BQ2031A八米刨床低速切削速度不穩(wěn)的傳動電控改造

趙國強

（湖北萬洲電氣集團有限公司，湖北襄樊 441002）

1 八米龍門刨床傳動電控改造概述

2006年11月，我公司承接了山東萊蕪鋼鐵集團機械廠的一臺BQ2031A八米龍門刨床（3.5 m×8 m）電控系統(tǒng)技術(shù)改造任務。

BQ2031A八米龍門刨床是我國武漢重型機床廠上世紀60年代研發(fā)生產(chǎn)的一種大型龍門刨床的主導產(chǎn)品。其在1992年經(jīng)歷了一次電控更新改造，使用了V57數(shù)模混合控制晶閘管可逆直流調(diào)速電柜作為主控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由于沿用半導體分立元件，接插件“翻板”結(jié)構(gòu)，柜體龐大，熱穩(wěn)定性差，且經(jīng)常出現(xiàn)接觸不良問題，致使整個傳動系統(tǒng)的故障率高;更為頭疼的是該系統(tǒng)大量使用模擬元件電路組成的電路板，受現(xiàn)場環(huán)境條件（氣溫、灰塵、信號干擾）等諸多因素影響較大，致使這些模擬電路信號極易產(chǎn)生漂移和失真，尤其是其速度、電流調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)全靠幾個電位器互相配合細調(diào)才能達到最佳效果。調(diào)試時都必須使用示波器監(jiān)視波形才能完成，調(diào)試步驟繁瑣，維護極為麻煩;一旦系統(tǒng)失調(diào)，要經(jīng)過反復試驗才能滿足要求，以至于該電控系統(tǒng)還存在致命性“缺陷”，那就是低速性能差，電動機運行到低速50 r/min左右，工作臺床身就出現(xiàn)抖動，無法滿足該刨床刨臺對大型工件刨磨加工的工藝要求。

此次改造方案的核心要點主要有:

（1）采用歐陸590+全數(shù)字直流調(diào)速裝置驅(qū)動工作臺電動機，取代原V57數(shù)?；旌峡刂凭чl管可逆直流調(diào)速電控系統(tǒng)，并在工作臺直流電動機尾部加裝測速發(fā)電動機，提高穩(wěn)速精度;

（2）其電控邏輯部分采用三菱FX系列PLC取代以往的接觸器－繼電器控制模式，由PLC檢測各路按鈕、限位開關和直流調(diào)速器等信號，按照程序去控制各接觸器及相關執(zhí)行元件;

（3）將原工作臺的行程限位開關更換為電磁感應的接近開關，使性能更趨穩(wěn)定，并延長其使用壽命。

此次技術(shù)改造已經(jīng)成功地滿足了該機床要求調(diào)整的平滑性要好，實現(xiàn)無級調(diào)速，靜差度較小，起、制動時性能既能快速起動和制動，又能保證機械沖擊不致過大，系統(tǒng)穩(wěn)定性很高，時間響應快，且能快速地實現(xiàn)提速、降速和平穩(wěn)地調(diào)節(jié)速度，對于負載的波動和電網(wǎng)的波動有較強的抗干擾能力，良好地實現(xiàn)慢速切入，穩(wěn)速前進切削，慢速切出、快速返回，點動調(diào)節(jié)等刨床的各種加工工藝要求。

2 改造中遇到的技術(shù)難題

上述BQ2031A八米龍門刨床的電控系統(tǒng)技術(shù)改造非常成功，但在此次改造調(diào)試過程中，也遇到了一個較為棘手的技術(shù)難題:那就是該八米刨床一旦加工較長的大型工件時，刨床正常切削速度需要調(diào)整得較慢，但慢速運行低到一定程度時，如一進入前進減速狀態(tài)后，工作臺運行速度不降反升，這就會造成工件加工表面明顯出現(xiàn)刨刀換速的劃痕，影響工件加工質(zhì)量，同時極易引發(fā)工作臺超程越位停車的故障。

3 技術(shù)問題分析

針對該八米龍門刨床工作臺低速切削運行過程中所遇到這一技術(shù)難題，我們決定從龍門刨床的工作臺自動循環(huán)運行的工作特點入手，展開深入的理論應用分析，從中找出問題原因，尋求進一步解決方案。

3．1 龍門刨床自動刨削工作流程描述

在八米龍門刨床的床身右側(cè)導軌下裝有6支行程開關（表1），分別是前進減速、前進換向、前進極限、后退減速、后退換向和后退極限;它們在不同的行程位置使相應的行程開關動作，自動改變工作臺的動作狀態(tài)。

表1 行程開關及輸出信號

BQ2031A八米刨床的工作臺正常進入自動刨削工件時的工作流程（圖1）是:

按下工作臺前進按鈕，主拖動電動機啟動進入調(diào)速狀態(tài)后，拖動工作臺前進，在慢速切身入工件后隨即開至正常工進刨削速度，當工作臺上的前進撞塊通過前進減速接近開關后，工作臺進入減速運行，減速前進運行至換向返回接近開關后，主電動機由慢速減至零速，略有停頓后，迅速反轉(zhuǎn)并加速使工作臺空載高速返回，直至后退撞塊通過后退減速接近開關后，工作臺后退減速至零速，略有停頓后，迅速反向加速至慢切入工作速度，慢切入的行程時間由PLC內(nèi)部控制輸出，當刨刀切入工件后，工作臺由慢切入速度升至正常工進刨削速度，直至前進撞塊又一次通過前進減速接近開關后，工作臺再一次進入減速運行狀態(tài)，如此周而復始，自動往復循環(huán)工作，直至刨削工件完成，按下停止按鈕后，方可停止此自動工作循環(huán)狀態(tài)。

3．2 工作臺循環(huán)工作過程中的關鍵點

（1）慢速切入的目的是避免刨刀切入工件時崩裂工件，同時，也為了減小刀具在切入時所承受的沖擊，延長刀具的使用壽命;

（2）刨削行程末尾減速進入慢速運行切出工件的目的:一是在刨刀切出工件時，也要防止將工件剝落;二是限制主電動機在減速、反向過程中的沖擊電流不致過大，從而減小對機械傳動部分的沖擊，同時最主要目的是給工作臺運行反向前一個緩沖過程，不至于工作臺以過高速度換向造成沖程越位而引發(fā)飛車事故;

（3）高速后退返程階段減速反向的目的是工作臺在高速反向返程過程中的返回速度較高且工作臺的慣性大，很容易造成停車超程（即出現(xiàn)越位現(xiàn)象），為了減小反向時因沖擊力過大而引起的越位和對傳動機構(gòu)的沖擊，還要求有一個減速過程，這樣停車反向再次進入正常工作循環(huán)過程，就會既準確又易于操作。這3個關鍵控制節(jié)點中，最為重要的是前進減速和后退返程減速具體控制過程，而歐陸590+系列直流調(diào)速裝置提供470多個參數(shù)可供調(diào)整，以適應不同的使用場合和不同的負載需求，這些參數(shù)出廠時有一個預設值，使用時絕大部分參數(shù)可不予更改，只對個別參數(shù)加以調(diào)整和設定就可以了，要想實現(xiàn)上述兩種減速功能，就需要變更的主要參數(shù)有:

而決定前進減速和后退返程減速的運行參數(shù)為拉緊1和拉緊2，其百分比設定是針對主電動機的額定轉(zhuǎn)速（Ne）而言的，如果前進減速（拉緊1）設定為29%表明直流調(diào)速裝置運行減速時，是從實際外部模擬電位器規(guī)定的實際運行速度（N1）降至額定轉(zhuǎn)速的29%的速度（29% ×Ne）減速運行，同樣道理，后退返程減速運行原理也是一樣的，無非就是方向不同罷了。

3．3 工作臺前進減速后速度不穩(wěn)的主要原因分析

從以上分析不難發(fā)現(xiàn)，造成八米刨床的工作臺前進換向低速不穩(wěn)的主要原因就在590+直流調(diào)速裝置的速度設定缺陷上了，因為刨床的前進減速設定既要兼顧刨床加工短小工件高速運行減速，又要兼顧加工大型工件慢速減速運行的條件，而590+裝置的減速設定就只有一個根據(jù)額定轉(zhuǎn)速（Ne）的比例設定值（拉緊1）來規(guī)定這一減速速度，其設定值一旦預設不好，就會出現(xiàn)兩種截然不同效果:

現(xiàn)象一:該值如果設定滿足一般的低速切削減速要求時，刨床在高速減速時就會出現(xiàn)減速太猛，工作臺由于慣性經(jīng)常會出現(xiàn)越線超程沖過極限保護而停車;而如果低速減速設定值過低，還會出現(xiàn)由于減速速度過小，減速速度跑不起來，減速后未到換向點就停車了。

現(xiàn)象二:該值如果設定滿足一般的高速切削減速要求后，就會出現(xiàn)上面提到的低速切削的技術(shù)難題了。例如該刨床由于590+直流調(diào)速裝置的拉緊1設定為額定轉(zhuǎn)速的29%的速度（29% ×Ne），而外部模擬電位器設定的實際運行速度N1如果小于拉緊1設定值（即N1＜Ne×29%）時，工作臺在進入工件運行至正常低速刨削時，如遇到前進減速命令，就即刻會從設定運行速度（N1）跳轉(zhuǎn)升速至拉緊1設定值速度（29% ×Ne）下運行，工作臺這時會有一個明顯的不降反升的調(diào)速過程，其危害是顯而易見的。

3．4 解決的思路

既然590+直流調(diào)速裝置的前進減速的參數(shù)設置有這樣局限性，依靠該裝置的點動/慢速區(qū)的這幾個參數(shù)來解決這一棘手問題顯然是不可能的了，因為唯一的前進減速的拉緊1的參數(shù)在八米龍門刨床工作臺運行是不能滿足高、低速兼顧的，而刨床的高速運行減速是非常重要的，這關系到工作臺沖程會否有嚴重事故發(fā)生。所以，前進減速設定在完全滿足高速切削減速要求而進行具體設定后，刨床一旦進入到了低速切削運行時，我們可以分兩種情況區(qū)別對待:

（1）當?shù)退偾邢鬟\行速度高于設定減速速度（N1＞TAKE UP1）時，工作臺實際運行軌跡一切照常，正常接收前進減速限位開關命令后，正常進入減速拉緊1的參數(shù)設定值，執(zhí)行減速運行直至碰到反向限位開關后，及時執(zhí)行反向高速返程命令;

（2）當?shù)退偾邢鬟\行速度低于設定減速速度（N1＜TAKE UP1）時，工作臺實際運行軌跡可以改變以往正常循環(huán)程式規(guī)定，可以在接收到前進減速限位開關命令后，不執(zhí)行進入減速拉緊1的參數(shù)設定值運行狀態(tài)，依然維持原先較為低速的外部模擬電位器設定的速度運行至前進換向限位開關處，直接執(zhí)行反向高速返程命令。

從以上分析就引出了必須有檢測主電動機轉(zhuǎn)速這一判據(jù)問題。主電動機轉(zhuǎn)速反饋是通過測速電動機直接返給590+裝置的測速板，處理后被590+裝置獲取與使用的，而590+直流調(diào)速裝置的調(diào)速控制指令又是來源于三菱PLC程序命令的。既然速度檢測通道不能直接給PLC處理，那么可不可以從590+裝置上找到這樣一種功能，它可以時時檢測主電動機實際運行速度，在裝置內(nèi)設定一個速度判斷點，一旦檢測速度滿足這一重要判據(jù)，就及時輸出開關量信號給PLC，讓其果斷作出不減速（即屏蔽前進減速信號）運行命令，從而解決上述技術(shù)難題。所以，我們重點工作便放在了挖掘歐陸590+直流調(diào)速裝置具體使用功能上了。

4 巧用歐陸590+直流調(diào)速裝置解決技術(shù)難題

590+直流調(diào)速裝置使用手冊中有關靜止章節(jié)中詳細介紹到了靜止控制模塊使用過程，原控制功能是在零速運行時，如果調(diào)速器在零速閾值以下時，靜止邏輯將“使能”，然后電流環(huán)和速度環(huán)將停止，停止調(diào)速器轉(zhuǎn)動，從而防止零速時軸的振動而引起變速箱的磨損。圖2是其邏輯控制圖和模塊輸入輸出功能指示。

從該控制邏輯模塊說明文字中，我們了解到了它完全滿足我們對590+裝置提出的特殊要求:

（1）來自速度環(huán)的速度反饋輸入端口可以完全反映來自測速機檢測主電動機實際轉(zhuǎn)速信號，實現(xiàn)檢測工作臺低速運行速度判斷的門檻問題。

（2）來自設定點的速度設定值輸入端口可以完全滿足檢測主電動機運行速度，并能及時反饋該速度超過設定值時，及時輸出信號報警給PLC做程序處理，從而實現(xiàn)對速度設定臨界判據(jù)的目的。

（3）數(shù)字輸出B5端口也完全滿足判斷完成后，開關量直接輸出的需要。

由此，我們將590+裝置的零速檢測功能巧妙轉(zhuǎn)化成了前進減速預判功能了。在裝置參數(shù)設定上需要變更的主要參數(shù)有:

停止 MIN DEMAND

［011］靜止邏輯 STANDSTILLLOGIC

［012］零閾值 ZERO THRESHOLD 30%

通過在590+裝置中將零速檢測速度設定，讓這個速度略高于拉緊1的前進減速的速度設定，然后，將裝置上的B5數(shù)字輸出端口接上一個繼電器輸出開關量信號給PLC輸入端口，另外在PLC編程上略作一些處理，就徹底實現(xiàn)低速刨削屏蔽前進減速信號保持速度穩(wěn)定換向控制過程。具體改造策略實施見圖3、圖4。

5 實際改造應用效果

2006年11月，我們對590+直流調(diào)速裝置的零速檢測功能模塊進行了各項功能試驗，在完全滿足使用要求的情況下，才運用到了“萊鋼”的BQ2031A八米龍門刨床電控系統(tǒng)中。增添了這一低速刨削檢測速度轉(zhuǎn)換功能后，很好地解決了該機床低速切削速度不穩(wěn)技術(shù)難題，真正實現(xiàn)了“巧用”歐陸590+直流調(diào)速裝置的強大功能，使該八米刨床機械特性變硬，平穩(wěn)性更好，大大提高工件切削表面質(zhì)量，獲得了用戶贊譽。設備使用至今一切反映正常，取得了良好社會效益和廣泛推廣價值。

［1］590+系列直流數(shù)字式調(diào)速器產(chǎn)品手冊［Z］．歐陸傳動系統(tǒng)有限公司HA466461U002．

［2］王兵．常用機床電氣檢修［M］．北京:中國勞動社會保障出版社，2006．

［3］張東立，陳麗蘭，仲衛(wèi)峰，等．直流拖動控制系統(tǒng)［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2006．