基于變頻器的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床主軸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)置

94科技資訊科技資訊SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2010NO.14SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION工業(yè)技術(shù)隨著現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)水平的發(fā)展,數(shù)控機(jī)床普及率日益提高。數(shù)控車床是數(shù)控機(jī)床的主要品種之一,它在數(shù)控機(jī)床中占有非常重要的位置,一直受到世界各國的普遍重視,并得到了快速的發(fā)展。主軸是車床構(gòu)成中一個(gè)重要的部分,其功率消耗約占機(jī)床總功率70%~80%,其性能干脆影響到機(jī)床的加工效率、加工材料范圍、加工質(zhì)量等。數(shù)控系統(tǒng)需要控制主軸的轉(zhuǎn)速、位置,通常系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置為數(shù)字主軸,具有限制精度高,動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的特點(diǎn)。但在主軸功率不大,對控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不是很高的情況下,數(shù)字主軸就顯得成本太高。這時(shí)可以采用數(shù)控系統(tǒng)的模擬主軸功能。模擬主軸就是數(shù)控系統(tǒng)輸出模擬電壓信號,采用普通的交流變頻器和交流變頻電機(jī)來實(shí)現(xiàn)主軸控制,由于性價(jià)比高,在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中廣泛應(yīng)用。1變頻調(diào)速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為電動(dòng)機(jī)的極對數(shù),s為轉(zhuǎn)差率,f為電源的頻率,n為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從上式可看出,電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率成正比,改變頻率即可以平滑地調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。變頻器主電路如上圖1所示。主電路的功能是把固定頻率為50Hz溝通電轉(zhuǎn)換為頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電,主要包括交-直電路、制動(dòng)單元電路及直-交電路。交-直電路中,三相交流電源通過變頻器的電源接線端(R、S、T輸入到變頻器內(nèi),利用整流器VS把溝通電轉(zhuǎn)換為直流電。當(dāng)電容CF電壓達(dá)到基準(zhǔn)值時(shí),輔助電源動(dòng)作,輸出直流限制電壓。直流繼電器MCC獲電,常開觸點(diǎn)閉合,限流電阻RF被短路,完成交-直電路轉(zhuǎn)換。直-交電路中,由VS轉(zhuǎn)換的直流電壓經(jīng)過短路保護(hù)熔斷器F1加到逆變模塊VT,再通過SPWM正弦波脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路控制VT輸出頻率可調(diào)的三相調(diào)制波Ua、Ub、Uc(如圖2所示至U、V、W端子。輸出電壓的大小和頻率是由改變圖2中的正弦參考信號Ur的幅值大小和頻率調(diào)制的。制動(dòng)單元電路由制動(dòng)開關(guān)管VB、二極管DB及B1、B2端子之間外接制動(dòng)電阻組成,外接制動(dòng)電阻的功率與阻值需依據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定電流好工作狀況進(jìn)行選擇。2主軸電機(jī)及變頻器的選用主軸電機(jī)選擇的主要依據(jù)是車床主軸的切削功率,適用于車床的切削力Fz及切削功率Pm的實(shí)驗(yàn)公式如下:zzyFxFpFzzfCF??=α81.9310???=vFPzm式中:FzC為決定于被加工金屬及切削條件的系數(shù);pα為切削深度;zxF為被吃刀量指數(shù);f為切削進(jìn)給率;zyF為進(jìn)給量指數(shù);v為切削速度;各種系數(shù)和指數(shù)都可以在切削用量手冊中查到。以沈陽機(jī)床廠CA6136數(shù)控車床為例,查表得:FzC=40,zxF=1.0,zyF=0.75,最大被吃刀量pα=6mm,f轉(zhuǎn)速n工件直徑d,計(jì)算可得:NFz832=,smdnv/5.4601000/(=×=πkWvFPzm7.3105.48321033=××=??=??按上述方法求出切削功率后,還需考慮機(jī)床的傳動(dòng)效率η因素,根據(jù)電機(jī)功率公式η/mEPP≥確定主軸電機(jī)功率。η一般在0.75~0.85之間取值,從而可以得到kWPE9.475.0/7.3=≥。在進(jìn)行電機(jī)選擇時(shí),電機(jī)與車床主軸功率特性要匹配。由于力切削和加工材料的不勻稱性,主電機(jī)功率應(yīng)有肯定的儲(chǔ)備。因此,選用了電動(dòng)機(jī)型號為YTSP132S-4三相異步電機(jī),額定功率為5.5kW。系統(tǒng)效率等于變頻器與電動(dòng)機(jī)效率的乘積,只有二者都在較高效率下工作系統(tǒng)效率才是最佳的。因此,在通常情況下,變頻器的功率與電動(dòng)機(jī)功率相當(dāng),以利于變頻器在高效率下運(yùn)轉(zhuǎn),同時(shí)還要考慮數(shù)控車床高精度、快響應(yīng)的特點(diǎn)及機(jī)床的特點(diǎn)。目前,變頻器技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)成熟階段,市場上變頻器產(chǎn)品種類繁多,典型產(chǎn)品基于變頻器的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床主軸限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)置張文煒方兵(浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電系浙江杭州311231摘要:數(shù)字限制和模擬限制是數(shù)控系統(tǒng)配置的兩種機(jī)床主軸限制方式。由于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床對主軸的功率、限制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等要求不高,運(yùn)用變頻器實(shí)現(xiàn)主軸模擬量限制是低端數(shù)控車床的首選方式。文章結(jié)合安川變頻器在FANUC數(shù)控系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用介紹了變頻調(diào)速基本原理、數(shù)控車床主軸電機(jī)及配套變頻器選用原則、變頻器主軸限制方案及實(shí)際運(yùn)用時(shí)數(shù)控系統(tǒng)和變頻器的參數(shù)設(shè)置。關(guān)鍵詞:數(shù)控車床變頻器主軸模擬量限制中圖分類號:TP271.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1672-3791(201005(b-0094-02圖1變頻器主電路示意圖圖2SPWM調(diào)制信號示意圖95科技資訊科技資訊SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2010NO.14工業(yè)技術(shù)為德國西門子MICROMASTER系列變頻器、日本三菱FR系列變頻器和安川Varispeed系列變頻器等。西門子公司的變頻器,對電源電壓規(guī)定得很嚴(yán)格,而日本產(chǎn)通用變頻器的額定電壓往往是200V、220V或400V、440V共用,變頻器的輸入電源電壓表1數(shù)控系統(tǒng)中主軸相關(guān)主要參數(shù)設(shè)置常允許在一定范圍內(nèi)變動(dòng),比較適合在工廠電壓波動(dòng)大的場合使用。最后確定為性價(jià)比高的安川變頻器CIMR-G7A45P5型變頻器,該變頻器采用電流矢量控制技術(shù),低頻時(shí)能輸出150%額定轉(zhuǎn)矩,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,采用100?/430W制動(dòng)電阻,減速停車速度快,主要技術(shù)參數(shù):額定功率5.5kW;額定頻率50Hz;額定電壓380V;額定電流11A。3基于變頻器的主軸限制方案數(shù)控車床主軸的變頻器限制接線圖如圖3所示。三相380V溝通電壓通過空氣開關(guān)QF5接到變頻器的電源輸入端R、S、T上,變頻器從U、V、W端子輸出頻率經(jīng)過變換的交流電至負(fù)載電動(dòng)機(jī)M上。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)限制通過端子1、2、11實(shí)現(xiàn),11為24V直流電源公共端。當(dāng)1和11之間短路,變頻器作正向運(yùn)轉(zhuǎn),當(dāng)2和11之間短路,變頻器作反向運(yùn)轉(zhuǎn)。端子1、2與11之間的通斷分別由受系統(tǒng)內(nèi)嵌PMC限制的繼電器KA8和KA9完成。13、17端子與FANUC0iTC系統(tǒng)主板上的JA40接口7、5引腳連接,數(shù)控系統(tǒng)會(huì)將程序中的轉(zhuǎn)速指令值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模擬量電壓(0~10V通過JA40接口傳送至變頻器的13、17端子。主軸電動(dòng)功能用于機(jī)床手動(dòng)方式下主軸限制。3為數(shù)控系統(tǒng)故障時(shí)給變頻器的報(bào)警輸出端子,4為數(shù)控系統(tǒng)復(fù)位時(shí)變頻器復(fù)位端子。端子19、25、26為變頻器到數(shù)控系統(tǒng)的信號輸出端子,一次為變頻器故障報(bào)警(如變頻器過熱、主軸零速信號、主軸速度到達(dá)信號輸出端子。21、22、23為變頻器輸出到機(jī)床側(cè)的信號端子,分別接主軸轉(zhuǎn)速表和主軸負(fù)載功率表。在主軸輸出端通過同步帶連接有FANUCA860-0320-T001型主軸編碼器,以便于對主軸速度和位置進(jìn)行反饋,編碼器信號接至數(shù)控系統(tǒng)的JA41接口。4數(shù)控系統(tǒng)及變頻器設(shè)置在采用數(shù)控系統(tǒng)的模擬主軸功能時(shí),通過數(shù)控系統(tǒng)和變頻器對主軸限制系統(tǒng)進(jìn)行合理、正確的設(shè)置是主軸正確運(yùn)行必不可少的環(huán)節(jié)。表1和表2分別較詳細(xì)的列出了數(shù)控系統(tǒng)及變頻器參數(shù)設(shè)置的狀況。5結(jié)語實(shí)際應(yīng)用顯示,采用本方案實(shí)現(xiàn)的數(shù)控車床模擬量主軸限制系統(tǒng)具有以下顯著優(yōu)點(diǎn):主軸可靠性好,可實(shí)現(xiàn)高效率的切割和較高的加工精度,可實(shí)現(xiàn)低速和高速情況下較強(qiáng)的力矩輸出,因此本方案對經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)及改造具有參考價(jià)值。