1、概述 刨床是各機(jī)加工行業(yè)的一種常用加工設(shè)備。其主傳動的作用是帶動工作臺實(shí)現(xiàn)低速吃刀和退刀、以工作速度切削、高速返回及點(diǎn)動等動作，以滿足刨床的工藝要求。顯然，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到刨床的工件加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此，刨床對床身主傳動直流電機(jī)控制系統(tǒng)有較高的要求： 1、 適于頻繁起動、制動和反轉(zhuǎn)，并要求起動、制動過程平穩(wěn)快速； 2、 靜差率要求高，從空載到突然吃刀加載引起的動態(tài)速降不大于3%，且短時過載能力強(qiáng)； 3、 調(diào)速范圍寬，適應(yīng)低速、中速刨削和高速返程的需要； 4、 工作穩(wěn)定性好，折返位置準(zhǔn)確。 2 、原設(shè)備概況： 2.1設(shè)備參數(shù)： 我廠的九米單臂刨床型號為B1016A型，加工長度9m，最大加工寬度1.6m,加工高度 1.5m。 ○主拖動設(shè)備（直流電機(jī)） 功率60KW，電樞電壓220VDC，電樞電流305A，勵磁電壓DC220V，轉(zhuǎn)速1000r/min。 ○直流發(fā)電機(jī)（由交流電機(jī)拖動發(fā)電） 功率：70KW，電壓：230VDC，電流：305A，勵磁方式：他勵，220V；轉(zhuǎn)速：1450r/min。 ○勵磁機(jī)： 功率：3.5KW，勵磁電壓：230VDC，勵磁電流：15.2A。 ○擴(kuò)大機(jī) 功率：1.2KW，電壓：115V，電流：10.4A。 2.2工作原理： 由交流電機(jī)拖動直流發(fā)電機(jī)發(fā)出直流電，供給主直流電機(jī)，通過減速箱三級變速,輸出力矩給傳動軸,由傳動軸帶動斜齒輪及工作臺齒條傳遞動力,通過行程開關(guān)及機(jī)械撞塊進(jìn)行換向,使工作臺來回運(yùn)動,并控制刀架進(jìn)給離合器的工作狀態(tài)和刀架的抬刀線圈通斷狀態(tài)進(jìn)行工作。工作臺變速機(jī)械檔位有兩檔，為手柄轉(zhuǎn)換，通過電位器進(jìn)行無級變速，一檔速度為4-40m/min，二檔速度為8-80m/min，橫梁升降為按鈕站按鈕手動控制。升降前先自動松開夾緊機(jī)構(gòu)，到位后自動夾緊，導(dǎo)軌潤滑方式為單點(diǎn)稀油潤滑方式。 其主傳動電控采用的是機(jī)組拖動。即：直流發(fā)電機(jī)—電動機(jī)（F—D系統(tǒng)）。F—D系統(tǒng)由機(jī)組原動機(jī)、電磁放大機(jī)原動機(jī)、激磁機(jī)等組成。該系統(tǒng)采用二十世紀(jì)四十年代的可控變流技術(shù)，原理是由交流電動機(jī)帶動直流發(fā)電機(jī)發(fā)電，其輸出的直流電壓直接加在直流電動機(jī)的電樞，用激磁機(jī)提供直流電動機(jī)磁場電流。通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)激磁電流，達(dá)到調(diào)速的目的。改變發(fā)電機(jī)的磁場方向，達(dá)到正反轉(zhuǎn)的目的。 2.3主要存在的問題是： ① 這種系統(tǒng)由于包含兩臺與調(diào)速電機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)及一臺放大機(jī)和激磁機(jī)，所以存在設(shè)備多、占地大、效率低、電耗高、噪音大等缺點(diǎn)； ② 由于采用調(diào)節(jié)激磁電流的方法調(diào)速，造成直流電動機(jī)響應(yīng)時間慢、運(yùn)行精度差、調(diào)速寬度??； ③ 由于調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成繁雜，工藝過程控制全部采用繼電器，刨臺前進(jìn)、后退、升速、減速控制通過行程開關(guān)及機(jī)械撞塊進(jìn)行換向，再去控制繼電器，由于繼電器動作頻繁，觸點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)粘連，或閉合不好，造成控制系統(tǒng)可靠性低、導(dǎo)致刨臺不減速發(fā)生故障，損壞設(shè)備，維護(hù)維修工作量大。同時造成設(shè)備停產(chǎn)，影響加工，致使生產(chǎn)效率低下。經(jīng)過二十多年的運(yùn)行，設(shè)備故障多、電氣已老化，系統(tǒng)可靠性差，調(diào)速不穩(wěn)定。最近幾年經(jīng)常出現(xiàn)故障，造成停機(jī)，且該系統(tǒng)維修困難，又無備件，已經(jīng)無法徹底修復(fù)。 ④ 能耗高，每小時耗電80-90度。浪費(fèi)電力，運(yùn)行成本高。 ⑤ 不利環(huán)保，噪聲大。設(shè)備工作過程中產(chǎn)生的噪聲達(dá)100分貝以上。 針對以上問題，我廠與襄樊科威電氣有限公司就該設(shè)備存在的問題提出了機(jī)床改造方案，并對其工作臺主傳動電控系統(tǒng)進(jìn)行了全數(shù)字化改造。 3 、主傳動電控系統(tǒng)的全數(shù)字化改造 3．1 刨臺控制原理 該刨臺采用壹臺直流電機(jī)拖動，電機(jī)與刨臺之間利用減速箱變速。示意圖如圖1所示。 3．2 594全數(shù)字直流調(diào)速裝置 根據(jù)負(fù)載的要求，我們選用英國歐陸公司生產(chǎn)的590P（380A）全數(shù)字直流可逆調(diào)速裝置取代原來的（F—D）系統(tǒng)，590P框圖如圖2（其中虛線部分可按要求選定）。 590P/3800裝置屬于英國歐陸公司最新的全數(shù)字直流調(diào)速器，它是智能型、全數(shù)字式可控直流調(diào)速裝置。它能提供可控的0~±400V直流電壓輸出，特別適合于直流他激電動機(jī)和永磁電動機(jī)的四象限電樞電壓控制及磁場控制。以滿足加工工藝對電機(jī)的調(diào)速要求，主要特點(diǎn)如下： 1：體積少，新款結(jié)構(gòu)的590P比590C體積少40%； 2：多款通訊功能模塊可供選擇，例如PROFIBUS，MODBUS，DEVICENET，EI-BISYNC，LINK等； 3：高分辨率的模擬輸入輸出點(diǎn)，12bit+； 4：簡易控制盤，提供本機(jī)/外部信號模式；本機(jī)操作模式方便于初次使用和調(diào)試； 5：590P選用與590C同樣的速度反饋，測速發(fā)電機(jī)板/光碼板； 6：接線方法與590C相同，控制板上接線端也與590C相同； 7：用軟件形式來定義電樞/磁場電壓/電流； 8：具有先進(jìn)的電流環(huán)自整定、自適應(yīng)調(diào)節(jié)器功能，使得用戶在電流環(huán)的參數(shù)整定方面變得十分方便。用戶只需將被控電機(jī)的額定電壓、電流和測速機(jī)的參數(shù)輸入到590P裝置，即可完成電流環(huán)參數(shù)的自整定和電流環(huán)的自調(diào)節(jié)功能。 9：采用16位微機(jī)實(shí)現(xiàn)了調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)節(jié)的數(shù)字化控制。 ①參數(shù)的設(shè)置、修改全由鍵盤輸入，用高清晰度的液晶界面加以顯示。故障時，系統(tǒng)能自動跳閘“就地”保護(hù)自己，還能顯示故障原因，方便用戶維修。 ②具有自動跟蹤電網(wǎng)相序功能，省掉了電源相序判斷硬件。CPU產(chǎn)生數(shù)字觸發(fā)脈沖，取消了老式的十二塊觸發(fā)電路，提高了系統(tǒng)的觸發(fā)可靠性，還節(jié)省了觸發(fā)電路硬件開支，降低了裝置成本。 ③590P內(nèi)部具備20A的磁場控制功能，實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速的要求。 10：先進(jìn)的速度環(huán)控制算法，使裝置具有寬達(dá)1:100的調(diào)速范圍。 ①16位微機(jī)的高速處理功能，使得數(shù)字式PID算法接近模擬PID控制。 ②電流環(huán)的自適應(yīng)控制功能，較好地解決了晶閘管電路在電流斷續(xù)時，輸出特性出現(xiàn)非線性問題，保證了系統(tǒng)在輕載時不出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩抖動現(xiàn)象。 ③具有反電動勢（BEMF）的估算功能，提高了裝置的觸發(fā)控制精度，擴(kuò)大了系統(tǒng)的調(diào)速范圍。 11：該裝置比其它調(diào)速裝置具有以下優(yōu)勢： ①性能穩(wěn)定，故障率低。該系統(tǒng)采用全數(shù)字式模塊結(jié)構(gòu)，集成度高，保護(hù)嚴(yán)緊。一旦出現(xiàn)故障，或輸入不正常，即封掉脈沖，再切斷主電源。 ②調(diào)試簡單。該調(diào)試分為兩部分，一為硬件調(diào)試，即通過面板上電位器或撥動開關(guān)，按拖動電機(jī)銘牌，設(shè)置輸出電壓、電流等額定值。二為軟件調(diào)試，按照人機(jī)操作界面的提示，對各項參數(shù)進(jìn)行細(xì)調(diào)。系統(tǒng)的調(diào)試只用了一天時間，大大縮短了調(diào)試周期。 ③查錯容易。該系統(tǒng)有一液晶顯示的人機(jī)界面，它自動顯示第一次故障類型，也可以對控制裝置內(nèi)的所有報警、輸入和主要軟件塊進(jìn)行診斷。前面板上的發(fā)光二極管顯示，可及時指示傳動裝置和主要輸入的狀態(tài)。極大地方便了檢修。 3．3 用可編程控制器PLC改造繼電器控制電路 在單臂刨床的工作臺返往控制中，為了克服由于工作臺往返頻繁造成的機(jī)械齒輪沖擊，需要有“軟換向”功能，為了防止刀具撞工件，需要有低速慢切入功能，為此，刨臺的操作過程控制要求有六個觸點(diǎn)開關(guān)L1~L6分別發(fā)出刨臺前進(jìn)時的減速、換向、前進(jìn)終端三個信號，刨臺后退時的減速、換向和后退終端三個信號，這些信號的獲取仍然保留不變，來自原系統(tǒng)中的六個觸點(diǎn)行程開關(guān)。原繼電器系統(tǒng)的控制框圖如圖3所示。 其中六個有觸點(diǎn)行程開關(guān)L1至L6在擋塊靠近時，繼電器KA1至KA6相繼吸合，從而發(fā)出控制信號。由于繼電器為插件式結(jié)構(gòu)，觸點(diǎn)小，動作太頻繁，經(jīng)常出現(xiàn)故障，且難以檢修。為此我們考慮對其進(jìn)行改造。 直接將信號輸入PLC,取消插件式結(jié)構(gòu)繼電器。 在本系統(tǒng)改造中，由于涉及經(jīng)費(fèi)較少，我們只對上述故障率最高的刨臺往返控制采用PLC來取代，再加上590P直流可逆調(diào)速系統(tǒng)自身的控制設(shè)計，所以選用了60個點(diǎn)的PLC（C60P）。具體硬件框圖如圖4所示。 由圖4所示，PLC輸入點(diǎn)主要采集電源、按鈕站、有觸點(diǎn)行程開關(guān)、機(jī)械終端限位、油壓開關(guān)以及接觸器觸點(diǎn)信號，共計26個點(diǎn)。PLC輸出點(diǎn)主要控制590P、速度給定控制板、信號燈以及刨臺過程控制接觸器線圈，共計24個點(diǎn)。設(shè)計中，我們將輸入點(diǎn)的所有COM端相連，并接至電源24V負(fù)極，將輸出點(diǎn)共電源的COM端相連，與各自電源地點(diǎn)相連。設(shè)計完成后的PLC與590P總體框圖見圖5。 其中，590P裝置的接線可以參照590P系列控制器的外圍框圖，見圖2。 新系統(tǒng)安裝完畢后，我們還專門設(shè)計了一套全封閉式電柜，并配置一臺空調(diào)，保證了系統(tǒng)在一個恒溫，無塵的環(huán)境下運(yùn)行。 3．4 PLC控制的軟件流程圖 在編寫PLC程序之前，首先根據(jù)控制電路框圖設(shè)計PLC控制的軟件流程圖，見圖6。循著流程圖的思路，可以使編寫的程序結(jié)構(gòu)緊湊、嚴(yán)謹(jǐn)。程序編制完成后，首先在下面進(jìn)行動作順序調(diào)試，同時關(guān)注一些時間常數(shù)的設(shè)置，由于PLC不同于繼電器控制，它的一個掃描周期是相當(dāng)短的，在PLC輸出控制繼電器線圈時，就必須考慮防止出現(xiàn)誤動作。之后，進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)問題，隨時修正程序。在PLC的選型上，也應(yīng)考慮這一點(diǎn)，預(yù)留輸入輸出點(diǎn)，以備不時之需。 該系統(tǒng)自2006年8月改造至今，每天三班工作，只出現(xiàn)過幾次小故障，如油壓不足，行程開關(guān)壞等，都是通過PLC很快獲得診斷，給維修人員帶來很大的方便，也大大提高了機(jī)床的使用效率。實(shí)踐證明這臺設(shè)備的改造是成功的，短期的投入