摘要: 通過對進口大（dà）型特種龍門銑床電氣係統的成功升級改造，闡述了改（gǎi）造過程中（zhōng）如何確定改造（zào）方案，如何選擇國產電器元件以及通（tōng）電試（shì）車（chē）中問題的分析解（jiě）決，為其他大型機床的電氣改造提供了較（jiào）好的（de）借鑒和參考。

      前蘇（sū）聯明斯克機床廠製造（zào）的MC63033 特種龍門銑床是筆者公司在20 世紀90 年代初引進的一台大型設備，該（gāi）機床（chuáng）工作台行程8 m，台麵寬2 m，具有（yǒu）加工範圍大、加工（gōng）切削量大、機床剛（gāng）性好、加工（gōng）精度高等優點，自引進以來一直是筆者公司關鍵設備（bèi）之一。機床經過多年高效運行，其機械部分性能仍然良好，但電氣係統故（gù）障明（míng）顯上升。由於機（jī）床電器（qì）元件全部是前蘇（sū）聯產品，更換備件非常困難，嚴重影響了正（zhèng）常的生產運行，因此公司決定對其電（diàn）氣係統進行全麵升級改造。

      1 、總體改造方案

      該機床原（yuán）電氣係統複雜龐大，主要包括（kuò）交流控製部分和（hé）晶閘管直流調速部分（fèn）。交流電路控製部分主要控製各部分交流電動機（jī）的正反轉運行、機床複雜（zá）的液壓係統以及冷卻潤滑（huá）等功能，而工作（zuò）台、垂直（zhí）銑頭、左右水平銑頭分別用兩（liǎng）台前蘇聯不同功率的（de）晶閘管直（zhí）流調速裝置控製相（xiàng）對應的直（zhí）流電動機，實（shí）現（xiàn）各種工件的快、慢速進給加（jiā）工。日常維修中發現，電氣故障主要是（shì）由晶閘管直流調速裝置元件和（hé）原蘇聯控製電器老化引起的，更換及維修都入極（jí）其困難，所以（yǐ）決定（dìng）對該機床（chuáng）電氣係統進行（háng）全（quán）麵改造。機床外形和（hé）布局如圖1 所示

      1． 1 直流（liú）調速係統電氣控製要求

     調速係（xì）統或（huò）調速裝置（zhì）是（shì）現代自動控（kòng）製領域中重要的（de）控製係統（tǒng），而直流調速係統是機床調速係統中廣泛使（shǐ）用的調速係統之一，具有（yǒu）調速範圍寬、調速精度高低速穩定性好的特點，同時具有良好（hǎo）的啟動、製動性（xìng）能，能在（zài）較大範圍內平（píng）滑（huá）調整。該龍門銑床的原直流調速部分（fèn）除具備以上優點外，為滿足特種加工工藝的（de）要求，還（hái）可實現工作台進給運（yùn）行在（zài）大切削量時仍能保持（chí）較好的剛性和速度平穩性，從而保證工件的加（jiā）工精度（dù）和表麵粗糙度，且快慢速響應性好。為方便調整，各刀（dāo）架還能實現微調。

      1． 2 直流部分控製方案確定

      通過對原直（zhí）流調速係統的控製要（yào）求和機床各部分動作要求進行分析，有（yǒu）以下（xià）改（gǎi）造方案可以使用（yòng）:方案1: 使用日本三菱變頻器FR—A540 /15 kW、FR—A540 /7． 5 kW 和（hé）變頻電動機替換原（yuán）蘇聯晶閘管調速部分和直流電動機。這樣改造的優點是: 改（gǎi）造徹底（dǐ），改造後故障率相對較低且便（biàn）於維修（xiū）。缺點是: 改造周期長（zhǎng），變（biàn）頻電動機與機（jī）床接口處需要重新改裝，機械傳動部分也需要改動，且很（hěn）難保證原機床低速加工時（shí）的剛性和穩定性。

      方案2: 使用英國歐陸590 + 直流調速裝置替換原（yuán）蘇聯晶（jīng）閘管直流調速部分（fèn），使用日本光洋PLC 作為控製核心，改造交流電路控製部分; 用國產Z4 係列（liè）直（zhí）流（liú）電（diàn）動機替換原蘇聯（lián）直流電動（dòng）機。這樣改造的優點是:連接簡單，機械傳動部（bù）分不用改動，改（gǎi）造周期短（duǎn），性價比相對（duì）較高，改造後故障率低，便於維修（xiū）。改造缺點是: 直流電動機需（xū）要定期保養，而且比交流電動機維修困難。

  
      在綜合考慮改造周期和性價比等（děng）因素（sù）之後，我們決定采用第2 種方案。

      1． 3 交流部分控製方案確定
 

     原機床控製電櫃為3 台前後開門的大電（diàn）櫃，所用電器均是前蘇聯產品，市場上根（gēn）本買不到，電（diàn）器排列和布（bù）線方式較亂，結構繁雜，完全不符（fú）合（hé）現代電（diàn）氣控製和電氣（qì）保護標準（zhǔn），所以決定將（jiāng）原控製電櫃全（quán）部棄之不用。經過對（duì）原電氣原（yuán）理圖仔細（xì）分析解讀，決定用PLC( 可編程控製器) 和質量較好（hǎo）的國產電器（qì）對交流部分進行升（shēng）級改造。配電櫃殼體選用兩台本廠（chǎng）立式（shì）車床產品所用電櫃，故（gù）無需另外定（dìng）做，省時省錢。根據測算，在保證原（yuán）機床操作習慣（guàn）的前提下，統計出該機床（chuáng）需要的PLC 輸入點66 個，輸出點51 個，即I /O 總點數共117 個。據此（cǐ），若選用大型PLC 如西門（mén）子S7—300 等固然好，但價格高，改造成本增加。我們對輸入、輸出（chū）點進行分類統計後決定分（fèn）別用兩台64 點的整體式PLC 進行控製，同樣選用
本廠產品上使用的日本光洋PLC SH—64R1( I /O 比例是（shì）32 /32) 和SH—64R2( I /O 比例（lì）是36 /28) 分裝在兩台電櫃裏， SH—64R1 命名為PLC1，主要控製（zhì）3 個銑頭的主軸旋轉、主軸變（biàn）速、刀具夾緊放鬆以及橫梁（liáng）的升降、橫梁的夾緊放鬆等。SH—64R2 命名為PLC2，主（zhǔ）要控製工作台的放鬆、正反向快速運行或進（jìn）給運（yùn）行以及3 個銑頭（tóu）的夾緊（jǐn）放鬆、進給或快速運行等; 由於該銑床工作台為靜壓導軌，靜壓（yā）壓力檢測和流量（liàng）檢測必不可少，此類檢測信號也輸入PLC2 以便於控製。總之，用兩（liǎng）台整體式PLC 分（fèn）裝兩（liǎng）台電（diàn）櫃進行分類控製，再在控製邏輯上加以適（shì）當互鎖，就可實現整台機床的完全（quán）控製。實踐證明，這種方式既（jì）節約了改造成本又有利於電櫃內的走線，電器布局也較合理整（zhěng）齊。

     1． 4 改造方案設計與實施

      交流（liú）控製部分主要考慮電櫃裏電器（qì）件的排列應合理整齊，器（qì）件容量（liàng）大小、線徑（jìng）大小（xiǎo）以及是否符合國家（jiā）安全標準等方麵，這裏（lǐ）就（jiù）不再熬述。下麵說明直流控製部分（fèn）。

     ( 1) 直流調速裝置和（hé）直流電（diàn）動機的選用根據電動機功率和控製特性采用歐陸590 的( 590+ /70 A) 與( 590 + /35 A) 直流調速（sù）單元和Z4 型直流電動機，該裝置采用全數字微電（diàn）腦程序控製等先進技術，具有很寬的功率選擇範（fàn）圍。而Z4 係列直流電動機采用先進的（de）高效節能技術與590 + 直流調速裝置（zhì）配合使用，構成非常好（hǎo）的控製係統。根據這台龍（lóng）門銑床原自身結（jié）構的要（yào）求，垂直銑頭、左側銑頭、右側銑頭每次隻能選擇一個（gè）進行進給或快速運動。因此在（zài）設計時要充分考慮模（mó）擬電（diàn）壓的選擇，同時（shí）還要考慮直流電動機（jī）電樞和勵（lì）磁線圈對（duì）切換（huàn）過程的影響。綜合以（yǐ）上（shàng）因素，再（zài）參考原有電動機的參數來選用國產Z4 節能型（xíng）直流電動機。

     具體選型如下:

     工作台直流（liú）電動（dòng）機Z4—132 /4 － 2 /15 kW 400 V/44． 5 A 1 360 r /min
     垂（chuí）直銑頭直流電動機Z4—112 /4 － 2 /7． 5 kW 400V/22． 5 A 1 480 r /min
     左側銑頭直流電（diàn）動機（jī）Z4—112 /4 － 2 /7． 5 kW 400V/22． 5 A 1 480 r /min
     右側銑頭直流電動（dòng）機Z4—112 /4 － 2 /7． 5 kW 400V/22． 5 A 1 480 r /min

     ( 2) 控製部分設計，如圖2 所（suǒ）示。

     工作（zuò）台驅動模擬電壓給（gěi）定電路，如圖2 所（suǒ）示。進給電壓給定（dìng）由590 + 單元的± 10 V 模擬（nǐ）電壓輸出，通過KA2 、KA3 控製工作台正反轉。由KA5 得電RV1來調節模擬電壓的給定大小。快速模擬電壓給定由KA4 得電打開，通過（guò）KA2、KA3 控製工作台電動機正反轉。此時，模擬給定電壓為最大值，工作台快速運行。

      銑頭選擇控製電路如圖3 所示，垂（chuí）直刀架和右側刀架和左側刀架的電動機及測速反（fǎn）饋回路控製特點是: 3 個刀架每次隻能來1 個（gè），通過選擇開關控製PLC的輸出點Q15、Q16、Q17 對應接通KA7、KA8、KA9 來選（xuǎn）擇其中（zhōng）一個刀架運行（háng），其他兩個不工（gōng）作。模擬電壓給定電路和工作台控製相似。這樣就解決了1 台590 + 直流（liú）調速裝置分別控製3 台直流（liú）電動機的問題。直流調速電路設計完成（chéng）後，針對該龍門銑床其他控（kòng）製電路進行設計如圖3 所示的PLC 控製（zhì）電路，接觸器KM7、KM8、KM9 分別由KA7、KA8、KA9 控製，來選（xuǎn）擇（zé）相對應的刀架電動機。

     ( 3) 直流調速裝置和電動（dòng）機（jī）連接以上電路設計完成後，以3 個刀架為例，說明3 個刀架電動機和直流單元的選擇具體連接如圖4 所示。

      具體實施: 所有電路按照（zhào）設計好的圖紙進行硬件連接工作，連接完成並認真檢查後通電試車。以3 個刀架為例，進行試運行。機床上電（diàn），按（àn）下泵站啟動按鈕，PLC1 和PLC2 上電並自檢後交流控製回路通（tōng）電、直流裝置的控製電源上（shàng）電，延時0． 3 s 後( 由PLC 控製) 直（zhí）流裝置（zhì）主回路上電，例如選擇垂直銑（xǐ）頭（tóu）、Q15 輸出、KA7 得電，這時KM7 通（tōng）電，按下正（zhèng）向進給按（àn）鈕，直流裝（zhuāng）置給定（dìng）回路得電; 通過調節電位器可以得到不同的給定電壓( 0 ～ 10 V) ，使垂直銑（xǐ）頭進給實現無級調速。按下正向快速按鈕，快速繼電器得電，給定（dìng）模擬電壓達到最（zuì）高值，垂直銑頭快速正向運動。

      2 、通電試（shì）車中的問題

      工作台快速運行時正常，低速進給時抖動。首先查（chá）看工作台電動機的電流表，發現電動機（jī）高速旋轉時電流基本平穩，而低速時電流波動很大。本著先易後（hòu）難的原則檢查發現液壓泵站、壓力（lì）繼電器、流量繼電器工（gōng）作正常。考慮到該機床工作台是靜壓導軌，於是在垂直刀（dāo）架上吸1 隻百分表檢查工（gōng）作台是否浮起，經對工作台4 個角的（de）檢測，均有0． 03 ～ 0． 04 mm的上浮。為（wéi）了避免因機械傳（chuán）動故障造（zào）成的（de）工作台（tái）抖動，讓（ràng）直流電動機與工作台連接齒輪脫開，檢查直（zhí）流電動機，發現電動機低速運轉不均勻。再查反饋（kuì）線路，拆下測速發電機，發現測速發（fā）電機與直流電動機轉子軸上的連接套鬆（sōng）動，用螺絲刀擰緊固定螺絲。再通電試（shì）車，直流（liú）電動機低速（sù）運轉平穩，故障解決。分析工作台抖動是測速發電（diàn）機反（fǎn）饋（kuì）不穩造成。

       3 、結語

      利用歐陸590 + 直流調速裝置、兩台光洋整體式PLC、國產（chǎn）Z4 係列節能型（xíng）直流電動機和國產電器（qì）件改造從國外引進（jìn）的大型設備（bèi），克服（fú）了改造前因原器件老化帶來的維修困難等缺點。改造成本低，機械傳動（dòng）不用改動，改造周期短。經安裝調（diào）試後（hòu）其各（gè）項性能均達到了機床原有技術要求，運行穩定可靠，生產（chǎn）效率和設備使用率明顯提高，取（qǔ）得了很（hěn）好的經濟效益。