蕪湖恒升重型機(jī)床股份有限公司 (安徽 241100)汪同洲 邢海生

當(dāng)前企業(yè)都進(jìn)入了高成本運(yùn)營(yíng)時(shí)代，要想獲得長(zhǎng)期穩(wěn)定健康發(fā)展，就要不斷從各個(gè)方面降低消耗，降低生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)成本，尤其要注重節(jié)能減排，減少能源的損耗。目前對(duì)大型老舊設(shè)備的電氣系統(tǒng)改造就是一種很好的方法。

本公司的B2020A 是20 世紀(jì)70 年代制造的大型龍門(mén)刨床，該機(jī)床工作臺(tái)寬2m，縱向行程達(dá)14m，由于使用年代較長(zhǎng)，電氣系統(tǒng)老化嚴(yán)重，故障率高，已無(wú)法正常完成生產(chǎn)任務(wù)，故對(duì)其進(jìn)行大修改造。

1.改造前基本情況

該龍門(mén)刨床電氣系統(tǒng)包括:電氣控制柜、懸掛按鈕站、兩臺(tái)Z2 型59kW 直流電動(dòng)機(jī)、1 臺(tái)100kW交流電動(dòng)機(jī)、1 臺(tái)138kW 直流發(fā)電機(jī)、1 臺(tái)5kW 勵(lì)磁機(jī)、1 臺(tái)1.9kW 電動(dòng)機(jī)擴(kuò)大機(jī)和其他輔助電器等。核心部分是傳統(tǒng)的變流機(jī)組直流調(diào)速系統(tǒng)，工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)采用兩臺(tái)Z2 型59kW 直流電動(dòng)機(jī)串聯(lián)拖動(dòng)，運(yùn)行速度最高可達(dá)60m/min，可實(shí)現(xiàn)正反向加、減速，前進(jìn)與后退運(yùn)行以及慢速切入等動(dòng)作。工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)循環(huán)由4 只JLXK1—411 限位開(kāi)關(guān)控制實(shí)現(xiàn)。聯(lián)軸的交流電動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)(勵(lì)磁機(jī))系統(tǒng)主要提供59kW 直流電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)和4 個(gè)抬刀線(xiàn)圈的電源。輔助動(dòng)作有橫梁夾緊放松和升降系統(tǒng)，刀架快速或進(jìn)給控制等。

2.改造的基本要求

對(duì)于這臺(tái)大型龍門(mén)刨床的電氣系統(tǒng)改造主要有以下幾個(gè)方面的要求:

(1)保持按鈕功能和機(jī)床操作習(xí)慣基本不變，各限位開(kāi)關(guān)的功能和位置不變。

(2)整個(gè)電路簡(jiǎn)單、安全、可靠便于維護(hù)且要有很好的節(jié)能效果。

(3)工作臺(tái)的控制性能好，要有較寬的調(diào)速范圍，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、平滑性好。

(4)能根據(jù)不同工件加工要求自主調(diào)節(jié)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度，前進(jìn)和后退速度應(yīng)可以單獨(dú)且方便地調(diào)整。

(5)盡可能減少高能耗電器件的使用，保留原直流抬刀電磁線(xiàn)圈。

3.改造方案的確定和說(shuō)明

龍門(mén)刨床的電氣改造首先是對(duì)工作臺(tái)拖動(dòng)系統(tǒng)的改造。目前比較成功的方法有3 種:開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)配合磁阻電動(dòng)機(jī)、大功率交流變頻器加變頻電動(dòng)機(jī)、590+全數(shù)字直流調(diào)速裝置加節(jié)能型Z4 直流電動(dòng)機(jī)。根據(jù)以上3 種調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合這臺(tái)大型龍門(mén)刨床對(duì)控制系統(tǒng)的要求，特別是頻繁高速換向要求，決定采用先進(jìn)的英國(guó)歐陸公司的590 +全數(shù)字直流調(diào)速裝置和1 臺(tái)國(guó)產(chǎn)Z4—225—11/75kW 直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)工作臺(tái)，取代原來(lái)的JF—D 變流機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)和兩臺(tái)串聯(lián)的Z2 型59kW 直流電動(dòng)機(jī)。歐陸公司的590 +全數(shù)字直流調(diào)速裝置是基于計(jì)算機(jī)的全數(shù)字化產(chǎn)品，它利用電腦程序模擬PID 調(diào)節(jié)器，可完美地實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的二象限或四象限精確調(diào)速運(yùn)行，能完全滿(mǎn)足龍門(mén)刨床工作臺(tái)拖動(dòng)要求，且具有較高的性?xún)r(jià)比，是目前在龍門(mén)刨床改造中應(yīng)用最多的數(shù)字式直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置，該裝置主要有以下特點(diǎn):

(1)具有16 位高速CPU 實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制，所有功能均能通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定完成，操作簡(jiǎn)單，使用方便。

(2)系統(tǒng)配備3 種反饋方式:電樞電壓反饋、測(cè)速機(jī)反饋和編碼器反饋。龍門(mén)刨床常用測(cè)速機(jī)反饋，速比可達(dá)100∶1。

(3)具有程序停車(chē)、慣性停車(chē)等多種設(shè)定功能，速度環(huán)的加減速可通過(guò)斜坡設(shè)定，電流環(huán)可用自適應(yīng)功能進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

(4)調(diào)速精度高:電壓反饋＜2%，測(cè)速機(jī)反饋＜0.1%，編碼器反饋＜0.01%。

(5)過(guò)載能力強(qiáng):200%額定電流時(shí)10s 動(dòng)作，150%額定電流時(shí)30s 動(dòng)作。

(6)對(duì)電網(wǎng)要求不高，抗干擾性好，主回路電源電壓要求110～500V，控制電源電壓要求110～240V。

(7)具有過(guò)流、過(guò)壓、超速、失速、失磁、缺相、堵轉(zhuǎn)等多種保護(hù)功能，且有完善的自診斷及記憶報(bào)警功能。

輔助動(dòng)作和交流控制回路采用1 臺(tái)日本光洋公司的SH—64R1 可編程序控制器(PLC)作為控制核心，配合少量繼電器和接觸器以及電動(dòng)機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)等實(shí)現(xiàn)輔助動(dòng)作控制。PLC 是基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)，用于工業(yè)環(huán)境且通用性強(qiáng)的自動(dòng)控制設(shè)備，由于其具有應(yīng)用靈活方便、功能強(qiáng)、可靠性高、體積小及接線(xiàn)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各種機(jī)床電氣控制中。PLC 作為機(jī)床動(dòng)作控制核心，替代原來(lái)的繼電器控制方式，有利于與調(diào)速系統(tǒng)的配合協(xié)調(diào)和各輔助動(dòng)作的可靠性提高，且控制線(xiàn)路大大簡(jiǎn)化。

4.改造中的問(wèn)題和解決方法

(1)刨床橫梁升降結(jié)束，在夾緊過(guò)程中，當(dāng)限位開(kāi)關(guān)失靈或過(guò)電流繼電器沒(méi)有及時(shí)動(dòng)作，就很容易燒壞夾緊電動(dòng)機(jī)，現(xiàn)利用PLC 內(nèi)部時(shí)間繼電器對(duì)夾緊時(shí)間進(jìn)行控制，即無(wú)論限位開(kāi)關(guān)損壞還是電流繼電器失靈，只要PLC 內(nèi)部時(shí)間一到，夾緊電動(dòng)機(jī)就停止。方法是:先用鉗形電流表在橫梁夾緊過(guò)程中測(cè)量電流，通過(guò)調(diào)整電流繼電器的整定值對(duì)橫梁夾緊程度進(jìn)行確定，然后再用秒表測(cè)量橫梁夾緊全過(guò)程的時(shí)間，反復(fù)三次，找出最精確的一次時(shí)間值再加1s，以此值作為PLC 內(nèi)部時(shí)間繼電器的計(jì)時(shí)值，這樣既能保證橫梁被夾緊，又能確保夾緊電動(dòng)機(jī)不被損壞。

(2)刨刀的抬起落下仍用220V 直流抬刀線(xiàn)圈控制，由于改造中去掉了勵(lì)磁機(jī)，所以抬刀線(xiàn)圈的電源用1 只JBK5—300VA 變壓器和1 只40A/1 200V 整流橋經(jīng)ZCO—40A 直流接觸器提供，因抬刀線(xiàn)圈電感量很大，在線(xiàn)圈斷電瞬間有很強(qiáng)的電磁感應(yīng)，極易造成整流橋損壞，因此仍用原機(jī)床上1kΩ/100W琺瑯電阻并接在線(xiàn)圈兩端釋放感應(yīng)電勢(shì)，保護(hù)整流橋和線(xiàn)圈。

(3)控制工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的組合限位開(kāi)關(guān)JLXK1—411 受頻繁撞擊，經(jīng)常損壞，每年都要更換數(shù)只，改造中極限終端限位仍用JLXK1—411 開(kāi)關(guān)，目的是確保安全可靠。另4 只減速換向限位改用2 只接近開(kāi)關(guān)(NPN 常開(kāi)型)替代，實(shí)踐證明這樣效果很好。具體方法是:工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中(前進(jìn)或后退)，只要1 只接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作，PLC 輸入點(diǎn)得到信號(hào)，通過(guò)PLC 內(nèi)部程序就可完成減速、換向的全過(guò)程。工作臺(tái)減速是通過(guò)減小直流調(diào)速裝置的給定輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)的。減速過(guò)程的強(qiáng)弱由1 只可調(diào)電位器完成?？赏ㄟ^(guò)對(duì)電位器的調(diào)節(jié)來(lái)獲得最佳的減速換向效果，減少機(jī)械撞擊。

(4)原工作臺(tái)前進(jìn)、后退速度調(diào)節(jié)電阻和4 只抬刀控制開(kāi)關(guān)上所加電壓為直流220V 且體積較大，所以都裝在電器柜上。改造中由于590 +調(diào)速裝置的模擬量輸入給定是0～±10V，且抬刀開(kāi)關(guān)控制的是PLC 輸入點(diǎn)，因此均移至按鈕站上，以便機(jī)床操作調(diào)整，提高工作效率。

5.590 +調(diào)速裝置主要參數(shù)設(shè)置

(1)電動(dòng)機(jī)參數(shù)配置(參照電動(dòng)機(jī)銘牌):在調(diào)速器配置菜單中設(shè)定電動(dòng)機(jī)電樞電壓值為440V，電樞電流193A，磁場(chǎng)電流5.6A 勵(lì)磁控制方式為電壓模式，磁場(chǎng)電壓比例為58%。根據(jù)龍門(mén)刨床切削加工特點(diǎn)，電樞電流極限值設(shè)成額定電流的130%較好。為了提高拖動(dòng)系統(tǒng)的剛性和調(diào)速范圍，系統(tǒng)反饋模式選擇成測(cè)速機(jī)模式。

(2)系統(tǒng)主要參數(shù)配置:在調(diào)速器參數(shù)設(shè)定菜單中將斜坡加速時(shí)間設(shè)成2.5s，可使工作臺(tái)起動(dòng)平穩(wěn)。為防止工作臺(tái)在減速或停車(chē)制動(dòng)過(guò)程中系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)流報(bào)警，又要盡可能減小工作臺(tái)的越位距離，斜坡減速時(shí)間可設(shè)成1～1.5s。在速度環(huán)子菜單中將速度比例增益設(shè)成12，速度積分設(shè)成0.8s。以上4 個(gè)參數(shù)的設(shè)置要根據(jù)每臺(tái)機(jī)床工作特點(diǎn)作適當(dāng)調(diào)整。原則是:既要求工作臺(tái)有快速響應(yīng)，又要求在加減速時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，目的是能有效降低齒輪減速箱的沖擊噪聲。

6.改造后的節(jié)能效果

原機(jī)床用交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流發(fā)電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)擴(kuò)大機(jī)提供直流電給驅(qū)動(dòng)機(jī)床的直流電動(dòng)機(jī)，由于存在機(jī)組銅損、鐵損、機(jī)械傳動(dòng)損耗及機(jī)組空運(yùn)轉(zhuǎn)損耗等，所以效率低，耗電多，不節(jié)能。現(xiàn)采用590 +全數(shù)字調(diào)速裝置直接對(duì)拖動(dòng)工作臺(tái)的直流電動(dòng)機(jī)供電，又利用可編程控制器(PLC)進(jìn)行控制，上述損耗均能消除，工作效率也大大提高。改造前后運(yùn)行情況對(duì)比如附表所示。

改造前后運(yùn)行情況對(duì)比

7.結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用590 +全數(shù)字直流調(diào)速裝置和SH—64R1 可編程控制器對(duì)B2020A 大型14m 龍門(mén)刨床進(jìn)行技術(shù)改造后，大大簡(jiǎn)化了電氣系統(tǒng)，降低了故障率，電氣設(shè)備體積也明顯減小，尤其對(duì)刨床工作臺(tái)拖動(dòng)系統(tǒng)的徹底改造后，節(jié)電效果非常顯著，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間加工運(yùn)行，機(jī)床完全滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求，在降低能耗的同時(shí)提高了生產(chǎn)率，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。