1、概述 刨床是各機加工行業(yè)的一種常用加工設備。其主傳動的作用是帶動工作臺實現(xiàn)低速吃刀和退刀、以工作速度切削、高速返回及點動等動作，以滿足刨床的工藝要求。顯然，其性能優(yōu)劣直接關系到刨床的工件加工質量和生產效率。因此，刨床對床身主傳動直流電機控制系統(tǒng)有較高的要求： 1、 適于頻繁起動、制動和反轉，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； 3、 調速范圍寬，適應低速、中速刨削和高速返程的需要； 4、 工作穩(wěn)定性好，折返位置準確。 2 、原設備概況： 2.1設備參數(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。 ○主拖動設備（直流電機） 功率60KW，電樞電壓220VDC，電樞電流305A，勵磁電壓DC220V，轉速1000r/min。 ○直流發(fā)電機（由交流電機拖動發(fā)電） 功率：70KW，電壓：230VDC，電流：305A，勵磁方式：他勵，220V；轉速：1450r/min。 ○勵磁機： 功率：3.5KW，勵磁電壓：230VDC，勵磁電流：15.2A。 ○擴大機 功率：1.2KW，電壓：115V，電流：10.4A。 2.2工作原理： 由交流電機拖動直流發(fā)電機發(fā)出直流電，供給主直流電機，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,通過行程開關及機械撞塊進行換向,使工作臺來回運動,并控制刀架進給離合器的工作狀態(tài)和刀架的抬刀線圈通斷狀態(tài)進行工作。工作臺變速機械檔位有兩檔，為手柄轉換，通過電位器進行無級變速，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構，到位后自動夾緊，導軌潤滑方式為單點稀油潤滑方式。 其主傳動電控采用的是機組拖動。即：直流發(fā)電機—電動機（F—D系統(tǒng)）。F—D系統(tǒng)由機組原動機、電磁放大機原動機、激磁機等組成。該系統(tǒng)采用二十世紀四十年代的可控變流技術，原理是由交流電動機帶動直流發(fā)電機發(fā)電，其輸出的直流電壓直接加在直流電動機的電樞，用激磁機提供直流電動機磁場電流。通過調節(jié)發(fā)電機激磁電流，達到調速的目的。改變發(fā)電機的磁場方向，達到正反轉的目的。 2.3主要存在的問題是： ① 這種系統(tǒng)由于包含兩臺與調速電機容量相當?shù)男D電機及一臺放大機和激磁機，所以存在設備多、占地大、效率低、電耗高、噪音大等缺點； ② 由于采用調節(jié)激磁電流的方法調速，造成直流電動機響應時間慢、運行精度差、調速寬度??； ③ 由于調速系統(tǒng)構成繁雜，工藝過程控制全部采用繼電器，刨臺前進、后退、升速、減速控制通過行程開關及機械撞塊進行換向，再去控制繼電器，由于繼電器動作頻繁，觸點經(jīng)常出現(xiàn)粘連，或閉合不好，造成控制系統(tǒng)可靠性低、導致刨臺不減速發(fā)生故障，損壞設備，維護維修工作量大。同時造成設備停產，影響加工，致使生產效率低下。經(jīng)過二十多年的運行，設備故障多、電氣已老化，系統(tǒng)可靠性差，調速不穩(wěn)定。最近幾年經(jīng)常出現(xiàn)故障，造成停機，且該系統(tǒng)維修困難，又無備件，已經(jīng)無法徹底修復。 ④ 能耗高，每小時耗電80-90度。浪費電力，運行成本高。 ⑤ 不利環(huán)保，噪聲大。設備工作過程中產生的噪聲達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備存在的問題提出了機床改造方案，并對其工作臺主傳動電控系統(tǒng)進行了全數(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拖動，電機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)字直流調速裝置 根據(jù)負載的要求，我們選用英國歐陸公司生產的590P（380A）全數(shù)字直流可逆調速裝置取代原來的（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)字直流調速器，它是智能型、全數(shù)字式可控直流調速裝置。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和永磁電動機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的調速要求，主要特點如下： 1：體積少，新款結構的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，12bit+； 4：簡易控制盤，提供本機/外部信號模式；本機操作模式方便于初次使用和調試； 5：590P選用與590C同樣的速度反饋，測速發(fā)電機板/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：具有先進的電流環(huán)自整定、自適應調節(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的額定電壓、電流和測速機的參數(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)的自調節(jié)功能。 9：采用16位微機實現(xiàn)了調速系統(tǒng)雙閉環(huán)調節(jié)的數(shù)字化控制。 ①參數(shù)的設置、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內部具備20A的磁場控制功能，實現(xiàn)恒功率調速的要求。 10：先進的速度環(huán)控制算法，使裝置具有寬達1:100的調速范圍。 ①16位微機的高速處理功能，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，擴大了系統(tǒng)的調速范圍。 11：該裝置比其它調速裝置具有以下優(yōu)勢： ①性能穩(wěn)定，故障率低。該系統(tǒng)采用全數(shù)字式模塊結構，集成度高，保護嚴緊。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調試簡單。該調試分為兩部分，一為硬件調試，即通過面板上電位器或撥動開關，按拖動電機銘牌，設置輸出電壓、電流等額定值。二為軟件調試，按照人機操作界面的提示，對各項參數(shù)進行細調。系統(tǒng)的調試只用了一天時間，大大縮短了調試周期。 ③查錯容易。該系統(tǒng)有一液晶顯示的人機界面，它自動顯示第一次故障類型，也可以對控制裝置內的所有報警、輸入和主要軟件塊進行診斷。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開關L1~L6分別發(fā)出刨臺前進時的減速、換向、前進終端三個信號，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)中的六個觸點行程開關。原繼電器系統(tǒng)的控制框圖如圖3所示。 其中六個有觸點行程開關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構，觸點小，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行改造。 直接將信號輸入PLC,取消插件式結構繼電器。 在本系統(tǒng)改造中，由于涉及經(jīng)費較少，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直流可逆調速系統(tǒng)自身的控制設計，所以選用了60個點的PLC（C60P）。具體硬件框圖如圖4所示。 由圖4所示，PLC輸入點主要采集電源、按鈕站、有觸點行程開關、機械終端限位、油壓開關以及接觸器觸點信號，共計26個點。PLC輸出點主要控制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。設計中，我們將輸入點的所有COM端相連，并接至電源24V負極，將輸出點共電源的COM端相連，與各自電源地點相連。設計完成后的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，我們還專門設計了一套全封閉式電柜，并配置一臺空調，保證了系統(tǒng)在一個恒溫，無塵的環(huán)境下運行。 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構緊湊、嚴謹。程序編制完成后，首先在下面進行動作順序調試，同時關注一些時間常數(shù)的設置，由于PLC不同于繼電器控制，它的一個掃描周期是相當短的，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，進行聯(lián)機調試，進一步發(fā)現(xiàn)問題，隨時修正程序。在PLC的選型上，也應考慮這一點，預留輸入輸出點，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，也大大提高了機床的使用效率。實踐證明這臺設備的改造是成功的，短期的投入