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1、概述

龍門刨床是機加工行業的一種常用加工設備。其主傳動的作用是帶動工作臺實現低速吃刀和退刀、以工作速度切削、高速返回及點動等動作，以滿足刨床的工藝要求。顯然，其性能優劣直接關系到刨床的工件加工質量和生產效率。因此，刨床對床身主傳動直流電機控制系統有較高的要求：

1適於頻繁起動、制動和反轉，並要求起動、制動過程平穩快速；

2靜差率要求高，從空載到突然吃刀加載引起的動態速降不大於3%，且短時過載能力強；

3調速范圍寬，適應低速、中速刨削和高速返程的需要；

4工作穩定性好，往返位置準確。

2、原設備概況：

2.1設備參數：

龍門刨床型號為B2016A型，加工長度6m，最大加工寬度1.6m,加工高度 1.5m。

○主拖動設備（直流電機）

功率60KW，電樞電壓220VDC，電樞電流305A，勵磁電壓DC220V，轉速1000r/min。

○直流發電機（由交流電機拖動發電）

功率：70KW，電壓：230VDC，電流：305A，勵磁方式：他勵，220V；轉速：1450r/min。

○勵磁機：

功率：3.5KW，勵磁電壓：230VDC，勵磁電流：15.2A。

○擴大機

功率：1.2KW，電壓：115V，電流：10.4A。

2.2工作原理：

由交流電機拖動直流發電機發出直流電，供給主直流電機，通過減速箱三級變速,輸出力矩給傳動軸,由傳動軸帶動斜齒輪及工作臺齒條傳遞動力,通過行程開關及機械撞塊進行換向,使工作臺來回運動,並控制刀架進給離合器的工作狀態和刀架的抬刀線圈通斷狀態進行工作。工作臺變速機械檔位有兩檔，為手柄轉換，通過電位器進行無級變速，一檔速度為4-40m/min，二檔速度為8-80m/min，橫梁升降為按鈕站按鈕手動控制。升降前先自動松開夾緊機構，到位後自動夾緊，導軌潤滑方式為單點稀油潤滑方式。

其主傳動電控采用的是機組拖動，即：直流發電機—電動機（F—D系統）。F—D系統由機組原動機、電磁擴大機原動機、激磁機等組成。該系統采用二十世紀四十年代的可控變流技術，原理是由交流電動機帶動直流發電機發電，其輸出的直流電壓直接加在直流電動機的電樞，用激磁機提供直流電動機磁場電流。通過調節發電機激磁電流，改變發電機輸出電壓，達到調速的目的。改變發電機的磁場方向，達到正反轉的目的。

2.3主要存在的問題是：

① 這種系統由於包含兩臺與調速電機容量相當的旋轉電機及一臺擴大機和激磁機，所以存在設備多、占地麵積大、效率低、電耗高、噪音大等缺點；

② 由於采用調節激磁電流的方法調速，造成直流電動機響應時間慢、運行精度差、調速范圍小；

③ 由於調速系統結構復雜，工作過程控制全部采用繼電器，刨臺前進、後退、升速、減速控制通過行程開關及機械撞塊進行換向，再去控制繼電器，由於繼電器動作頻繁，觸點經常出現粘連，或閉合不好，造成控制系統可靠性低、導致工作臺發生故障，損壞設備，維護維修工作量大。同時造成設備停產，影響加工，致使生產效率低下。經過二十多年的運行，設備故障多、電氣已嚴重老化，系統可靠性差，調速不穩定。最近幾年經常出現故障，造成停機，且該系統維修困難，又無備件，已經無法徹底修復。

④ 能耗高，每小時耗電80-90度。浪費電力，運行成本高。

⑤ 不利環保，噪聲大。設備工作過程中產生的噪聲達100分貝以上。

針對以上問題，我公司設備部就該設備存在的問題提出瞭機床改造方案，並對其工作臺主傳動電控系統進行瞭全數字化改造。

3、主傳動電控系統的全數字化改造

3．1 刨臺傳動改造思路

取消原交流主電機、直流發電機、勵磁機、電機擴大機等輔助設備，保留原主拖動直流電機，電機與刨臺之間利用減速箱變速。示意見圖1。

3．2 590C全數字直流調速裝置

根據負載的要求，我們選用英國歐陸公司生產的590C全數字直流可逆調速裝置取代原來的（F—D）系統。590C框圖見圖2。

590C裝置屬於英國歐陸公司最新的全數字直流調速器，它是智能型、全數字式可控直流調速裝置。它能提供可控的0~±400V直流電壓輸出，特別適合於直流他激電動機和永磁電動機的四象限電樞電壓控制及磁場控制。以滿足加工工藝對電機的調速要求，主要特點如下：

1：體積小，結構新穎；

2：多款通訊功能模塊可供選擇，例如PROFIBUS，MODBUS，DEVICENET，EI-BISYNC，link等；

3：高分辨率的模擬輸入輸出點，12bit；

4：簡易控制盤，提供本機/外部信號模式；本機操作模式方便於初次使用和調試；

5：選用測速發電機板或光電編碼器板做為速度反饋；

6：接線簡單；

7：用軟件形式來定義電樞/磁場電壓/電流；

8：具有先進的電流環自整定、自適應調節器功能，使得用戶在電流環的參數整定方麵變得十分方便。用戶隻需將被控電機的額定電壓、電流和測速機的參數輸入到590C裝置，即可完成電流環參數的自整定和電流環的自調節功能。

9：采用16位微機實現瞭調速系統雙閉環調節的數字化控制；

①參數的設置、修改全由鍵盤輸入，用高清晰度的液晶界麵加以顯示。故障時，系統能自動跳閘保護自己，還能顯示故障原因，方便用戶維修。

②具有自動跟蹤電網相序功能，省掉瞭電源相序判斷硬件。CPU產生數字觸發脈沖，取消瞭老式的十二塊觸發電路，提高瞭系統的觸發可靠性，還節省瞭觸發電路硬件開支，降低瞭裝置成本。

③590C內部具備20A的磁場控制功能，實現恒功率調速的要求。

10：先進的速度環控制算法，使裝置具有寬達1:100的調速范圍；

①16位微機的高速處理功能，使得數字式PID算法接近模擬PID控制。

②電流環的自適應控制功能，較好地解決瞭晶閘管電路在電流斷續時，輸出特性出現非線性問題，保證瞭系統在輕載時不出現轉矩抖動現象。

③具有反電動勢（BEMF）的估算功能，提高瞭裝置的觸發控制精度，擴大瞭系統的調速范圍。

11：該裝置比其它調速裝置具有以下優勢：

①性能穩定，故障率低。該系統采用全數字式模塊結構，集成度高，保護嚴緊。一旦出現故障，或輸入不正常，即封掉脈沖，再切斷主電源。

②調試簡單。該調試分為兩部分，一為硬件調試，即通過麵板上電位器或撥動開關，按拖動電機銘牌，設置輸出電壓、電流等額定值。二為軟件調試，按照人機操作界麵的提示，對各項參數進行細調。

③查錯容易。該系統有一液晶顯示的人機界麵，它自動顯示第一次故障類型，也可以對控制裝置內的所有報警、輸入和主要軟件塊進行診斷。前麵板上的發光二極管顯示，可及時指示傳動裝置和主要輸入的狀態。極大地方便瞭檢修。

3．3 用可編程控制器PLC改造繼電器控制電路

在龍門刨床的工作臺返往控制中，為瞭克服由於工作臺往返頻繁造成的機械齒輪沖擊，需要有“軟換向”功能，為瞭防止刀具撞工件，需要有低速慢切入功能，為此，刨臺的操作過程控制要求有六個觸點開關L1~L6分別發出刨臺前進時的減速、換向、前進終端三個信號，刨臺後退時的減速、換向和後退終端三個信號，這些信號原為機械撞塊撞擊有觸點行程開關控制相應的繼電器，由於動作太頻繁，經常出現故障，且難以檢修，為此我們對其進行改造，改為六隻無觸點感應開關，直接將信號輸入PLC,取消瞭繼電器。原繼電器框圖見圖3。

在本系統改造中，考慮到費用問題，我們隻對上述故障率最高的刨臺往返控制采用PLC來取代，再加上590P直流可逆調速系統自身的控制設計，所以選用瞭80個點的PLC（FX2N）。具體硬件框圖如圖4所示。

由圖4所示，PLC輸入點主要采集電源、按鈕站、有觸點行程開關、機械終端限位、油壓開關以及接觸器觸點信號，共計26個點。PLC輸出點主要控制590P、速度給定控制板、信號燈以及刨臺過程控制接觸器線圈，共計24個點。設計中，我們將輸入點的所有COM端相連，並接至電源24V負極，將輸出點共電源的COM端相連，與各自電源地點相連。設計完成後的PLC與590P總體框圖見圖5。

新系統安裝完畢後，我們還專門設計瞭一套全封閉式電櫃，並配置一臺空調，保證瞭系統在一個恒溫，無塵的環境下運行。

3．4 PLC控制的軟件流程圖

在編寫PLC程序之前，首先根據控制電路框圖設計PLC控制的軟件流程圖，見圖6。循著流程圖的思路，可以使編寫的程序結構緊湊、嚴謹。程序編制完成後，首先在下麵進行動作順序調試，同時關註一些時間常數的設置，由於PLC不同於繼電器控制，它的一個掃描周期是相當短的，在PLC輸出控制繼電器線圈時，就必須考慮防止出現誤動作。之後，進行聯機調試，進一步發現問題，隨時修正程序。在PLC的選型上，也應考慮這一點，預留輸入輸出點，以備不時之需。

4、結語

該系統自2006年8月改造至今，每天兩班工作，隻出現過幾次小故障，如油壓不足，行程開關壞等，都是通過PLC很快獲得診斷，給維修人員帶來很大的方便，也大大提高瞭機床的使用效率。實踐證明這臺設備的改造是成功的，短期的投入獲得瞭長遠的效益。

龍門刨改造：電氣系統改造

    改型為龍門刨銑床

龍門刨電氣改造實例：

簡述：12米龍刨主傳動部分(工作臺)是主要能耗，它采用直流發電機組拖動2臺60KW的直流電動機，也是整臺設備的故障高發地。其他部分(如橫梁進給、走刀等)可忽略不計。經改造後，電費成本、工藝性能、工作環境及電網乾擾等均得到顯著改善。以下是B2020型龍門刨(該機床為無錫高壓設備有限公司所有，設備編號為72-26)為例，改造前後的測試實例：

B2020龍門刨床改造前、後有關性能測試報告

一、測試方法及使用機器：

1、測試環境：正常生產情況

2、測試方法：改造前的72-26龍門刨和72-34的龍門刨性能參數相同，在相同工作狀態下測試其性能參數，認定這2臺龍門刨測試參數為72-26龍門刨改造前、後的性能參數。

3、使用機器：

(1)GDP-1型多功能電能平衡測試機   一臺

(2)速度表                       一臺

(3)NDI精密聲級計                 一臺

(4)其他常用機表

二、測試參數：

有功功率、三相電流、三相電壓、功率因素、噪音強度等

三、測試結果：

四、結果分析：

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