龙门式铣床直流调速系统改造

方宽福， 王 营， 夏 青， 赵 曦， 王 斌

（中机生产力促进中心有限公司， 北京 100044）

0 引言

龙门式铣床简称龙门铣，是具有门式框架和卧式长床身的铣床。 龙门式铣床上可以用多把铣刀同时加工表面，加工精度和生产效率都很高，适用于成批和大量生产中加工大型工件的平面和斜面。 对于数控式龙门铣床，还可以加工空间曲面和一些特种零件。 龙门铣的种类有很多，其中龙门铣X2020 是北京第一机床厂70 年前试制的大型龙门铣，经过20 多年的使用，电气元件老化、故障不断、每次维修既浪费时间又影响正常生常进度，为确保该机床的正常运行，现需对直流调速系统系统进行局部改造。

1 龙门铣调速系统精度要求

根据龙门铣进给系统的加工要求，工作台直流电动机功率为13kW，要求调速范围为D=30，静差率为δ<15%，左垂直、左水平铣头，右垂直、右水平铣头，四个铣头进给直流电动机功率为4kW，调速范围要求D=60，静差率为δ<15%。

2 直流系统的选用

根据龙门铣的加工情况， 确定用三套单独的直流调速系统。 工作台进给电动机功率较大，用一套直流调速系统；左垂直、左水平进给用一套直流调速系统；右垂直、右水平进给用一套直流调速系统。 这样做可实现左边铣头和右边铣头有一个能同时进给。 可控硅直流调速系统有可逆系统和不可逆系统，有双环系统和三环系统之分，选何种系统也是直流调速系统设计的一个关键。 由于龙门铣工作台，铣头进给运动的正反方向都不频繁，且都是停止进给运动后才反向的，所以用接触器实现正反向即可，因此选不可逆系统。 调试范围，静差率要求都不高，可采用双闭环直流调速系统， 主电路为三相全控桥式整流电路。 根据以上要求，调速系统可采用KB-13/100A 直流双闭环调速系统（工作台进给）1 套；KB-13/50A 直流双闭环调速系统（水平、垂直铣头进给）2 套。

3 主回路元件的选用

KBB-13 直流双闭环调速系统与X2020 原直流调速系统有一定的差异， 要达到龙门铣要求的静差率及加工要求， 需要根据调速系统的组成对其主电路元件进行选用计算。 X2020 的三套直流调速系统的工作原理相同，只是元件规格有些差异， 其关键部分也就是主电路元件的选用，以下我们就针对工作台主电路进行分析。主电路原理图见图1。

图1 直流调速系统主电路原理图

3.1 工作台电动机D 选用

原机床的工作台电动机尚未损坏， 因此本次改造选用原机床电动机规格型号如下：

电机规格：Z2－72 额定功率：Pe=13kW。 额定电压：Ue=220V 额定电流：Ied=70.7A 额定转速：Ne=1000r／min 额定励磁电压： Ufe=220V 额定励磁电流：Ife=1.564A。 电机内阻：Ra=0.5。

3.2 变压器ZB 选用

电动机的额定电压为Ue=220V， 采用三相半控桥式整流电路，必须使用降压变压器，将电源电压降低。

主变压器采用△／Y 接法，以保证免受三次谐波磁通及三次谐波电势的不良影响。 也避免三次谐波电流对电源的影响。

3.3 硅管的选用

负载额定电流70.7A，负载过载倍数取λ＝1.5，通态平均电流计算系数Kfb=0.367。

可控硅的额定电流：

IT=λ×Kfb×ID=1.5×0.367×70.7=38.9（A）

选可控硅KP100-8，数量3 件。

硅整流二极管、 续流二极管的额定电流与耐压的计算与可控硅相同， 选择整流二极管为2CZ100A／800V，数量4 件。

3.4 平波电抗器的选用

3.5 制动电阻的RZD 选用

3.6 保护元件的选用

3.6.1 熔断器RD 的选用

3.6.3 元件侧阻容保护

可控硅额定电流100A，电阻，电容经验数据为：

C＝0.25μF/400V，C4～C10共8 件，R=20Ω/85W，R4～R10共8 件。

4 调速系统构成

KB 系列双闭环可控硅直流调速系统能够满足电动机的起动、制动、正转、反转、点动以及静态、动态指标等要求。 该装置的系统方框图见图2。

图2 转速、电流双闭环直流调速系统

系统使用了速度调节器和电流调节器两个调节器，电流负反馈加于电流调节器输入端， 通速度调节器的输出进行比较，而速度反馈加于速度调节器的输入端，同速度给定进行比较，所以该系统由两个调节闭环组成，电流调节闭环，由电流调节器、移相触发器、脉冲分配器、可控硅、电枢回路、电流互感器、整流器构成。 速度调节闭环，由速度调节器、电流闭环、电动机、测速机构成。

双闭环调速系统可以对电流和速度两个参量分别进行调节。 电流调节器用来维持起动、制动电流恒定，使系统在过渡过程中维持最大电流不变，以缩短起动、制动时间。 速度调节器用来维持工作速度恒定。 系统的静态、动态性能良好，完全可以满足龙门铣的加工要求。

5 系统的连接

按图1 直流调速系统主回路原理图连接主回路各元件之间的导线，要求连接可靠无虚接，接地良好。

按图3 连接直流调速系统主回路和调速系统之间的连线，要求直流调速系统主回路连接可靠无虚接。

图3 直流调速系统接线图

可靠连接调速系统、直流调速系统主回路和 控制电路之间的导线。

6 系统调试

确认系统的连线准确无误后按以下顺序试车。

6.1 绝缘检查

检查电动机、测速电机绕组、主回路、控制回路绝缘电阻，用500V 摇表测量，要求绝缘电阻大于2M。

6.2 检查同步变压器与主变压器之间相位

用某一相脉冲信号触发任意一个可控硅， 用示波器观察其输出电压波形， 如能找到一相的触发脉冲恰能使输出电压波从0°～150°内变化则该相同步电源正确，其它两相按此进行。

6.3 触发环节调试

调节触发电路各电位器， 用示波器观察触发电路各点波形及相位正确。 同时观察输出电压波形看三相开放角是否一致，如开放角不一致电压波形由高有低，调整触发电路，改变锯齿波斜率，使各相电压平衡。

6.4 系统开环试验（电动机不带负载）

将电动机接入调节放大器输入电压， 使可控硅输出电压达到220V，这时电动机转速应为1000r／min，测速机电压为51V 左右，如达不到上述两参数，可调整电动机的励磁电流。 并测出测速机的极性。

6.5 系统闭环试验（电动机不带负载）

将测速机按负反馈接入，开动进给，调节调速手柄，如发现系统振荡可调节电压反馈、电流反馈的参数，电压负反馈的强度URW=60%～70%，电流负反馈的电阻与电容数值，也可调整测速机的反馈强度和电抗器的气隙大小。

6.6 负载试验，测机床特性

精确调整双闭环系统参数使调速范围1∶60 （20～1000r／min 时，应保证在不同的转速下静差率为δ<15%。

7 结论

根据龙门铣X2020 调速系统精度要求， 通过加工情况进行三套单独的直流调速系统测试， 选用合适的主回路元件，建立转速、电流双闭环直流调速系统，经过系统调试，对该龙门铣成功进行改造，为年代久远的金切机床提供有效的技术支持。