002第二章第一节B2012A型龙门刨床主电路分析.doc

第二章 B2012A型龙门刨床龙门刨床是现代机械工业中的主要生产机械之一，是自动化程度较高的机床。主要用来加工各种平面、斜面、槽，更适合于加工大型而狭长的机械零件，如机床床身、导轨、箱体、立柱等。 龙门刨床在进行刨削加工时，其主运动是工作台的直线往复运动。进给运动是刀具垂直于主运动的位移。辅助运动有横梁的夹紧、放松及升降运动等。近二十年来，龙门刨床的拖动系统有了很大的发展。最早是交流感应电动机加离合器组成的拖动装置，以后用交流感应电动机加液压来实现工作台正反转的装置。还发展了用自励放大机(转控机)和交磁放大机作调节器的直流发电机一电动机系统。目前使用最广泛的A系列龙门刨床就是以交磁放大机作调节器的直流发电机一电动机系统。本章将对B2012A型龙门刨床主传动的自动调速电路及控制线路的工作原理进行分析，并阐述其安装调试和常见故障及排除方法。第一节 B2012A型龙门刨床主电路分析一、龙门刨床对电力拖动的要求 在分析龙门刨床的自动控制系统之前，了解该机床切削时的工艺特点，明确对电力拖动的要求，对分析电路是十分必要的。龙门刨床对电力拖动的要求和切削时的工艺特点如下： 1、调速范围 龙门刨床工作时要求能适应不同的切削刀具，还要具有经济的切削速度，因此要求拖动系统具有一定的调速范围： B2012A型龙门刨床的主拖动系统采用直流电动机的调压调速，并加一级机械变速，从而保证工作台的调速范围达1:20。工作台低速挡的速度为660mmin；高速挡为990mmin。在低速挡和高速挡范围内，均能实现无级调速，以便使用时可选择最合理的切削速度。 2、静差度在实际加工过程中，由于工件表面不平及材料不均匀度的影响，会导致切削力的变动。为保证工作台速度不致因切削力的变动而变化太大，以便保证加工精度，所以要求系统的静差度一般为510，B2012A龙门刨床为10；静差度是用来衡量负载变动时转速变化的程度；它是电动机由理想空载到额定负载的转速降与理想空载转速的比值。S=（N0-Nn）/N0=Nn/N0 3、工作台的往复运动能适应切削工艺要求，当进行刨加工时，工作台应能自动进行往复运动。在切削速度较高时，为减小刀具切入工件时的冲击，应使刀具慢速切入工件，而后增加到规定的速度。若切削速度与冲击为刀具所能承受时，利用转换开关，可以取消慢速切入。在工作台前进与返回行程的末尾，工作台能自动减速，以保证刀具慢速离开工件，防止工件边缘剥裂，同时可减小工作台反向时的冲程和对电机、机械的冲击。当工作台的速度低于10mmin时，减速环节不起作用。这样，B2012A龙门刨床工作台能够得到三种速度图，如图2-1所示。切削速度行程行程行程返回速度慢速慢速慢速图2-1 工作台运行速度图（a）自动循环（b）没有慢速切入（c）速度低于10m/min 行程4、满足磨削的要求 随着龙门刨床工艺范围的扩大，不仅要求整个速度范围内能实现无级调速，还要求工作台速度能降低到lmmin，以适应磨削的要求。 5调速方案能满足负载性质的要求 由于工作台在25mmin以下工作时为等切削力区，这时希望系统输出转矩恒定；而在高于25mmin工作时，则希望功率恒定。所以，B2012A龙门刨床采用机电联合调速。 6工作台正反向过渡过程要快，工作台运行要稳定。 7满足刀架运动的要求 如刀架的移动、进刀、退刀、抬刀等动作要与工作台的运动作有机的配合。 8设置必要的联锁 为保证各个部件的动作协调，工作安全可靠，避免因机床的误动作而引起事故，机床必须设置必要的联锁。 9系统的机械特性应具有下垂的特性 当负荷过大时，能使拖动工作台的直流电动机的转速迅速下降，直至停止，从而达到保护电机及机械的目的。二、B2012A型龙门刨床的主拖动系统 (一) 主拖动系统的简介 为满足上述龙门刨床对电力拖动系统的要求，B2012A型龙门刨床采用了交磁放大机直流发电机一直流电动机系统。以交磁放大机作为直流发电机的励磁调节器，利用其控制绕组多的特点，可以在系统中加入多种反馈。从而，扩大了发电机一电动机系统的调速范围，提高了系统的静特性，同时还改善了动特性。（二） 主拖动系统的工作原理 图2-2为主拖动系统的原理图。为了充分利用交磁放大机的控制绕组，将O控制绕组作为给定电压、电压负反馈和电流截止负反馈信号等综合使用；O控制绕组作为电流正反馈之用；O控制绕组作为动态校正之用。图2-2 主拖动系统原理图 为便于分析系统的工作原理，将图2-2中的几个主要符号介绍如下： WEG1发电机G1的励磁绕组； WEM主电动机M的励磁绕组； WCMG1发电机G1的换向极绕组； WCMM主电动机M的换向极绕组； WCMK交磁放大机K的换向极绕组；MCP交磁放大机的补偿绕组；RQ及RH王作台正反向调速电位器； KOC过电流继电器； IK交磁放大机负载电流； IL发电机励磁电流； I主回路电流； UGl发电机端电压;图4-3 给定及电压负反馈电路图 Ug给定信号电源电压； a2UG1反馈电压； a1Ug，a1Ug前进工作速度及后退工作速度给定电压。 为分析主拖动,系统的工作原理，需着重了解各控制绕组的作用及补偿环节的功能。， 1、O控制绕组 O控制绕组的作用是综合给定电压、电压负反馈及电流截止负反馈信号。为分析方便起见，图2-3仅画出O控制绕组中给定及电压负反馈环节的电路图。 1)给定信号的作用 将直流电压Ug加在正反向调速电位器两端，如将调速电位器RQ的手柄调至如图2-3所示的位置1，且让KQ线圈得电（其常闭触点打开）控制绕组O中就会有电流IO通过。其回路为从电源正极RQ调速位置1R2 (200)S2-G1O1O2b-QR1R-H电源负极(电流方向如图中实线箭头所示)。这时加在控制绕组O上的给定电压为a1Ug。电流IO在O绕组中产生磁势FmO。如果这时交磁放大机已由原动机带动旋转，那么放大机两端B1-K及H2-K就有正向电压供给发电机励磁绕组。当发电机G1由原动机MA带动旋转时，发电机两端即有正向电压输出给电动机，电动机M便运行在所选的速度上。 将RQ手柄向左或向右移动，就增大或减小了加于O绕组上的控制电压，使电动机电枢两端的电压发生变化，从而改变了电动机的转速。如果让KH线圈得电（其常闭触点打开）在O控制绕组中产生如虚线所示的电流，其回路为从电源正极RQ调速位置1 R1b-QO2O1S2-G1R2 (200) R-H电源负极(电流方向如图中虚线箭头所示) 这时加在控制绕组O上的给定电压为d1Ug。电流IO在O绕组中产生磁势FmO。如果这时交磁放大机已由原动机带动旋转，那么放大机两端B1-K及H2-K就有反向的电压供给发电机励磁绕组。当发电机G1由原动机MA带动旋转时，发电机两端即有电压输出给电动机，电动机M便反向运行在所选的速度上。将RH手柄向左或向右移动，就增大或减小了加于O绕组上的控制电压，使电动机电枢两端的电压发生变化，从而改变了电动机的转速。2)电压负反馈的加入 电压负反馈有自动稳速的作用(参看图2-3)是电压负反馈是通过发电机两端并联的电位器R2取得的，电压a2UG1与发电机的端电压成正比，同时a2UG1与给定电压。A1Ug极性相反，这样O控制绕组中的电流IO(单位为A)可由下式决定： IO式中 R3控制绕组O电阻(n)。 在O控制绕组中产生的磁势(单位为A)为： FMOWO式中 WO控制绕组O的匝数。 负反馈的作用为当龙门刨床在刨削加工时，主回路中电流会随着负载情况的不同而产生变化。当主回路中电流增大时，发电机电枢绕组上的压降增大，发电机的输出电压就会降低，导致电动机的转速下降。与此同时，与发电机端电压成比例的反馈电压。a2UG1也相应降低。如果a1Ug保持不变，则a1Uga2UG1便增大，O控制绕组中的电流IO也随之增大，致使交磁放大机的端电压增加；这就增加了发电机的励磁电压，发电机的输出电压就相应增大，使电动机的转速回升，这样就减少了由于负载电流的增大而引起电动机转速的下降。所以说，系统中加了电压负反馈以后，可以维持发电机的输出电压大致不变，也就可保持电动机的转速不随负载电流的变化而变化，或变化很小。当负载减小时，负反馈也起着相应的作用，阻碍发电机端电压的升高，迫使电动机的转速保持不变，或变化很小。这就是电压负反馈在系统中所起的自动稳速作用。除此以外，加入电压负反馈还可以改善系统的动特性，降低交磁放大机和发电机的剩磁，扩大调速范围。在起动、制动、反向过程中，可加快过渡过程。在停车过程中通常还以加强负反馈的作用来防止工作台的“爬行”。下面进一步说明之。 电压负反馈有防止工作台“爬行”的作用当工作台在前进行程时，时间继电器KT是吸合的。此时交磁放大机O控制绕组上所加的给定信号a1Ug、电压负反馈信号a2UG1、电流IO及磁势FmO的方向如图1-3中实线所示。图中还标出了交磁放大机和发电机输出电压的极性。 当按下工作台停止按钮时，时间继电器KT释放，经过0.9s的延时后，它的延时断开的动合触点断开，切断直流电源Ug，同时KT的延时闭合的动断触点闭合，这时加在O控制绕组的电压负反馈信号是电位器R2上280点与S2G1之间的电压，O绕组成了单一的电压负反馈绕组。因为280点比200点电位高，故电压负反馈加强了，它在O控制绕组中产生的电流和磁势方向如图中虚线所示。它起到了削弱剩磁的作用，并有效地消除工作台由于剩磁的存在而产生的爬行。 电压负反馈有加快过渡过程的作用 加快过渡过程的原理是这样的：为了保持工作台有一定的速度，O控制绕组应加有一定的励磁电压。因此，有反馈时的给定电压要比无反馈时的给定电压高得多。在起动瞬间，由于反馈电压尚未建立，故给定电压全部加在O控制绕组上，使绕组中流过一个比稳态时大很多(约710倍)的励磁电流。这个强励磁的控制电流迫使放大机端电压迅速上升，其数值可达到稳定时的3倍左右。这个电压对发电机强迫励磁，使发电机输出电压迅速增加，加大了起动转矩，电动机转速也随之迅速上升，缩短了起动过程的时间。电压负反馈量越大，强励磁的倍数也越大，过渡过程的时间就越短。同理，在减速、反向、停车等过程中，由于强励磁的结果，都能使过渡过程加快，工作台越位减小。 3)电流截止负反馈的作用 龙门刨床在加工过程中经常会遇到硬度不均匀的加工工件(如工件材质不良；或有砂眼等)。当进刀量和吃刀深度过大时，都易产生电机过载。如不采取适当措施，不仅电机会因过大的电流而烧坏，而且有时还会使机床的传动机构及整个机床的精度受到影响。另外，为了使主回路电流在强励磁作用下电枢电流不超过允许的换向条件，又要使过渡过程的电流曲线有较好的起动波形以缩短过渡过程。因此，在控制系统中必须设有限流环节，电流截止负反馈就能起到这一作用。当主回路中电流超过一定数值时，电流负反馈就起作用。由于加入的电流负反馈很强，当它起作用时，足以将给定信号的绝大部分抵消掉，迫使电动机转速暂时低下来，从而起到了保护电动机的作用。这种作用与用继电器作过流保护不同，它不会切断电源，也就无须重新起动。只要过载现象消失，电动机的转速又会重新升高，这是对生产有利的。电流截止负反馈使系统获得挖土机特性 电流截止负反馈的电路，如图2-4所示。当系统中有了电流截止负反馈以后，能使系统得到下垂特性，如图2-5所示。通常这种特性是挖土机这类机械所特有的，因此也称为“挖土机特性”。也就是说，系统在正常工作范围内有较硬的特性，一旦系统出现过载时，特性就变得很软而急剧下垂。电流截止负反馈环节是由主回路电流在换向极绕组上的压降Uab，小整流元件二极管V，比较电压Uc，及O控制绕组组成。在该回路中Uab与Uc，极性相反。图中实线所示方向为刨台正向工作时的电流方向。图2-4- 电流截止负反馈环节电路图图2-5- 电流截止负反馈环节机械特性0工作台在运动时，当主回路中的电流大到一定值从而使UabUc，时，二极管V承受正向电压而导通，电流正反馈环节即起作用。我们称电流截止负反馈环节起作用时的主电流为截止电流。一般龙门刨床调整 (为电动机的额定电流)。也就是说，当主回路的电流时，在控制绕组O中就产生去磁电流I0，它的方向与励磁电流I0相反，大小为：I0式中 Uv二极管V的管压降； R3此时控制绕组O回路中的总电阻。 去磁的结果使放大机及发电机的电压迅速降低，电动机的转速也随即下降，甚至使电动机堵转。堵转时的电流，通常为额定电流的22.5倍。为了保护电机及机械部分，在调整参数时，应该使电动机堵转时的电流小于电动机允许的最大电流值。 电流截止负反馈加快过渡过程，改善系统的动特性。t3电动机起动完毕的时间 曲线1在正常强迫励磁下的电流波形 曲线2在加强强迫励磁下的电流波形图2-6 在强迫励磁作用下电动机起动时主回路电流波形现以工作台电动机起动为例。我们知道如果电动机起动，主回路电流大，那么电动机起动时的加速度就大，电动机完成起动过程所需的时间就短。在讨论电压负反馈的作用时曾述及电压负反馈能起强迫励磁的作用，而且电压负反馈越强，强迫励磁作用也越强，对加快过渡过程的作用也就越显著。图2-6画出了在强励磁作用下，主回路的电流波形。从图2-6看出，在t1以前和t2t3时间内，主回路电流是不大的，在这些时间阶段中电动机起动加速度小。而在其它时间内，主回路电流又超过了电动机允许的最大电流。特别是为缩短起动时间而加强强迫励磁起动时，主回路电流超过电动机允许数值的情况也越严重(如图中曲线2)。而系统中有了电流截止负反馈环节以后，就能解决这一矛盾。当拖动工作台的电动机在强励磁情况下起动时，电动机转速以较大的加速度迅速上升。在这一过程中主回路电流逐渐增大，当它增大到截止电流时，电流截止负反馈环节即可起作用，在放大机的O绕组中产生去磁电流IO，迫使交磁放大机的磁势减小，输出电压降低，发电机电势上升减慢，因而使主回路电流不再增加。随着电动机转速升高，主回路电流减小到截止电流以下时，电流截止负反馈就失去作用，去磁电流IO=0，放大机输出电压又增高，发电机电势上升增快，这样又起到阻止主回路电流减小的作用。因此，有了电流截止负反馈环节以后，既可以使在强迫励磁作用下起动时主回路电流不会超过电动机允许的电流值，又可以保证在整个起动过程中主回路电流始终维持较大的数值，电动机因而维持较大的加速度迅速上升，有效地缩短了起动过程所需的时间。当电动机起动完毕以后，电动机就运行在指定的稳定转速，主回路电流也降到由负载大小所决定的稳定值上。有了电流截止负反馈环节后，电动机起动过程中主回路电流波形如图2-7所示。电流截止负反馈环节不仅在电动机起动时起到缩短起动时间的作用，在调速过程中，也能加快图2-7 有电流截止负反馈时电动机起动过程中主回路电流波形过渡过程。读者可自行分析。 2、O控制绕组作为电流正反馈绕组。 电压负反馈的缺点：我们知道电压负反馈能起到抑制发电机端电压的变化。当负载产生变化时，电压负反馈能克服发电机电枢绕组上压降的变化，从而使发电机端电压维持不变或变化很小。但主回路中还存在电动机电枢绕组电阻、发电机和电动机换向极绕组电阻等，当负载产生变化时，在这些电阻上的压降也会产生变化，使电动机电枢电压产生变化。电动机转速也会有变化，而单靠电压负反馈的作用是补偿不了这个变化的。为了补偿除发电机电枢绕组上的压降以外的电压降落，在系统中可加入电流正反馈环节， 电流正反馈的接入 参见图2-2。由图中可见，S2G1与S2M两点之间的电压总是与主回路电流大小成正比的，将这两点的电压降加在电位器R4上，从R4取出并经过电阻R9T送到O控制绕组，在O控制绕组内产生的磁势FO与给定信号的磁势方向一致。 电流正反馈环节的作用过程如下：当电动机轴上负载增加时，一方面要引起电动机转速降低，另一方面要使主回路电流增大。主回路电流增大以后，S2G1与S2M之间的电压降也相应增大，就是说电流正反馈信号也相应增大。因此，放大机控制绕组O里的电流和磁势也增大，结果使得放大机总的合成磁势增加，放大机的输出电压增高，电动机转速的降低也得到补偿。只要参数选择适当，电流正反馈的作用可以完全抵消由于负载增加而造成的电动机转速降低，使电动机转速维持恒定不变。 电位器R4上290点向右移及电阻R9T的减小，都使电流正反馈作用加强；反之，则减弱。 如果电流正反馈作用太小，对负载增加引起的电动机转速降低的补偿作用就不明显，因而满足不了龙门刨床对系统机械特性的要求。如果电流正反馈的作用过强，又容易引起龙门刨床工作台运行不稳定。 3、O控制绕组作为稳定绕组。 在过渡过程状态中电压负反馈和电流正反馈环节对工作台稳定运行的影响。 在负载电流(即主回路电流)，时，电动机稳定运行在转速，；当负载电流增大到时，电动机的转速应稳定在上。显然，是在电压负反馈和电流正反馈共同作用下达到的新的稳定转速。这种转速的变化过程，如放大机、发电机和电动机不存在惯性的话，那么在负载电流由增大到时电动机的转速就会立即由降到，如图4-8所示。tt10图2-8 系统不存在惯性时电动机转速因负载增大后的变化 t1电动机负载增大的时刻事实上，放大机、发电机和电动机都是存在惯性的。因此，当负载增大时，电动机的转速变化并不是象图2-8那样。由于发电机励磁绕组存在电感，励磁电流的变化会落后于放大机输出电压的变化，而电动机转速的变化又总是落后于发电机输出电压的变化。当负载增加时，电动机转速就降低，由于电动机的惯性，电动机在转速降到新的稳定转速时不可能立即稳定下来，而是继续降低。然后随着发电机输出电压的继续增大(电压负反馈与电流正反馈的作用)，电动机转速开始升高。当发电机励磁电流已达到对应所需要的数值时，放大机的输出电压已超过了稳定时所需要的值，因此电动机转速也不会立即稳定下来，而要超过转速。另一方面，随着发电机端电压的升高，电压负反馈也在增大，放大机的输出电压就会减小到相应于转速所需要的数值之下，电动机的转速也将朝着低于稳定转速方面减小。这样，就造成了电动机转速在稳定转速附近来图2-9回振荡，而使工作台速度也出现振荡现象。如果系统是稳定的，那么经过几次振荡以后，电动机的转速最后就会稳定在转速上。上述过程示于图2-9中。 以上所分析的是在电动机负载增加时引起的振荡现象。当负载减小或起动、调速、制动和反向时，其过渡过程也会出现振荡现象，原理完全相同。 从前面的分析可知，电压负反馈和电流正反馈环节的放大系数越大，系统的机械特性就越硬，稳态时与的差值也就越小。但是从图2-9的过渡过程来看，电动机的转速振荡就越严重，甚至会造成电动机转速长时间稳定不下来。因此，在选择电压负反馈和电流正反馈环节的放大系数时；并不是越大越好。 电动机转速的这种振荡，会使龙门刨床工作台的速度时高时低，当然就直接影响了工件的加工质量。 稳定环节的稳定原理为克服这种振荡；由O绕组和有关元件组成了电桥稳定环节，其电路见图2-10。图2-10 电桥稳定环节电路图 图210中，及组成一个电桥，调整时应使它满足下面的条件而达到平衡：式中：发电机励磁绕组的电阻()。 稳定绕组O的输入信号，是O2点与WE2Gl之间的电位差。由于满足上面等式的条件，电桥是平衡的，所以在稳定情况下上述两点之间的电位差等于零，O控制绕组中没有电流。也就是说，在稳态情况下，电桥稳定环节不起作用。 当放大机输出电压因某种原因而增大时，O2点电位随着放大机输出电压的增高而升高，而WE2Gl点电位因为有发电机励磁绕组电感的缘故而升高很小，因而在O2与WE2Gl之间形成电位差,使O2点电位高于WE2Gl点电位。这个电位差加在O控制绕组上,使它产生电流IO和磁势Fm O。它的方向与给定信号产生的磁势方向相反，起去磁作用，从而抑制放大机输出电压的上升。放大机输出电压上升越快，O与WE2Gl两点之间的电位差越大，Fm O也越大，抑制放大机电压上升的作用就越强。 当放大机输出电压因某种原因减小时， O2点电位随着降低，而WE2Gl点电位由于发电机励磁绕组电感的缘故而减小很少。这时同上述情况相反，WE2Gl点电位高于O2点电位，O控制绕组中的电流和磁势反向，现在这个磁势F m O，与给定信号产生的磁势方向一致，因而起到抑制放大机输出电压下降的作用。 桥形稳定环节只有在放大机电压产生变化时才起作用。而且，放大机输出电压变化越快，发电机励磁绕组的电感作用越强，稳定环节