交流異步伺服系統(tǒng)在龍門刨銑磨中的應(yīng)用

張莉軍 杜宏祺

（齊重數(shù)控裝備股份有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161005）

1 概述

龍門刨是一種通用型的大型機床。作為五種最基本的加工方式之一，刨床被廣泛應(yīng)用于平面加工領(lǐng)域，目前大多數(shù)的機床（包括:刨床、車床、銑床、落地鏜、注塑機等）的床身加工都要用到這種機床。早期的龍門刨其電路設(shè)計主要采用傳統(tǒng)的發(fā)電機組+直流電動機形式。由于這種電路效率極低，噪聲也很大，隨著電子技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)被淘汰了。同時，龍門結(jié)構(gòu)作為最通用的形式，為了充分利用其改裝的便利性，龍門刨被增加了銑削和磨削的功能，這樣就要求龍門刨同時具有高速刨削和低速銑削的功能。

目前的調(diào)速系統(tǒng)，如:變頻調(diào)速、直流調(diào)速、開關(guān)磁阻調(diào)速等，都達(dá)不到很高的調(diào)速范圍，這樣給機械設(shè)計和安裝增加了許多困難。交流異步伺服系統(tǒng)是基于變頻調(diào)速基礎(chǔ)之上的全閉環(huán)控制系統(tǒng)，其最根本的特性就是調(diào)速比寬，普遍配套在數(shù)控驅(qū)動部分，實現(xiàn)精密調(diào)速及位置控制。時光交流伺服系統(tǒng)具有1∶20 000以上的調(diào)速比，完全滿足這種龍門刨銑磨的調(diào)速要求，大大簡化機械結(jié)構(gòu)，而且在改造應(yīng)用中也可以輕松達(dá)到刨改銑的功能。

同時，時光伺服系統(tǒng)作為智能伺服系統(tǒng)，獨有的內(nèi)置PLC實現(xiàn)了整個龍門刨系統(tǒng)的一體化設(shè)計，使所有功能都集成到伺服系統(tǒng)中，使得安裝、維修等工作變得非常簡單。伺服系統(tǒng)獨有的位置控制功能，改變了原來系統(tǒng)靠換向開關(guān)換向的設(shè)計，通過位置控制實現(xiàn)了無換向開關(guān)運行，有效減少了原有龍門刨系統(tǒng)的故障點。

2 時光交流異步伺服控制器在龍門刨主拖動改造中的應(yīng)用

如何用好伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)對機床的一體化控制方案，使機床操作靈活方便，工作穩(wěn)定可靠，是一個研發(fā)課題，必須加以重視。以下是我們在龍門刨銑磨中應(yīng)用的成功案例。這個方案集中解決了4個方面的問題。

2.1 提升性能節(jié)能降噪

采用時光交流異步伺服系統(tǒng)，有效地利用了交流伺服系統(tǒng)的寬調(diào)速比。時光伺服系統(tǒng)調(diào)速比大于1∶20 000，簡化了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，機械的簡化還可以有效地避免機械爬行現(xiàn)象的發(fā)生。時光伺服系統(tǒng)同時還具有2倍過載的高過載性能，使切削力更大，運行更快更平穩(wěn)，異步電動機獨有的柔和特性使數(shù)噸重的工作臺在換向時不會出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象。

采用交流伺服系統(tǒng)后有效地實現(xiàn)了節(jié)能降噪。時光伺服系統(tǒng)可以使電動機效率提高到90%以上，而且噪聲遠(yuǎn)小于直流系統(tǒng)以及開關(guān)磁阻系統(tǒng)。

幾種常見系統(tǒng)的性能對比見表1。

表1 常見伺服系統(tǒng)性能對比

2.2 功能的一體化設(shè)計

龍門刨驅(qū)動系統(tǒng)是一個比較簡單的小系統(tǒng)，原來的實現(xiàn)方式有兩種，一種是通過硬件中間繼電器搭建，另一種是通過PLC編程實現(xiàn)。前一種硬件電路復(fù)雜，不但安裝麻煩，而且故障點多;后一種不但增加了成本，而且PLC功能沒能得到充分利用。

時光伺服系統(tǒng)獨有的內(nèi)置PLC功能，完全解決了這種狀況。利用伺服系統(tǒng)可編程功能實現(xiàn)對整個機床的控制，包括抬落刀，間歇、快速進刀，以及橫梁的升降等，真正實現(xiàn)了集成控制。兩路模擬量輸入可自定義編程，從而實現(xiàn)了工作臺正反方向分別調(diào)速，適應(yīng)了龍門刨的工作要求。通過功能的集成最大地減少了故障點，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上就能看出明顯優(yōu)于多硬件結(jié)構(gòu)和PLC+驅(qū)動結(jié)構(gòu)。

2.3 實現(xiàn)無換向開關(guān)運行

以往的龍門刨系統(tǒng)在換向時都使用換向開關(guān)，換向開關(guān)的質(zhì)量直接關(guān)系整個系統(tǒng)的運行，一旦換向開關(guān)出現(xiàn)故障整個系統(tǒng)將不能正常工作，甚至?xí)霈F(xiàn)危險狀況，同時換向開關(guān)作為系統(tǒng)中工作最頻繁的器件故障也是最多的。

伺服電動機可實現(xiàn)位置的全閉環(huán)控制，從而為無換向開關(guān)控制提供了條件。使用時只需要先設(shè)定好加工工件的前端和后端（或者設(shè)定好工件起點和工件長度）就可以輕松實現(xiàn)無換向開關(guān)換向。這樣有效地避免了原有系統(tǒng)的常見故障，而且由于全程采用了位置控制，使得換向更加平穩(wěn)。

2.4 優(yōu)化人機界面

時光伺服控制器還可以獨立與觸摸屏通訊，通過觸摸屏實現(xiàn)龍門刨的位置、速度等信息的顯示，另外如工件長度等數(shù)據(jù)也可以通過觸摸屏設(shè)定，優(yōu)化了人機交互的界面，減輕了工人的勞動強度。手脈微動功能更使工人在對刀時能夠準(zhǔn)確、快捷。

3 應(yīng)用方案

3.1 功能概述

（1）工作臺運動?？刂乒ぷ髋_電機正反運行，實現(xiàn)點動、自動正反運動。

（2）雙向分別調(diào)速。根據(jù)龍門刨的特點，通過兩路模擬量輸入實現(xiàn)雙向分別調(diào)速。

（3）進刀控制。根據(jù)機械需要可以控制進刀箱進刀、延時進刀、以及伺服進刀機構(gòu)。

（4）抬落刀控制。工作臺正向運行時落刀，反向運行時抬刀。

（5）橫梁升降控制?？刂茩M梁的升降，包括橫梁的升降動作、橫梁的放松鎖緊動作以及橫梁下降后反升動作。

（6）手脈微動功能。通過手搖脈沖發(fā)生器控制工作臺實現(xiàn)微動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)銑削對刀。

3.2 接口圖

接口圖見圖1。

3.3 接口定義

接口定義如下。

（1）輸入口

C4D0:正向點動

C4D1:反向點動

C4D2:正向自動

C4D3:反向自動

C4D4:停止

C4D5:橫梁上升

C4D6:橫梁下降

C4D7:橫梁鎖緊

C5D0:起點設(shè)定（或正端換向開關(guān)）

C5D1:終點設(shè)定（或反端換向開關(guān)）

C5D2:手脈選通

C5D3:備用

（2）輸出口

C0D0:抬刀/落刀

C0D1:位置指示（或自動指示）

C0D2:橫梁上升

C0D3:橫梁下降

C0D4:橫梁放松

C0D5:橫梁鎖緊

C0D6:進刀信號

C0D7:退刀信號

（3）模擬量輸入

AD0:正向速率給定

AD1:反向速率給定

GND:模擬量地

3.4 程序框圖

程序框圖見圖2。

4 結(jié)語

通過研發(fā)與實踐，并經(jīng)多年在大型龍門刨上的使用、驗證，國產(chǎn)交流異步伺服系統(tǒng)專項技術(shù)的應(yīng)用取得良好效果。由時光交流異步伺服控制器構(gòu)成的機床交流伺服系統(tǒng)充分體現(xiàn)了當(dāng)代伺服技術(shù)的先進性。采用國產(chǎn)數(shù)字化的伺服系統(tǒng)和電動機，完全能發(fā)揮出最高的技術(shù)水平和最大的經(jīng)濟效益。