基于变频器的经济型数控车床主轴控制系统设计及参数设置-图文-(精)

94科技资讯 科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2010NO.14SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION工 业 技 术随 着 现 代 机 械 制 造 业 水 平 的 发 展 , 数 控 机 床 普 及 率 日 益 提 高 。 数 控 车 床 是 数 控 机 床 的 主 要 品 种 之 一 , 它 在 数 控 机 床 中 占 有 非 常 重 要 的 位 置 , 一 直 受 到 世 界 各 国 的 普遍重视 , 并得到了迅速的发展。 主轴是车 床 构 成 中 一 个 重 要 的 部 分 , 其 功 率 消 耗 约 占机床总功率 70%80%,其性能直接影响 到机床的加工效率、 加工材料范围、 加工质 量 等 。 数 控 系 统 需 要 控 制 主 轴 的 转 速 、 位 置 , 通 常 系 统 的 标 准 配 置 为 数 字 主 轴 , 具有 控制精度高 , 动态响应好的特点。 但在主轴 功 率 不 大 , 对 控 制 精 度 和 动 态 响 应 要 求 不 是 很 高 的 情 况 下 , 数 字 主 轴 就 显 得 成 本 太 高。 这 时 可 以 采 用 数 控 系 统 的 模 拟 主 轴 功 能。 模 拟 主 轴 就 是 数 控 系 统 输 出 模 拟 电 压 信 号 , 采 用 普 通 的 交 流 变 频 器 和 交 流 变 频 电 机 来 实 现 主 轴 控 制 , 由 于 性 价 比 高 , 在经 济型数控机床中广泛应用。1变频调速基本原理由 异 步 电 机 理 论 可 知 , 主 轴 电 机 的 转 速 公 式 为 :n=(60f/p(1-s其 中 P 为 电 动 机 的 极 对 数 ,s 为 转 差 率 , f 为 电 源 的 频 率 ,n 为 电 动 机 的 转 速 从 上 式 可 看 出 , 电 机 转 速 与 频 率 成 正 比 , 改 变 频 率 即可以平滑地调节电机转速。变频器主电路如上图 1所示。 主电路的 功能是把固定频率为 50Hz 交流电转换为频 率 连 续 可 调 的 三 相 交 流 电 , 主 要 包 括 交 -直 电 路 、 制 动 单 元 电 路 及 直 -交 电 路 。 交 -直 电 路 中 , 三 相 交 流 电 源 通 过 变 频 器 的 电 源 接线端 (R、 S 、 T 输入到变频器内 , 利用整流 器 VS 把交流电转换为直流电。 当电容 CF 电 压 达 到 基 准 值 时 , 辅 助 电 源 动 作 , 输 出 直 流 控制电压。 直流继电器 MCC 获电 , 常开触点 闭 合 , 限 流 电 阻 RF 被 短 路 , 完 成 交 -直 电 路转 换 。 直 -交 电 路 中 , 由 VS 转 换 的 直 流 电 压 经 过 短 路 保 护 熔 断 器 F1加 到 逆 变 模 块 VT, 再通过 SPWM 正弦波脉宽调制驱动电路控 制 VT 输出频率可调的三相调制波 Ua 、 Ub 、 Uc(如图 2所示 至 U 、 V 、 W 端子。 输出电压的 大 小 和 频 率 是 由 改 变 图 2中 的 正 弦 参 考 信 号 Ur 的 幅 值 大 小 和 频 率 调 制 的 。 制 动 单 元 电路由制动开关管 VB 、 二极管 DB 及 B1、 B2端 子 之 间 外 接 制 动 电 阻 组 成 , 外 接 制 动 电 阻的功率与阻值需根据电动机的额定电流 好工作情况进行选择。2 主轴电机及变频器的选用主轴电机选择的主要依据是车床主轴 的 切 削 功 率 , 适 用 于 车 床 的 切 削 力 Fz 及 切 削 功 率 Pm 的 实 验 公 式 如 下 :zzyF xF p Fz z f C F =81. 9310=v F P z m 式中 :Fz C 为 决 定 于 被 加 工 金 属 及 切 削条件的系数 ; p 为 切 削 深 度 ; z xF 为被吃刀 量 指 数 ; f 为 切 削 进 给 率 ; z yF 为 进 给 量 指 数 ; v 为 切 削 速 度 ; 各 种 系 数 和 指 数 都 可 以 在 切 削 用 量 手 册 中 查 到 。 以 沈 阳 机 床 厂 CA6136数 控 车 床 为 例 , 查 表 得 :Fz C =40,z xF =1. 0, z yF =0. 75, 最 大 被 吃 刀 量 p =6mm,f 转 速 n 工 件 直 径 d , 计 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 , 还 需 考 虑 机 床 的 传 动 效 率 因 素 , 根 据 电 机 功 率公式 /m E P P 确定主轴电机功率。一般 在 0. 750. 85之 间 取 值 , 从 而 可 以 得 到 kW P E 9. 475. 0/7. 3=。在 进 行 电 机 选 择 时 , 电 机 与 车 床 主 轴 功 率 特 性 要 匹 配 。 由 于 力 切 削 和 加 工 材 料 的不均匀性 , 主电机功率应有一定的储备。 因 此 , 选 用 了 电 动 机 型 号 为 YTSP132 S-4三 相 异 步 电 机 , 额 定 功 率 为 5.5kW 。系统效率等于变频器与电动机效率的 乘 积 , 只 有 二 者 都 在 较 高 效 率 下 工 作 系 统 效 率 才 是 最 佳 的 。 因 此 , 在 通 常 情 况 下 , 变 频 器 的 功 率 与 电 动 机 功 率 相 当 , 以 利 于 变 频 器 在 高 效 率 下 运 转 , 同 时 还 要 考 虑 数 控 车床高精度、 快响应的特点及机床的特点。 目 前 , 变 频 器 技 术 已 经 发 展 到 相 当 成 熟 阶 段 , 市 场 上 变 频 器 产 品 种 类 繁 多 , 典 型 产 品基于变频器的经济型数控车床主轴控制系统设计及参数设置张文炜 方兵(浙江同济科技职业学院机电系 浙江杭州 311231摘 要 :数字控制和模拟控制是数控系统配置的两种机床主轴控制方式。 由于经济型数控车床对主轴的功率、 控制精度和动态响应等要 求不高 , 使用变频器实现主轴模拟量控制是低端数控车床的首选方式。 文章结合安川变频器在 FANUC 数控系统中的实际应用介绍了变频 调速基本原理、 数控车床主轴电机及配套变频器选用原则、 变频器主轴控制方案及实际使用时数控系统和变频器的参数设置。 关键词 :数控车床 变频器 主轴 模拟量控制 中 图 分 类 号 :TP271.4文 献 标 识 码 :A文章编号:1672-3791(201005(b-0094-02图 1变频器主电路示意图图 2 SPWM 调制信号示意图95科技资讯 科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION 2010NO.14工 业 技 术为德国西门子 MICRO MASTER 系列变频 器 、 日 本 三 菱 F R 系 列 变 频 器 和 安 川 Varispeed 系 列 变 频 器 等 。 西 门 子 公 司 的 变 频器 , 对 电 源 电 压 规 定 得 很 严 格 , 而 日 本 产 通用变频器的额定电压往往是 200V 、 220V 或 400V 、 440V 共用 , 变频器的输入电源电压表 1 数控系统中主轴相关主要参数设置常 允 许 在 一 定 范 围 内 变 动 , 比 较 适 合 在 工厂 电 压 波 动 大 的 场 合 使 用 。 最 后 确 定 为 性 价比高的安川变频器 CIMR-G7A45P5型变 频器 , 该 变 频 器 采 用 电 流 矢 量 控 制 技 术 , 低 频时能输出 150%额定转矩 , 动态响应快 , 采 用 100 /430W制动电阻 , 减速停车速度快 ,主 要 技 术 参 数 :额 定 功 率 5.5kW; 额 定 频 率 50Hz; 额 定 电 压 380V; 额 定 电 流 11A 。3 基于变频器的主轴控制方案数控车床主轴的变频器控制接线图如 图 3所示。 三相 380V 交流电压通过空气开关 QF5接到变频器的电源输入端 R 、 S 、 T 上 , 变 频 器 从 U 、 V 、 W 端 子 输 出 频 率 经 过 变 换 的 交 流 电 至 负 载 电 动 机 M 上 。 电 动 机 的 正 反 转控制通过端子 1、 2、 11实现 ,11为 24V 直流 电 源 公 共 端 。 当 1和 11之 间 短 路 , 变 频 器 作 正 向 运 转 , 当 2和 11之 间 短 路 , 变 频 器 作 反 向运转。 端子 1、 2与 11之间的通断分别由受 系统内嵌 PMC 控制的继电器 KA8和 KA9完 成。 13、 17端子与 FANUC 0i TC 系统主板 上的 JA40接口 7、 5引脚连接 , 数控系统会将 程序中的转速指令值转化为相应的模拟量 电压 (010V 通过 JA40接口传送至变频器 的 13、 17端子。 主轴电动功能用于机床手动 方式下主轴控制。 3为数控系统故障时给变 频器的报警输出端子 ,4为数控系统复位时 变 频 器 复 位 端 子 。 端子 19、 25、 26为 变 频 器 到 数 控 系 统 的 信 号 输 出 端 子 , 一 次 为 变 频 器 故 障 报 警 (如 变 频 器 过 热 、 主 轴 零 速 信 号、 主轴速度到达信号输出端子。 21、 22、 23为 变 频 器 输 出 到 机 床 侧 的 信 号 端 子 , 分 别 接 主 轴 转 速 表 和 主 轴 负 载 功 率 表 。 在 主 轴 输 出 端 通 过 同 步 带 连 接 有 FANUC A860-0320-T001型主轴编码器 , 以便于对主轴速 度 和 位 置 进 行 反 馈 , 编 码 器 信 号 接 至 数 控 系 统 的 JA41接 口 。4 数控系统及变频器设置在 采 用 数 控 系 统 的 模 拟 主 轴 功 能 时 , 通过数控系统和变频器对主轴控制系统进 行 合 理 、 正 确 的 设 置 是 主 轴 正 确 运 行 必 不 可 少 的 环 节 。 表 1和表 2分 别 较 详 细 的 列 出 了数控系统及变频器参数设置的情况。5 结语实 际 应 用 显 示 , 采 用 本 方 案 实 现 的 数 控车床模拟量主轴控制系统具有以下显著 优点 :主 轴 可 靠 性 好 , 可 实 现 高 效 率 的 切 割 和 较 高 的 加 工 精 度 , 可 实 现 低 速 和 高 速 情 况 下 较 强 的 力 矩 输 出 , 因 此 本 方 案 对 经 济 型数控机床主轴系统设计及改造具有参考 价 值 。参考文献1韩 步 愈 . 金 属 切 削 原 理 与 刀 具 M.北京 :机 械 工 业 出 版 社 ,2002.2吴忠智 . 调速用变频器及配套设备选用指 南 M.北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,2000. 3FANUC Co.ltd.FANUC ParameterManualM.2000.4刘永久 . 数控机床故障诊断与维修技术M.北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,2009.表 2 变频器主要参数设置图 3 变频器主电路示意图人类在漫长的岁月里，创造了丰富多彩的音乐文化，从古至今，从东方到西方，中国文化艺术，渊源流长。我国最早的歌曲可以追溯到原始社会，例如传说中伏羲时的【网罟之歌】，诗经中的【关关雉鸠】，无论是思想内容，还是艺术形式，都已发展到很高的水平。我们华人音乐有着悠久的历史，有着独特的风格，在世界上，希腊的悲剧和喜剧，印度的梵剧和中国的京剧，被称为【世界三大古老戏剧】，而京剧则是国之瑰宝，是我们华人的骄傲，亦是世界上最璀璨的一颗明珠。你可知道高山流水遇知音的故事？你可知道诸葛亮身居空城，面对敌兵压境，饮酒抚琴的故事？列宁曾经说过：我简直每天都想听奇妙而非凡的音乐，我常常自豪的，也许是幼稚的心情想，人类怎么会创造出这样的奇迹？一个伟大的无产阶级革命家，为什么对音乐如此痴狂？音乐究竟能给我们带来什么？泰戈尔说：我举目漫望着各处，尽情的感受美的世界，在我视力所及的地方，充满了弥漫在天地之间的乐曲。【二】音乐，就是灵魂的漫步，是心事的诉说，是情愫的流淌，是生命在徜徉，它可以让寂寞绽放成一朵花，可以让时光婉约成一首诗，可以让岁月凝聚成一条河，流过山涧，流过小溪，流入你我的麦田我相信所有的人，都曾被一首歌感动过，或为其旋律，或某句歌词，或没有缘由，只是感动，有的时候，我们喜欢一首歌，并不是这首歌有多么好听，歌词写的多么好，而是歌词写的像自己，我们开心的时候听的是音乐，伤心的时候，慢慢懂得了歌词，而真正打动你的不是歌词，而是在你的生命中，关于那首歌的故事或许，在我们每个人的内心深处，都藏着一段如烟的往事，不经阳光，不经雨露，任岁月的青苔覆盖，而突然间，在某个拐角，或者某间咖啡厅，你突然听到了一首歌，或是你熟悉的旋律，刹那间，你泪如雨下，即使你不愿意去回忆，可是瞬间便触碰了你心中最柔软的地方，荡起了心灵最深处的涟漪，这就是音乐的神奇，音乐的魅力！【三】德国作曲家，维也纳古典音乐代表人贝多芬，49岁时已经完全失聪，然而，他的成名曲【命运交响曲】却是震惊世界，震撼我们的心灵，在他的音乐世