B2152A型4 m龍門(mén)刨床變頻升級(jí)改造及技術(shù)應(yīng)用*

史慶義,王玉成

(甘肅嘉恒產(chǎn)業(yè)發(fā)展(集團(tuán))有限公司,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 引 言

隨著國(guó)家節(jié)能降耗政策的實(shí)施,一些高耗能的電器設(shè)施正在逐步淘汰。B2151A型4 m龍門(mén)刨床原有驅(qū)動(dòng)是采用直流發(fā)電機(jī)組進(jìn)行直流驅(qū)動(dòng)供電,此電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式耗能較高。因此,對(duì)B2151A型4 m龍門(mén)刨床進(jìn)行“三化”升級(jí)改造勢(shì)在必行。如果單獨(dú)更換電機(jī),則只是從硬件上進(jìn)行了局部更換,沒(méi)有對(duì)原有陳舊的控制方式和運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行改造,因而無(wú)法從根本上解決設(shè)備缺陷問(wèn)題,起不到節(jié)能降耗的根本作用。采用變頻電機(jī)控制設(shè)備運(yùn)行,同時(shí)對(duì)其他輔助電器進(jìn)行升級(jí)改造,可保證設(shè)備按照原有工作模式運(yùn)行,并可延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命,以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

為了解決目前4 m刨床運(yùn)行過(guò)程中存在問(wèn)題以及控制方式的繁雜和陳舊導(dǎo)致的故障率居高不下等問(wèn)題,筆者通過(guò)對(duì)舊式龍門(mén)刨床的電氣自動(dòng)化升級(jí)改造,探討了此種設(shè)備的升級(jí)改造模式。在改造過(guò)程中,重點(diǎn)更換了普通繞線式高耗能電機(jī)、改變了控制方式,引入了先進(jìn)的 PLC和變頻器等設(shè)備,同時(shí)調(diào)整了原有的大量接觸器頻繁參與吸合的模式。此次改造對(duì)高耗能繞線式切電阻運(yùn)行模式進(jìn)行淘汰和替換,將傳統(tǒng)直流電機(jī)改造為節(jié)能型變頻電機(jī),并運(yùn)用變頻器控制其VF運(yùn)行模式?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證表明,此次改造達(dá)到了降本增效、節(jié)能降耗的目的[1]。

1 存在問(wèn)題

正常工作中,加工件固定于工作臺(tái)上,當(dāng)啟動(dòng)龍門(mén)刨床后,工作臺(tái)帶著工件通過(guò)門(mén)式框架作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),不切削的空行程速度略大于工作行程速度,因此工作臺(tái)與加工工件必須固定牢靠。工作臺(tái)需要頻繁地進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),電機(jī)需要不停地做正反轉(zhuǎn)運(yùn)行,刀架在切削時(shí)放刀,空運(yùn)行時(shí)送刀,并且切削加工只在工作行程中進(jìn)行。工作臺(tái)返回行程時(shí),設(shè)備處于空載狀態(tài),因此刨床加工效率低下。從圖1所示的刨床工作時(shí)序圖中可以清晰反映出刨床工作時(shí)的狀況。

圖1 刨床工作時(shí)序圖

圖1中各個(gè)時(shí)段的工作狀態(tài)為:①0～t1為工作臺(tái)前進(jìn)起動(dòng)階段; ②t1～t2為刀具慢速切入階段;③t2～t3為加速至穩(wěn)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(shí)序圖可以看出,工作行程和空載返回行程時(shí)間相差不大,這是刨床工作效率較低的主要原因。

2 升級(jí)改造的方案重點(diǎn)

2.1 刨床往復(fù)運(yùn)動(dòng)限位的電氣控制改造

原有老舊刨床切削往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)工作臺(tái)來(lái)回撞擊外置硬限位來(lái)實(shí)現(xiàn),工作臺(tái)側(cè)面安裝3個(gè)機(jī)械限位,其中2個(gè)往復(fù)限位,1個(gè)終端限位,此方式故障率高并且控制精準(zhǔn)度低下。一旦機(jī)械限位失靈,只能撞擊設(shè)備兩邊的終端硬止擋。此次升級(jí)改造中,在刨床工作臺(tái)的側(cè)面合適的中間位置安裝5個(gè)紅外線感應(yīng)限位,以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)左右兩邊先減速再停車(chē)的功能;中間1個(gè)終端事故限位,既實(shí)現(xiàn)了設(shè)備往復(fù)的減速、換向的精準(zhǔn)控制,而且不用往復(fù)撞擊硬限位,從而降低了故障率,并且也提高了設(shè)備本質(zhì)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(guò)電磁轉(zhuǎn)換來(lái)控制,而交流電對(duì)磁感應(yīng)控制效果不好,因此必須用直流電進(jìn)行磁感應(yīng)控制。設(shè)備線圈控制采用了220 V直流供電。由于原有直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)為高耗能電機(jī),已經(jīng)淘汰,為了低成本產(chǎn)生直流電,在配電柜內(nèi)安裝一臺(tái)交流380/220變壓器,將電壓降低為220 V交流電,再安裝一個(gè)整流模塊,將220 V交流電直接轉(zhuǎn)換成220 V直流電,降低投入成本并實(shí)現(xiàn)抬刀線圈的直流控制。

2.3 傳動(dòng)電機(jī)的控制改造

B2151A型4 m龍門(mén)刨電機(jī)采用擴(kuò)大機(jī)、直流發(fā)電機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)組成的電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行工作。其電機(jī)運(yùn)行模式非常龐雜,設(shè)備功率損耗非常大,龍門(mén)刨床電機(jī)總功率132 kW,屬于高耗能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的范疇。此次升級(jí)改造,將原有電機(jī)系統(tǒng)全部拆除,更換為機(jī)床專用節(jié)能高效型變頻制動(dòng)電機(jī),合計(jì)功率75 kW,直接減少了5 kW的電機(jī)損耗,并且采用變頻器VF調(diào)速模式+簡(jiǎn)易PLC運(yùn)行控制組合方式,將高能耗、龐雜的電機(jī)控制系統(tǒng)徹底淘汰。

3 改造設(shè)備的選擇及配置

3.1 主電機(jī)及變頻器的選用

主電機(jī)選用機(jī)床專用頻繁正反轉(zhuǎn)變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī),額定功率選用60 kW。變頻器選用機(jī)床專用大力矩變頻器,為了保證控制的精準(zhǔn)度和符合機(jī)床運(yùn)行要求,選用額定功率75 kW的變頻器進(jìn)行控制,并且變頻器內(nèi)部帶有簡(jiǎn)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(shù)字端子S1～S5的信號(hào)來(lái)自限位開(kāi)關(guān),外部安裝設(shè)備選用60 kW制動(dòng)單元以及30 Ω、5 000 W輸出的制動(dòng)電阻進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行制動(dòng)限流,電氣原理如圖3所示。

圖3 改造后刨床工作臺(tái)運(yùn)行電氣原理

3.3 變頻器參數(shù)設(shè)定

變頻器配置功能參數(shù)如表1所列。電氣系統(tǒng)改造完成后,需要按照電機(jī)及運(yùn)行模式進(jìn)行變頻器的參數(shù)設(shè)定,參數(shù)的設(shè)定優(yōu)劣對(duì)設(shè)備的高效運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

表1 變頻器參數(shù)

4 升級(jí)改造前后對(duì)比

設(shè)備改造前,龍門(mén)刨床采用發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)組和直流電動(dòng)機(jī)組,并且由擴(kuò)大機(jī)控制發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)才能達(dá)到30∶ 1的傳動(dòng)要求,它是機(jī)床簡(jiǎn)易粗調(diào)速系統(tǒng)。進(jìn)刀機(jī)構(gòu)采用抬刀線圈控制進(jìn)給,由于線圈控制時(shí)有粘連發(fā)生,使機(jī)床加工精度低、噪聲大、設(shè)備體積大、耗電量多、故障率高,維護(hù)起來(lái)非常困難;并且這種系統(tǒng)耗能非常大,設(shè)備正常工作需要整套電機(jī)系統(tǒng)全部運(yùn)行,噪音大,電能浪費(fèi)嚴(yán)重[3]。

此次采用的機(jī)床專用矢量型變頻調(diào)速系統(tǒng)改造,改造以后系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、精度高(±0.2% 最高轉(zhuǎn)速)、設(shè)備可靠性強(qiáng)、運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲底、控制系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單方便、調(diào)速范圍可達(dá)800∶ 1,節(jié)能效果預(yù)計(jì)可達(dá)35%以上。并且系統(tǒng)運(yùn)行所需的直流電不再用發(fā)電機(jī)組供電帶動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)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(chǎng)地占用;而且通過(guò)更換不同的刀具就可使刨床變?yōu)殂姶彩褂?提高了加工精度。工作臺(tái)的速度不隨切削量的變化而變化,設(shè)備加工精準(zhǔn)度小于2%, 機(jī)床專用變頻調(diào)速自帶的多段速度控制功能+PLC簡(jiǎn)易控制功能,能夠很好地滿足速度往復(fù)及加減速自動(dòng)控制的要求,提高了加工質(zhì)量與效率,并且延長(zhǎng)了刨刀的使用壽命[4]。

5 結(jié) 語(yǔ)

B2151A型4 m龍門(mén)刨床電氣自動(dòng)化升級(jí)改造,淘汰了原有的高耗能調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)組的控制方式,降低了能耗指標(biāo),通過(guò)機(jī)床內(nèi)部改造和運(yùn)用先進(jìn)的變頻控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了刨床的精準(zhǔn)定位控制,實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易的PLC程序控制。此次改造提高了刨床機(jī)械加工的精度及加工效率,降低了能耗能本,實(shí)現(xiàn)了智能化的設(shè)備改造。