6ES7214-1AF40-0XB0性能参数

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针对人工焊接机座角板出现的尺寸偏差、劳动强度高等弊端，采用伺服控制系统进行仿真设计专用夹具，可实现半自动化操作，有效提高了生产效率和产品质量，减轻了操作者的劳动强度。

机座角板焊接是一道重要的生产工序，其目的是将角板通过凸焊机焊接固定在机壳上，使电机得以安装在风扇总成的风罩上。机座角板的分布有三等分均布的，也有非三等分分布的（如下图）。传统的焊接方法是： 操作者将机壳放入根据机座焊接高度定制的焊接夹具中，将角板放置在带有磁钢的夹具定位块内贴住机壳；将带有机座的焊接夹具置于凸焊机的焊接电极上；踩下脚踏开关，凸焊机焊接；手动旋转夹具到下一个角板焊接位置，重复步骤3，直至焊完所有角板；取下夹具，将焊好的机座取出，完成一次机座角板的焊接操作。

机座示意图

由于人工转动夹具，操作者在焊接时顶住夹具的作用力大小不同，会造成角板轴向定位存在误差。同时，整个操作过程操作者要重复转动多次，致使操作者劳动强度较高。种种问题影响了产品质量和生产效率，因此我们设计了一套半自动角板焊接夹具来解决上述问题。

根据机座角板焊接工序的特点，需要能够按要求重复转动固定的角度，故我们采用了伺服电机来控制焊接时的转动角度。伺服电机带有信号反馈，精度高，并且能提供足够的转矩带动夹具的转动。同时，使用单轴数控系统控制伺服驱动器，利用单轴数控系统的编程功能，我们编制出一套程序来模拟人工焊接时的动作顺序，实现了焊接自动化。为了保证焊接质量，我们设计了角板焊接座，用来安放夹具，实现分度转动、上下浮动、卸料等功能。从而较好地解决了半自动角板焊接夹具与凸焊机的接口，大化地利用了原有的设备。

系统硬件设计

1、系统组成

系统的组成以及运行流程。

2、角板焊接座

角板焊接座的作用是加载并转动工件，提供一个浮动平台，由伺服电机通过焊接座的齿轮副来控制转动角度。焊接座通过弹簧、导套和导柱能上下浮动，在转动时脱开内电极，焊接时压紧内电极，从而避免夹具转动时的擦碰，能有效提高焊接质量。与焊接座配套使用的是在原有手工焊接夹具基础上改进的夹具，它的作用是固定机壳和角板的相对位置。在焊接座上，我们采用带磁钢的吸盘来吸住焊接夹具，代替人工的手压动作，以保证焊接时夹具不致脱落，避免角板轴向尺寸偏差。为了卸料的需要，我们还在焊接座上安装了卸料机构，它通过两个气缸联接一个卸料环推动焊接夹具脱离带有磁钢的吸盘，完成卸料。

3、伺服系统

伺服电机具有转矩大、精度高、可反馈的特点，可根据脉冲数来控制转动角度和转速。我们选用了上海开通数控有限公司的110HM-8M04030-F 伺服电机，它体积紧凑，转矩达到4N.m。

交流伺服驱动系统是控制伺服电机的装置，我们选用与电机相匹配的KT270全数字交流驱动系统。它采用DSP（数字信号处理器）芯片，加快了数据采集和处理速度，使电机运行性能良好。同时，它能够直接在驱动器面板上设置参数、调试、监视系统状态，外观简洁，结构紧凑。

单轴数控系统KT700B在整个系统中相当于PLC的功能。它具有输入输出功能，自带液晶屏和键盘，可以直接在线编程控制和在线监控。通过它进行编程模拟人工操作步骤，可控制半自动角板焊接夹具。

4、电气系统和气动系统

主要用来控制输入和输出讯号，与凸焊机接口联接控制执行机构运行位置。

系统软件设计

1、系统参数设置

（1）交流伺服驱动器的设置

设置显示状态为监视运行状态；设置控制模式为位置控制模式，以控制伺服电机输出轴的位置；为了使转动更加平稳，设置适当的加减速时间；设置保护限制，比如高转速、高转矩等，以避免异常情况出现导致系统受损；建立工艺文件记录报警参数，及时了解系统的故障模式，采取应对措施。

（2）单轴控制器的设置

根据系统的试运行状况，调整各参数，使其运行稳定；设定系统参数，定义编程用常量、参考点；设置电子齿轮比，通过设置可以将夹具实际转动与脉冲数建立相应关系，便于控制；设定系统极值，确保系统稳定。

2、程序编写

程序编写是基于单轴控制器提供的数控指令编写的。指令采用顺序排列，根据人工操作时的顺序，编写程序。用SET指令接受输出信号，用WAT指令接受输入信号。SPEED指令控制速度，POS指令控制位置与角度。此外，还可以采用CALL 调用指令，循环执行相似的命令。

试运行发现的问题及解决方案

系统组建好后，进行试生产。运行过程符合设计要求，并按照人工焊接的顺序执行，定位准确。同时，系统可根据实际生产要求，调整运行速度，满足生产节拍的要求。但在实际的操作中发现：夹具与焊接座的制造以及装配质量对系统的稳定可靠运行影响很大。因此，我们对夹具进行了优化，并在装配时进行适当的调整。

起初，夹具易被压翘头，导致焊接后产品尺寸偏差大。我们在凸焊机上增加了预压装置，在焊接前先将焊接座压实，同时增加了护套以提高焊接座的刚度。然而，运行一段时间后发现，工件难以脱离夹具。于是，我们重新修整夹具，调整凸焊机上电极的位置，使焊接时工件受力均匀，不会使工件偏移卡死夹具导致难以脱出。同时，调整卸料气缸的压力以及卸料环与焊接座的间隙，使气缸顶出时更加顺畅。卸料气缸在卸料时，弹力很大，容易造成夹具弹出时使操作者受伤，同时损坏夹具。我们在工作台上设置了缓冲板，夹具在弹出后，先接触缓冲板减速，提高了系统的安全性。

经过一段时间的试运行，角板焊接夹具系统能够按照预定要求，完成整个工作任务。生产出的产品质量符合设计要求，并且避免了人为因素的干扰，降低了操作者的劳动强度。在焊接夹具工作时，操作者可以腾出手进行下一个工件的装配，提高了生产效率。结合伺服系统的应用，将机电一体化技术应用到实际生产中，能够给我们带来更多的便利，创造更大的经济效益。

 数控机床电气控制系统除了CNC装置（包括主轴驱动和进给驱动的伺服系统）外，还包括机床强电控制系统。机床强电控制系统主要是由普通交流电动机的驱动和机床电器逻辑控制装置PLC及操作盘等部分构成。这里简单介绍机床强电控制系统中普通继电接触器控制系统和PLC可编程控制器的维护与保养。

1 普通继电接触器控制系统的维护与保养

   数控机床除了CNC系统外，对于经济型数控机床则还有普通继电接触器控制系统。其维护与保养工作，则主要是如何采取措施防止强电柜中的接触器、继电器的强电磁干扰的问题。数控机床的强电柜中的接触器、继电器等电磁部件均是CNC系统的干扰源。由于交流接触器，交流电机的频繁起动、停  止时，其电磁感应现象会使CNC系统控制电路中产生尖峰或波涌等噪声，干扰系统的正常工作。因此，一定要对这些电磁干扰采取措施，予以消除。例如，对于交流接触器线圈，则在其两端或交流电机的三相输入端并联RC网络来抑制这些电器产生的干扰噪声。此外，要注意防止接触器、继电器触头的氧化和触头的接触不良等。

2 PLC可编程控制器的维护与保养 

   PLC可编程控制器也是数控机床上重要的电气控制部分。数控机床强电控制系统除了对机床辅助运动和辅助动作控制外，还包括对保护开关、各种行程和极限开关的控制。在上述过程中，PLC可编程控制器可代替数控机床上强电控制系统中的大部分机床电器，从而实现对主轴、换刀、润滑、冷却、液压、气动等系统的逻辑控制。PLC可编程控制器与数控装置合为一体时则构成了内装式PLC，而位于数控装置以外时则构成了独立式PLC。由于PLC的结构组成与数控装置有相似之处，所以其维护与保养可参照数控装置的维护与保养。

  FA402型粗纱机的电气控制系统由PLC可编程控制器、变频器、换向控制、电磁离合器、红外光电探测器组成．该控制系统分别由电缆进行连接通信，对设备的换向、运转、落纱部分进行控制，完成机器的正常动作程序。

    PLC可编程控制系统

    粗纱机各种动作的控制都是由可编程序控制器PLC米完成的(SR-21系列可编程序控制器)，PLC系统由电源框架、CPU模块、输入模块(A1．0、A1．1、A1．2)、输入输出模块(A1．3)、输出模块(A1．4、A1．5、A1．6)组成。PLC就是对施控信号进行采样，通过逻辑运算输出被控信号来完成对机器的控制，CPU是控制中心。其电源电压为220 V，CPU可提供一个直流24V电源，可供输入回路作电源，也可作为红外光电探测器和接近开关的电源，大电源输出8w、280mA。

    1．2变频器

    FA402型粗纱机主机采用日本明电变频器，具有操作显示、频率修改、查看功能码、功能码重新设定、功能码设定、故障显示等功能。

    1．3换向控制系统

    换向控制系统由印刷线路板+A～A2控制，由换向接近开关+D3．SQl(龙筋向上)和+D3-SQ2(龙筋向下)，采用高压换向(38V)，低压保持(19V)的工作方式，来使双向吸铁(+K-Y6)动作，拨向左面或右面，完成设备的换向动作程序。
1．4电磁离合器控制系统

    全机共有四个电磁离合器，由印刷线路板+A～A3控制，工作电压为直流24V。(1)制动器(+D3．Y1)。正常纺纱时，它带电呈“闭合”状态，具备制动功能，防止下锥轮松动而使皮带松弛，落纱时则制动器断电，使下锥轮可在皮带复位电机带动下抬起或落下。(2)皮带复位电磁离合器(+D—Y3).与皮带复位电机通电时同时通电，配合电机M3一起完成皮带复位和张紧动作。(3)龙筋强行电磁离合器(+H—Y4)。当龙筋强行电机通电1s后此离合器通电，带动下龙筋强行上升或下降。(4)龙筋转动电磁离合器(+K-Y5)。①正常开车时，带电呈“闭合”状态，传递扭矩；②落纱程序中，当龙筋强行电机通电时，它断电脱开，配合完成下龙筋的升降；③正常纺纱，下龙筋超过预定动程而碰上、下限位行程开关(+K—SLJ7、+K-SL6，+K-SL9)时，离合器断电脱开，去除下龙筋的升降动力。

    红外光电探测器控制系统

    系统配备了8路红外光电探测装置，由印刷线路板+A～A4控制，当发射头(SP)发出的红外光线被接收头(SR)接收到时，则接收头发出低电平，当红外光被遮挡时，则发出高电平，且接收头和发射头内的发光二极管发光给以指示。

  杭州钢铁集团转炉炼钢厂设置两座600T混铁炉，且有一个倾翻工位和一个大包倒小包工位。每座混铁炉设有一个进铁口和一个出铁口，倾翻工位相当于混铁炉进铁口。当混铁炉进铁或出铁时，高温的铁水会同空气发生剧烈的化学反应，产生大量的烟气。一方面对现场操作的工人不利，另一方面也对环境造成了巨大的污染。混铁炉多种进出铁工况条件下风量随时变化，因此该除尘风机需要多种速度来适应。在以前的运行过程中，由于一方面液力耦合器不能适应频繁的调速，另一方面原设计现场阀门信号与风机调速控制分属两个控制系统，两者之间没有信号联系。因此原有除尘风机运行方式基本为恒速运行，其运行转速保持在约680rpm左右，运行电流约在150A，仅通过现场阀门及炉盖开启来达到除尘效果，同时为防止阀门全部关闭造成风机振动过大，其中一台大包倒小包阀门始终打开，大量风量直接排空，导致大量有功功率浪费。此外液力耦合器低速运行时效率低下，为了提高风机的运行效率，节能降耗，必须对风机调速控制进行改进。

    近几年随着国内高压变频器技术的进步，变频器的性价比和稳定性有很大幅度的提升，经过考察，我厂终选择了北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVEST-A系列高压变频器对风机进行调速控制。该项目采用节能还款合同形式，由杭州亚泰投资公司投资，整体项目为交钥匙工程，于2006年12月份安装调试完毕投入运行，至今已稳定运行近四个月，给我厂带来了巨大的效益。

    二、混铁炉除尘工艺工况及主电机参数介绍

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    1.混铁炉除尘风机工况：

    混铁炉系统除尘设计风量：66万m3/h

    风道漏风损耗率设计：10％

    进铁水（或大包倒小包）除尘需要风量：25万m3/h

    出铁水除尘需要风量：6万m3/h

    进铁水除尘需要时间：约10分钟/次

    出铁水除尘需要时间：约3分钟/次

    日出铁水总次数：约180次

    日进铁水总次数：约120次

    进铁时，当捕集罩关到位后，相应的阀门打开。出铁时，混铁炉离开零位后，相应的出铁口阀门打开。

    2.混铁炉除尘风机主电机的技术参数如下：

    电机型号：Y710－8

    额定功率：1600kW

    额定电压：6300V

    额定电流：183.2A

    功率因数：0.84

    3.工艺要求：

    现场提供具体工作情况分为以下6种：

    1）一个进铁口工作需要25万m3/h；

    2）一个出铁口工作需要6万m3/h；

    3）两个出铁口同时打开需要风量12万m3/h；

    4）一个进铁口一个出铁口同时打开需要风量31万m3/h；

    5）一个进铁口两个出铁口同时打开需要风量37万m3/h；

    6）两个进铁口同时打开需要风量50万m3/h。

    三、高压变频调速系统改造方案：

    1.HARSVERT-A高压变频器的原理:

    采用高-高电压源型单元串联多电平技术。电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，1600kW/6kV高压变频器每相由5个功率单元串联而成，输出相电压高可达3500V，线电压达6kV左右。每个功率单元承受全部的电机电流，但只提供1/5相电压和1/15的输出功率，为单相输出的交直交PWM电压源型逆变结构，相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y接结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。

    每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘，二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。给功率单元供电的二次绕组每3个一组，分为5个不同的相位组，互差12度电角度，形成30脉冲的整流电路结构。

    2.本项目共配置1台高压变频器，其详细参数如下：    

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    3.变频器主回路方案：

    由于风机进风口没有风门，因此这次改造没有安装工频旁路柜。即用户电网直接接高压变频器，然后接电机。

    4.根据混铁炉的工艺要求，我们在满足除尘环保要求的前提下，为简化控制逻辑，现场PLC直接根据出铁口、进铁口的炉盖位置开关状态来控制变频器的转速，变频器预设3个速度点，根据现场所需风量不同自动调节电机转速。

    现场送6个开关量信号进PLC，在程序内编程以达到变频器高、中、低速运行。    

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    状态说明：0：风口关闭

    1：风口打开

    ——：任意状态

    5.加装变频器后，由于变频器自身带有电机的过流保护、过载保护、缺相保护、过电压保护、接地保护、短路保护、超频保护、反相保护等，变频运行时上口高压柜保护为备用保护，除变频器输入侧采用移相变压器外（其励磁涌流为额定电流的6-8倍），对上口保护无其它特殊要求；因此高压开关柜继电保护只对变频器工频旁路时起主要保护，其整定值可按正常电机保护进行整定。旁路运行时如将进气口阀门全部关闭，启动过程启动电流应在电机额定电流的6-8倍左右，如果电网或上级变压器容量较大能承受此瞬间冲击，可以不外加任何启动设备进行直接工频启动，如果不能承受则可考虑在变频器工频旁路系统前方加装水阻或电抗器，以防工频启动时无法启动。本项目工频时采用直接启动方式。

    四、交钥匙工程整体施工方案：

    1.由于目前设备使用液力耦合器，考虑到风机运行的稳定性，因此拆除液力耦合器，将电机向前移位采用直接连接方式；对电机移位后与风机直联的磨擦片接手重新定制，重新制作钢底座作为电机基础，同时为确保设备投运后的安全，应确保的安装精度，保证电机与风机之间的同心度≦0.05mm。

    2.高压变频器主设备安装在风机值班室内，原高压柜至电机的高压电缆用做改造时高压柜至变频器进线电缆，变频器至电机高压电缆重新敷设，同时敷设现场PLC柜至变频器控制柜3根屏蔽控制电缆用于变频器的远程启动、停车，采集现场阀门状态信号，实现变频器三段速的自动调节及变频器信号的反馈。此外还需敷设一根高压柜至变频器的控制电缆，用于高压柜合闸允许和高压柜紧急分闸控制。

    3.由于高压变频器的IGBT等功率元器件对环境温度要求比较高，同时本项目变频器功率较大，为了防止因温度高而引起变频器的保护停机，我厂采用以下三种措施来防止室温过高：

    （1）柜顶加装排风管，使变频器自身产生的大部分热量通过排风系统释放到室外；

    （2）改装现有的窗户，进行双层玻璃保温；

    （3）加装一台10匹的工业风冷空调。

    4.施工时间安排见下表    

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    终，北京利德华福电气技术有限公司凭借优质、快捷的售后服务，顺利将设备投入运行，运转情况良好，整体工程一次性验收。

    五、节能测算及投资分析：

    1.上变频器前后的相关参数统计    

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    2.工频用液偶调速状态下除尘风机的功耗计算：

    （4）仍以年运行时间7920小时（约330天）、电价0.5元/度计算，则变频后每年耗电量为697.4万度，每年耗电费为348.7万元。

    4.，除尘风机上高压变频器后较以前工频液力耦合器调速，每年可节约电量339.6万度，每年节约电费为169.8万元。

    同时还产生了其他效果：

    1）限制启动电流，减少启动的峰值功率损耗；

    2）改善电网功率因数，变频器可使系统的功率因数保持在0.95%以上；

    3）消除了电机因启动、停止对机械的冲击，延长使用寿命，减少维修；

    4）可使电动机与风机直接相连接，减少传动环节的费用；

    5）电机和风机运转速度下降，润滑条件改善，传动装置的故障下降；

    5.投资分析：

    我厂通过高压变频节能改造，预计该项目的总投资回报期约在16个月左右，总投资内容包括设备成本、配件成本、运输成本、工程设计成本、工程安装成本、效果检测成本、资金融资成本、设备维护成本及风险成本。

    六、结束语：

    综合看来,本套高压变频调速系统的投入，对提高杭钢集团动力公司电能的使用效率，降低公司的生产成本，保证混铁炉除尘风机的安全运行以及生产工作自动化程度的提高有着积极、重要的作用。可以说这是一个产品适用性强,投资回报快的高科技项目