龙门刨床技术改造应用分析

常汝刚

（山东金岭矿业机械厂，山东 淄博 255081）

1 引言

原B2020 龙门刨床的工作台驱动由交流机组、直流发电机组、直流电动机组及交磁扩大机组成，控制调速系统为接触器-继电器系统。因当时的技术条件限制，整个系统存在以下问题：（1）设备使用时间已久，电器控制元件严重老化，设备故障率高，维修量大，维修费用大。（2）调速范围小，精度、加工工件的表面质量差。（3）效率低，能耗高。（4）低速易爬行，不稳定。（5）控制部分体积大，运行噪音大。为此，决定对该设备进行技术改造。

2 技术改造方案比较

目前旧龙门刨床的改造方案主要由主轴调速方案和相配套PLC 程序控制组成。主轴调速方案主要有可逆直流调速、交流变频调速、开关磁阻调速电机调速三种方案。（1）直流调速改造方案。系统主要由PLC 程序控制器、直流电机、可逆直流调速器、测速发电机（数字编码器）等组成，可保留刨台传动直流电机（或更换新的、效率较高Z4 系列直流电动机）。（2）交流变频调速改造方案。系统由PLC 程序控制器、通用变频器、交流电动机（如Y315S-8）、测速器等组成闭环系统。（3）开关磁阻调速电机调速方案。系统由PLC 程序控制器、开关磁阻调速电动机等组成，开关磁阻调速电动机（Switched Reluotance Drive，SRD），主要有开关磁阻电机、功率变换器、控制器与位置检测器四部分组成。

按以上三种方案，以55kW 电机电气控制、相同PLC配置成本、调速范围、额定转矩/低速转矩、维护工作量、可靠性几方面比较见表1。

3 技术方案具体实施

经过综合分析，拟采用直流调速改造方案，具体方案如下：主轴传动采用全数字直流电机调速系统。采用PLC可编程序控制器控制。增加铣削功能。

表1

整个系统主要由PLC 程序控制器、直流电机、可逆直流调速器、测速发电机、铣刨一体变速箱、7.5kW 铣头等组成。

（1）主轴调速部分。电机Z4-200-31直流电动机、ETD790全数字直流调速器、ZYS-100A 直流测速发电机做控制反馈、FX1N-60MR 编程序控制器等组成系统。因ETD790全数字直流调速装置是直接三相交流输入，直流输出的逻辑无环流的可逆调速系统，需要配套三相交流进线电抗器，4只快速熔断器及输入接触器。采用2只10kΩ 电位器分别用于前进和后退速度设定，而且速度可无级调节；另外保持正、反向点动及加减速的多段速度功能，点动速度可用软件设定，加减速过程中的多段速度用内部数学运算方式来实现。电动机正、反向换向采用回馈制动方式，电能回馈电网；正、反向自动多段斜坡加减速，减少机械冲击。

（2）铣刨选择。因铣削功能需要的变速范围大，一般＞40，故选用铣刨一体变速箱，通过箱体上的操纵手柄来选择铣或刨，通过控制按钮站来控制7.5kW 铣头。

（3）工作台换向。工作台换向的6个限位开关改为光控无触点接近开关。

（4）电气控制系统。原润滑油泵电机的起动/停止，垂直刀架运动、侧刀架运动、横梁升降电机的起动/停止及自动回升的正反转、与工作台的保护联锁、时间联锁等，采用PLC 可编程序控制器及输出继电器模组。这样，使用过程中可通过察看PLC的输入/输出指示灯很容易判断各控制点的工作状态，查找故障快捷方便。继电器输出模组带有输出指示、保护熔电器，熔断器熔断指示、阻容吸收保护，用于隔离PLC 输出与负载，以及进行多重保护。

抬刀控制、垂直刀架与侧刀架的工作与快移仍采用原来的工作方式，但由PLC 来完成联锁控制。

4 实施效果经济分析

4.1 设备改造涉及的主要技术经济指标

与原设备比较，主要技术经济指标有所提高：①交直流机组更换为高效直流电机，电气效率由原来的58%提高到现在的88%，提高效率30%；②电机功率降低5kW；③故障率减少，大大降低了维护保养费用；④增加了铣削功能，可调速范围大，提高了工件加工质量及精度，提高设备综合效率20%。

4.2 设备改造技术经济计算

按两班制，龙门刨床一年运转天数240d，工时单价50元/h，工业用电平均电价0.75元/kW·h。

（1）年节电量

降低功率节电量：

5kW/h×16h/d×240d/年×0.75元/kW·h=14400元/年

提高电气效率：

［60kW/h×（1-58%）-55kW/h×（1-88%）］×16h/d×240d/年×0.75元/kW·h=53568元/年

年节电量：67968元/年

（2）提高设备综合工时效率，增加产值

50元/h×16h/d×240d/年×20%=38400元/年

（3）故障率降低，节约维护费

据统计，年节约维护费5000元，与原设备比较年提高价值：111368元/年。

4.3 设备改造实施前后的统计数据对照及应用效果

项目实施前、后的数据统计见表2。

B2020 龙门刨床技术改造采用目前成熟的直流调速技术。从方案论证、设计选型、实施到现在已两年，系统运行稳定，节能及效率提高明显。项目数控改造投资8.9万元，当年收回投资。

表2

5 结语

直流调速是目前成熟的技术，具有调速性能好、调速控制电路简单、可靠的特点，B2020 刨床技术改造后比原系统具有以下优点：（1）电机的启动电流小，启动力矩大，对电网无冲击。（2）系统闭环控制，动态响应快，满载无降速。（3）系统全数字控制，具有断电保护功能，避免工作台在意外停电时冲出床身；同时具有多种自保护功能，可靠性高。（4）制动转矩大，换向时越位距离小，返程速度快，提高了加工效率，也为类似设备改造提供了借鉴。

［1］史步海，张选正.特种电动机调速控制技术及应用［M］.广州：华南理工大学出版社，2010.

［2］郑萍.现代电气控制技术［M］.重庆：重庆大学出版社，2001.