龍門刨床技術改造應用分析

常汝剛

（山東金嶺礦業機械廠，山東 淄博 255081）

1 引言

原B2020 龍門刨床的工作臺驅動由交流機組、直流發電機組、直流電動機組及交磁擴大機組成，控制調速系統為接觸器-繼電器系統。因當時的技術條件限制，整個系統存在以下問題：（1）設備使用時間已久，電器控制元件嚴重老化，設備故障率高，維修量大，維修費用大。（2）調速范圍小，精度、加工工件的表面質量差。（3）效率低，能耗高。（4）低速易爬行，不穩定。（5）控制部分體積大，運行噪音大。為此，決定對該設備進行技術改造。

2 技術改造方案比較

目前舊龍門刨床的改造方案主要由主軸調速方案和相配套PLC 程序控制組成。主軸調速方案主要有可逆直流調速、交流變頻調速、開關磁阻調速電機調速三種方案。（1）直流調速改造方案。系統主要由PLC 程序控制器、直流電機、可逆直流調速器、測速發電機（數字編碼器）等組成，可保留刨臺傳動直流電機（或更換新的、效率較高Z4 系列直流電動機）。（2）交流變頻調速改造方案。系統由PLC 程序控制器、通用變頻器、交流電動機（如Y315S-8）、測速器等組成閉環系統。（3）開關磁阻調速電機調速方案。系統由PLC 程序控制器、開關磁阻調速電動機等組成，開關磁阻調速電動機（Switched Reluotance Drive，SRD），主要有開關磁阻電機、功率變換器、控制器與位置檢測器四部分組成。

按以上三種方案，以55kW 電機電氣控制、相同PLC配置成本、調速范圍、額定轉矩/低速轉矩、維護工作量、可靠性幾方面比較見表1。

3 技術方案具體實施

經過綜合分析，擬采用直流調速改造方案，具體方案如下：主軸傳動采用全數字直流電機調速系統。采用PLC可編程序控制器控制。增加銑削功能。

表1

整個系統主要由PLC 程序控制器、直流電機、可逆直流調速器、測速發電機、銑刨一體變速箱、7.5kW 銑頭等組成。

（1）主軸調速部分。電機Z4-200-31直流電動機、ETD790全數字直流調速器、ZYS-100A 直流測速發電機做控制反饋、FX1N-60MR 編程序控制器等組成系統。因ETD790全數字直流調速裝置是直接三相交流輸入，直流輸出的邏輯無環流的可逆調速系統，需要配套三相交流進線電抗器，4只快速熔斷器及輸入接觸器。采用2只10kΩ 電位器分別用于前進和后退速度設定，而且速度可無級調節；另外保持正、反向點動及加減速的多段速度功能，點動速度可用軟件設定，加減速過程中的多段速度用內部數學運算方式來實現。電動機正、反向換向采用回饋制動方式，電能回饋電網；正、反向自動多段斜坡加減速，減少機械沖擊。

（2）銑刨選擇。因銑削功能需要的變速范圍大，一般＞40，故選用銑刨一體變速箱，通過箱體上的操縱手柄來選擇銑或刨，通過控制按鈕站來控制7.5kW 銑頭。

（3）工作臺換向。工作臺換向的6個限位開關改為光控無觸點接近開關。

（4）電氣控制系統。原潤滑油泵電機的起動/停止，垂直刀架運動、側刀架運動、橫梁升降電機的起動/停止及自動回升的正反轉、與工作臺的保護聯鎖、時間聯鎖等，采用PLC 可編程序控制器及輸出繼電器模組。這樣，使用過程中可通過察看PLC的輸入/輸出指示燈很容易判斷各控制點的工作狀態，查找故障快捷方便。繼電器輸出模組帶有輸出指示、保護熔電器，熔斷器熔斷指示、阻容吸收保護，用于隔離PLC 輸出與負載，以及進行多重保護。

抬刀控制、垂直刀架與側刀架的工作與快移仍采用原來的工作方式，但由PLC 來完成聯鎖控制。

4 實施效果經濟分析

4.1 設備改造涉及的主要技術經濟指標

與原設備比較，主要技術經濟指標有所提高：①交直流機組更換為高效直流電機，電氣效率由原來的58%提高到現在的88%，提高效率30%；②電機功率降低5kW；③故障率減少，大大降低了維護保養費用；④增加了銑削功能，可調速范圍大，提高了工件加工質量及精度，提高設備綜合效率20%。

4.2 設備改造技術經濟計算

按兩班制，龍門刨床一年運轉天數240d，工時單價50元/h，工業用電平均電價0.75元/kW·h。

（1）年節電量

降低功率節電量：

5kW/h×16h/d×240d/年×0.75元/kW·h=14400元/年

提高電氣效率：

［60kW/h×（1-58%）-55kW/h×（1-88%）］×16h/d×240d/年×0.75元/kW·h=53568元/年

年節電量：67968元/年

（2）提高設備綜合工時效率，增加產值

50元/h×16h/d×240d/年×20%=38400元/年

（3）故障率降低，節約維護費

據統計，年節約維護費5000元，與原設備比較年提高價值：111368元/年。

4.3 設備改造實施前后的統計數據對照及應用效果

項目實施前、后的數據統計見表2。

B2020 龍門刨床技術改造采用目前成熟的直流調速技術。從方案論證、設計選型、實施到現在已兩年，系統運行穩定，節能及效率提高明顯。項目數控改造投資8.9萬元，當年收回投資。

表2

5 結語

直流調速是目前成熟的技術，具有調速性能好、調速控制電路簡單、可靠的特點，B2020 刨床技術改造后比原系統具有以下優點：（1）電機的啟動電流小，啟動力矩大，對電網無沖擊。（2）系統閉環控制，動態響應快，滿載無降速。（3）系統全數字控制，具有斷電保護功能，避免工作臺在意外停電時沖出床身；同時具有多種自保護功能，可靠性高。（4）制動轉矩大，換向時越位距離小，返程速度快，提高了加工效率，也為類似設備改造提供了借鑒。

［1］史步海，張選正.特種電動機調速控制技術及應用［M］.廣州：華南理工大學出版社，2010.

［2］鄭萍.現代電氣控制技術［M］.重慶：重慶大學出版社，2001.