[转帖] 龙门刨床主拖动系统变频调速改造

     龙门刨床主拖动系统变频调速改造
     　
     【论文摘要】分析了龙门刨床主运动的特点，与变频调速曲线进行比较，介绍了利用变频器结合PLC对龙门刨床主运动系统进行改造的可行性及实现方法。
     1  引言
     龙门刨床作为机械工业中的主要工作机床之一，在工业生产中占有重要的地位。其运动方式较多，结构复杂，拖动电路电机较多，控制繁杂，维护、检修困难。在实际中，龙门刨床的电路一直被作为考核技师的难题之一。随着工业自动化的发展，变频器、PLC在工厂设备改造中的广泛使用，对龙门刨床进行改造，已越来越普遍。
     2  龙门刨床主拖动系统的运动特点
     我国现行生产的龙门刨床其主拖动方式以直流发电机—电动机组及晶闸管—电动机系统为主，以A系列龙门刨床为例，它采用电磁扩大机作为励磁调节器的直流发电机—电动机系统，通过调节直流电动机电压来调节输出速度，并采用两级齿轮变速箱变速的机电联合调节方法。其主运动为刨台频繁的往复运动，在往复一个周期中，对速度的控制有一定要求，如图1所示。
     
     图1  刨台的运动
     图中：
     t1段表示刨台起动，刨刀切入工件的阶段，为了减小刨刀刚切入工件的瞬间，刀具所受的冲击及防止工件被崩坏，此阶段速度较低。
     t2段为刨削段，刨台加速至正常的刨削速度
     t3段为刨刀退出工件段，为防止边缘被崩裂，同样要求速度较低。
     t4段为返回段，返回过程中，刨刀不切削工件，为节省时间，提高加工效率，返回速度应尽可能高些。
     t5段为缓冲区。返回行程即将结束，再反向到工作速度之前，为减小对传动机械的冲击，应将速度降低，之后进入下一周期。
     3  刨台运动的机械特性曲线
     与很多切削机床相同，刨台运动特性分两种情况分析。
     3.1  低速区
     刨台运动速度较低时，此时刨刀允许的切削力由电动机最大转矩决定。电动机确定后，即确定了低速加工时的最大切削力。因此，在低速加工区，电动机为恒转矩输出。
     3.2  高速区
     速度较高时，此时切削力受机械结构的强度限制，允许的最大切削力与速度成反比，因此，电动机为恒功率输出。
     由此可得，主拖动系统直流电动机的运行机械特性曲线分为如图2所示两段。
     
     图2  负载机械特性
     4  对电动机机械特性的要求
     为充分利用电动机容量，同时满足负载对电动机的要求，龙门刨床主拖动电动机运行时的机械特性应与负载机械特性配合，即电动机机械特性应靠近并位于负载机械特性之上。
     5  变频调速机械特性
     从电动机调速理论可知，若采用变频调速，在频率低于额定频率时，电动机调速具有恒转矩输出特性，而在高于额定频率区，电动机电压不能升高，具有恒功率输出特性。
     比较可知，采用变频调速时，电动机的机械特性曲线刚好与刨台的运动所对应的特性曲线相符。因此，适宜于采用变频调速对龙门刨床主运动系统进行改造，并使电动机的工作频率适当提高至额定频率以上。
     由于龙门刨床的传动机构从速度为45r/min分为两档，故电动机的机械特性也以45r/min分成曲线相似的两段。
     6  采用变频调速的刨台运动控制
     6.1  机械结构及控制要求
     用于实现刨台往返控制的六个行程开关仍如原来所示安装，工作台侧面的燕尾槽安装四个撞块。依靠四个撞块碰撞相应的行程开关实现工作台的自动工作。前进撞块A、B，后退撞块C、D分布在行程开关两侧。图4所示为各行程开关的零位状态。
     
     图3  变频调速机械特性
     
     图4  工作台行程开关零位状态
     运动控制过程如下：工作台前进时，撞块A撞击SQ3，B撞击SQ5，经过一段越位后，刨台后退。后退时，撞块B使SQ5复位，撞块A使SQ3复位。后退末了，工件退出刀具后，撞块C撞击SQ4使电机减速，D撞击SQ6使电机换向，经过一段越位后，刨台从后退换成前进。刨台即按此方式循环工作。SQ2、sQ1分别起前进、后退的限位保护。
     为满足龙门刨床的加工要求，要求工作台具有调整的正反向点动控制和正常工作时的自动往返控制，并能进行低速的磨削工作。控制电路除包括刨台的往返运动外，还有刨台运动与横梁、刀架之间的配合。为简化控制电路，减小维护工作量，可采用PLC作为控制元件与变频器结合实现刨床的自动化控制。
     6.2  控制电路
     以下是刨台往返运动的PLC变频调速控制电路图。其中PLC采用三菱FX系列，变频器采用的是台安V2系列。
     图中，SB1、SB2为起、停按钮SB3、SB4为正反向点动按钮；SB5为故障复位按钮。SQ1～SQ6为刨床上六个行程开关，X13接变频器故障输出端R2A，控制Y11、Y12；系统总起动由SA控制。
     
     图5  主拖动系统PLC变频调速接线图
     PLC输出信号中，Y0、Y1控制电动机正反向循环运转、点动及停止；Y2、Y3、Y4控制变频器三档转速，即低速(刨刀切入、刨刀退出、反向前)、中速(刨削加工速度)、高速(空刀返回)，Y10控制接触器KM，使变频器得电，PLC程序中，应使Y10动作后，Y0、Y1才能动作；Y11、Y12为变频器故障时进行声，光报警，同时应切断Y10的输出。
     7  结束语
     以上介绍了龙门刨床主运动系统的变频调速改造。经此改造，能大大简化主拖动系统，减小维护工作量，提高运行可靠性。龙门刨床的整个电气系统可在此基础上进行，根据系统所需I/O点数，选择合适的PLC型号，对应接线，并修改程序即可。
     参考文献
     [1]  赵明．工厂电气控制设备[M]．北京：机械工业出版社，1999
     [2]  张燕宾著SPWM．变频调速技术[M]．北京：机械工业出版社，1999
     [3]  原魁，刘伟强著．变频器基础与应用[M]．北京：冶金工业出版社，1999
     [4]  胡幸鸣主编．电机与拖动基础[M]．北京：机械工业出版社，1999
     [5]  台安V2变频器使用手册．