B2152A型4 m龍門刨床變頻升級改造及技術應用*

史慶義,王玉成

(甘肅嘉恒產業發展(集團)有限公司,甘肅 嘉峪關 735100)

0 引 言

隨著國家節能降耗政策的實施,一些高耗能的電器設施正在逐步淘汰。B2151A型4 m龍門刨床原有驅動是采用直流發電機組進行直流驅動供電,此電機驅動方式耗能較高。因此,對B2151A型4 m龍門刨床進行“三化”升級改造勢在必行。如果單獨更換電機,則只是從硬件上進行了局部更換,沒有對原有陳舊的控制方式和運轉系統進行改造,因而無法從根本上解決設備缺陷問題,起不到節能降耗的根本作用。采用變頻電機控制設備運行,同時對其他輔助電器進行升級改造,可保證設備按照原有工作模式運行,并可延長設備的使用壽命,以達到節能降耗的目的。

為了解決目前4 m刨床運行過程中存在問題以及控制方式的繁雜和陳舊導致的故障率居高不下等問題,筆者通過對舊式龍門刨床的電氣自動化升級改造,探討了此種設備的升級改造模式。在改造過程中,重點更換了普通繞線式高耗能電機、改變了控制方式,引入了先進的 PLC和變頻器等設備,同時調整了原有的大量接觸器頻繁參與吸合的模式。此次改造對高耗能繞線式切電阻運行模式進行淘汰和替換,將傳統直流電機改造為節能型變頻電機,并運用變頻器控制其VF運行模式。現場實際驗證表明,此次改造達到了降本增效、節能降耗的目的[1]。

1 存在問題

正常工作中,加工件固定于工作臺上,當啟動龍門刨床后,工作臺帶著工件通過門式框架作直線往復運動,不切削的空行程速度略大于工作行程速度,因此工作臺與加工工件必須固定牢靠。工作臺需要頻繁地進行往復運動,電機需要不停地做正反轉運行,刀架在切削時放刀,空運行時送刀,并且切削加工只在工作行程中進行。工作臺返回行程時,設備處于空載狀態,因此刨床加工效率低下。從圖1所示的刨床工作時序圖中可以清晰反映出刨床工作時的狀況。

圖1 刨床工作時序圖

圖1中各個時段的工作狀態為:①0～t1為工作臺前進起動階段; ②t1～t2為刀具慢速切入階段;③t2～t3為加速至穩定工作速度階段;④t3～t4為工作速度階段;⑤t4～t5為減速退出工件階段;⑥t6～t9為返回階段。

從刨床工作時序圖可以看出,工作行程和空載返回行程時間相差不大,這是刨床工作效率較低的主要原因。

2 升級改造的方案重點

2.1 刨床往復運動限位的電氣控制改造

原有老舊刨床切削往復運動通過工作臺來回撞擊外置硬限位來實現,工作臺側面安裝3個機械限位,其中2個往復限位,1個終端限位,此方式故障率高并且控制精準度低下。一旦機械限位失靈,只能撞擊設備兩邊的終端硬止擋。此次升級改造中,在刨床工作臺的側面合適的中間位置安裝5個紅外線感應限位,以實現運動時左右兩邊先減速再停車的功能;中間1個終端事故限位,既實現了設備往復的減速、換向的精準控制,而且不用往復撞擊硬限位,從而降低了故障率,并且也提高了設備本質安全性能[2]。

2.2 刨床刀架電氣控制改造

刀架采用抬刀線圈控制放刀和松刀,刀架通過電磁轉換來控制,而交流電對磁感應控制效果不好,因此必須用直流電進行磁感應控制。設備線圈控制采用了220 V直流供電。由于原有直流驅動電機為高耗能電機,已經淘汰,為了低成本產生直流電,在配電柜內安裝一臺交流380/220變壓器,將電壓降低為220 V交流電,再安裝一個整流模塊,將220 V交流電直接轉換成220 V直流電,降低投入成本并實現抬刀線圈的直流控制。

2.3 傳動電機的控制改造

B2151A型4 m龍門刨電機采用擴大機、直流發電機、直流電動機、交流電動機組成的電機系統進行工作。其電機運行模式非常龐雜,設備功率損耗非常大,龍門刨床電機總功率132 kW,屬于高耗能驅動電機的范疇。此次升級改造,將原有電機系統全部拆除,更換為機床專用節能高效型變頻制動電機,合計功率75 kW,直接減少了5 kW的電機損耗,并且采用變頻器VF調速模式+簡易PLC運行控制組合方式,將高能耗、龐雜的電機控制系統徹底淘汰。

3 改造設備的選擇及配置

3.1 主電機及變頻器的選用

主電機選用機床專用頻繁正反轉變頻調速電動機,額定功率選用60 kW。變頻器選用機床專用大力矩變頻器,為了保證控制的精準度和符合機床運行要求,選用額定功率75 kW的變頻器進行控制,并且變頻器內部帶有簡易PLC控制程序,如圖2所示。

圖2 變頻器控制回路電氣原理

3.2 變頻器的選用及配置

變頻器多功能數字端子S1～S5的信號來自限位開關,外部安裝設備選用60 kW制動單元以及30 Ω、5 000 W輸出的制動電阻進行設備運行制動限流,電氣原理如圖3所示。

圖3 改造后刨床工作臺運行電氣原理

3.3 變頻器參數設定

變頻器配置功能參數如表1所列。電氣系統改造完成后,需要按照電機及運行模式進行變頻器的參數設定,參數的設定優劣對設備的高效運行起著至關重要的作用。

表1 變頻器參數

4 升級改造前后對比

設備改造前,龍門刨床采用發電機、電動機調速系統拖動直流發電機組和直流電動機組,并且由擴大機控制發電機組的勵磁系統才能達到30∶ 1的傳動要求,它是機床簡易粗調速系統。進刀機構采用抬刀線圈控制進給,由于線圈控制時有粘連發生,使機床加工精度低、噪聲大、設備體積大、耗電量多、故障率高,維護起來非常困難;并且這種系統耗能非常大,設備正常工作需要整套電機系統全部運行,噪音大,電能浪費嚴重[3]。

此次采用的機床專用矢量型變頻調速系統改造,改造以后系統運行穩定、精度高(±0.2% 最高轉速)、設備可靠性強、運轉噪聲底、控制系統維護簡單方便、調速范圍可達800∶ 1,節能效果預計可達35%以上。并且系統運行所需的直流電不再用發電機組供電帶動直流電機運行,而是直接采用變壓+整流模式,極大地降低了制造成本和場地占用;而且通過更換不同的刀具就可使刨床變為銑床使用,提高了加工精度。工作臺的速度不隨切削量的變化而變化,設備加工精準度小于2%, 機床專用變頻調速自帶的多段速度控制功能+PLC簡易控制功能,能夠很好地滿足速度往復及加減速自動控制的要求,提高了加工質量與效率,并且延長了刨刀的使用壽命[4]。

5 結 語

B2151A型4 m龍門刨床電氣自動化升級改造,淘汰了原有的高耗能調速直流電動機組的控制方式,降低了能耗指標,通過機床內部改造和運用先進的變頻控制技術,實現了刨床的精準定位控制,實現了簡易的PLC程序控制。此次改造提高了刨床機械加工的精度及加工效率,降低了能耗能本,實現了智能化的設備改造。