B1016A九米单臂刨床主传动电控系统的全数字化改造

1、概述 刨床是各机加工行业的一种常用加工设备。其主传动的作用是带动工作台实现低速吃刀和退刀、以工作速度切削、高速返回及点动等动作，以满足刨床的工艺要求。显然，其性能优劣直接关系到刨床的工件加工质量和生产效率。因此，刨床对床身主传动直流电机控制系统有较高的要求： 1、 适于频繁起动、制动和反转，并要求起动、制动过程平稳快速； 2、 静差率要求高，从空载到突然吃刀加载引起的动态速降不大于3%，且短时过载能力强； 3、 调速范围宽，适应低速、中速刨削和高速返程的需要； 4、 工作稳定性好，折返位置准确。 2 、原设备概况： 2.1设备参数： 我厂的九米单臂刨床型号为B1016A型，加工长度9m，最大加工宽度1.6m,加工高度 1.5m。 ○主拖动设备（直流电机） 功率60KW，电枢电压220VDC，电枢电流305A，励磁电压DC220V，转速1000r/min。 ○直流发电机（由交流电机拖动发电） 功率：70KW，电压：230VDC，电流：305A，励磁方式：他励，220V；转速：1450r/min。 ○励磁机： 功率：3.5KW，励磁电压：230VDC，励磁电流：15.2A。 ○扩大机 功率：1.2KW，电压：115V，电流：10.4A。 2.2工作原理： 由交流电机拖动直流发电机发出直流电，供给主直流电机，通过减速箱三级变速,输出力矩给传动轴,由传动轴带动斜齿轮及工作台齿条传递动力,通过行程开关及机械撞块进行换向,使工作台来回运动,并控制刀架进给离合器的工作状态和刀架的抬刀线圈通断状态进行工作。工作台变速机械档位有两档，为手柄转换，通过电位器进行无级变速，一档速度为4-40m/min，二档速度为8-80m/min，横梁升降为按钮站按钮手动控制。升降前先自动松开夹紧机构，到位后自动夹紧，导轨润滑方式为单点稀油润滑方式。 其主传动电控采用的是机组拖动。即：直流发电机—电动机（F—D系统）。F—D系统由机组原动机、电磁放大机原动机、激磁机等组成。该系统采用二十世纪四十年代的可控变流技术，原理是由交流电动机带动直流发电机发电，其输出的直流电压直接加在直流电动机的电枢，用激磁机提供直流电动机磁场电流。通过调节发电机激磁电流，达到调速的目的。改变发电机的磁场方向，达到正反转的目的。 2.3主要存在的问题是： ① 这种系统由于包含两台与调速电机容量相当的旋转电机及一台放大机和激磁机，所以存在设备多、占地大、效率低、电耗高、噪音大等缺点； ② 由于采用调节激磁电流的方法调速，造成直流电动机响应时间慢、运行精度差、调速宽度小； ③ 由于调速系统构成繁杂，工艺过程控制全部采用继电器，刨台前进、后退、升速、减速控制通过行程开关及机械撞块进行换向，再去控制继电器，由于继电器动作频繁，触点经常出现粘连，或闭合不好，造成控制系统可靠性低、导致刨台不减速发生故障，损坏设备，维护维修工作量大。同时造成设备停产，影响加工，致使生产效率低下。经过二十多年的运行，设备故障多、电气已老化，系统可靠性差，调速不稳定。最近几年经常出现故障，造成停机，且该系统维修困难，又无备件，已经无法彻底修复。 ④ 能耗高，每小时耗电80-90度。浪费电力，运行成本高。 ⑤ 不利环保，噪声大。设备工作过程中产生的噪声达100分贝以上。 针对以上问题，我厂与襄樊科威电气有限公司就该设备存在的问题提出了机床改造方案，并对其工作台主传动电控系统进行了全数字化改造。 3 、主传动电控系统的全数字化改造 3．1 刨台控制原理 该刨台采用壹台直流电机拖动，电机与刨台之间利用减速箱变速。示意图如图1所示。 3．2 594全数字直流调速装置 根据负载的要求，我们选用英国欧陆公司生产的590P（380A）全数字直流可逆调速装置取代原来的（F—D）系统，590P框图如图2（其中虚线部分可按要求选定）。 590P/3800装置属于英国欧陆公司最新的全数字直流调速器，它是智能型、全数字式可控直流调速装置。它能提供可控的0~±400V直流电压输出，特别适合于直流他激电动机和永磁电动机的四象限电枢电压控制及磁场控制。以满足加工工艺对电机的调速要求，主要特点如下： 1：体积少，新款结构的590P比590C体积少40%； 2：多款通讯功能模块可供选择，例如PROFIBUS，MODBUS，DEVICENET，EI-BISYNC，LINK等； 3：高分辨率的模拟输入输出点，12bit+； 4：简易控制盘，提供本机/外部信号模式；本机操作模式方便于初次使用和调试； 5：590P选用与590C同样的速度反馈，测速发电机板/光码板； 6：接线方法与590C相同，控制板上接线端也与590C相同； 7：用软件形式来定义电枢/磁场电压/电流； 8：具有先进的电流环自整定、自适应调节器功能，使得用户在电流环的参数整定方面变得十分方便。用户只需将被控电机的额定电压、电流和测速机的参数输入到590P装置，即可完成电流环参数的自整定和电流环的自调节功能。 9：采用16位微机实现了调速系统双闭环调节的数字化控制。 ①参数的设置、修改全由键盘输入，用高清晰度的液晶界面加以显示。故障时，系统能自动跳闸“就地”保护自己，还能显示故障原因，方便用户维修。 ②具有自动跟踪电网相序功能，省掉了电源相序判断硬件。CPU产生数字触发脉冲，取消了老式的十二块触发电路，提高了系统的触发可靠性，还节省了触发电路硬件开支，降低了装置成本。 ③590P内部具备20A的磁场控制功能，实现恒功率调速的要求。 10：先进的速度环控制算法，使装置具有宽达1:100的调速范围。 ①16位微机的高速处理功能，使得数字式PID算法接近模拟PID控制。 ②电流环的自适应控制功能，较好地解决了晶闸管电路在电流断续时，输出特性出现非线性问题，保证了系统在轻载时不出现转矩抖动现象。 ③具有反电动势（BEMF）的估算功能，提高了装置的触发控制精度，扩大了系统的调速范围。 11：该装置比其它调速装置具有以下优势： ①性能稳定，故障率低。该系统采用全数字式模块结构，集成度高，保护严紧。一旦出现故障，或输入不正常，即封掉脉冲，再切断主电源。 ②调试简单。该调试分为两部分，一为硬件调试，即通过面板上电位器或拨动开关，按拖动电机铭牌，设置输出电压、电流等额定值。二为软件调试，按照人机操作界面的提示，对各项参数进行细调。系统的调试只用了一天时间，大大缩短了调试周期。 ③查错容易。该系统有一液晶显示的人机界面，它自动显示第一次故障类型，也可以对控制装置内的所有报警、输入和主要软件块进行诊断。前面板上的发光二极管显示，可及时指示传动装置和主要输入的状态。极大地方便了检修。 3．3 用可编程控制器PLC改造继电器控制电路 在单臂刨床的工作台返往控制中，为了克服由于工作台往返频繁造成的机械齿轮冲击，需要有“软换向”功能，为了防止刀具撞工件，需要有低速慢切入功能，为此，刨台的操作过程控制要求有六个触点开关L1~L6分别发出刨台前进时的减速、换向、前进终端三个信号，刨台后退时的减速、换向和后退终端三个信号，这些信号的获取仍然保留不变，来自原系统中的六个触点行程开关。原继电器系统的控制框图如图3所示。 其中六个有触点行程开关L1至L6在挡块靠近时，继电器KA1至KA6相继吸合，从而发出控制信号。由于继电器为插件式结构，触点小，动作太频繁，经常出现故障，且难以检修。为此我们考虑对其进行改造。 直接将信号输入PLC,取消插件式结构继电器。 在本系统改造中，由于涉及经费较少，我们只对上述故障率最高的刨台往返控制采用PLC来取代，再加上590P直流可逆调速系统自身的控制设计，所以选用了60个点的PLC（C60P）。具体硬件框图如图4所示。 由图4所示，PLC输入点主要采集电源、按钮站、有触点行程开关、机械终端限位、油压开关以及接触器触点信号，共计26个点。PLC输出点主要控制590P、速度给定控制板、信号灯以及刨台过程控制接触器线圈，共计24个点。设计中，我们将输入点的所有COM端相连，并接至电源24V负极，将输出点共电源的COM端相连，与各自电源地点相连。设计完成后的PLC与590P总体框图见图5。 其中，590P装置的接线可以参照590P系列控制器的外围框图，见图2。 新系统安装完毕后，我们还专门设计了一套全封闭式电柜，并配置一台空调，保证了系统在一个恒温，无尘的环境下运行。 3．4 PLC控制的软件流程图 在编写PLC程序之前，首先根据控制电路框图设计PLC控制的软件流程图，见图6。循着流程图的思路，可以使编写的程序结构紧凑、严谨。程序编制完成后，首先在下面进行动作顺序调试，同时关注一些时间常数的设置，由于PLC不同于继电器控制，它的一个扫描周期是相当短的，在PLC输出控制继电器线圈时，就必须考虑防止出现误动作。之后，进行联机调试，进一步发现问题，随时修正程序。在PLC的选型上，也应考虑这一点，预留输入输出点，以备不时之需。 该系统自2006年8月改造至今，每天三班工作，只出现过几次小故障，如油压不足，行程开关坏等，都是通过PLC很快获得诊断，给维修人员带来很大的方便，也大大提高了机床的使用效率。实践证明这台设备的改造是成功的，短期的投入