论文部分内容阅读
摘 要：本文在分析变频器特点的基础上，提出了用交流变频调速取代直流调速的问题。分析了变频器控制方法，给出变频器及其周边设备的选型计算。概述变频调速在龙门铣床改造中的应用，以及在变频器和PLC安装中应注意的一些问题，最后介绍变频调速系统的调试情况。
关键词：龙门铣床 变频器 技术改造
中图分类号：TG54 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（a）-0117-02
龙门铣床是工业部门加工较大型工件的主要设备，其电气控制系统包括：工作台的主传动和进给机构的逻辑时序控制两大部分。传统龙门铣床的主传动一般采用直流可逆拖动或固定速的交流电机拖动方式，而逻辑时序控制普遍采用继电接触器实现。
某厂用于机械零件加工的龙门铣床调速系统，原来采用三相半控桥不可逆直流拖动，分工作台、左主轴和右主轴三个进给方向。该设备已经运行了三十多年，电气系统存在严重老化现象，设备精度降低，调速性差，由于采用继电器逻辑控制系统线路复杂且故障率高。因此采用变频器和PLC对该龙门铣床进行数控改造，提高加工精度，延长其工作寿命，不失一种投入少，见效快的方法。
1 变频调速的特点
目前变频调速器已全部采用了数字化技术，并且日趋小型化、高可靠性和高精度。从应用角度看，其不仅具有显著的节电性能，而且还具有如下的优良性能。
（1）高速响应、低噪声、大范围、高精度平滑无级调速。
（2）体积小、重量轻、可挂墙安装，占地面积小。
（3）保护功能完善，能自诊断显示故障所在，维护简便。
（4）操作方便、简单。
（5）内设功能多，可满足不同工艺要求。
（6）具有通用的外部接口端子，可同计算机、PLC联机，便于实现自动控制。
（7）软起动、软停机，具有电流限定和转差补偿控制。
（8）电动机直接在线起动，起动转矩大，起动电流小，减小对电网和设备的冲击，并具有转矩提升功能，节省软起动装置。
（9）功率因数高，节省电容补偿装置。
（10）与鼠笼式；转子电动机结合，使调速系统维护更加简单经济。
此外，用变频器来改变切削速度，选择经济效益最佳的切削速度。速度选择好之后，用改变皮带轮直径和（或）更换电机的方法来改变切削速度，既经济又方便，是机械加工行业提高加工质量、降低加工成本的一种行之有效的方法。
变频调速的缺点。
（1）从目前看，变频器的初投资太高，是应用于调速节能中的主要障碍。但随着电子技术的发展，产品成本逐步提高，其应用前景日益广阔。
（2）因变频器输出的电流或电压的波形为非正弦波而产生的高次谐波，对电动机及电源会产生种种不良影响。若采用PWM型变频器或采用多重化技术的电流型变频器，则这个问题可以得到大大的改善。
2 变频器的选型
龙门铣床技术改造的对象是进给机构，其工作台进给和左、右主轴进给均属于恒转矩负载。原来的直流调速系统的调速范围D=50，改造后的变频调速系统要达到50∶1的调速比，必须选用带有矢量控制功能的高性能通用变频器。
考虑到普通笼型电机安装速度传感器，不但增加工艺难度，而且加大了技术成本，而无速度传感器矢量控制变频器的主要技术指标，已基本能满足技改的设计要求，所以初步决定选用日本春日KVFZ4110型无速度传感器矢量控制变频器。该型号变频器的几项主要技术指标如下。
（1）调速范围。无速度传感器矢量控制调速范围为100∶1。
（2）起动转矩。1 Hz时150%额定转矩。
（3）频率精度。频率精度为最高频率的0.1%。
3 变频器容量计算
在异步电动机确定后，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值（最大值）来选择变频器。当运行方式不同时，变频器容量的计算方式和选择方法不同，变频器应满足的条件也不一样。选择变频器容量时，变频器的额定电流是一个关键量，变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。
在变频器容量计算前，要确定拖动负载的电机容量。由于有原直流电机作参考依据，所以不必进行详细的转矩换算，只需选择与原直流电机容量相对应的笼型电机容量即可。
由于工作台拖动电机容量均大于左、右主轴进给电机容量，所以变频器容量的计算以工作台的电机为主要依据。原工作台直流电机参数为：PN=10 kW，nN=1000 r/min。通过查电机手册，与原直流电机数据对应的笼型电机数据为：电机型号YL60L--6，额定功率PN=11 kW，转速nN=970r/min，额定电流IN=24.6 A。
变频器连续运行时，其额定输出电流IINV应大于或等于电动机实际最大电流的1.1倍。根据测试的数据换算，工作台进给的最大负载转矩为81 Nm，换算到YL60L-6电机上的最大负载电流Imax≈19A，这样，变频器的额定输出电流应大于或等于1.1×19=20.9 A。查春日变频器手册，KVFZ4110
型额定电流为24 A，能满足上述要求。
此外，由于KVFZ4110型变频器不带标准制动电阻，所以还需要根据实际情况进行计算，选择合适阻值和容量的制动电阻。查春日变频器手册，制动电阻选100%制动转矩时的标准配置62 Ω，4 kW。
4 变频器的连接
由于继电器和接触器触点的使用寿命远远短于PLC软触点寿命，因此本次技去掉所有继电器和接触器，选用日本欧姆龙的模块式PLC—C200H。使各液压电磁阀、计数器、延时器等控制均由PLC完成。实现两铣床动作基本达到无触点控制，故障率低并给维修带来极大方便。 技改设计中选用PLC的CPU单元为CPU01—E。存储器选4k容量EEPROM，型号为ME431，两个输入单元均为16点的ID212，三个输出单元分别为12点的OC222，8点的OC221，独立接点8点的OC224，有一定的预留空间。变频器的接线原理图和PLC部分程序如（图1）和（图2）所示。
由图1可以看出，龙门铣床的工作台进给、左主轴进给和右主轴进给，是通过控制变频器输出侧的接触器来实现的。如果在变频器正常输出时切换输出侧的接触器，将会在接触器触点断开的瞬间产生很高的过电压，这样很容易损坏变频器中的逆变器件。因此，切换变频器输出侧的接触器，一定要等到所控制的电机完全停止以后才能进行。
5 试运行及PLC调试
变频器系统功能参数设定完后，可试运行。用操作盘上的速度给定电位器设定5 Hz左右的低频率，再按下正、反转按钮，观察电机转向是否正确，电机运转是否平稳，加减速是否平滑。电机空载运转几分钟后，如无异常情况，再依次选择10 Hz、20 Hz、
35 Hz、50 Hz等几个频率点试运行。试运行正常以后，变频器调速系统即可投入正式运行。
然后将PLC控制系统设计和安装好了以后，就可以进行系统总调试了。在检查接线等无差错后，先对各单元环节分别进行调试，然后再按系统动作顺序，模拟输入控制信号，逐步进行调试，并投入运行考验。
6 结语
该龙门铣床的技术改造，应用了具有先进水平的技术（PLC与变频器调速系统），从而取得了良好的经济效果，解决了直流系统低速段振荡的老大难问题。对继电器控制系统既简单易懂，且操作方便，程序便于修改，判断故障明确直观，提高了工作效率。通过走访用户，认为性能稳定，调速功能好，基本上无故障率，而维修人员摆脱了经常修直流电机的繁重劳动。此次技术改造积累了一定的经验与方法，具有较好的推广和应用价值。
参考文献
[1] 张文蔚.PLC、变频器技术在车床系统改造中的应用[J].机床电器，2011，38（1）.
[2] 黄琳娜.应用变频器和PLC技术改造机床电气控制系统[J].中国科技纵横，2012（13）.
[3] 梅建生，段苏振.欧姆龙C200H型PLC在9米龙门行铣床中的应用[J].可编程控制器与工厂自动化，2008（6）.
[4] 杨文健.五坐标三主轴数控龙门铣床电气系统的改造[J].制造技术与机床，2012（12）.
关键词：龙门铣床 变频器 技术改造
中图分类号：TG54 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（a）-0117-02
龙门铣床是工业部门加工较大型工件的主要设备，其电气控制系统包括：工作台的主传动和进给机构的逻辑时序控制两大部分。传统龙门铣床的主传动一般采用直流可逆拖动或固定速的交流电机拖动方式，而逻辑时序控制普遍采用继电接触器实现。
某厂用于机械零件加工的龙门铣床调速系统，原来采用三相半控桥不可逆直流拖动，分工作台、左主轴和右主轴三个进给方向。该设备已经运行了三十多年，电气系统存在严重老化现象，设备精度降低，调速性差，由于采用继电器逻辑控制系统线路复杂且故障率高。因此采用变频器和PLC对该龙门铣床进行数控改造，提高加工精度，延长其工作寿命，不失一种投入少，见效快的方法。
1 变频调速的特点
目前变频调速器已全部采用了数字化技术，并且日趋小型化、高可靠性和高精度。从应用角度看，其不仅具有显著的节电性能，而且还具有如下的优良性能。
（1）高速响应、低噪声、大范围、高精度平滑无级调速。
（2）体积小、重量轻、可挂墙安装，占地面积小。
（3）保护功能完善，能自诊断显示故障所在，维护简便。
（4）操作方便、简单。
（5）内设功能多，可满足不同工艺要求。
（6）具有通用的外部接口端子，可同计算机、PLC联机，便于实现自动控制。
（7）软起动、软停机，具有电流限定和转差补偿控制。
（8）电动机直接在线起动，起动转矩大，起动电流小，减小对电网和设备的冲击，并具有转矩提升功能，节省软起动装置。
（9）功率因数高，节省电容补偿装置。
（10）与鼠笼式；转子电动机结合，使调速系统维护更加简单经济。
此外，用变频器来改变切削速度，选择经济效益最佳的切削速度。速度选择好之后，用改变皮带轮直径和（或）更换电机的方法来改变切削速度，既经济又方便，是机械加工行业提高加工质量、降低加工成本的一种行之有效的方法。
变频调速的缺点。
（1）从目前看，变频器的初投资太高，是应用于调速节能中的主要障碍。但随着电子技术的发展，产品成本逐步提高，其应用前景日益广阔。
（2）因变频器输出的电流或电压的波形为非正弦波而产生的高次谐波，对电动机及电源会产生种种不良影响。若采用PWM型变频器或采用多重化技术的电流型变频器，则这个问题可以得到大大的改善。
2 变频器的选型
龙门铣床技术改造的对象是进给机构，其工作台进给和左、右主轴进给均属于恒转矩负载。原来的直流调速系统的调速范围D=50，改造后的变频调速系统要达到50∶1的调速比，必须选用带有矢量控制功能的高性能通用变频器。
考虑到普通笼型电机安装速度传感器，不但增加工艺难度，而且加大了技术成本，而无速度传感器矢量控制变频器的主要技术指标，已基本能满足技改的设计要求，所以初步决定选用日本春日KVFZ4110型无速度传感器矢量控制变频器。该型号变频器的几项主要技术指标如下。
（1）调速范围。无速度传感器矢量控制调速范围为100∶1。
（2）起动转矩。1 Hz时150%额定转矩。
（3）频率精度。频率精度为最高频率的0.1%。
3 变频器容量计算
在异步电动机确定后，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值（最大值）来选择变频器。当运行方式不同时，变频器容量的计算方式和选择方法不同，变频器应满足的条件也不一样。选择变频器容量时，变频器的额定电流是一个关键量，变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。
在变频器容量计算前，要确定拖动负载的电机容量。由于有原直流电机作参考依据，所以不必进行详细的转矩换算，只需选择与原直流电机容量相对应的笼型电机容量即可。
由于工作台拖动电机容量均大于左、右主轴进给电机容量，所以变频器容量的计算以工作台的电机为主要依据。原工作台直流电机参数为：PN=10 kW，nN=1000 r/min。通过查电机手册，与原直流电机数据对应的笼型电机数据为：电机型号YL60L--6，额定功率PN=11 kW，转速nN=970r/min，额定电流IN=24.6 A。
变频器连续运行时，其额定输出电流IINV应大于或等于电动机实际最大电流的1.1倍。根据测试的数据换算，工作台进给的最大负载转矩为81 Nm，换算到YL60L-6电机上的最大负载电流Imax≈19A，这样，变频器的额定输出电流应大于或等于1.1×19=20.9 A。查春日变频器手册，KVFZ4110
型额定电流为24 A，能满足上述要求。
此外，由于KVFZ4110型变频器不带标准制动电阻，所以还需要根据实际情况进行计算，选择合适阻值和容量的制动电阻。查春日变频器手册，制动电阻选100%制动转矩时的标准配置62 Ω，4 kW。
4 变频器的连接
由于继电器和接触器触点的使用寿命远远短于PLC软触点寿命，因此本次技去掉所有继电器和接触器，选用日本欧姆龙的模块式PLC—C200H。使各液压电磁阀、计数器、延时器等控制均由PLC完成。实现两铣床动作基本达到无触点控制，故障率低并给维修带来极大方便。 技改设计中选用PLC的CPU单元为CPU01—E。存储器选4k容量EEPROM，型号为ME431，两个输入单元均为16点的ID212，三个输出单元分别为12点的OC222，8点的OC221，独立接点8点的OC224，有一定的预留空间。变频器的接线原理图和PLC部分程序如（图1）和（图2）所示。
由图1可以看出，龙门铣床的工作台进给、左主轴进给和右主轴进给，是通过控制变频器输出侧的接触器来实现的。如果在变频器正常输出时切换输出侧的接触器，将会在接触器触点断开的瞬间产生很高的过电压，这样很容易损坏变频器中的逆变器件。因此，切换变频器输出侧的接触器，一定要等到所控制的电机完全停止以后才能进行。
5 试运行及PLC调试
变频器系统功能参数设定完后，可试运行。用操作盘上的速度给定电位器设定5 Hz左右的低频率，再按下正、反转按钮，观察电机转向是否正确，电机运转是否平稳，加减速是否平滑。电机空载运转几分钟后，如无异常情况，再依次选择10 Hz、20 Hz、
35 Hz、50 Hz等几个频率点试运行。试运行正常以后，变频器调速系统即可投入正式运行。
然后将PLC控制系统设计和安装好了以后，就可以进行系统总调试了。在检查接线等无差错后，先对各单元环节分别进行调试，然后再按系统动作顺序，模拟输入控制信号，逐步进行调试，并投入运行考验。
6 结语
该龙门铣床的技术改造，应用了具有先进水平的技术（PLC与变频器调速系统），从而取得了良好的经济效果，解决了直流系统低速段振荡的老大难问题。对继电器控制系统既简单易懂，且操作方便，程序便于修改，判断故障明确直观，提高了工作效率。通过走访用户，认为性能稳定，调速功能好，基本上无故障率，而维修人员摆脱了经常修直流电机的繁重劳动。此次技术改造积累了一定的经验与方法，具有较好的推广和应用价值。
参考文献
[1] 张文蔚.PLC、变频器技术在车床系统改造中的应用[J].机床电器，2011，38（1）.
[2] 黄琳娜.应用变频器和PLC技术改造机床电气控制系统[J].中国科技纵横，2012（13）.
[3] 梅建生，段苏振.欧姆龙C200H型PLC在9米龙门行铣床中的应用[J].可编程控制器与工厂自动化，2008（6）.
[4] 杨文健.五坐标三主轴数控龙门铣床电气系统的改造[J].制造技术与机床，2012（12）.