數(shù)控機(jī)床變頻器應(yīng)用方案

 摘要：

 機(jī)床是工作母機(jī)的總稱，包括車床,銑床,模床,沖床,刨床等,由于加工材質(zhì)的不同,需要不同的轉(zhuǎn)速,因此采用變頻調(diào)速的機(jī)會(huì)很多,主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)一般采用交流電機(jī)和伺服電機(jī)，通過帶傳動(dòng)把運(yùn)動(dòng)傳給主軸，從而使主軸達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速，來完成切削加工�，F(xiàn)在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，一般使用變頻器做為驅(qū)動(dòng)部件。本文針對(duì)數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床改造中對(duì)主軸傳動(dòng)變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用需求，廣州萬緯電子科技有限公司用低壓變頻器的解決和實(shí)現(xiàn)方案。 
關(guān)鍵詞: 匯川變頻器；萬緯科技；數(shù)控機(jī)床；主軸；驅(qū)動(dòng) 

  引言： 數(shù)字控制機(jī)床，簡(jiǎn)稱數(shù)控機(jī)床（NC ， Numerical Control）,是三十年來綜合應(yīng)用集機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)、微電子和信息等多項(xiàng)技術(shù)為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在現(xiàn)代機(jī)床生產(chǎn)中，一般采用多電機(jī)拖動(dòng)，主軸和各進(jìn)給系統(tǒng)分別由各自的電機(jī)來拖動(dòng)。由于機(jī)床加工范圍較廣，不同的工件，不同的工序，使用不同的刀具，要求機(jī)床執(zhí)行部件具有不同的運(yùn)動(dòng)速度，因此機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)應(yīng)能進(jìn)行調(diào)速，主軸調(diào)速系統(tǒng)一般采用交流主軸系統(tǒng)，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的主軸的交流拖動(dòng)，同樣能夠很好滿足需要。主驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，或通過皮帶傳動(dòng)和主軸箱內(nèi)的減速齒輪（以獲得更大的轉(zhuǎn)矩）帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機(jī)調(diào)速范圍廣，又可無級(jí)調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。

在機(jī)械制造業(yè)中，用普通機(jī)床加工復(fù)雜的零部件或具有較高精確度的批量產(chǎn)品時(shí)，需要熟練的技術(shù)工人手工操作來完成，這種效率低下的傳統(tǒng)加工方式已無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，先進(jìn)的加工中心和數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生，逐漸成為主流的工具機(jī)床。廣州萬緯電子科技有限公司專注工控領(lǐng)域系統(tǒng)集成和系統(tǒng)改造項(xiàng)目。

數(shù)控機(jī)床的變頻器配置：
在機(jī)床的調(diào)速系統(tǒng)中，傳統(tǒng)復(fù)雜的齒輪箱式分級(jí)調(diào)速方式，在數(shù)控機(jī)床中得到極大的改進(jìn)，采用更為先進(jìn)的變頻無級(jí)調(diào)速方式。對(duì)于1.5kW三相交流電動(dòng)機(jī)，選配匯川高性能矢量控制MD300系列，

數(shù)控機(jī)床的變頻器要求：

1、數(shù)控車床高生產(chǎn)率、高削切精度、高穩(wěn)定性、高柔性要求。

2、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，使電機(jī)主軸能高速穩(wěn)定運(yùn)行。

3、滿足復(fù)雜、不規(guī)則形狀零件的高深度和高強(qiáng)度削切要求。

4、加減速時(shí)間0.1秒，實(shí)現(xiàn)無銜接式正反轉(zhuǎn)運(yùn)行。

5、抗干擾性強(qiáng)，通過嚴(yán)格CNC綜合測(cè)試，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成任何干擾。

6、穩(wěn)速精度高，低速時(shí)速度變化率小，運(yùn)行平滑。

MD300變頻控制系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

    (1)主軸變頻調(diào)速的范圍很寬，MD300開環(huán)矢量變頻器能在0-600Hz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，能充分滿足主軸對(duì)調(diào)速范圍的要求。 

(2)數(shù)控機(jī)床配套使用變頻器可以簡(jiǎn)化齒輪箱等原有復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而且操作簡(jiǎn)單，維修方便。

(3)變頻器在低頻下可以提供150％負(fù)載轉(zhuǎn)矩的能力，符合機(jī)床主軸電機(jī)具有較硬機(jī)械特性的要求，能夠提供150％的過載保護(hù)(60s)，使機(jī)床在低速時(shí)具有強(qiáng)大過載能力。

(4)變頻器具有的電壓、電流模擬輸入端口，數(shù)控機(jī)床的控制信號(hào)可以很好地與變頻器配合使用。

(5)大大提高機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)效率，對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的提高、產(chǎn)量的增加、成本的降低、自動(dòng)化程度的提高和維修量的減少有著重要的作用。 

數(shù)控機(jī)床的變頻器聯(lián)接圖

數(shù)控機(jī)床對(duì)應(yīng)用技術(shù)的要求

    1、電機(jī)要求

    通常要求用變頻電機(jī)，或者普通電機(jī)加風(fēng)扇以滿足電機(jī)在低頻的散熱要求、并且要求電機(jī)調(diào)速范圍廣。

    2、變頻器的技術(shù)要求

    1）要求低頻力矩大

    選用矢量變頻器，低頻時(shí)（1～10Hz）能出來150%額定轉(zhuǎn)矩。

    2）轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，穩(wěn)速精度高

    選用矢量變頻器，能實(shí)現(xiàn)很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果，依據(jù)負(fù)載的變化，通過輸出轉(zhuǎn)矩的變化很快做出響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸速度的穩(wěn)定。

    3）減速停車速度快

    通常數(shù)控機(jī)床的加減速時(shí)間都是比較短的，加速時(shí)間靠變頻器的性能保證，減速時(shí)間則依靠外加制動(dòng)電阻或制動(dòng)單元。

    4）進(jìn)行電機(jī)參數(shù)自學(xué)習(xí)

    選用矢量變頻器后，要達(dá)到很好的控制性能通常都需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行參數(shù)自學(xué)習(xí)，其目的是獲取準(zhǔn)確的電機(jī)內(nèi)部參數(shù)，以用于矢量控制計(jì)算。參數(shù)自學(xué)習(xí)所需要的電機(jī)銘牌參數(shù)有：電機(jī)額定功率、電機(jī)額定頻率、電機(jī)額定轉(zhuǎn)速、電機(jī)額定電壓、電機(jī)額定電流。有的變頻電機(jī)的銘牌上可能沒標(biāo)額定轉(zhuǎn)速值，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值估計(jì)一下額定轉(zhuǎn)速。在進(jìn)行參數(shù)自學(xué)習(xí)時(shí)，務(wù)必要在空載（電機(jī)軸上不接負(fù)載）的時(shí)候進(jìn)行。只有在空載的時(shí)候才能保證自學(xué)習(xí)出來的電機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確性。

    如果現(xiàn)場(chǎng)條件沒辦法進(jìn)行空載運(yùn)行，可以考慮用變頻器出廠的電機(jī)參數(shù)試運(yùn)行。

    5）頻率指令和運(yùn)行指令

    數(shù)控機(jī)床上使用的變頻器其頻率指令和運(yùn)行指令都來源于CNC控制器，一般給定的的通道有兩種，一種是模擬量給定，另一種是多段速給定，或者兩者同時(shí)給定，以多段速優(yōu)先。模擬量給定以電壓型模擬量為主，也有電流型的。變頻器對(duì)這兩種類型的模擬量都可以采集。

3、抗干擾問題

    變頻器在出廠的時(shí)候作了很好的抗干擾試驗(yàn)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，但變頻器同時(shí)也是一個(gè)干擾源，在使用中很難避免不對(duì)其它設(shè)備進(jìn)行干擾，在數(shù)控機(jī)床上最容易被干擾的設(shè)備是CNC控制器。一旦CNC控制器受干擾后，系統(tǒng)將不能正常工作。特別是變頻器的頻率指令和運(yùn)行指令也可能會(huì)受到干擾，干擾嚴(yán)重的會(huì)造成頻率指令不穩(wěn)定，變頻器誤動(dòng)作等。解決此類問題的辦法是在變頻器的輸出線上加磁環(huán)以減少高頻輻射。一般進(jìn)口的CNC的抗干擾能力較強(qiáng)。

下面以ECOM系列高性能矢量變頻器在沈陽某數(shù)控機(jī)床廠的應(yīng)用為例，講述數(shù)控機(jī)床的變頻調(diào)速控制技術(shù)。

系統(tǒng)構(gòu)成

    MD300變頻器 制動(dòng)電阻100Ω/520W    5.5KW調(diào)速電機(jī)   CNC數(shù)控系統(tǒng)和性能指標(biāo)： 
　　
　 

    （4）提供標(biāo)準(zhǔn)的0～10V模擬量接口，能夠與大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)接口兼容，通用性強(qiáng)

    （5）過負(fù)載能力強(qiáng)，150%額定輸出電流一分鐘；

（6）提供多功能的輸出端子信號(hào)，例如故障輸出信號(hào)，運(yùn)行中信號(hào)，速度到達(dá)等輸出信號(hào)，能夠很好的滿足系統(tǒng)對(duì)于主軸速度狀態(tài)的監(jiān)控；

3 調(diào)試參數(shù)：

　 F0-00 0：矢量控制
　 F0-01 1：端子命令通道
　 F0-02 3：AI1
　 F0-05 加速時(shí)間：2.0～3.0s
　 F0-06 減速時(shí)間：2.0～3.0s
　 F0-09 DI1端子功能：1，正轉(zhuǎn)
　 F0-10 DI2端子功能：2，反轉(zhuǎn)
　 F6-00 最大頻率：100.00Hz
　 F6-01 上限頻率：100.00Hz
　 F6-03 載波頻率：10.0kHz
　 F1組（電機(jī)參數(shù)），根據(jù)電機(jī)銘牌輸入，進(jìn)行完整調(diào)諧。F2矢量參數(shù)為出廠默認(rèn)值

調(diào)試結(jié)果

    事實(shí)證明采用MD300系列高性能矢量變頻器完全能夠滿足機(jī)床主軸控制的要求。MD300采用的領(lǐng)先的磁通算法，即使在低轉(zhuǎn)速（低頻）運(yùn)行下也能平穩(wěn)輸出150%的轉(zhuǎn)矩，以滿足不同零件的加工需要，完全可以取代傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承主軸結(jié)構(gòu)，并且此主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、可以實(shí)現(xiàn)真正的無級(jí)調(diào)速。此主軸的轉(zhuǎn)速由外部模擬量信號(hào)來控制輸出頻率，在不同的加工工藝（如；粗加工、精加工等）需要不同的轉(zhuǎn)速，此時(shí)可由數(shù)控系統(tǒng)輸出不同的模擬量電壓信號(hào)給變頻器，實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速，同時(shí)啟停信號(hào)也由數(shù)控系統(tǒng)控制，提高了自動(dòng)化程度、延長(zhǎng)了刀具的使用壽命。

變頻器在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用如圖所示：   

主軸變頻控制的基本原理

　　由異步電機(jī)理論可知，主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為:

 　　n=(60f/p)×(1-s)

　　其中P—電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，s—轉(zhuǎn)差率，f—供電電源的頻率，n—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。從上式可看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，而對(duì)于變頻器而言，其頻率的調(diào)節(jié)范圍是很寬的，可在0～400Hz(甚至更高頻率)之間任意調(diào)節(jié)，因此主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速即可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

主軸變頻控制的系統(tǒng)構(gòu)成

不使用變頻器進(jìn)行變速傳動(dòng)的數(shù)控車床一般用時(shí)間控制器確認(rèn)電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)指令速度開始進(jìn)刀，而使用變頻器后，機(jī)床可按指令信號(hào)進(jìn)刀，這樣一來就提高了效率。如果被加工件如圖2-2所示所示形狀，則由圖2-2中看出，對(duì)應(yīng)于工件的AB段，主軸速度維持在1000rpm，對(duì)應(yīng)于BC段，電機(jī)拖動(dòng)主軸成恒線速度移動(dòng)，但轉(zhuǎn)速卻是聯(lián)系變化的，從而實(shí)現(xiàn)高精度切削

主軸變頻器系統(tǒng)構(gòu)成示意

在本系統(tǒng)中，速度信號(hào)的傳遞是通過數(shù)控裝置到變頻器的模擬給定通道(電壓或電流)，通過變頻器內(nèi)部關(guān)于輸入信號(hào)與設(shè)定頻率的輸入輸出特性曲線的設(shè)置，數(shù)控裝置就可以方便而自由地控制主軸的速度。該特性曲線必須涵蓋電壓/電流信號(hào)、正/反作用、單/雙極性的不同配置，以滿足數(shù)控車床快速正反轉(zhuǎn)、自由調(diào)速、變速切削的要求。

主軸變頻的基本選型

　　目前較為簡(jiǎn)單的一類變頻器是V/F控制(簡(jiǎn)稱標(biāo)量控制)，它就是一種電壓發(fā)生模式裝置，對(duì)調(diào)頻過程中的電壓進(jìn)行給定變化模式調(diào)節(jié)，常見的有線性V/F控制(用于恒轉(zhuǎn)矩)和平方V/F控制(用于風(fēng)機(jī)水泵變轉(zhuǎn)矩)。

　　標(biāo)量控制的弱點(diǎn)在于低頻轉(zhuǎn)矩不夠(需要轉(zhuǎn)矩提升)、速度穩(wěn)定性不好(調(diào)速范圍1:10)，因此在車床主軸變頻使用過程中被逐步淘汰，而矢量控制的變頻器正逐步進(jìn)行推廣。

　　所謂矢量控制，最通俗的講，為使鼠籠式異步機(jī)像直流電機(jī)那樣具有優(yōu)秀的運(yùn)行性能及很高的控制性能，通過控制變頻器輸出電流的大小、頻率及其相位，用以維持電機(jī)內(nèi)部的磁通為設(shè)定值，產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)矩。

　　矢量控制相對(duì)于標(biāo)量控制而言，其優(yōu)點(diǎn)有:(1)控制特性非常優(yōu)良，可以直流電機(jī)的電樞電流加勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)相媲美;(2)能適應(yīng)要求高速響應(yīng)的場(chǎng)合;(3)調(diào)速范圍大(1:100);(4)可進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。

　　當(dāng)然相對(duì)于標(biāo)量控制而言，矢量控制的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算煩瑣，而且必須存貯和頻繁地使用電動(dòng)機(jī)的參數(shù)。矢量控制分無速度傳感器和有速度傳感器兩種方式，區(qū)別在于后者具有更高的速度控制精度(萬分之五)，而前者為千分之五，但是在數(shù)控車床中無速度傳感器的矢量變頻器的控制性能已經(jīng)符合控制要求，所以這里推薦并介紹無速度傳感器的矢量變頻器。

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無速度傳感器的矢量變頻器 

　　無速度傳感器的矢量變頻器目前包括西門子、艾默生、東芝、日立、LG、森蘭等廠家都有成熟的產(chǎn)品推出，總結(jié)各自產(chǎn)品的特點(diǎn)，它們都具有以下特點(diǎn):(1)電機(jī)參數(shù)自動(dòng)辯識(shí)和手動(dòng)輸入相結(jié)合;(2)過載能力強(qiáng)，如50%額定輸出電流2min、180%額定輸出電流10s;(3)低頻高輸出轉(zhuǎn)矩，如150%額定轉(zhuǎn)矩/1HZ;(4)各種保護(hù)齊全(通俗地講，就是不容易炸模塊)。

　　無速度傳感器的矢量控制變頻器不僅改善了轉(zhuǎn)矩控制的特性，而且改善了針對(duì)各種負(fù)載變化產(chǎn)生的不特定環(huán)境下的速度可控性。圖3-1所示，為某品牌無速度傳感器變頻器產(chǎn)品在低頻和正常頻段時(shí)的轉(zhuǎn)矩測(cè)試數(shù)據(jù)(電機(jī)為5.5kW/4極)。從圖中可知，其在低速范圍時(shí)同樣可以產(chǎn)生強(qiáng)大的轉(zhuǎn)矩。在實(shí)驗(yàn)中，我們同樣將2Hz的矢量變頻控制和V/F控制變頻進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，前者具有更強(qiáng)的輸出力矩，切削力幾乎與正常頻段(如30Hz或50Hz)相同。

3.3 矢量控制中的電機(jī)參數(shù)辨識(shí)

　　由于矢量控制是著眼于轉(zhuǎn)子磁通來控制電機(jī)的定子電流，因此在其內(nèi)部的算法中大量涉及到電機(jī)參數(shù)。從圖3-2的異步電動(dòng)機(jī)的T型等效電路表示中可以看出，電機(jī)除了常規(guī)的參數(shù)如電機(jī)極數(shù)、額定功率、額定電流外，還有R1(定子電阻)、X11(定子漏感抗)、R2(轉(zhuǎn)子電阻)、X21(轉(zhuǎn)子漏感抗)、Xm(互感抗)和I0(空載電流)。

　　參數(shù)辨識(shí)中分電機(jī)靜止辨識(shí)和旋轉(zhuǎn)辨識(shí)2種，其中在靜止辨識(shí)中，變頻器能自動(dòng)測(cè)量并計(jì)算頂子和轉(zhuǎn)子電阻以及相對(duì)于基本頻率的漏感抗，并同時(shí)將測(cè)量的參數(shù)寫入;在旋轉(zhuǎn)辨識(shí)中，變頻器自動(dòng)測(cè)量電機(jī)的互感抗和空載電流。

圖3-2 異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定態(tài)等效電路

　　在參數(shù)辨識(shí)中，必須注意:(1)若旋轉(zhuǎn)辨識(shí)中出現(xiàn)過流或過壓故障，可適當(dāng)增減加減速時(shí)間;(2)旋轉(zhuǎn)辨識(shí)只能在空載中進(jìn)行;(3)如辨識(shí)前必須首先正確輸入電機(jī)銘牌的參數(shù)。

專用機(jī)床的合理應(yīng)用

　　曲軸高效專用機(jī)床也有它的加工局限性，只有合理應(yīng)用合適的加工機(jī)床，才能發(fā)揮出曲軸加工機(jī)床的高效專用性，從而提高工序的加工效率。 

　　1．當(dāng)曲軸軸頸有沉割槽時(shí)，數(shù)控內(nèi)銑機(jī)床不能加工；如果曲軸軸頸軸向有沉割槽時(shí)，數(shù)控高速外銑機(jī)床和數(shù)控內(nèi)銑機(jī)床均不能加工，但數(shù)控車-車?yán)瓩C(jī)床能很方便地加工。 

　　2．當(dāng)平衡塊側(cè)面需要加工時(shí)，數(shù)控內(nèi)銑機(jī)床應(yīng)當(dāng)為首選機(jī)床，因?yàn)閮?nèi)銑刀盤外圓定位，剛性好，尤其適用于加工大型鍛鋼曲軸；此時(shí)不適合用數(shù)控車-車?yán)瓩C(jī)床，因?yàn)樵谇�軸的平衡塊側(cè)面需要加工的情況下，采用數(shù)控車-車?yán)瓩C(jī)床加工，平衡塊側(cè)面是斷續(xù)切削，且曲軸轉(zhuǎn)速又很高，在這種工況下，崩刀現(xiàn)象比較嚴(yán)重。 

　　3．當(dāng)曲軸的軸頸無沉割槽，且平衡塊側(cè)面不需加工時(shí)，原則上幾種機(jī)床都能加工。當(dāng)加工轎車曲軸時(shí)，主軸頸采用數(shù)控車-車?yán)瓩C(jī)床，連桿頸采用數(shù)控高速外銑機(jī)床則應(yīng)成為最佳高效加工選擇；當(dāng)加工大型鍛鋼曲軸時(shí)，則主軸頸和連桿頸均采用數(shù)控內(nèi)銑機(jī)床比較合理。 

曲軸可以分為體形較大的鍛鋼曲軸和輕量化的轎車曲軸，鍛鋼曲軸軸頸一般無沉割槽，且側(cè)面需要加工，余量較大；轎車曲軸一般軸頸有沉割槽，且側(cè)面不需要加工。因此可以得出結(jié)論：加工鍛鋼曲軸采用數(shù)控內(nèi)銑機(jī)床，加工轎車曲軸主軸頸采用數(shù)控車-車?yán)瓩C(jī)床。

注：聯(lián)系我時(shí)，請(qǐng)說是在“傲立機(jī)床網(wǎng)”上看到的，謝謝！