龍門式銑床直流調速系統改造

方寬福， 王 營， 夏 青， 趙 曦， 王 斌

（中機生產力促進中心有限公司， 北京 100044）

0 引言

龍門式銑床簡稱龍門銑，是具有門式框架和臥式長床身的銑床。 龍門式銑床上可以用多把銑刀同時加工表面，加工精度和生產效率都很高，適用于成批和大量生產中加工大型工件的平面和斜面。 對于數控式龍門銑床，還可以加工空間曲面和一些特種零件。 龍門銑的種類有很多，其中龍門銑X2020 是北京第一機床廠70 年前試制的大型龍門銑，經過20 多年的使用，電氣元件老化、故障不斷、每次維修既浪費時間又影響正常生常進度，為確保該機床的正常運行，現需對直流調速系統系統進行局部改造。

1 龍門銑調速系統精度要求

根據龍門銑進給系統的加工要求，工作臺直流電動機功率為13kW，要求調速范圍為D=30，靜差率為δ<15%，左垂直、左水平銑頭，右垂直、右水平銑頭，四個銑頭進給直流電動機功率為4kW，調速范圍要求D=60，靜差率為δ<15%。

2 直流系統的選用

根據龍門銑的加工情況， 確定用三套單獨的直流調速系統。 工作臺進給電動機功率較大，用一套直流調速系統；左垂直、左水平進給用一套直流調速系統；右垂直、右水平進給用一套直流調速系統。 這樣做可實現左邊銑頭和右邊銑頭有一個能同時進給。 可控硅直流調速系統有可逆系統和不可逆系統，有雙環系統和三環系統之分，選何種系統也是直流調速系統設計的一個關鍵。 由于龍門銑工作臺，銑頭進給運動的正反方向都不頻繁，且都是停止進給運動后才反向的，所以用接觸器實現正反向即可，因此選不可逆系統。 調試范圍，靜差率要求都不高，可采用雙閉環直流調速系統， 主電路為三相全控橋式整流電路。 根據以上要求，調速系統可采用KB-13/100A 直流雙閉環調速系統（工作臺進給）1 套；KB-13/50A 直流雙閉環調速系統（水平、垂直銑頭進給）2 套。

3 主回路元件的選用

KBB-13 直流雙閉環調速系統與X2020 原直流調速系統有一定的差異， 要達到龍門銑要求的靜差率及加工要求， 需要根據調速系統的組成對其主電路元件進行選用計算。 X2020 的三套直流調速系統的工作原理相同，只是元件規格有些差異， 其關鍵部分也就是主電路元件的選用，以下我們就針對工作臺主電路進行分析。主電路原理圖見圖1。

圖1 直流調速系統主電路原理圖

3.1 工作臺電動機D 選用

原機床的工作臺電動機尚未損壞， 因此本次改造選用原機床電動機規格型號如下：

電機規格：Z2－72 額定功率：Pe=13kW。 額定電壓：Ue=220V 額定電流：Ied=70.7A 額定轉速：Ne=1000r／min 額定勵磁電壓： Ufe=220V 額定勵磁電流：Ife=1.564A。 電機內阻：Ra=0.5。

3.2 變壓器ZB 選用

電動機的額定電壓為Ue=220V， 采用三相半控橋式整流電路，必須使用降壓變壓器，將電源電壓降低。

主變壓器采用△／Y 接法，以保證免受三次諧波磁通及三次諧波電勢的不良影響。 也避免三次諧波電流對電源的影響。

3.3 硅管的選用

負載額定電流70.7A，負載過載倍數取λ＝1.5，通態平均電流計算系數Kfb=0.367。

可控硅的額定電流：

IT=λ×Kfb×ID=1.5×0.367×70.7=38.9（A）

選可控硅KP100-8，數量3 件。

硅整流二極管、 續流二極管的額定電流與耐壓的計算與可控硅相同， 選擇整流二極管為2CZ100A／800V，數量4 件。

3.4 平波電抗器的選用

3.5 制動電阻的RZD 選用

3.6 保護元件的選用

3.6.1 熔斷器RD 的選用

3.6.3 元件側阻容保護

可控硅額定電流100A，電阻，電容經驗數據為：

C＝0.25μF/400V，C4～C10共8 件，R=20Ω/85W，R4～R10共8 件。

4 調速系統構成

KB 系列雙閉環可控硅直流調速系統能夠滿足電動機的起動、制動、正轉、反轉、點動以及靜態、動態指標等要求。 該裝置的系統方框圖見圖2。

圖2 轉速、電流雙閉環直流調速系統

系統使用了速度調節器和電流調節器兩個調節器，電流負反饋加于電流調節器輸入端， 通速度調節器的輸出進行比較，而速度反饋加于速度調節器的輸入端，同速度給定進行比較，所以該系統由兩個調節閉環組成，電流調節閉環，由電流調節器、移相觸發器、脈沖分配器、可控硅、電樞回路、電流互感器、整流器構成。 速度調節閉環，由速度調節器、電流閉環、電動機、測速機構成。

雙閉環調速系統可以對電流和速度兩個參量分別進行調節。 電流調節器用來維持起動、制動電流恒定，使系統在過渡過程中維持最大電流不變，以縮短起動、制動時間。 速度調節器用來維持工作速度恒定。 系統的靜態、動態性能良好，完全可以滿足龍門銑的加工要求。

5 系統的連接

按圖1 直流調速系統主回路原理圖連接主回路各元件之間的導線，要求連接可靠無虛接，接地良好。

按圖3 連接直流調速系統主回路和調速系統之間的連線，要求直流調速系統主回路連接可靠無虛接。

圖3 直流調速系統接線圖

可靠連接調速系統、直流調速系統主回路和 控制電路之間的導線。

6 系統調試

確認系統的連線準確無誤后按以下順序試車。

6.1 絕緣檢查

檢查電動機、測速電機繞組、主回路、控制回路絕緣電阻，用500V 搖表測量，要求絕緣電阻大于2M。

6.2 檢查同步變壓器與主變壓器之間相位

用某一相脈沖信號觸發任意一個可控硅， 用示波器觀察其輸出電壓波形， 如能找到一相的觸發脈沖恰能使輸出電壓波從0°～150°內變化則該相同步電源正確，其它兩相按此進行。

6.3 觸發環節調試

調節觸發電路各電位器， 用示波器觀察觸發電路各點波形及相位正確。 同時觀察輸出電壓波形看三相開放角是否一致，如開放角不一致電壓波形由高有低，調整觸發電路，改變鋸齒波斜率，使各相電壓平衡。

6.4 系統開環試驗（電動機不帶負載）

將電動機接入調節放大器輸入電壓， 使可控硅輸出電壓達到220V，這時電動機轉速應為1000r／min，測速機電壓為51V 左右，如達不到上述兩參數，可調整電動機的勵磁電流。 并測出測速機的極性。

6.5 系統閉環試驗（電動機不帶負載）

將測速機按負反饋接入，開動進給，調節調速手柄，如發現系統振蕩可調節電壓反饋、電流反饋的參數，電壓負反饋的強度URW=60%～70%，電流負反饋的電阻與電容數值，也可調整測速機的反饋強度和電抗器的氣隙大小。

6.6 負載試驗，測機床特性

精確調整雙閉環系統參數使調速范圍1∶60 （20～1000r／min 時，應保證在不同的轉速下靜差率為δ<15%。

7 結論

根據龍門銑X2020 調速系統精度要求， 通過加工情況進行三套單獨的直流調速系統測試， 選用合適的主回路元件，建立轉速、電流雙閉環直流調速系統，經過系統調試，對該龍門銑成功進行改造，為年代久遠的金切機床提供有效的技術支持。