直流調速器在普通落地鏜銑床改造中的應用

趙彥斌，楊 保，許鵬飛，張明紅

（寧夏共享精密加工有限公司，寧夏 銀川 750021）

直流調速器在普通落地鏜銑床改造中的應用

趙彥斌，楊 保，許鵬飛，張明紅

（寧夏共享精密加工有限公司，寧夏 銀川 750021）

本文論述了西門子6RA70直流調速系統在我公司進口落地鏜改造中的應用；從問題分析著手，提出了改造的具體方案；根據機床控制的要求確定配置，并進行了電氣設計；解決了過去多年故障頻繁、機械效率低等問題。這次實踐結果證明改進后的落地鏜床控制系統可靠、穩定,具有良好的應用前景。

落地鏜銑床；直流電機；6RA70調速器

寧夏共享精密加工有限公司購買的進口GRAY落地鏜床是50年代美國生產設備，該設備原主軸驅動采用雙速三相異步電動機，由中間繼電器控制交流接觸器進行正反轉換向，降壓啟動，以及雙速電機高低速切換，電路復雜；目前元件老化嚴重，故障率高，修理難度大。機床主軸變速由雙速電機、3檔位行星齒輪變速器、4檔位主軸減速箱并聯實現24個檔位變速（轉速從2.5rpm至500rpm），但行星齒輪減速箱磨損嚴重，故障率極高；為此對鏜床進行機械與電氣改造。

1 改造方案

1）改造方案遵循以下原則：①實現機床原有設計功能，保證改造后機床主軸扭矩不能降低，主軸轉速范圍不能減少；②進行部分功能優化、在技術操作上比原機床先進；③可行性強，性價比高，改造時間短；④故障率低，便于維修。

2）對機械變速機構進行改進，星齒輪減速器有三個速比分別為4.5，3.4，2.6，機械改造保留2.6這一級減速比，改造最為方便、快捷；保留其中主軸變速箱的4個檔位，采用電磁閥控制換擋油缸實現；為彌補機械轉速的不足，主軸電氣改造采用無極調速裝置?，F在較流行的機床調速方案有兩種：①交流變頻調速器+交流變頻電機；②直流調速器+直流電機。兩種方案都可以滿足現有機床的功能需要，技術上均比較先進，且都是成熟的技術；但從本次改造的鏜床看，使用直流調速器+直流電機進行改造，外增加主軸編碼器進行閉環檢測，能實現主軸回轉時的精準定位，為以后拓展鉆孔、攻絲功能做好預留；且隨著計算機技術的發展，過去的模擬控制系統正在被數字控制系統所代替，在帶有微機的通用全數字直流調速裝置中，在不改變硬件的或者改變很少的情況下，依靠軟件支持，就可以方便的實現各種調節和控制功能，目前應用最為廣泛。

3）電機核算。

機械改造后機床最大扭矩和轉速范圍都要滿足原有設計，需對電機功率、轉速進行核算：

1）改造前GRAY落地鏜主軸電機是恒功率雙速電機，功率 75馬力 （約 56kw），轉速 1765rpm/ 885rpm，電機輸出最大輸出扭矩：

T：電機扭矩；

P：電機功率；

n：電機轉速（恒功率）。

經行星齒輪減速器減速后輸出的最大扭矩：

T1：減速器輸出最大扭矩；

P1：減速器輸出功率；

n1：減速后轉速；

η：機械傳動效率（取0.95）。

i：減速比（取最大減速比4.5時，輸出扭矩最大）。

2）原設計電機有1765rpm/885rpm兩個轉速，與星齒輪減速器的三級檔位匹配后輸出轉速是介于196.7rpm至679rpm之間的6個轉速；若減速比采用2.6，電機的轉速范圍必須在512rpm至1765rpm之間，才能滿足主軸原有轉速在2.5rpm至500rpm之間。

3）根據公式（2）推算，改造后要保證減速器輸出扭矩最小是2583.4Nm，則選用直流電機功率和額定轉速滿足以下關系：

Pz：改造選用直流電機功率

4）通過查詢機械設備手冊，直流電機Z4-250-31、67kW、額定轉速540rpm/最高轉速2000rpm、電樞電流197A、勵磁功率2580W，最為合適；直流電機在額定轉速以下為恒扭矩輸出，輸出扭矩為：

T2：減速器輸出最大扭矩；

P2：減速器輸出功率；

η：機械傳動效率（取0.95）；

i2：減速比（取最大減速比4.5時，輸出扭矩最大）；

經核算輸出扭矩滿足要求。

4）直流調速器選型及電路設計。

①系統覆蓋范圍和用戶較廣。在管理內容上覆蓋了水利、供水、排水、水文四大行業；在管理范圍上覆蓋了國家、直轄市、區（縣）三級管理；在建設范圍上覆蓋了自動化和信息化等方面集成；在用戶使用上覆蓋了水行政主管部門、企業、科研規劃部門、社會公眾等。

直流調速器種類繁多，SIEMENS6RA70系列在我公司其他機床上使用較多，該裝置體積小、結構緊湊，內部各個單元拆裝方便，使維修服務變得簡單、易行。外部信號的連接通過插接端子排實現，安裝快捷方便。根據直流電機參數，主軸調速器選用6RA7076-6DV62-0，三相400V電源，四象限工作，額定電流215A，強制冷卻。

原有三相異步電動機供電及控制電路

改造后直流調速器供電及控制線路

按鈕控制中間繼電器

中間繼電器控制接觸器通斷

2 6RA70直流調速器安裝調試

1）調整實際整流器供電電壓。電樞回路供電電壓：P078.001=380V；勵磁回路供電電壓：P078.002= 380V；

2）輸入電機數據：電樞額定電流P100、電樞額定電壓P101、勵磁額定電流P102、最大運行速度P108由電機銘牌讀取進行設置。

3）實際速度檢測反饋。本次改造采用模擬測速機測速反饋，設置參數P083=1，速度實際值由“主實際值”通道（K0013）提供，測速機接端子：XT.103，XT.104；按照測速機名牌設置P741（最高轉速時的測速電機電壓）。

5）西門子6RA70可設置端子定義。西門6RA70全數字直流調速器一些端子是為可設置輸入、輸出信號端子，由用戶根據使用需求自行定義。

36端子、39端子：正反點動作用，根據端子連接圖可看出，36端子輸入到開關量連接器B0010（常開）和B0011（常閉），39端子輸入到開關量連接器B0016（常開）和B0017（常閉）；而點動給定的參數由P435控制，當P435.001=10，設置36端子為正點動， P435.002=16，設置39端子為正點動。

同理，參照調試手冊中各功能在參數和各端子的連接開關量進行端子功能定義，37端子：起/停作用，40端子：升速作用，41端子：降速作用，42端子：順/逆作用，46端子:過載輸出，48端子:故障輸出。

6）最優化運行。西門子6RA70全數字直流調速器調試過程中參數發生更改后，為了使西門子6RA70全數字直流調速器與電機之間更好的匹配，則需要對西門子6RA70全數字調速器進行最優化運行；優化運行會改變西門子6RA70全數字直流調速器的一些參數，從而達到使各個參數最佳匹配。

P051=25：電樞和勵磁的預控制和電流調節器的優化(持續大約40S)

P051=26：速度調節器的優化運行(持續大約6S)

P051=27：勵磁減弱優化運行 （過持續大約1min）

需要注意的是，執行優化過程總必須使調速器運行，即端子38脈沖使能必須接入，端子37合閘信號必須有上升沿脈沖，電機才能啟動；基本優化完成后，方能運行電機。

3 總結

我公司GRAY落地鏜銑床經過機械和電氣改造，機床性能大大提升，徹底解決了以往換擋困難及電氣故障頻發的問題，改造前每年停機臺時750h左右，停機損失約30萬元，每年維修成本約20萬元；經過改造，每月停機10小時以下，每月維修成約3000元以下，運行半年基本穩定；本次改造的成功經驗可以應用到以后的機床維修改造中。

[1] 《西門子6RA70系列全數字直流調速器調試手冊》[Z]. 2004年11月版.

[2] 《機械設計手冊》[Z].化學工業出版社,2010.

[3] 湯蘊璆.《電機學》[M].機械工業出版社,2014.

[4] B/T12369201中高檔數控機床用力矩電動機通用技術條件[Z].機械工業出版社2015.

TG536