直流調(diào)速電路設(shè)計完成后，針對該龍門銑床其他控制電路進(jìn)行設(shè)計如圖3 所示的PLC 控制電路，接觸器KM7、KM8、KM9 分別由KA7、KA8、KA9 控制，來選擇相對應(yīng)的刀架電動機(jī)。

(3)直流調(diào)速裝置和電動機(jī)連接

以上電路設(shè)計完成后，以3 個刀架為例，說明3 個刀架電動機(jī)和直流單元的選擇具體連接如圖4 所示。

具體實施:所有電路按照設(shè)計好的圖紙進(jìn)行硬件連接工作，連接完成并認(rèn)真檢查后通電試車。以3 個刀架為例，進(jìn)行試運(yùn)行。機(jī)床上電，按下泵站啟動按鈕，PLC1 和PLC2 上電并自檢后交流控制回路通電、直流裝置的控制電源上電，延時0.3 s 后(由PLC 控制)直流裝置主回路上電，例如選擇垂直銑頭、Q15 輸出、KA7 得電，這時KM7 通電，按下正向進(jìn)給按鈕，直流裝置給定回路得電;通過調(diào)節(jié)電位器可以得到不同的給定電壓(0 ～10 V)，使垂直銑頭進(jìn)給實現(xiàn)無級調(diào)速。按下正向快速按鈕，快速繼電器得電，給定模擬電壓達(dá)到最高值，垂直銑頭快速正向運(yùn)動。

2 通電試車中的問題

工作臺快速運(yùn)行時正常，低速進(jìn)給時抖動。

首先查看工作臺電動機(jī)的電流表，發(fā)現(xiàn)電動機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時電流基本平穩(wěn)，而低速時電流波動很大。本著先易后難的原則檢查發(fā)現(xiàn)液壓泵站、壓力繼電器、流量繼電器工作正常。考慮到該機(jī)床工作臺是靜壓導(dǎo)軌，于是在垂直刀架上吸1 只百分表檢查工作臺是否浮起，經(jīng)對工作臺4 個角的檢測，均有0.03 ～0.04 mm的上浮。為了避免因機(jī)械傳動故障造成的工作臺抖動，讓直流電動機(jī)與工作臺連接齒輪脫開，檢查直流電動機(jī)，發(fā)現(xiàn)電動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻。再查反饋線路，拆下測速發(fā)電機(jī)，發(fā)現(xiàn)測速發(fā)電機(jī)與直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的連接套松動，用螺絲刀擰緊固定螺絲。再通電試車，直流電動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，故障解決。分析工作臺抖動是測速發(fā)電機(jī)反饋不穩(wěn)造成。

3 結(jié)語

利用歐陸590 +直流調(diào)速裝置、兩臺光洋整體式PLC、國產(chǎn)Z4 系列節(jié)能型直流電動機(jī)和國產(chǎn)電器件改造從國外引進(jìn)的大型設(shè)備，克服了改造前因原器件老化帶來的維修困難等缺點(diǎn)。改造成本低，機(jī)械傳動不用改動，改造周期短。經(jīng)安裝調(diào)試后其各項性能均達(dá)到了機(jī)床原有技術(shù)要求，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)效率和設(shè)備使用率明顯提高，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。