王建明,賴 兵,何松桃
(東方電氣集團東方電機有限公司,四川德陽 618000)
東方電機有限公司2006 年安裝投用的FAF-260 數(shù)控重型鏜銑床,配置多種附件頭及大型數(shù)控轉(zhuǎn)臺,精度高、應用范圍廣,主要用于大型水電蝶閥、球閥、蝸殼,火電轉(zhuǎn)子、機座等零部件加工。隨著使用年限的增加,設備自身缺陷逐漸暴露,特別是鏜箱重錘平衡機構(gòu)故障率直線上升,嚴重制約了設備效能和產(chǎn)品質(zhì)量。為恢復設備使用效能,研究分析重錘平衡機構(gòu)及原理,制定改進方案。
在機械結(jié)構(gòu)上,鏜箱自重25 t[1],鏜箱重力平衡采用伺服電機扭矩拉力式平衡。平衡機構(gòu)如圖1 所示,平衡電機輸出恒扭矩,通過減速器帶動卷揚滾筒,卷揚滾筒收放平衡鋼絲繩,鋼絲繩由滾筒向下穿過平衡壓力電橋?qū)蜉啠蛏险鄯档搅⒅敳繉蜉?,再向下固定在鏜箱上,整個鋼絲繩呈“之”字形。
電氣結(jié)構(gòu)上,611U 驅(qū)動器控制平衡電機為執(zhí)行機構(gòu),接收PLC 速度信號,壓力電橋傳感器實時采集平衡電機轉(zhuǎn)速是否達到平衡速度,并將采集值傳送給PLC,以供PLC 計算判斷平衡電機轉(zhuǎn)速,信號源、執(zhí)行機構(gòu)、檢測元件形成嚴格的閉環(huán)控制,電氣控制如圖2所示,其中電機采用速度/扭矩控制,611U 主控信號為DC 0~±10 V[2]模擬信號。
圖1 平衡機構(gòu)
機床運行時,平衡系統(tǒng)經(jīng)常觸發(fā)平衡電機超溫報警,并伴隨電機嘯叫。經(jīng)檢測報警時核心溫度達到報警極限溫度150 ℃(電機長期處于超溫狀態(tài),導致該平衡電機已燒損一臺),進而導致該設備故障停機。
圖2 電氣結(jié)構(gòu)
進一步檢測發(fā)現(xiàn),鏜箱靜止或上下移動式,平衡電機運行時基本處于滿載狀態(tài),扭矩輸出440 N·m 左右,電流115 A 左右,最大達到120 A,而此時鏜箱伺服電機輸出基本處于正常狀態(tài),電流負載5%~8%。
鏜箱自重(無附件頭狀態(tài))25 t,鏜箱快移速度8 m/min,鏜箱齒輪箱傳動比747/247,鏜箱絲杠導程20 mm,平衡電機型號1PH7186-2NE05-0BA0,平衡電機性能參數(shù):60 kW/1250(r/min)/458 N·m/S1 63 A/117 A,驅(qū)動器611U 6SN11180NH000AA1,平衡齒輪傳動比275.8,卷揚半徑0.45 m。
在理想狀態(tài)下忽略傳動效率及摩擦力等損耗,按照機械傳動比等結(jié)構(gòu)參數(shù)計算,完全平衡鏜箱自重,平衡電機扭矩輸出408 N·m,占其額定輸出的89.1%。而實際上傳動機構(gòu)存在傳動效率、且摩擦力不可能為0 等因素,結(jié)合檢測結(jié)果,基本確定在該平衡機構(gòu)下,平衡電機輸出扭矩偏小,平衡電機長期處于滿載或超載狀態(tài),由于工作繁重,平衡電機無法建立熱平衡,導致電機超溫。
為徹底消除電機超溫現(xiàn)象,提出兩種改進方案:方案1,電氣改進,通過增大電機功率或降低電機轉(zhuǎn)速,提高電機輸出扭矩進而達到增大扭矩輸出裕度,主要措施為更換大扭矩平衡電機;方案2,機械改進,增大平衡機構(gòu)傳動比,減少許用扭矩,間接達到增大扭矩輸出裕度。
通過傳動比計算,為達到或接近鏜箱設計快移速度(設定速度的80%),平衡電機額定轉(zhuǎn)速≥625 r/min,同時為了達到30%的電機輸出裕度,電機額定輸出扭矩應為現(xiàn)在的1.3 倍,即≥530 N·m。綜合以上轉(zhuǎn)速及扭矩要求,平衡電機選型只能在1PH7224 機座號中選擇,最佳選型為1PH7224-*NC**[3],額定功率55 kW,額定轉(zhuǎn)速700 r/min,額定扭矩750 N·m,額定電流114 A。
該方案實施較為簡單,電機驅(qū)動器、動力電纜等全部可以保留利用,更換電機后直接應用SimoComU 調(diào)試軟件對驅(qū)動器進行新電機配置及優(yōu)化即可,機械方面需配合修改電機軸輸出聯(lián)軸器尺寸及電機安裝孔位置。該方案缺點是,電機采購周期較長(3 個月以上),電機采購價格較高(約15 萬元人民幣),且電機安裝孔修改存在一定難度,但該方案總體制約因素為電機采購周期長。
受平衡鋼絲繩長度限制,平衡滾筒尺寸不能改變,齒輪傳動比是機械改進方案的主要對象。為達到電機輸出扭矩30%的扭矩裕度,即平衡配重許用扭矩≤320 N·m,平衡傳動比需增大至1.3 倍,即平衡齒輪傳動比≥359。
(1)途徑一,對原減速器減速比進行修改,但原減速器為整體式進口減速器,結(jié)構(gòu)緊湊,無法對其進行減速比修改只能整體更換,通過咨詢,該齒輪減速器采購價約10 萬歐元,采購周期6 個月。
(2)途徑二,在平衡電機和原減速器輸入軸之間增加一副齒輪減速機構(gòu),以增大平衡電機扭矩裕量,根據(jù)實際速度需要,減速比為50/35。該齒輪減速器安裝空間足夠大,國內(nèi)齒輪生產(chǎn)商及減速器制造商都能制造,周期短,配件來源廣泛,同時增加一段連接軸后即可完成裝配。
增加減速機構(gòu)后,平衡電機同樣轉(zhuǎn)速時,鏜箱移動速度變?yōu)樵瓉淼?5/50,平衡電機速度將無法跟隨鏜箱移動速度。特別是鏜箱移動加減速階段,觸發(fā)重錘平衡設定值與實際值偏差過大報警。通過對平衡機構(gòu)電氣控制結(jié)構(gòu)進行深入分析,獲得電氣控制結(jié)構(gòu)(圖3)。
平衡控制方式分手動控制和自動控制,其中手動控制主要用于維修調(diào)整,手動輸入平衡驅(qū)動模擬量轉(zhuǎn)速,該方式下平衡壓力值不再參與控制。
自動控制方式下,平衡電機轉(zhuǎn)速主控變量為鏜箱速度值,矯正變量為平衡壓力傳感器壓力反饋值。
為消除平衡偏差超限報警,使平衡電機速度能夠跟隨鏜箱移動速度,平衡電機實際轉(zhuǎn)速應為原來的50/35 倍。深入分析平衡電機速度控制計算公式,得知重錘設定值與壓力傳感器反饋值為一對控制變量,當壓力傳感器反饋值等于重錘設定值時,重錘平衡電機與鏜箱重量達到平衡,此時鏜箱為靜止或勻速運動,在該狀態(tài)下,鏜箱重量與原值相同,壓力傳感器反饋值亦與原值相同,因此重量設定值必須與原值相同,即重量設定值與壓力傳感器反饋值不可改變。
圖3 平衡控制流程
由于機械結(jié)構(gòu)的鋼絲繩連接,平衡電機速度與鏜箱移動速度成嚴格比例關系,因此為將平衡電機轉(zhuǎn)速提升至原輸出轉(zhuǎn)速的50/35 倍,只需將鏜箱移動速度控制變量增大為原來的50/35 倍,即將轉(zhuǎn)換系數(shù)C 變?yōu)?0/35×C,平衡電機轉(zhuǎn)速就可以跟隨鏜箱伺服速度。利用SimoComU[4]軟件對平衡電機驅(qū)動器進行優(yōu)化,使平衡電機具有動態(tài)反應快,靜態(tài)不振動等特性,伺服軸Y 軸上下運行負載率變化不超過5%。同時優(yōu)化數(shù)控伺服軸Y 軸增益[5]等,最后鏜箱以6 m/min 快移試車,平衡電機實際電流最大90 A,輸出扭矩最大為380 N·m,為額定扭矩的83%,電機扭矩輸出符合設計預期,且鏜箱勻速運行或靜止時重錘平衡實際值與設定值偏差0~±100 kg,在加減速階段平衡偏差0~±500 kg,平衡電機輸出扭矩及速度能夠跟隨鏜箱速度及平衡要求,未觸發(fā)平衡扭矩報警,電機超溫現(xiàn)象得以徹底消除。
改進設計中,分析機床重錘平衡機械及電氣結(jié)構(gòu),為相關機床設計及維修提供較為完整的理論支持。
改進后,消除了機床原設計缺陷,最大程度節(jié)省成本,具有較強的操作性和實用性。經(jīng)過長期使用,機床平衡機構(gòu)運行平穩(wěn),平衡電機超溫現(xiàn)象消除,驗證了該方案的可行性。