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已經淘汰了，沒有可能對直流調速系統換新處理，進行技術改造是必然的選擇。
二. 改造方案
對直流調速系統改造，如果保留直流電機，調速系統可用數字式可控硅直流調速系統，如歐陸590A，西門子6RA70，ABB DCS400等。這種方案的優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，將主傳動直流電機換為交流異步鼠籠電機，調速控制系統使用變頻器。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，變頻器性能優良，便于實現最優控制。比較兩種方案的優劣后，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快速的運動系統，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。
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，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，在各種行業中應用自如。可以選擇V/f開環、V/f閉環、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，穩定性分析等，具有非常優良的性能。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。
常規設計的自冷式交流異步電動機，在額定工況及規定的環境溫度范圍內，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電機，發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電機的環節，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。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的改造，使用了PLC和變頻器，用交流調速系統取代直流調速系統，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。