《電子技術(shù)應用》
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森蘭變頻器在龍門銑床中的應用
摘要: 龍門銑床是加工較大型工件的機加設(shè)備,其電器控制系統(tǒng)包括工作臺的主傳動和進給機構(gòu)的邏輯控制兩大部分。河南焦作邁科公司有一臺龍門銑床,從70年代至今使用了多年。龍門銑床的工作臺主傳動采用直流可逆調(diào)速拖動方式。早期的直流調(diào)速控制系統(tǒng)由分立元件構(gòu)成,使用了若干年以后,故障率明顯上升,維修工作量量不斷增大,故障停工工時急劇上升,已經(jīng)嚴重影響生產(chǎn)的正常進行。
Abstract:
Key words :

一. 概述
龍門銑床是加工較大型工件的機加設(shè)備,其電器控制系統(tǒng)包括工作臺的主傳動和進給機構(gòu)的邏輯控制兩大部分。河南焦作邁科公司有一臺龍門銑床,從70 年代至今使用了多年。龍門銑床的工作臺主傳動采用直流可逆調(diào)速拖動方式。早期的直流調(diào)速控制系統(tǒng)由分立元件構(gòu)成,使用了若干年以后,故障率明顯上升,維修工作量量不斷增大,故障停工工時急劇上升,已經(jīng)嚴重影響生產(chǎn)的正常進行。原來的直流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)淘汰了,沒有可能對直流調(diào)速系統(tǒng)換新處理,進行技術(shù)改造是必然的選擇。
二. 改造方案
對直流調(diào)速系統(tǒng)改造,如果保留直流電機,調(diào)速系統(tǒng)可用數(shù)字式可控硅直流調(diào)速系統(tǒng),如歐陸590A,西門子6RA70,ABB DCS400等。這種方案的優(yōu)點就是利用原有的直流電機,經(jīng)濟上比較省,但缺點也是明顯的,其缺點是直流電機較交流異步鼠籠電機的維護工作量大,特別是使用了多年的直流電機,整流子磨損嚴重,維修花費更多。另一種方案就采用交流調(diào)速系統(tǒng),將主傳動直流電機換為交流異步鼠籠電機,調(diào)速控制系統(tǒng)使用變頻器。這種方案的缺點是除需要變頻器外,還需要將直流電機換為交流電機,改造的費用相對高一些,但是,交流電機結(jié)構(gòu)簡單,維護量小,變頻器性能優(yōu)良,便于實現(xiàn)最優(yōu)控制。比較兩種方案的優(yōu)劣后,選擇用交流調(diào)速的改造方案。
三. 龍門銑床工作臺運動過程
龍門銑床工作臺的拖動屬于平穩(wěn)快速的運動系統(tǒng),工作臺的工作流程如圖1所示

圖中表示了銑床工作臺工作銑削行程和返回過程的變化。0~t1銑床工作臺空行程起動;t1~t2銑床工作臺以穩(wěn)定速度n1運轉(zhuǎn);t2~t3銑床工作臺帶銑削負載加速;t3~t4銑床工作臺以穩(wěn)定速度n2運轉(zhuǎn);t4~t5銑床工作臺減速;t5~t6銑床工作臺保持n3速度條件下刀具離開工件;t6~t7銑床工作臺減速到零;t7~t10銑床工作臺反向加速到高速運轉(zhuǎn)制動后返回原加工位置,由此在重復上面所述的銑削循環(huán)。
四 龍門銑床的變頻改造
1. 變頻器的選型和容量的計算
變頻器的選型要根據(jù)交流電機的容量,交流電機的容量的選擇又要以直流電機為參考依據(jù)。原工作臺直流電機參數(shù)為:PN=18.5KW,nN=1000r/min,與此相對應的交流電機PN=18.5KW,nN=970r/min,龍門銑床經(jīng)常工作在低速加工狀態(tài),為保證加工質(zhì)量,要求電機低速時轉(zhuǎn)矩大,考慮到交流電機的機械特性,在選擇交流電機是適當增大容量。本例交流電機選為22KW 6極鼠籠電機。
電機容量確定后,可直接選擇變頻器的容量。龍門銑床工作臺為恒轉(zhuǎn)矩負載,要求起動和低速力矩大,最好選用矢量控制變頻器,選用希望森蘭公司生產(chǎn)的 SB61G變頻器。該變頻器采用先進的無速度傳感器矢量控制算法,功能齊全,在各種行業(yè)中應用自如??梢赃x擇V/f開環(huán)、V/f閉環(huán)、無PG矢量控制和有 PG矢量控制方式;可選用鍵盤和外部端子,功能端子的操作方式,并有RS485串行通訊口,便于與計算機組網(wǎng)控制。在設(shè)計中進行可靠性設(shè)計,電磁兼容設(shè)計,穩(wěn)定性分析等,具有非常優(yōu)良的性能。本例選用森蘭SB61G22KW變頻器??紤]到銑床工作臺返回行程時間比較短,慣性較大,需要配用制動單元和制動電阻,制動電阻按100%制動轉(zhuǎn)矩時的標準配置30Ω,5KW,考慮到制動比較頻繁,適當加大電阻的容量到10KW。
常規(guī)設(shè)計的自冷式交流異步電動機,在額定工況及規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi),是不會超過額定溫升的。但在變頻調(diào)速后自冷式交流異步電動機在20Hz頻率以下運行時,轉(zhuǎn)子自帶風扇的風力減低,電機的散熱性能變差,如果在恒轉(zhuǎn)矩負載條件下長期運行時電機會過熱。因此,對長期低速運行的電機需加恒速風扇降溫。加恒速風扇的方法是將交流異步電動機的尾罩卸下,在尾罩上挖一個與軸流風機相適應的圓孔,使其軸流風機裝好后,所吹出的風能全部到電機的后端蓋上,經(jīng)機殼導流片導流到電機機身的各個方向上,使之能對電機各個部分都能均勻冷卻。軸流風機的電源用220V市電。
2變頻器功能的設(shè)定
從龍門銑床工作臺工作流程圖可見,工作臺的運行速度有4段,即n1、、n2、n3和返回運行速度。設(shè)SB61S22KW變頻器為多段速度控制方式,變頻器的多端頻率控制輸入端子為X1,X2,X3,X4;多段速度的頻率值由所加工的工件決定,加、減速的時間,由功能代碼 F009,F(xiàn)010,F(xiàn)631-F636決定.其控制信號取自銑床無觸點開關(guān),只要銑床工作臺運動到相應的位置,無觸點開關(guān)輸出信號送到變頻器相應的輸入端口上,變頻器就加速、減速、反向或恒速運行。
3. PLC的應用
由于控制線路和低壓元器件老化,在對龍門銑床工作臺主傳動變頻調(diào)速改造的同時,對銑床的控制線路進行改造。用PLC可大大的減少控制電路的復雜性,并可減低成本。PLC選用HOLLIAS-LEC G3 40點PLC,編程方式為梯形圖,比較簡單,不再贅述。
五.后記
我國70年代以前生產(chǎn)的機床,需要調(diào)速時采用變速箱機械換檔調(diào)速方式或采用直流調(diào)速方式。直流電源的獲得是使用交流電動機帶動直流發(fā)電機,發(fā)出的直流電驅(qū)動直流電動機調(diào)速運行。70年代后,可控硅整流器出現(xiàn)后,直流調(diào)速省去了交流電動機帶直流發(fā)電機的環(huán)節(jié),效率大幅度的提高,運行噪聲極大的下降。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和完善,變頻器的性能不斷的提高,而價格不斷下降,已逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。通過其外圍少數(shù)幾個端子,就可以實現(xiàn)對機床全范圍的控制,且變頻器內(nèi)部有較完善的保護功能,無需在設(shè)計控制電路時考慮保護電路,既簡化了電路又降低了成本。
通過對龍門銑床工臺拖動系統(tǒng)的改造,使用了PLC和變頻器,用交流調(diào)速系統(tǒng)取代直流調(diào)速系統(tǒng),簡化了設(shè)備的控制線路,故障率幾乎下降到零,實現(xiàn)了可靠、快速、靈活的控制,使工件的銑削質(zhì)量和工作效率都有明顯的提高。

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