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(diào)速器在普通落地鏜銑床改造中的應(yīng)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(mén)子6RA70直流調(diào)速系統(tǒng)在我公司進(jìn)口落地鏜改造中的應(yīng)用；從問(wèn)題分析著手，提出了改造的具體方案；根據(jù)機(jī)床控制的要求確定配置，并進(jìn)行了電氣設(shè)計(jì)；解決了過(guò)去多年故障頻繁、機(jī)械效率低等問(wèn)題。這次實(shí)踐結(jié)果證明改進(jìn)后的落地鏜床控制系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定,具有良好的應(yīng)用前景。

落地鏜銑床；直流電機(jī)；6RA70調(diào)速器

寧夏共享精密加工有限公司購(gòu)買(mǎi)的進(jìn)口GRAY落地鏜床是50年代美國(guó)生產(chǎn)設(shè)備，該設(shè)備原主軸驅(qū)動(dòng)采用雙速三相異步電動(dòng)機(jī)，由中間繼電器控制交流接觸器進(jìn)行正反轉(zhuǎn)換向，降壓?jiǎn)?dòng)，以及雙速電機(jī)高低速切換，電路復(fù)雜；目前元件老化嚴(yán)重，故障率高，修理難度大。機(jī)床主軸變速由雙速電機(jī)、3檔位行星齒輪變速器、4檔位主軸減速箱并聯(lián)實(shí)現(xiàn)24個(gè)檔位變速（轉(zhuǎn)速?gòu)?.5rpm至500rpm），但行星齒輪減速箱磨損嚴(yán)重，故障率極高；為此對(duì)鏜床進(jìn)行機(jī)械與電氣改造。

1 改造方案

1）改造方案遵循以下原則：①實(shí)現(xiàn)機(jī)床原有設(shè)計(jì)功能，保證改造后機(jī)床主軸扭矩不能降低，主軸轉(zhuǎn)速范圍不能減少；②進(jìn)行部分功能優(yōu)化、在技術(shù)操作上比原機(jī)床先進(jìn)；③可行性強(qiáng)，性價(jià)比高，改造時(shí)間短；④故障率低，便于維修。

2）對(duì)機(jī)械變速機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，星齒輪減速器有三個(gè)速比分別為4.5，3.4，2.6，機(jī)械改造保留2.6這一級(jí)減速比，改造最為方便、快捷；保留其中主軸變速箱的4個(gè)檔位，采用電磁閥控制換擋油缸實(shí)現(xiàn)；為彌補(bǔ)機(jī)械轉(zhuǎn)速的不足，主軸電氣改造采用無(wú)極調(diào)速裝置。現(xiàn)在較流行的機(jī)床調(diào)速方案有兩種：①交流變頻調(diào)速器+交流變頻電機(jī)；②直流調(diào)速器+直流電機(jī)。兩種方案都可以滿足現(xiàn)有機(jī)床的功能需要，技術(shù)上均比較先進(jìn)，且都是成熟的技術(shù)；但從本次改造的鏜床看，使用直流調(diào)速器+直流電機(jī)進(jìn)行改造，外增加主軸編碼器進(jìn)行閉環(huán)檢測(cè)，能實(shí)現(xiàn)主軸回轉(zhuǎn)時(shí)的精準(zhǔn)定位，為以后拓展鉆孔、攻絲功能做好預(yù)留；且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，過(guò)去的模擬控制系統(tǒng)正在被數(shù)字控制系統(tǒng)所代替，在帶有微機(jī)的通用全數(shù)字直流調(diào)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(shí)現(xiàn)各種調(diào)節(jié)和控制功能，目前應(yīng)用最為廣泛。

3）電機(jī)核算。

機(jī)械改造后機(jī)床最大扭矩和轉(zhuǎn)速范圍都要滿足原有設(shè)計(jì)，需對(duì)電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速進(jìn)行核算：

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

T：電機(jī)扭矩；

P：電機(jī)功率；

n：電機(jī)轉(zhuǎn)速（恒功率）。

經(jīng)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(zhuǎn)速；

η：機(jī)械傳動(dòng)效率（取0.95）。

i：減速比（取最大減速比4.5時(shí)，輸出扭矩最大）。

2）原設(shè)計(jì)電機(jī)有1765rpm/885rpm兩個(gè)轉(zhuǎn)速，與星齒輪減速器的三級(jí)檔位匹配后輸出轉(zhuǎn)速是介于196.7rpm至679rpm之間的6個(gè)轉(zhuǎn)速；若減速比采用2.6，電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍必須在512rpm至1765rpm之間，才能滿足主軸原有轉(zhuǎn)速在2.5rpm至500rpm之間。

3）根據(jù)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(jī)功率和額定轉(zhuǎn)速滿足以下關(guān)系：

Pz：改造選用直流電機(jī)功率

4）通過(guò)查詢機(jī)械設(shè)備手冊(cè)，直流電機(jī)Z4-250-31、67kW、額定轉(zhuǎn)速540rpm/最高轉(zhuǎn)速2000rpm、電樞電流197A、勵(lì)磁功率2580W，最為合適；直流電機(jī)在額定轉(zhuǎn)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(jī)械傳動(dòng)效率（取0.95）；

i2：減速比（取最大減速比4.5時(shí)，輸出扭矩最大）；

經(jīng)核算輸出扭矩滿足要求。

4）直流調(diào)速器選型及電路設(shè)計(jì)。

①系統(tǒng)覆蓋范圍和用戶較廣。在管理內(nèi)容上覆蓋了水利、供水、排水、水文四大行業(yè)；在管理范圍上覆蓋了國(guó)家、直轄市、區(qū)（縣）三級(jí)管理；在建設(shè)范圍上覆蓋了自動(dòng)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(mén)、企業(yè)、科研規(guī)劃部門(mén)、社會(huì)公眾等。

直流調(diào)速器種類繁多，SIEMENS6RA70系列在我公司其他機(jī)床上使用較多，該裝置體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)部各個(gè)單元拆裝方便，使維修服務(wù)變得簡(jiǎn)單、易行。外部信號(hào)的連接通過(guò)插接端子排實(shí)現(xiàn)，安裝快捷方便。根據(jù)直流電機(jī)參數(shù)，主軸調(diào)速器選用6RA7076-6DV62-0，三相400V電源，四象限工作，額定電流215A，強(qiáng)制冷卻。

原有三相異步電動(dòng)機(jī)供電及控制電路

改造后直流調(diào)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(diào)速器安裝調(diào)試

1）調(diào)整實(shí)際整流器供電電壓。電樞回路供電電壓：P078.001=380V；勵(lì)磁回路供電電壓：P078.002= 380V；

2）輸入電機(jī)數(shù)據(jù)：電樞額定電流P100、電樞額定電壓P101、勵(lì)磁額定電流P102、最大運(yùn)行速度P108由電機(jī)銘牌讀取進(jìn)行設(shè)置。

3）實(shí)際速度檢測(cè)反饋。本次改造采用模擬測(cè)速機(jī)測(cè)速反饋，設(shè)置參數(shù)P083=1，速度實(shí)際值由“主實(shí)際值”通道（K0013）提供，測(cè)速機(jī)接端子：XT.103，XT.104；按照測(cè)速機(jī)名牌設(shè)置P741（最高轉(zhuǎn)速時(shí)的測(cè)速電機(jī)電壓）。

5）西門(mén)子6RA70可設(shè)置端子定義。西門(mén)6RA70全數(shù)字直流調(diào)速器一些端子是為可設(shè)置輸入、輸出信號(hào)端子，由用戶根據(jù)使用需求自行定義。

36端子、39端子：正反點(diǎn)動(dòng)作用，根據(jù)端子連接圖可看出，36端子輸入到開(kāi)關(guān)量連接器B0010（常開(kāi)）和B0011（常閉），39端子輸入到開(kāi)關(guān)量連接器B0016（常開(kāi)）和B0017（常閉）；而點(diǎn)動(dòng)給定的參數(shù)由P435控制，當(dāng)P435.001=10，設(shè)置36端子為正點(diǎn)動(dòng)， P435.002=16，設(shè)置39端子為正點(diǎn)動(dòng)。

同理，參照調(diào)試手冊(cè)中各功能在參數(shù)和各端子的連接開(kāi)關(guān)量進(jìn)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(guò)載輸出，48端子:故障輸出。

6）最優(yōu)化運(yùn)行。西門(mén)子6RA70全數(shù)字直流調(diào)速器調(diào)試過(guò)程中參數(shù)發(fā)生更改后，為了使西門(mén)子6RA70全數(shù)字直流調(diào)速器與電機(jī)之間更好的匹配，則需要對(duì)西門(mén)子6RA70全數(shù)字調(diào)速器進(jìn)行最優(yōu)化運(yùn)行；優(yōu)化運(yùn)行會(huì)改變西門(mén)子6RA70全數(shù)字直流調(diào)速器的一些參數(shù)，從而達(dá)到使各個(gè)參數(shù)最佳匹配。

P051=25：電樞和勵(lì)磁的預(yù)控制和電流調(diào)節(jié)器的優(yōu)化(持續(xù)大約40S)

P051=26：速度調(diào)節(jié)器的優(yōu)化運(yùn)行(持續(xù)大約6S)

P051=27：勵(lì)磁減弱優(yōu)化運(yùn)行 （過(guò)持續(xù)大約1min）

需要注意的是，執(zhí)行優(yōu)化過(guò)程總必須使調(diào)速器運(yùn)行，即端子38脈沖使能必須接入，端子37合閘信號(hào)必須有上升沿脈沖，電機(jī)才能啟動(dòng)；基本優(yōu)化完成后，方能運(yùn)行電機(jī)。

3 總結(jié)

我公司GRAY落地鏜銑床經(jīng)過(guò)機(jī)械和電氣改造，機(jī)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(fā)的問(wèn)題，改造前每年停機(jī)臺(tái)時(shí)750h左右，停機(jī)損失約30萬(wàn)元，每年維修成本約20萬(wàn)元；經(jīng)過(guò)改造，每月停機(jī)10小時(shí)以下，每月維修成約3000元以下，運(yùn)行半年基本穩(wěn)定；本次改造的成功經(jīng)驗(yàn)可以應(yīng)用到以后的機(jī)床維修改造中。

[1] 《西門(mén)子6RA70系列全數(shù)字直流調(diào)速器調(diào)試手冊(cè)》[Z]. 2004年11月版.

[2] 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[Z].化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

[3] 湯蘊(yùn)璆.《電機(jī)學(xué)》[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[4] B/T12369201中高檔數(shù)控機(jī)床用力矩電動(dòng)機(jī)通用技術(shù)條件[Z].機(jī)械工業(yè)出版社2015.

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