赵彦斌，杨 保，许鹏飞，张明红

（宁夏共享精密加工有限公司，宁夏 银川 750021）

直流调速器在普通落地镗铣床改造中的应用

赵彦斌，杨 保，许鹏飞，张明红

（宁夏共享精密加工有限公司，宁夏 银川 750021）

本文论述了西门子6RA70直流调速系统在我公司进口落地镗改造中的应用；从问题分析着手，提出了改造的具体方案；根据机床控制的要求确定配置，并进行了电气设计；解决了过去多年故障频繁、机械效率低等问题。这次实践结果证明改进后的落地镗床控制系统可靠、稳定,具有良好的应用前景。

落地镗铣床；直流电机；6RA70调速器

宁夏共享精密加工有限公司购买的进口GRAY落地镗床是50年代美国生产设备，该设备原主轴驱动采用双速三相异步电动机，由中间继电器控制交流接触器进行正反转换向，降压启动，以及双速电机高低速切换，电路复杂；目前元件老化严重，故障率高，修理难度大。机床主轴变速由双速电机、3档位行星齿轮变速器、4档位主轴减速箱并联实现24个档位变速（转速从2.5rpm至500rpm），但行星齿轮减速箱磨损严重，故障率极高；为此对镗床进行机械与电气改造。

1 改造方案

1）改造方案遵循以下原则：①实现机床原有设计功能，保证改造后机床主轴扭矩不能降低，主轴转速范围不能减少；②进行部分功能优化、在技术操作上比原机床先进；③可行性强，性价比高，改造时间短；④故障率低，便于维修。

2）对机械变速机构进行改进，星齿轮减速器有三个速比分别为4.5，3.4，2.6，机械改造保留2.6这一级减速比，改造最为方便、快捷；保留其中主轴变速箱的4个档位，采用电磁阀控制换挡油缸实现；为弥补机械转速的不足，主轴电气改造采用无极调速装置。现在较流行的机床调速方案有两种：①交流变频调速器+交流变频电机；②直流调速器+直流电机。两种方案都可以满足现有机床的功能需要，技术上均比较先进，且都是成熟的技术；但从本次改造的镗床看，使用直流调速器+直流电机进行改造，外增加主轴编码器进行闭环检测，能实现主轴回转时的精准定位，为以后拓展钻孔、攻丝功能做好预留；且随着计算机技术的发展，过去的模拟控制系统正在被数字控制系统所代替，在带有微机的通用全数字直流调速装置中，在不改变硬件的或者改变很少的情况下，依靠软件支持，就可以方便的实现各种调节和控制功能，目前应用最为广泛。

3）电机核算。

机械改造后机床最大扭矩和转速范围都要满足原有设计，需对电机功率、转速进行核算：

1）改造前GRAY落地镗主轴电机是恒功率双速电机，功率 75马力 （约 56kw），转速 1765rpm/ 885rpm，电机输出最大输出扭矩：

T：电机扭矩；

P：电机功率；

n：电机转速（恒功率）。

经行星齿轮减速器减速后输出的最大扭矩：

T1：减速器输出最大扭矩；

P1：减速器输出功率；

n1：减速后转速；

η：机械传动效率（取0.95）。

i：减速比（取最大减速比4.5时，输出扭矩最大）。

2）原设计电机有1765rpm/885rpm两个转速，与星齿轮减速器的三级档位匹配后输出转速是介于196.7rpm至679rpm之间的6个转速；若减速比采用2.6，电机的转速范围必须在512rpm至1765rpm之间，才能满足主轴原有转速在2.5rpm至500rpm之间。

3）根据公式（2）推算，改造后要保证减速器输出扭矩最小是2583.4Nm，则选用直流电机功率和额定转速满足以下关系：

Pz：改造选用直流电机功率

4）通过查询机械设备手册，直流电机Z4-250-31、67kW、额定转速540rpm/最高转速2000rpm、电枢电流197A、励磁功率2580W，最为合适；直流电机在额定转速以下为恒扭矩输出，输出扭矩为：

T2：减速器输出最大扭矩；

P2：减速器输出功率；

η：机械传动效率（取0.95）；

i2：减速比（取最大减速比4.5时，输出扭矩最大）；

经核算输出扭矩满足要求。

4）直流调速器选型及电路设计。

①系统覆盖范围和用户较广。在管理内容上覆盖了水利、供水、排水、水文四大行业；在管理范围上覆盖了国家、直辖市、区（县）三级管理；在建设范围上覆盖了自动化和信息化等方面集成；在用户使用上覆盖了水行政主管部门、企业、科研规划部门、社会公众等。

直流调速器种类繁多，SIEMENS6RA70系列在我公司其他机床上使用较多，该装置体积小、结构紧凑，内部各个单元拆装方便，使维修服务变得简单、易行。外部信号的连接通过插接端子排实现，安装快捷方便。根据直流电机参数，主轴调速器选用6RA7076-6DV62-0，三相400V电源，四象限工作，额定电流215A，强制冷却。

原有三相异步电动机供电及控制电路

改造后直流调速器供电及控制线路

按钮控制中间继电器

中间继电器控制接触器通断

2 6RA70直流调速器安装调试

1）调整实际整流器供电电压。电枢回路供电电压：P078.001=380V；励磁回路供电电压：P078.002= 380V；

2）输入电机数据：电枢额定电流P100、电枢额定电压P101、励磁额定电流P102、最大运行速度P108由电机铭牌读取进行设置。

3）实际速度检测反馈。本次改造采用模拟测速机测速反馈，设置参数P083=1，速度实际值由“主实际值”通道（K0013）提供，测速机接端子：XT.103，XT.104；按照测速机名牌设置P741（最高转速时的测速电机电压）。

5）西门子6RA70可设置端子定义。西门6RA70全数字直流调速器一些端子是为可设置输入、输出信号端子，由用户根据使用需求自行定义。

36端子、39端子：正反点动作用，根据端子连接图可看出，36端子输入到开关量连接器B0010（常开）和B0011（常闭），39端子输入到开关量连接器B0016（常开）和B0017（常闭）；而点动给定的参数由P435控制，当P435.001=10，设置36端子为正点动， P435.002=16，设置39端子为正点动。

同理，参照调试手册中各功能在参数和各端子的连接开关量进行端子功能定义，37端子：起/停作用，40端子：升速作用，41端子：降速作用，42端子：顺/逆作用，46端子:过载输出，48端子:故障输出。

6）最优化运行。西门子6RA70全数字直流调速器调试过程中参数发生更改后，为了使西门子6RA70全数字直流调速器与电机之间更好的匹配，则需要对西门子6RA70全数字调速器进行最优化运行；优化运行会改变西门子6RA70全数字直流调速器的一些参数，从而达到使各个参数最佳匹配。

P051=25：电枢和励磁的预控制和电流调节器的优化(持续大约40S)

P051=26：速度调节器的优化运行(持续大约6S)

P051=27：励磁减弱优化运行 （过持续大约1min）

需要注意的是，执行优化过程总必须使调速器运行，即端子38脉冲使能必须接入，端子37合闸信号必须有上升沿脉冲，电机才能启动；基本优化完成后，方能运行电机。

3 总结

我公司GRAY落地镗铣床经过机械和电气改造，机床性能大大提升，彻底解决了以往换挡困难及电气故障频发的问题，改造前每年停机台时750h左右，停机损失约30万元，每年维修成本约20万元；经过改造，每月停机10小时以下，每月维修成约3000元以下，运行半年基本稳定；本次改造的成功经验可以应用到以后的机床维修改造中。

[1] 《西门子6RA70系列全数字直流调速器调试手册》[Z]. 2004年11月版.

[2] 《机械设计手册》[Z].化学工业出版社,2010.

[3] 汤蕴璆.《电机学》[M].机械工业出版社,2014.

[4] B/T12369201中高档数控机床用力矩电动机通用技术条件[Z].机械工业出版社2015.

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