萊蕪鳳普自控有限公司 劉彥偉 閻勇
濟南廣林科技有限公司 王保學(xué)
一、B2010A龍門刨床工況概述
龍門刨床是機械化自動化程度很高的大型機床。龍門刨床的動力及控制回路比較復(fù)雜，尤其是刨床工作臺主拖動系統(tǒng)完全依靠電氣自動化控制來執(zhí)行的。B2010A龍門刨床的主拖動采用最初50年代的A-G-M調(diào)速系統(tǒng)，即電機擴大機---直流發(fā)電機---直流電動機組系統(tǒng)。如圖一所示。采用機械速比2:1和電氣調(diào)速范圍為10:1的機電聯(lián)合調(diào)速系統(tǒng)。
龍門刨床對電力拖動的技術(shù)要求---龍門刨床是頻繁往復(fù)運動的生產(chǎn)機械，它的工作方式為循環(huán)方式。前進行程是切削行程；后退行程是不作切削的，只讓工作臺駛回為下一步切削作準(zhǔn)備。運動示意圖如圖二所示。實際工作中為了提高勞動生產(chǎn)效率，輕載后退的速度要大于前進切削速度。由于不同的金屬材料和不同的加工工藝，必須要求控制系統(tǒng)具備：
工作臺主拖動具有比較寬的調(diào)速范圍和較硬的機械特性；
工作臺前進切削和后退的過程中運行平穩(wěn)，不振蕩，速度能單獨地作無級調(diào)整，無須停車；
運行方向的改變要迅速、平滑、沖擊力小、動作反應(yīng)快；
在低速范圍內(nèi)切削力基本保持恒定狀態(tài)，靜差度小于3%；
前進與后退行程的末尾工作臺自動減速，反向準(zhǔn)確；
傳動效率高，耗電量小；
控制系統(tǒng)簡單，可靠安全，易于維修保養(yǎng)；
如圖二中，ab段（約12-15米/分）為刀具慢速切入工件，而后增加到可調(diào)速CD段進行前進切削，之后運行到設(shè)定行程開始減速為ef段，再經(jīng)過換向行程控制，工作臺由前進減速迅速制動并快速反向運行可調(diào)hi速度段后退，再后退至減速換向切換到前進行程。形成一個循環(huán)工作周期。
以上簡略敘述B2010A直流拖動系統(tǒng)過程，有助于對它的性能特點和工作情況能進步了解。
二、龍門刨床拖動系統(tǒng)的演變
1． 原系統(tǒng)存在的主要缺陷
我們知道龍門刨床這種A-G-M調(diào)速系統(tǒng)，它具有占地面積大、噪聲污染嚴(yán)重、尤其交流電動機拖
動發(fā)電機浪費電能很嚴(yán)重。從工作情況來看，直流電動機的功率并沒有得到充分利用，并且維護
保養(yǎng)較困難。目前許多在使用該系統(tǒng)工作的廠家都在想辦法解決以上問題。
2． 演變
從70年代至目前有極少部分采用晶閘管---直流電動機機組（V-M調(diào)速系統(tǒng)）。該系統(tǒng)低速時損
耗大、功率因數(shù)低、對電網(wǎng)污染嚴(yán)重，而使用的還是直流電動機，維護保養(yǎng)困難的問題還是沒有
解決。
3． 飛躍
隨著科技進步，在電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)方面有了飛速發(fā)展，以及矢量控制技術(shù)的完善，使
得變頻調(diào)速技術(shù)日新月異，并且變頻調(diào)速發(fā)展空間愈加寬廣，涉及領(lǐng)域之多，其優(yōu)越性為眾所周
知。為此廣大科技工作者致力于交流變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，龍門刨床的拖動方式在向變頻調(diào)速的
方向轉(zhuǎn)移，國外已有很多成功應(yīng)用的實例。
三、EMERSON變頻器應(yīng)用在B2010A龍門刨床上
1、選型
根據(jù)前述龍門刨床直流拖動系統(tǒng)工作要求，對于取代直流拖動并超越直流拖動的交流變頻調(diào)速來說，選擇高性能可靠矢量型的變頻器尤其關(guān)鍵。通過查閱有關(guān)資料及請教有關(guān)資深學(xué)者（對此深表感謝），加之深入了解國內(nèi)外同類變頻器，反復(fù)比較論證，我們從性價比上選擇了美國EMERSON公司出產(chǎn)的高性能矢量控制變頻器---TD3000系列產(chǎn)品。TD3000系列變頻器在性能上完全符合B2010A型龍門刨床拖動系統(tǒng)的要求。它通過對交流電機磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦控制，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，能以很高的控制精度進行寬范圍的調(diào)速運行；而且我們還采用了有速度傳感器PG反饋矢量控制方式。根據(jù)我們在實際應(yīng)用中確實感到TD3000矢量控制變頻器穩(wěn)定可靠，對于象龍門刨床這種從安全可靠性要求很高的大型設(shè)備，選用該矢量控制型變頻器非常合適。TD3000系列變頻器是美國EMERSON公司自主開發(fā)生產(chǎn)的高品質(zhì)、多功能、低噪音的矢量控制通用變頻器。具有電機參數(shù)自動調(diào)諧、零伺服控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制在線切換、轉(zhuǎn)速跟蹤、內(nèi)置PLC、內(nèi)置PID控制器、編碼器和給定及反饋信號斷線監(jiān)測、掉載保護、內(nèi)置PG接口、故障信號追憶、28種故障監(jiān)控、豐富的I/O端子和多達十種的速度設(shè)定方式，能滿足各類負(fù)荷對傳動控制的要求。TD3000系列變頻器的優(yōu)越性能主要體現(xiàn)在：
有速度傳感器矢量控制，調(diào)速范圍為1：1000，穩(wěn)態(tài)控制精度0.05%；
低頻啟動轉(zhuǎn)矩10-100rpm時,200%額定轉(zhuǎn)矩；
啟動預(yù)勵磁,加快矢量控制快速響應(yīng)；
動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)小于150ms；
零伺服鎖定功能,可以保持零速時150%的轉(zhuǎn)矩輸出;
可靠的轉(zhuǎn)矩限定，防止頻繁跳閘；
功能豐富的對話式操作面板，全系列LCD+LED顯示中英文可選；
參數(shù)的上傳拷貝和下傳復(fù)寫功能；
功能強大的后臺調(diào)試監(jiān)控軟件，可通過內(nèi)置RS485接口組網(wǎng)監(jiān)控。
電機、變頻系統(tǒng)選型：
1) 主拖動：55KW交流變頻電機，TD3000-4T0750G變頻器；
2) 垂直刀架：1.5KW交流電機，TD1000-4T0022G變頻器；
3) 左刀架：1.5KW交流電機，TD1000-4T0022G變頻器；
4) 右刀架：1.5KW交流電機，TD1000-4T0022G變頻器
5) 主拖動制動單元：兩臺TDB-4C01-0300制動單元，兩只10Ω、10KW制動電阻。
2. 控制原理
(1) 工作臺主拖動用EMERSON TD3000變頻器驅(qū)動變頻調(diào)速電機,電機為中科院研制生產(chǎn)。該電機采用AUTOCAD輔助設(shè)計，充分考慮了正弦脈寬調(diào)制技術(shù)和矢量控制變頻器的特點，低頻時轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，恒力矩調(diào)速范圍寬，代替A-G-M系統(tǒng)機組實現(xiàn)無級調(diào)速。由于我們針對的山東煤礦萊蕪機械廠B2010A型龍門刨床，機械上基本上不動,沒有增加銑削功能,如果橫梁垂直刀架機械剛性足，可以在機械上改造,配刨、銑變速箱來實現(xiàn)銑削功能。通過調(diào)試實現(xiàn)了機械刨削速度范圍3-80米/分，無級調(diào)速；速度還可降至1米/分左右，進行磨削加工。
(2) 工作臺換向采用制動單元及制動電阻，制動速度快，從應(yīng)用來看，TD3000變頻器在頻繁換向過程中速度降低快，動力制動迅速，由于換向時工作時間短，為抑制泵升電壓，采用了制動電阻進行能量釋放。
(3) 電氣控制系統(tǒng)采用由我們?nèi)R蕪鳳普自控有限公司自行研制的XH-120PLC可編程控制器來實現(xiàn)對主拖動變頻器及整個機床的電氣控制。優(yōu)點是控功能強、速度快、易維護、便于改變程序。并且根據(jù)工藝情況編制故障，面板顯示運行狀態(tài)、查找故障點簡單。
(4) 工作臺的減速、換向控制采用龍門刨床高可靠性電子組合開關(guān)，無機械磨損、壽命長、無
故障工作時間在一萬小時以上，全密封、無維修、可防止使用中鐵屑引起誤動作。
3、龍門刨床簡要電氣.控制框圖 (如圖三)
四、EMERSON變頻器的特性應(yīng)用
我們在調(diào)試變頻器過程中，重點針對工作臺頻繁換向、快速響應(yīng)等問題對于變頻器參數(shù)作了調(diào)整，僅舉幾例加以說明。
1、 注意變頻器與電機的自調(diào)諧過程：在選擇矢量控制方式第一次運行前，一定要進行電機的自動調(diào)諧工作，以便獲得被控電機的準(zhǔn)確電氣參數(shù)。這種過程相當(dāng)于對負(fù)載電動機自動地進行一次“等效電路參數(shù)測定實驗” ，力求達到精確矢量控制。
2、 避免爬行：我們知道由于加工切削量不同、 工件重量不等、行程不一、高速運行等嚴(yán)重惡劣條件造成在運動中工作臺慣性大，勢必會在減速與反向過程中會向原方向作一定距離的慣性運動。所以認(rèn)真調(diào)整TD3000變頻器的有關(guān)參數(shù)，一定要準(zhǔn)確控制加減速時間及制動的投入方式，否則將會出現(xiàn)越位等故障。
3、 換向運行的快速響應(yīng)：應(yīng)用TD3000變頻器在工作臺拖動換向上要精心調(diào)整轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，使之適應(yīng)工作要求，當(dāng)比例增益P和積分時間I參數(shù)選取不當(dāng)時，可能會在系統(tǒng)中產(chǎn)生振蕩或產(chǎn)生減速過電壓故障。這一點需要根據(jù)實際情況來調(diào)整。
4、 使電機獲得更好的起動性能：我們在調(diào)試過程中，將電機預(yù)勵磁功能參數(shù)作了調(diào)整，起動方式、起動頻率、正反轉(zhuǎn)死區(qū)、脈沖編碼器等參數(shù)作了調(diào)整，使之具有更好的響應(yīng)速度。
五．應(yīng)用情況及效果
根據(jù)應(yīng)用，我們可以得出如下比較：
1． 工作方式：
在B2010A改造前，工作時，直流發(fā)電機組一直處于運行狀態(tài)，特別是在工作間隙、測量工
件時等，白白消耗大量的空載能量。改造后，龍門刨床只是在工作臺運動時才消耗能量，并
且在輕載時變頻器自動節(jié)能。
2． 進線電流：
在改造前，大刨切削45號鋼坯時，吃刀深度10 mm，進刀量為1 mm，檢測進線電流為50A。
改造后，同樣加工條件下，進線電流僅為15.5A。
3． 環(huán)境改善：
改造前，發(fā)電機組工作時噪音嚴(yán)重，可達80dB。
改造后，檢測噪音為70dB，大大改善了工作環(huán)境，利于操作工人的身心健康。
4． 占地面積：
改造前，機組占地面積大，現(xiàn)在改造后僅為原來的10%。
5． 機床維修：
改造前，機床維修量大，并且難以修理，特別是勵磁發(fā)電機不發(fā)電故障。
改造后，由于變頻器控制柜集中，基本上不出大的故障。
6． 機床運行：
改造前，由于原B2010A機床年久失修，各處性能大不如最初，換向慣性大。
改造后，采用了先進的矢量控制，從性能、穩(wěn)定性上超過原來，換向慣性小，反向快速響應(yīng)。
7． 節(jié)電效益：
測量進線，按有功功率來算，每天二班倒，工作15小時，每月平均生產(chǎn)26天，電費成本在
0.7元，全年可節(jié)約電費73500.34元，僅此一項一年左右時間即可收回投資。
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