森兰SB61G 22kW变频器在龙门铣床上的运用

    一、概述    龙门铣床是加工较大型工件的机加设备，其电气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。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，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笼形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笼形电机，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8-25所示。
    图8-25    龙门铣床工作台的工作流程图    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铣床工作台空行程启动；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，由此再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/m/n，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极笼形电机。    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，要求启动和低速力矩大，最好选用矢量控制变频器，选用森兰公司生产的SB61G变频器。该变频器可以选择U/f开环、U/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RS-485串行通信口，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SB61G 22kW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。    2．改造方案    ①工作台拖动保留原有机械减速器，再加一级1：75蜗轮减速器，拆除原来拖动工作台做往复运动的5.5kW直流主电机，改为一台5.5kW 4极交流异步电机，采用艾默生EV2000-4T0075G 7.5kW G型变频器驱动，因为工作台前进速度很慢，每分钟只要求前进2cm，因此工作台主电机功率不必要很大。加大机械减速比，是为了让变频器工作在10Hz以上，避免工作台产生低速爬行现象；变频器功率选型比电机大一级是为了防止变频器低速时过电流。工作台不能产生低速爬行是改造的关键点。工作台电机控制要求为：用按钮实现正/反转、停机。    频率给定有两种方式：可调速挡(0~50Hz)，固定高速挡(80Hz)。可调速挡让工作台铣削时速度可调，固定高速挡让工作台不铣削时能够手动快速移动。可调速挡用远端控制盒实现，固定高速挡用开关实现，方法是用开关闭合变频器X3，短接X1、X2端子，切换频率给定通道为VCI模拟给定，开关断开时为数字给定3（串行口给定）。    ②安装上铣刀、垂直铣动力头（齿轮减速器），动力头的输出轴驱动铣刀旋转，动力头输入轴用7.5kW 4极交流异步电机驱动，配EV2000-4T0075G变频器。控制要求为：用按钮实现正/反转、停机，频率在远端控制盒调节。    ③横梁走刀（铣刀水平左右移动）电机原为3.7kW 4极交流异步机，只用配一台EV2000-4T0037G变频器，控制方式同工作台一样，速度给定有两种方式：远端控制盒串行口给定(0~50Hz)，开关接通固定80Hz给定，方法也是用开关闭合变频器X3，短接X1、X2端子，切换频率给定通道为VCI模拟给定，开关断开时为数字给定3（串行口给定）。具体参数：F7.00=22，F7.01=23，F7.03=24。这里VCI模拟给定是用线短接变频器端子VRF和VCI，相当于VCI=10V最大值，通过设定F0.05=80Hz，F0.12=80Hz，F1.07=80Hz实现开关接通给定80Hz。    ④侧铣动力头电机为7.5kW 4极交流异步电机，配EV2000-4T0075G变频器。采用端子给定实现正/反转，只采用远端控制面板改变频率，同垂直铣动力头控制完全一样。远端控制面板的RS-485总线同所有变频器RS-485端子相连，所有变频器的频率设定都可以通过串行通信方式由远端控制面板调整，简化了控制线路。    ⑤横梁升降与夹紧控制，横梁升降和夹紧电机没有使用变频器控制。可根据实际情况设计控制电路。    通过端子灵活切换频率给定通道，实现了串行通信频率给定和端子VCI固定频率给定，方便了操作；使用远端控制面板提高了抗干扰能力，简化了线路；由于变频器具有过载自动降频功能，工作台电机和动力头电机从不出现过载停机现象，可靠性大大增强。