基于變頻器的經(jīng)濟型數(shù)控車床主軸控制系統(tǒng)設計及參數(shù)設置_圖文_

1、94科技資訊 科技資訊SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2010NO.14SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION工 業(yè) 技 術隨 著 現(xiàn) 代 機 械 制 造 業(yè) 水 平 的 發(fā) 展 , 數(shù) 控 機 床 普 及 率 日 益 提 高 。 數(shù) 控 車 床 是 數(shù) 控 機 床 的 主 要 品 種 之 一 , 它 在 數(shù) 控 機 床 中 占 有 非 常 重 要 的 位 置 , 一 直 受 到 世 界 各 國 的 普遍重視 , 并得到了迅速的發(fā)展。 主軸是車 床 構 成 中 一 個 重 要 的 部 分 , 其 功 率 消 耗 約 占機床總功率 7

2、0%80%,其性能直接影響 到機床的加工效率、 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 準 配 置 為 數(shù) 字 主 軸 , 具有 控制精度高 , 動態(tài)響應好的特點。 但在主軸 功 率 不 大 , 對 控 制 精 度 和 動 態(tài) 響 應 要 求 不 是 很 高 的 情 況 下 , 數(shù) 字 主 軸 就 顯 得 成 本 太 高。 這 時 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

3、和 交 流 變 頻 電 機 來 實 現(xiàn) 主 軸 控 制 , 由 于 性 價 比 高 , 在經(jīng) 濟型數(shù)控機床中廣泛應用。1變頻調(diào)速基本原理由 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 為 電 動 機 的 極 對 數(shù) ,s 為 轉(zhuǎn) 差 率 , f 為 電 源 的 頻 率 ,n 為 電 動 機 的 轉(zhuǎn) 速 從 上 式 可 看 出 , 電 機 轉(zhuǎn) 速 與 頻 率 成 正 比 , 改 變 頻 率 即可以平滑地調(diào)節(jié)電機轉(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 交流電轉(zhuǎn)換為頻 率 連 續(xù) 可

4、 調(diào) 的 三 相 交 流 電 , 主 要 包 括 交 -直 電 路 、 制 動 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 把交流電轉(zhuǎn)換為直流電。 當電容 CF 電 壓 達 到 基 準 值 時 , 輔 助 電 源 動 作 , 輸 出 直 流 控制電壓。 直流繼電器 MCC 獲電 , 常開觸點 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

5、短 路 保 護 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 單 元 電路由制動開關管 VB 、 二極管 DB 及 B1、 B2端 子 之 間 外 接 制 動 電 阻 組 成 , 外 接 制 動 電 阻的功率與阻值需根據(jù)電動機的額定電流 好工作情況進行選擇。2 主軸電機及變頻器的選用主軸電機選擇的

6、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 驗 公 式 如 下 :zzyF xF p Fz z f C F =81. 9310=v F P z m 式中 :Fz C 為 決 定 于 被 加 工 金 屬 及 切 削條件的系數(shù) ; p 為 切 削 深 度 ; z xF 為被吃刀 量 指 數(shù) ; f 為 切 削 進 給 率 ; z yF 為 進 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 床 廠 CA6136數(shù) 控 車 床

7、 為 例 , 查 表 得 :Fz C =40,z xF =1. 0, z yF =0. 75, 最 大 被 吃 刀 量 p =6mm,f 轉(zhuǎn) 速 n 工 件 直 徑 d , 計 算 可 得 :N F z 832=, sm dn v /5. 4 601000/(=×=kWv F P z m 7. 3105. 48321033=××=按 上 述 方 法 求 出 切 削 功 率 后 , 還 需 考 慮 機 床 的 傳 動 效 率 因 素 , 根 據(jù) 電 機 功 率公式 /m E P P 確定主軸電機功率。一般 在 0. 750. 85之 間 取 值 , 從 而 可 以

8、得 到 kW P E 9. 475. 0/7. 3=。在 進 行 電 機 選 擇 時 , 電 機 與 車 床 主 軸 功 率 特 性 要 匹 配 。 由 于 力 切 削 和 加 工 材 料 的不均勻性 , 主電機功率應有一定的儲備。 因 此 , 選 用 了 電 動 機 型 號 為 YTSP132 S-4三 相 異 步 電 機 , 額 定 功 率 為 5.5kW 。系統(tǒng)效率等于變頻器與電動機效率的 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 機 功 率 相 當

9、, 以 利 于 變 頻 器 在 高 效 率 下 運 轉(zhuǎn) , 同 時 還 要 考 慮 數(shù) 控 車床高精度、 快響應的特點及機床的特點。 目 前 , 變 頻 器 技 術 已 經(jīng) 發(fā) 展 到 相 當 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)濟型數(shù)控車床主軸控制系統(tǒng)設計及參數(shù)設置張文煒 方兵(浙江同濟科技職業(yè)學院機電系 浙江杭州 311231摘 要 :數(shù)字控制和模擬控制是數(shù)控系統(tǒng)配置的兩種機床主軸控制方式。 由于經(jīng)濟型數(shù)控車床對主軸的功率、 控制精度和動態(tài)響應等要 求不高 , 使用變頻器實現(xiàn)主軸模擬量控制是低端數(shù)控車床的首選方式。 文章結合安

10、川變頻器在 FANUC 數(shù)控系統(tǒng)中的實際應用介紹了變頻 調(diào)速基本原理、 數(shù)控車床主軸電機及配套變頻器選用原則、 變頻器主軸控制方案及實際使用時數(shù)控系統(tǒng)和變頻器的參數(shù)設置。 關鍵詞 :數(shù)控車床 變頻器 主軸 模擬量控制 中 圖 分 類 號 :TP271.4文 獻 標 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 2 SPWM 調(diào)制信號示意圖95科技資訊 科技資訊SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION 2010NO.14工 業(yè) 技 術為德國西門子 MICRO MASTER 系列變頻 器 、 日 本 三 菱 F R

11、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 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)中主軸相關主要參數(shù)設置常 允 許 在 一 定 范 圍 內(nèi) 變 動 , 比 較 適 合 在 工廠 電 壓 波 動 大 的 場 合 使 用 。 最 后 確 定 為 性 價比高的安川變頻器 CIMR-G7A45P5型變 頻器 , 該 變 頻 器 采 用 電 流 矢 量 控 制 技 術 , 低 頻時

12、能輸出 150%額定轉(zhuǎn)矩 , 動態(tài)響應快 , 采 用 100 /430W制動電阻 , 減速停車速度快 ,主 要 技 術 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 基于變頻器的主軸控制方案數(shù)控車床主軸的變頻器控制接線圖如 圖 3所示。 三相 380V 交流電壓通過空氣開關 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 載 電 動 機 M 上 。 電 動 機 的 正 反 轉(zhuǎn)控制通過端子 1、 2、 11實

13、現(xiàn) ,11為 24V 直流 電 源 公 共 端 。 當 1和 11之 間 短 路 , 變 頻 器 作 正 向 運 轉(zhuǎn) , 當 2和 11之 間 短 路 , 變 頻 器 作 反 向運轉(zhuǎn)。 端子 1、 2與 11之間的通斷分別由受 系統(tǒng)內(nèi)嵌 PMC 控制的繼電器 KA8和 KA9完 成。 13、 17端子與 FANUC 0i TC 系統(tǒng)主板 上的 JA40接口 7、 5引腳連接 , 數(shù)控系統(tǒng)會將 程序中的轉(zhuǎn)速指令值轉(zhuǎn)化為相應的模擬量 電壓 (010V 通過 JA40接口傳送至變頻器 的 13、 17端子。 主軸電動功能用于機床手動 方式下主軸控制。 3為數(shù)控系統(tǒng)故障時給變 頻器的報警輸出端子 ,4

14、為數(shù)控系統(tǒng)復位時 變 頻 器 復 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 警 (如 變 頻 器 過 熱 、 主 軸 零 速 信 號、 主軸速度到達信號輸出端子。 21、 22、 23為 變 頻 器 輸 出 到 機 床 側(cè) 的 信 號 端 子 , 分 別 接 主 軸 轉(zhuǎn) 速 表 和 主 軸 負 載 功 率 表 。 在 主 軸 輸 出 端 通 過 同 步 帶 連 接 有 FANUC A860-0320-T001型主軸編碼器 , 以便于對主軸速 度 和 位 置 進 行 反 饋 , 編 碼 器 信

15、 號 接 至 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 JA41接 口 。4 數(shù)控系統(tǒng)及變頻器設置在 采 用 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 模 擬 主 軸 功 能 時 , 通過數(shù)控系統(tǒng)和變頻器對主軸控制系統(tǒng)進 行 合 理 、 正 確 的 設 置 是 主 軸 正 確 運 行 必 不 可 少 的 環(huán) 節(jié) 。 表 1和表 2分 別 較 詳 細 的 列 出 了數(shù)控系統(tǒng)及變頻器參數(shù)設置的情況。5 結語實 際 應 用 顯 示 , 采 用 本 方 案 實 現(xiàn) 的 數(shù) 控車床模擬量主軸控制系統(tǒng)具有以下顯著 優(yōu)點 :主 軸 可 靠 性 好 , 可 實 現(xiàn) 高 效 率 的 切 割 和 較 高 的 加 工 精 度 , 可 實 現(xiàn) 低 速 和 高 速 情 況 下 較 強 的 力 矩 輸 出 , 因 此 本 方 案 對 經(jīng) 濟 型數(shù)控機床主軸系統(tǒng)