森兰变频器在龙门铣床上的应用

一. 概述
龙门铣床是加工较大型工件的机加设备，其电器控制系统包括工作台的主传动和进给机构的逻辑控制两大部分。河南焦作迈科公司有一台龙门铣床，从70年代至今使用了多年。龙门铣床的工作台主传动采用直流可逆调速拖动方式。早期的直流调速控制系统由分立元件构成，使用了若干年以后，故障率明显上升，维修工作量量不断增大，故障停工工时急剧上升，已经严重影响生产的正常进行。原来的直流调速系统已经淘汰了，没有可能对直流调速系统换新处理，进行技术改造是必然的选择。
二. 改造方案
对直流调速系统改造，如果保留直流电机，调速系统可用数字式可控硅直流调速系统，如欧陆590A，西门子6RA70，ABB DCS400等。这种方案的优点就是利用原有的直流电机，经济上比较省，但缺点也是明显的，其缺点是直流电机较交流异步鼠笼电机的维护工作量大，特别是使用了多年的直流电机，整流子磨损严重，维修花费更多。另一种方案就采用交流调速系统，将主传动直流电机换为交流异步鼠笼电机，调速控制系统使用变频器。这种方案的缺点是除需要变频器外，还需要将直流电机换为交流电机，改造的费用相对高一些，但是，交流电机结构简单，维护量小，变频器性能优良，便于实现最优控制。比较两种方案的优劣后，选择用交流调速的改造方案。
三. 龙门铣床工作台运动过程
龙门铣床工作台的拖动属于平稳快速的运动系统，工作台的工作流程如图1所示：

图1 龙门铣床工作台工作流程图
图中表示了铣床工作台工作铣削行程和返回过程的变化。0~t1铣床工作台空行程起动；t1~ t2铣床工作台以稳定速度n1运转；t2~ t3铣床工作台带铣削负载加速；t3~ t4铣床工作台以稳定速度n2运转；t4~ t5铣床工作台减速；t5~ t6铣床工作台保持n3速度条件下刀具离开工件；t6~ t7铣床工作台减速到零；t7~ t10铣床工作台反向加速到高速运转制动后返回原加工位置，由此在重复上面所述的铣削循环。
四. 龙门铣床的变频改造
1. 变频器的选型和容量的计算-
变频器的选型要根据交流电机的容量，交流电机的容量的选择又要以直流电机为参考依据。原工作台直流电机参数为：PN=18.5kW，nN=1000r/min，与此相对应的交流电机PN=18.5kW，nN=970r/min，龙门铣床经常工作在低速加工状态，为保证加工质量，要求电机低速时转矩大，考虑到交流电机的机械特性，在选择交流电机时适当增大容量。本例交流电机选为22kW 6极鼠笼电机。
电机容量确定后，可直接选择变频器的容量。龙门铣床工作台为恒转矩负载，要求起动和低速力矩大，最好选用矢量控制变频器，选用希望森兰公司生产的SB61G变频器。该变频器采用先进的无速度传感器矢量控制算法，功能齐全，在各种行业中应用自如。可以选择V/f开环、V/f闭环、无PG矢量控制和有PG矢量控制方式；可选用键盘和外部端子，功能端子的操作方式，并有RS485串行通讯口，便于与计算机组网控制。在设计中进行可靠性设计，电磁兼容设计，稳定性分析等，具有非常优良的性能。本例选用森兰SB61G22KW变频器。考虑到铣床工作台返回行程时间比较短，惯性较大，需要配用制动单元和制动电阻，制动电阻按100%制动转矩时的标准配置30Ω，5kW，考虑到制动比较频繁，适当加大电阻的容量到10kW。
常规设计的自冷式交流异步电动机，在额定工况及规定的环境温度范围内，是不会超过额定温升的。但在变频调速后自冷式交流异步电动机在20Hz频率以下运行时，转子自带风扇的风力减低，电机的散热性能变差，如果在恒转矩负载条件下长期运行时电机会过热。因此，对长期低速运行的电机需加恒速风扇降温。加恒速风扇的方法是将交流异步电动机的尾罩卸下，在尾罩上挖一个与轴流风机相适应的圆孔，使其轴流风机装好后，所吹出的风能全部到电机的后端盖上，经机壳导流片导流到电机机身的各个方向上，使之能对电机各个部分都能均匀冷却。轴流风机的电源用220V市电。
2. 变频器功能的设定
从龙门铣床工作台工作流程图可见，工作台的运行速度有4段，即n1、、n2、n3和返回运行速度。设SB61S22KW变频器为多段速度控制方式，变频器的多端频率控制输入端子为X1，X2，X3，X4;多段速度的频率值由所加工的工件决定，加、减速的时间，由功能代码F009，F010，F631-F636决定.其控制信号取自铣床无触点开关，只要铣床工作台运动到相应的位置，无触点开关输出信号送到变频器相应的输入端口上，变频器就加速、减速、反向或恒速运行。
3. PLC的应用
由于控制线路和低压元器件老化，在对龙门铣床工作台主传动变频调速改造的同时，对铣床的控制线路进行改造。用PLC可大大的减少控制电路的复杂性，并可减低成本。PLC选用HOLLIAS-LEC G3 40点PLC，编程方式为梯形图，比较简单，不再赘述。
五. 后记
我国70年代以前生产的机床，需要调速时采用变速箱机械换档调速方式或采用直流调速方式。直流电源的获得是使用交流电动机带动直流发电机，发出的直流电驱动直流电动机调速运行。70年代后，可控硅整流器出现后，直流调速省去了交流电动机带直流发电机的环节，效率大幅度的提高，运行噪声极大的下降。随着变频技术的发展和完善，变频器的性能不断的提高，而价格不断下降，已逐步取代直流调速系统。通过其外围少数几个端子，就可以实现对机床全范围的控制，且变频器内部有较完善的保护功能，无需在设计控制电路时考虑保护电路，既简化了电路又降低了成本。
通过对龙门铣床工台拖动系统的改造，使用了PLC和变频器，用交流调速系统取代直流调速系统，简化了设备的控制线路，故障率几乎下降到零，实现了可靠、快速、灵活的控制，使工件的铣削质量和工作效率都有明显的提高。
六. 参考文献
1. 森兰变频器制造有限公司，森兰SB61用户手册，2004
2. 曾毅    调速控制系统的设计与维护                  山东科学技术出版社
3. 冯垛生  变频器的应用与维护                        华南理工大学出版社