森蘭變頻器在龍門銑床上的應用

一. 概述
龍門銑床是加工較大型工件的機加設備，其電器控制系統(tǒng)包括工作臺的主傳動和進給機構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速拖動方式。早期的直流調速控制系統(tǒng)由分立元件構成，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，已經嚴重影響生產的正常進行。原來的直流調速系統(tǒng)已經淘汰了，沒有可能對直流調速系統(tǒng)換新處理，進行技術改造是必然的選擇。
二. 改造方案
對直流調速系統(tǒng)改造，如果保留直流電機，調速系統(tǒng)可用數字式可控硅直流調速系統(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速系統(tǒng)，將主傳動直流電機換為交流異步鼠籠電機，調速控制系統(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，交流電機結構簡單，維護量小，變頻器性能優(yōu)良，便于實現最優(yōu)控制。比較兩種方案的優(yōu)劣后，選擇用交流調速的改造方案。
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；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；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。原工作臺直流電機參數為：PN=18.5KW，nN=1000r/min，與此相對應的交流電機PN=18.5KW，nN=970r/min，龍門銑床經常工作在低速加工狀態(tài)，為保證加工質量，要求電機低速時轉矩大，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。可以選擇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，便于與計算機組網控制。在設計中進行可靠性設計，電磁兼容設計，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。考慮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，是不會超過額定溫升的。但在變頻調速后自冷式交流異步電動機在20Hz頻率以下運行時，轉子自帶風扇的風力減低，電機的散熱性能變差，如果在恒轉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，F010，F631-F636決定.其控制信號取自銑床無觸點開關，只要銑床工作臺運動到相應的位置，無觸點開關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年代以前生產的機床，需要調速時采用變速箱機械換檔調速方式或采用直流調速方式。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)出的直流電驅動直流電動機調速運行。70年代后，可控硅整流器出現后，直流調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，已逐步取代直流調速系統(tǒng)。通過其外圍少數幾個端子，就可以實現對機床全范圍的控制，且變頻器內部有較完善的保護功能，無需在設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，用交流調速系統(tǒng)取代直流調速系統(tǒng)，簡化了設備的控制線路，故障率幾乎下降到零，實現了可靠、快速、靈活的控制，使工件的銑削質量和工作效率都有明顯的提高。