摘要：
機床是工作母機的總稱，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)速的機會很多,主軸傳動結(jié)構(gòu)一般采用交流電機和伺服電機，通過帶傳動把運動傳給主軸，從而使主軸達到一定的轉(zhuǎn)速，來完成切削加工。現(xiàn)在經(jīng)濟型數(shù)控機床中，一般使用變頻器做為驅(qū)動部件。本文針對數(shù)控機床和普通機床改造中對主軸傳動變頻調(diào)速系統(tǒng)的應用需求，廣州萬緯電子科技有限公司用低壓變頻器的解決和實現(xiàn)方案。
關(guān)鍵詞: 匯川變頻器；萬緯科技；數(shù)控機床；主軸；驅(qū)動
引言： 數(shù)字控制機床，簡稱數(shù)控機床（NC ， Numerical Control）,是三十年來綜合應用集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術(shù)為一體的機電一體化產(chǎn)品，在現(xiàn)代機床生產(chǎn)中，一般采用多電機拖動，主軸和各進給系統(tǒng)分別由各自的電機來拖動。由于機床加工范圍較廣，不同的工件，不同的工序，使用不同的刀具，要求機床執(zhí)行部件具有不同的運動速度，因此機床的主運動應能進行調(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)控機床的主軸的交流拖動，同樣能夠很好滿足需要。主驅(qū)動電機通過皮帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，或通過皮帶傳動和主軸箱內(nèi)的減速齒輪（以獲得更大的轉(zhuǎn)矩）帶動主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機調(diào)速范圍廣，又可無級調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化。
在機械制造業(yè)中，用普通機床加工復雜的零部件或具有較高精確度的批量產(chǎn)品時，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。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，先進的加工中心和數(shù)控機床應運而生，逐漸成為主流的工具機床。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)改造項目。
數(shù)控機床的變頻器配置：
在機床的調(diào)速系統(tǒng)中，傳統(tǒng)復雜的齒輪箱式分級調(diào)速方式，在數(shù)控機床中得到極大的改進，采用更為先進的變頻無級調(diào)速方式。對于1.5kW三相交流電動機，選配匯川高性能矢量控制MD300系列，
數(shù)控機床的變頻器要求：
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、動態(tài)響應速度快，使電機主軸能高速穩(wěn)定運行。
3、滿足復雜、不規(guī)則形狀零件的高深度和高強度削切要求。
4、加減速時間0.1秒，實現(xiàn)無銜接式正反轉(zhuǎn)運行。
5、抗干擾性強，通過嚴格CNC綜合測試，不會對系統(tǒng)造成任何干擾。
6、穩(wěn)速精度高，低速時速度變化率小，運行平滑。
MD300變頻控制系統(tǒng)優(yōu)勢
(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)實現(xiàn)無級調(diào)速，能充分滿足主軸對調(diào)速范圍的要求。
(2)數(shù)控機床配套使用變頻器可以簡化齒輪箱等原有復雜的機械傳動機構(gòu)，而且操作簡單，維修方便。
(3)變頻器在低頻下可以提供150％負載轉(zhuǎn)矩的能力，符合機床主軸電機具有較硬機械特性的要求，能夠提供150％的過載保護(60s)，使機床在低速時具有強大過載能力。
(4)變頻器具有的電壓、電流模擬輸入端口，數(shù)控機床的控制信號可以很好地與變頻器配合使用。
(5)大大提高機床的加工精度和生產(chǎn)效率，對于產(chǎn)品質(zhì)量的提高、產(chǎn)量的增加、成本的降低、自動化程度的提高和維修量的減少有著重要的作用。
數(shù)控機床的變頻器聯(lián)接圖
數(shù)控機床對應用技術(shù)的要求
1、電機要求
通常要求用變頻電機，或者普通電機加風扇以滿足電機在低頻的散熱要求、并且要求電機調(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（1～10Hz）能出來150%額定轉(zhuǎn)矩。
2）轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應速度快，穩(wěn)速精度高
選用矢量變頻器，能實現(xiàn)很好的動態(tài)響應效果，依據(jù)負載的變化，通過輸出轉(zhuǎn)矩的變化很快做出響應，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸速度的穩(wěn)定。
3）減速停車速度快
通常數(shù)控機床的加減速時間都是比較短的，加速時間靠變頻器的性能保證，減速時間則依靠外加制動電阻或制動單元。
4）進行電機參數(shù)自學習
選用矢量變頻器后，要達到很好的控制性能通常都需要對電機進行參數(shù)自學習，其目的是獲取準確的電機內(nèi)部參數(shù)，以用于矢量控制計算。參數(shù)自學習所需要的電機銘牌參數(shù)有：電機額定功率、電機額定頻率、電機額定轉(zhuǎn)速、電機額定電壓、電機額定電流。有的變頻電機的銘牌上可能沒標額定轉(zhuǎn)速值，可以根據(jù)經(jīng)驗值估計一下額定轉(zhuǎn)速。在進行參數(shù)自學習時，務必要在空載（電機軸上不接負載）的時候進行。只有在空載的時候才能保證自學習出來的電機參數(shù)的準確性。
如果現(xiàn)場條件沒辦法進行空載運行，可以考慮用變頻器出廠的電機參數(shù)試運行。
5）頻率指令和運行指令
數(shù)控機床上使用的變頻器其頻率指令和運行指令都來源于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
變頻器在出廠的時候作了很好的抗干擾試驗，具有很強的抗干擾能力，但變頻器同時也是一個干擾源，在使用中很難避免不對其它設(shè)備進行干擾，在數(shù)控機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行指令也可能會受到干擾，干擾嚴重的會造成頻率指令不穩(wěn)定，變頻器誤動作等。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。一般進口的CNC的抗干擾能力較強。
下面以ECOM系列高性能矢量變頻器在沈陽某數(shù)控機床廠的應用為例，講述數(shù)控機床的變頻調(diào)速控制技術(shù)。
系統(tǒng)構(gòu)成
MD300變頻器 制動電阻100Ω/520W 5.5KW調(diào)速電機 CNC數(shù)控系統(tǒng)和性能指標：
（4）提供標準的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
（5）過負載能力強，150%額定輸出電流一分鐘；
（6）提供多功能的輸出端子信號，例如故障輸出信號，運行中信號，速度到達等輸出信號，能夠很好的滿足系統(tǒng)對于主軸速度狀態(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 加速時間：2.0～3.0s
F0-06 減速時間：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（電機參數(shù)），根據(jù)電機銘牌輸入，進行完整調(diào)諧。F2矢量參數(shù)為出廠默認值
調(diào)試結(jié)果
事實證明采用MD300系列高性能矢量變頻器完全能夠滿足機床主軸控制的要求。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)的滾動軸承主軸結(jié)構(gòu)，并且此主軸結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、可以實現(xiàn)真正的無級調(diào)速。此主軸的轉(zhuǎn)速由外部模擬量信號來控制輸出頻率，在不同的加工工藝（如；粗加工、精加工等）需要不同的轉(zhuǎn)速，此時可由數(shù)控系統(tǒng)輸出不同的模擬量電壓信號給變頻器，實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速，同時啟停信號也由數(shù)控系統(tǒng)控制，提高了自動化程度、延長了刀具的使用壽命。
變頻器在數(shù)控機床上的應用如圖所示：
主軸變頻控制的基本原理
由異步電機理論可知，主軸電機的轉(zhuǎn)速公式為:
n=(60f/p)×(1-s)
其中P—電動機的極對數(shù)，s—轉(zhuǎn)差率，f—供電電源的頻率，n—電動機的轉(zhuǎn)速。從上式可看出，電機轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，而對于變頻器而言，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
不使用變頻器進行變速傳動的數(shù)控車床一般用時間控制器確認電機轉(zhuǎn)速到達指令速度開始進刀，而使用變頻器后，機床可按指令信號進刀，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，對應于工件的AB段，主軸速度維持在1000rpm，對應于BC段，電機拖動主軸成恒線速度移動，但轉(zhuǎn)速卻是聯(lián)系變化的，從而實現(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、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
目前較為簡單的一類變頻器是V/F控制(簡稱標量控制)，它就是一種電壓發(fā)生模式裝置，對調(diào)頻過程中的電壓進行給定變化模式調(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(用于風機水泵變轉(zhuǎn)矩)。
標量控制的弱點在于低頻轉(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行推廣。
所謂矢量控制，最通俗的講，為使鼠籠式異步機像直流電機那樣具有優(yōu)秀的運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。
矢量控制相對于標量控制而言，其優(yōu)點有:(1)控制特性非常優(yōu)良，可以直流電機的電樞電流加勵磁電流調(diào)節(jié)相媲美;(2)能適應要求高速響應的場合;(3)調(diào)速范圍大(1:100);(4)可進行轉(zhuǎn)矩控制。
當然相對于標量控制而言，矢量控制的結(jié)構(gòu)復雜、計算煩瑣，而且必須存貯和頻繁地使用電動機的參數(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，它們都具有以下特點:(1)電機參數(shù)自動辯識和手動輸入相結(jié)合;(2)過載能力強，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，而且改善了針對各種負載變化產(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的轉(zhuǎn)矩測試數(shù)據(jù)(電機為5.5kW/4極)。從圖中可知，其在低速范圍時同樣可以產(chǎn)生強大的轉(zhuǎn)矩。在實驗中，我們同樣將2Hz的矢量變頻控制和V/F控制變頻進行比較發(fā)現(xiàn)，前者具有更強的輸出力矩，切削力幾乎與正常頻段(如30Hz或50Hz)相同。
3.3 矢量控制中的電機參數(shù)辨識
由于矢量控制是著眼于轉(zhuǎn)子磁通來控制電機的定子電流，因此在其內(nèi)部的算法中大量涉及到電機參數(shù)。從圖3-2的異步電動機的T型等效電路表示中可以看出，電機除了常規(guī)的參數(shù)如電機極數(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)辨識中分電機靜止辨識和旋轉(zhuǎn)辨識2種，其中在靜止辨識中，變頻器能自動測量并計算頂子和轉(zhuǎn)子電阻以及相對于基本頻率的漏感抗，并同時將測量的參數(shù)寫入;在旋轉(zhuǎn)辨識中，變頻器自動測量電機的互感抗和空載電流。
圖3-2 異步電動機穩(wěn)定態(tài)等效電路
在參數(shù)辨識中，必須注意:(1)若旋轉(zhuǎn)辨識中出現(xiàn)過流或過壓故障，可適當增減加減速時間;(2)旋轉(zhuǎn)辨識只能在空載中進行;(3)如辨識前必須首先正確輸入電機銘牌的參數(shù)。
專用機床的合理應用
曲軸高效專用機床也有它的加工局限性，只有合理應用合適的加工機床，才能發(fā)揮出曲軸加工機床的高效專用性，從而提高工序的加工效率。
1．當曲軸軸頸有沉割槽時，數(shù)控內(nèi)銑機床不能加工；如果曲軸軸頸軸向有沉割槽時，數(shù)控高速外銑機床和數(shù)控內(nèi)銑機床均不能加工，但數(shù)控車-車拉機床能很方便地加工。
2．當平衡塊側(cè)面需要加工時，數(shù)控內(nèi)銑機床應當為首選機床，因為內(nèi)銑刀盤外圓定位，剛性好，尤其適用于加工大型鍛鋼曲軸；此時不適合用數(shù)控車-車拉機床，因為在曲軸的平衡塊側(cè)面需要加工的情況下，采用數(shù)控車-車拉機床加工，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)象比較嚴重。
3．當曲軸的軸頸無沉割槽，且平衡塊側(cè)面不需加工時，原則上幾種機床都能加工。當加工轎車曲軸時，主軸頸采用數(shù)控車-車拉機床，連桿頸采用數(shù)控高速外銑機床則應成為最佳高效加工選擇；當加工大型鍛鋼曲軸時，則主軸頸和連桿頸均采用數(shù)控內(nèi)銑機床比較合理。
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)銑機床，加工轎車曲軸主軸頸采用數(shù)控車-車拉機床。
注：聯(lián)系我時，請說是在“傲立機床網(wǎng)”上看到的，謝謝！
