重型镗铣床镗箱重锤平衡方式分析与改进

2019-05-03王建明何松桃

设备管理与维修 2019年19期

王建明，赖兵，何松桃

（东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳 618000）

1 设备简介

东方电机有限公司2006 年安装投用的FAF-260 数控重型镗铣床，配置多种附件头及大型数控转台，精度高、应用范围广，主要用于大型水电蝶阀、球阀、蜗壳，火电转子、机座等零部件加工。随着使用年限的增加，设备自身缺陷逐渐暴露，特别是镗箱重锤平衡机构故障率直线上升，严重制约了设备效能和产品质量。为恢复设备使用效能，研究分析重锤平衡机构及原理，制定改进方案。

2 重锤平衡结构

在机械结构上，镗箱自重25 t[1]，镗箱重力平衡采用伺服电机扭矩拉力式平衡。平衡机构如图1 所示，平衡电机输出恒扭矩，通过减速器带动卷扬滚筒，卷扬滚筒收放平衡钢丝绳，钢丝绳由滚筒向下穿过平衡压力电桥导向轮，向上折返到立柱顶部导向轮，再向下固定在镗箱上，整个钢丝绳呈“之”字形。

电气结构上，611U 驱动器控制平衡电机为执行机构，接收PLC 速度信号，压力电桥传感器实时采集平衡电机转速是否达到平衡速度，并将采集值传送给PLC，以供PLC 计算判断平衡电机转速，信号源、执行机构、检测元件形成严格的闭环控制，电气控制如图2所示，其中电机采用速度/扭矩控制，611U 主控信号为DC 0～±10 V[2]模拟信号。

图1 平衡机构

3 故障现象及检查

机床运行时，平衡系统经常触发平衡电机超温报警，并伴随电机啸叫。经检测报警时核心温度达到报警极限温度150 ℃（电机长期处于超温状态，导致该平衡电机已烧损一台），进而导致该设备故障停机。

图2 电气结构

进一步检测发现，镗箱静止或上下移动式，平衡电机运行时基本处于满载状态，扭矩输出440 N·m 左右，电流115 A 左右，最大达到120 A，而此时镗箱伺服电机输出基本处于正常状态，电流负载5%～8%。

4 平衡机构主要配置

镗箱自重（无附件头状态）25 t，镗箱快移速度8 m/min，镗箱齿轮箱传动比747/247，镗箱丝杠导程20 mm，平衡电机型号1PH7186-2NE05-0BA0,平衡电机性能参数：60 kW/1250（r/min）/458 N·m/S1 63 A/117 A，驱动器611U 6SN11180NH000AA1，平衡齿轮传动比275.8，卷扬半径0.45 m。

在理想状态下忽略传动效率及摩擦力等损耗，按照机械传动比等结构参数计算，完全平衡镗箱自重，平衡电机扭矩输出408 N·m，占其额定输出的89.1%。而实际上传动机构存在传动效率、且摩擦力不可能为0 等因素，结合检测结果，基本确定在该平衡机构下，平衡电机输出扭矩偏小，平衡电机长期处于满载或超载状态，由于工作繁重，平衡电机无法建立热平衡，导致电机超温。

5 改进方案设计

为彻底消除电机超温现象，提出两种改进方案：方案1，电气改进，通过增大电机功率或降低电机转速，提高电机输出扭矩进而达到增大扭矩输出裕度，主要措施为更换大扭矩平衡电机；方案2，机械改进，增大平衡机构传动比，减少许用扭矩，间接达到增大扭矩输出裕度。

5.1 电气改进方案

通过传动比计算，为达到或接近镗箱设计快移速度（设定速度的80%），平衡电机额定转速≥625 r/min，同时为了达到30%的电机输出裕度，电机额定输出扭矩应为现在的1.3 倍，即≥530 N·m。综合以上转速及扭矩要求，平衡电机选型只能在1PH7224 机座号中选择，最佳选型为1PH7224-*NC**[3]，额定功率55 kW，额定转速700 r/min，额定扭矩750 N·m,额定电流114 A。

该方案实施较为简单，电机驱动器、动力电缆等全部可以保留利用，更换电机后直接应用SimoComU 调试软件对驱动器进行新电机配置及优化即可，机械方面需配合修改电机轴输出联轴器尺寸及电机安装孔位置。该方案缺点是，电机采购周期较长（3 个月以上），电机采购价格较高（约15 万元人民币），且电机安装孔修改存在一定难度，但该方案总体制约因素为电机采购周期长。

5.2 机械改进方案

受平衡钢丝绳长度限制，平衡滚筒尺寸不能改变，齿轮传动比是机械改进方案的主要对象。为达到电机输出扭矩30%的扭矩裕度，即平衡配重许用扭矩≤320 N·m，平衡传动比需增大至1.3 倍，即平衡齿轮传动比≥359。

（1）途径一，对原减速器减速比进行修改，但原减速器为整体式进口减速器，结构紧凑，无法对其进行减速比修改只能整体更换，通过咨询，该齿轮减速器采购价约10 万欧元，采购周期6 个月。

（2）途径二，在平衡电机和原减速器输入轴之间增加一副齿轮减速机构，以增大平衡电机扭矩裕量，根据实际速度需要，减速比为50/35。该齿轮减速器安装空间足够大，国内齿轮生产商及减速器制造商都能制造，周期短，配件来源广泛，同时增加一段连接轴后即可完成装配。

增加减速机构后，平衡电机同样转速时，镗箱移动速度变为原来的35/50，平衡电机速度将无法跟随镗箱移动速度。特别是镗箱移动加减速阶段，触发重锤平衡设定值与实际值偏差过大报警。通过对平衡机构电气控制结构进行深入分析，获得电气控制结构（图3）。

平衡控制方式分手动控制和自动控制，其中手动控制主要用于维修调整，手动输入平衡驱动模拟量转速，该方式下平衡压力值不再参与控制。

自动控制方式下，平衡电机转速主控变量为镗箱速度值，矫正变量为平衡压力传感器压力反馈值。

为消除平衡偏差超限报警，使平衡电机速度能够跟随镗箱移动速度，平衡电机实际转速应为原来的50/35 倍。深入分析平衡电机速度控制计算公式，得知重锤设定值与压力传感器反馈值为一对控制变量，当压力传感器反馈值等于重锤设定值时，重锤平衡电机与镗箱重量达到平衡，此时镗箱为静止或匀速运动，在该状态下，镗箱重量与原值相同，压力传感器反馈值亦与原值相同，因此重量设定值必须与原值相同，即重量设定值与压力传感器反馈值不可改变。

图3 平衡控制流程

由于机械结构的钢丝绳连接，平衡电机速度与镗箱移动速度成严格比例关系，因此为将平衡电机转速提升至原输出转速的50/35 倍，只需将镗箱移动速度控制变量增大为原来的50/35 倍，即将转换系数C 变为50/35×C，平衡电机转速就可以跟随镗箱伺服速度。利用SimoComU[4]软件对平衡电机驱动器进行优化，使平衡电机具有动态反应快，静态不振动等特性，伺服轴Y 轴上下运行负载率变化不超过5%。同时优化数控伺服轴Y 轴增益[5]等，最后镗箱以6 m/min 快移试车，平衡电机实际电流最大90 A，输出扭矩最大为380 N·m，为额定扭矩的83%，电机扭矩输出符合设计预期，且镗箱匀速运行或静止时重锤平衡实际值与设定值偏差0～±100 kg，在加减速阶段平衡偏差0～±500 kg，平衡电机输出扭矩及速度能够跟随镗箱速度及平衡要求，未触发平衡扭矩报警，电机超温现象得以彻底消除。