摘要：本文就傳統(tǒng)刨床（使用直流電機(jī)拖動(dòng)控制）采用交流變頻控制進(jìn)行深入探討，研究采用變頻拖動(dòng)刨床的可行性，證明不但能滿足設(shè)備的技術(shù)性能要求，同時(shí)還能獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：刨床；直流控制系統(tǒng)；變頻調(diào)速；經(jīng)濟(jì)效益

一、前言

刨床是制造重型設(shè)備必用的大型機(jī)床，主要用來(lái)加工大型工件的各種平面，端面，斜面和槽體，該設(shè)備應(yīng)用廣泛，自動(dòng)化控制要求高，在機(jī)床電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中具有典型的代表意義，廣泛的被列入高校的教材。

1、刨床概述

1.1結(jié)構(gòu)

該設(shè)備主要由七部分組成：A床身B工作臺(tái)C橫梁D左右垂直刀架E左右側(cè)刀架和進(jìn)給箱F立拄G龍門(mén)頂

1.2工作特點(diǎn)

該設(shè)備在工作過(guò)程是工件與刨刀作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，工作臺(tái)與工件頻繁的進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，各切削動(dòng)作在工作行程內(nèi)進(jìn)行，而在返回行程中只是空轉(zhuǎn)。在每個(gè)切削過(guò)程中刀架沒(méi)有進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，只是在工作臺(tái)在返回工作行程轉(zhuǎn)到工作行程的期間內(nèi)刀架才位移一定的距離。對(duì)刨床來(lái)講，刨床的工作臺(tái)和工件的的縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)，橫梁的的上下移動(dòng)以及刀架沿橫梁的左右移動(dòng)和側(cè)刀架在立拄的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)為輔運(yùn)動(dòng)。

主運(yùn)動(dòng)有以下特點(diǎn)：

見(jiàn)圖1L1為工作行程長(zhǎng)度，，L2為返回行程長(zhǎng)度，V，V1，V2分別為慢速切入速度，正常切削速度和返回速度。各時(shí)間段的工作介紹：0-t1工作臺(tái)前進(jìn)啟動(dòng)階段，t1-t2刀具慢速切入階段，t2-t3刀具加速進(jìn)入正常加工速度階段，t3-t4正常加工速度階段，t4-t5減速退出工作階段，t5-t6反接制動(dòng)到返回階段，t6-t7返回速度穩(wěn)定階段，t7-t8最后減速階段，t8-t9返回反接制動(dòng)階段，至此完成一個(gè)完整的加工過(guò)程，開(kāi)始準(zhǔn)備下一個(gè)工作過(guò)程。在此工作時(shí)間內(nèi)，大家會(huì)發(fā)現(xiàn)各時(shí)間段的速度不一致：在刀具進(jìn)入工件前采用低速度主要是為防止因撞擊而蹦壞工件的邊緣和減少刀具在進(jìn)入工件時(shí)所受的撞擊力，延長(zhǎng)刀具的工作使用壽命。進(jìn)入工件后，工作臺(tái)加速到V1（t3-t4），離開(kāi)工件前減速的目的（t4-t5）主要是防止高速崩裂工件的邊緣，工作臺(tái)在返回過(guò)程中沒(méi)有切削工作發(fā)生。通常我們?yōu)樘岣呱a(chǎn)效率，返回時(shí)采用V2高速返回（t6-t7）。返回過(guò)程再反向到工作速度之前，為防止越位（限位開(kāi)關(guān)）和對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的沖擊，通常要有一個(gè)減速過(guò)程（t7-t8）。

輔助運(yùn)動(dòng)：

在刨床的加工過(guò)程中，橫梁是不能移動(dòng)的，只有在完成一個(gè)工件，準(zhǔn)備加工另一個(gè)工件，才根據(jù)工藝的需要來(lái)調(diào)整刀架的高度和移動(dòng)橫梁，距離視工件尺寸來(lái)定，橫梁的移動(dòng)屬于“點(diǎn)動(dòng)”的性質(zhì)，為保證橫梁按要求停在一定的位置上，設(shè)有夾緊機(jī)構(gòu)。

1.3動(dòng)力控制系統(tǒng)介紹

1.3.1動(dòng)力拖動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷性質(zhì)：在切削過(guò)程中，當(dāng)切削速度V1〈25m/min,最大切削力為8000kgf,在調(diào)速過(guò)程中負(fù)荷為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，當(dāng)V1〉25m/min時(shí)，允許的最大切削力隨速度的增大而減少，輸出功率保持不變，為恒功率負(fù)載；如果在V》25m/min時(shí)仍要保持8000kgf的切削力，則刨床的橫梁和立拄可能受到破壞變形。因此刨床的最高切削速度時(shí)的最大切削力是由刨床的的機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)決定的。

1．3．2原主拖動(dòng)系統(tǒng)：我們以B2016—A型龍門(mén)刨為例：主傳動(dòng)采用G——M調(diào)速系統(tǒng)，直流電機(jī)功率60KW，直流發(fā)電機(jī)70KW，交流電動(dòng)機(jī)55KW，控制直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的交磁擴(kuò)大機(jī)組為2.2KW，采用機(jī)械速比為2：1和電氣調(diào)速10：1的機(jī)電聯(lián)合調(diào)速模式。

調(diào)速系統(tǒng)的分析：

該調(diào)速系統(tǒng)的負(fù)載性質(zhì)如下圖所示：其中Fm表示最大切削力，V1表示切削速度，Pm表示最大切削功率。V2對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的最高轉(zhuǎn)速，在圖中可以看出，V1—V2范圍內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載性質(zhì)。V2—V3范圍為恒功率負(fù)載性質(zhì)。，若整個(gè)調(diào)速范圍均采用恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的調(diào)壓調(diào)速，則所需要的電機(jī)功率Pm為負(fù)載所需要的最大切削功率Pm的V3/V2倍。當(dāng)V3=90m/min,V2=25m/min,Pm2/Pm1=3.6

顯然，單純采用調(diào)壓調(diào)速方案不是很合理。為解決該問(wèn)題，該系列龍門(mén)刨采用機(jī)械與機(jī)電聯(lián)合調(diào)速方式，其中齒輪調(diào)速具有恒功率性質(zhì)，此時(shí)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍可縮小致V1——V3/2所須電動(dòng)機(jī)功率Pm3是負(fù)載所須的最大切削功率Pm1的V3/2V2倍，即Pm3/Pm1=90/2*25=1.8.由此可見(jiàn)，機(jī)電聯(lián)合調(diào)速和單純調(diào)壓調(diào)速相比，電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)功率可以縮小一半。不過(guò)由于機(jī)電調(diào)速與生產(chǎn)機(jī)械調(diào)速的要求仍然不是完全匹配，所以電動(dòng)機(jī)的功率仍然比負(fù)載所須的功率大了0.8倍。如果采用交流變頻拖動(dòng)系統(tǒng)，我們就可以通過(guò)靈活的參數(shù)預(yù)制，恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，使拖動(dòng)系統(tǒng)的特性更好的滿足刨床的特性要求，從而降低主拖動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)和使用功率。

二、變頻調(diào)速的系統(tǒng)介紹概述

根據(jù)刨床的生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，我們可以總結(jié)一下該系統(tǒng)的具體技術(shù)要求：

A調(diào)速范圍寬：即能滿足適應(yīng)不同刀具，又要求能滿足經(jīng)濟(jì)的切削速度要求，調(diào)速范圍一定要寬，通常范圍大于10：1，最好采用無(wú)級(jí)調(diào)速

B靜差率要?。簽樘岣弋a(chǎn)品加工精度，要求工作臺(tái)的速度不隨切削量的變化而變動(dòng)，一般要求該指標(biāo)不大于10%，如果采用變頻調(diào)速，靜差率一般不會(huì)超過(guò)4%，同時(shí)能夠滿足相應(yīng)的下垂機(jī)械特性。

C要求有較高的切削速度和較大的切削力，工作臺(tái)的速度能自動(dòng)調(diào)整

D工作臺(tái)反身應(yīng)迅速而平穩(wěn)，沖擊小

F傳動(dòng)效率高，耗電量小

G系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，安全性高，易于維護(hù)和修理。

H可以接入CIMS計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)

2.1.2變頻調(diào)速的系統(tǒng)配置：

采用HF1500—45KW的變頻器拖動(dòng)45KW的普通交流異步電機(jī)（實(shí)際理論計(jì)算37KW即可以滿足，為安全期間，放大余量）代替原系統(tǒng)的G——M拖動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，工作臺(tái)換向采用能耗制動(dòng)或能量回潰單元，制動(dòng)快速靈敏。垂直刀架和左右刀架分別采用變頻器控制進(jìn)刀電機(jī)實(shí)現(xiàn)刀具的無(wú)級(jí)調(diào)速。

采用PLC取代原系統(tǒng)的電氣控制部分，控制功能強(qiáng)，速度快，接點(diǎn)數(shù)量小，工作臺(tái)的減速和換向控制采用可靠性高的電子行程開(kāi)關(guān)，并帶記憶功能。采用該系統(tǒng)基本無(wú)機(jī)械磨損，壽命長(zhǎng)，故障率低，通過(guò)RS485接口可以與CIMS通訊組成計(jì)算機(jī)集成加工系統(tǒng)。

2.2刨床的主要技術(shù)指標(biāo)：

工作臺(tái)行程速度（配刨，銑，磨變速箱）：刨削5——70m/min

銑削0。08——2m/min,磨削1——3m/min,無(wú)級(jí)調(diào)速。

刨刀架進(jìn)給量范圍：垂直刀架：垂直：0。2——25mm/次，水平：0。4——50mm/次；側(cè)刀架：垂直：0。4—50mm/次。

銑頭轉(zhuǎn)速范圍：銑頭主軸轉(zhuǎn)速：72——540r/min；刨刀架橫銑速度：0。04——1。6m/min；刨刀架縱洗速度：0。04——1。6m/min；無(wú)級(jí)調(diào)速。

靜差率〈4%（低速時(shí)）

換向距離〈250mm

三、變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1主電機(jī)容量的選擇：該系統(tǒng)主電機(jī)的容量的選擇是由每臺(tái)刨床的最大出力決定的，即由工作臺(tái)的最大牽引力和計(jì)算速度所決定的。

負(fù)載切削需要的功率為：P=FmVg/K1KhN

其中：Fm為最大牽引力，Vg為計(jì)算速度（m/min）,k1為功率變化系數(shù)，Kh為允許過(guò)負(fù)荷系數(shù)，N為機(jī)械傳動(dòng)效率。

3.2主傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理：為滿足工作臺(tái)頻繁換向和負(fù)載劇烈變化時(shí)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和機(jī)械特性硬的要求。一般采用高性能的變頻器，因通用變頻器具備V/F=常數(shù)的功能，因此針對(duì)負(fù)載重的情況主要采用修改相關(guān)參數(shù)調(diào)整。

3.再生能量的處理：大型刨床快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，迅速吸收再生能量是關(guān)鍵技術(shù)之一，通常有通過(guò)泄放單元能耗制動(dòng)和向電網(wǎng)進(jìn)行能量反饋兩種方式。

四控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)和軟件流程：見(jiàn)圖

在設(shè)計(jì)選型中我們選取45KW（容量60KVA）的變頻器拖動(dòng)45KW的三相異步電動(dòng)機(jī)（理論計(jì)算37KW就可以，實(shí)際改造時(shí)容量放大），三臺(tái)3。7KW的變頻器分別拖動(dòng)左右側(cè)和垂直刀架電機(jī)。一臺(tái)7。5KW電機(jī)拖動(dòng)磨頭的電機(jī)。

對(duì)外圍控制電路，采用一臺(tái)PLC取代原有的互鎖，聯(lián)鎖和報(bào)警電路，同時(shí)通過(guò)PLC上的CNC可以和上位機(jī)組成CIMS系統(tǒng)，從而系統(tǒng)的安全性，穩(wěn)定性率和維護(hù)性都有很大的提高。

對(duì)于再生能量的處理：處于對(duì)系統(tǒng)（主要是變頻器能量回潰對(duì)外部電網(wǎng)的污染）的考慮，我們?cè)谶@采用剎車(chē)電阻制動(dòng)的方式來(lái)消耗掉變頻器直流母線處的過(guò)電壓能量，當(dāng)然采用此種方式對(duì)節(jié)能會(huì)有一定的影響，采用能量回潰電網(wǎng)的方式能提高節(jié)能率，但處理不好的話會(huì)提高對(duì)動(dòng)力電網(wǎng)的再次污染。

對(duì)于軟件流程：刨床的工作臺(tái)的工藝流程由PLC控制變頻器驅(qū)動(dòng)普通三相異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)，各工作狀態(tài)都是由PLC軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，在此列出了該軟件的系統(tǒng)流程圖，我們可以根據(jù)該流程圖結(jié)合具體的工作臺(tái)生產(chǎn)工藝要求來(lái)編制具體的PLC程序。

五改造應(yīng)用情況和效益對(duì)比

相對(duì)于原刨床（采用直流拖動(dòng)），改造完后的（采用45KW三相電機(jī)）刨床運(yùn)行穩(wěn)定可靠?，F(xiàn)將運(yùn)行結(jié)果列表對(duì)比如下：

(采用45#鋼加載，吃刀深度16mmX2,進(jìn)刀量1mmX2,速度15m/min)

由上表可以看出，采用交流變頻取代直流拖動(dòng)系統(tǒng)不但能降低原系統(tǒng)的裝機(jī)容量，還能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少整機(jī)的占地面積，同時(shí)能達(dá)到很好的經(jīng)濟(jì)效益。

六總結(jié)

通過(guò)理論分析和實(shí)際改造后運(yùn)行的結(jié)果證明，對(duì)刨床采用交流變頻調(diào)速完全可以取代直流拖動(dòng)系統(tǒng)，是一個(gè)值得開(kāi)發(fā)的改造市場(chǎng)