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金属切削机床的变频调速摘要：本文以普通车床作为典型例子，论述了金属切削机床在采用变频调速方案时，通过适当选择传动比，可使系统容量减为最小。介绍了作为机床无级调速典型例子的龙门刨床在采用变频调速方案时的具体考虑。关键词：车床 计算转速 主运动 进给运动 传动比 龙门刨床 刨台往复运动周期 双稳态接近开关 接近块1机床拖动系统的主要特点1.1 概述金属切削机床的种类很多，主要有：车床、铣床、磨床、钻床、刨床、镗床等。金属切削机床的基本运动是切削运动，即工件与刀具之间的相对运动。切削运动由主运动和进给运动组成。在切削运动中，承受主要切削功率的运动称为主运动。在车床、磨床和刨床等机床中，主运动是工件的运动；而在铣床、镗床和钻床等机床中，主运动则是刀具的运动。金属切削机床的主运动都要求调速，并且调速的范围往往较大。例如，CA6140型普通车床的调速范围为120：1，X62 W型铣床的调速范围为50：1等。但金属切削机床主运动的调速，一般都在停机的情况下进行，在切削过程中是不进行调速的。这在进行变频调速时，为采用多档传动比方案的可行性提供了基础。1.2 主运动的负载性质通用机床的低速段，允许的最大进刀量都是相同的，负载转矩也相同，属于恒转矩区；而在高速段，则由于受床身机械强度和振动以及刀量强度等的影响，速度越高，允许的最大进刀量越小，负载转矩也越小，但切削功率保持相同，属于恒功率区。恒转矩区和恒功率区的分界转速，称为计算转速，用nD表示。关于计算转速大小的规定大致如下：在老系列产品中，一般规定：从最低速起，以全部级数的三分之一的最高速作为计算转速。例如，CA6140型普通车床主轴的转速共分24级：n1、n2、n3、n24，则第八档转速（n8）为计算转速。但随着刀具强度和切削技术的提高，计算转速已经大为提高，通常的规定是：以最高转速的（1/41/2）作为计算转速：nDnmax/（24）（1）2普通车床的实例与基本数据2.1 普通车床的大致构造与拖动系统2.1.1 大致构造如图2所示，主要部件有：（1）头架用于固定工件。内藏齿轮箱，是主要的传动机构之一。（2）尾架用于顶住工件，是固定工件用的辅助部件。（3）刀架用于固定车刀。（4）床身用于安置所有部件。2.1.2 拖动系统普通车床的运动系统主要包括以下两种运动：（1）主运动工件的旋转运动为普通车床的主运动，带动工件旋转的拖动系统为主拖动系统。（2）进给运动主要是刀架的移动。由于在车削螺纹时，刀架的移动速度必须和工件的旋转速度严格配合，故中小型车床的进给运动通常由主电动机进给传动链而拖动的，并无独立的进给拖动系统。2.1.3 主运动系统阻转矩的形成主运动系统的阻转矩就是工件在切削过程中形成的阻转矩。理论上说，切削功率用于切削的剥落和变形。故切削力正比于被切削的材料性质和截面积，切削面积由切削深度和走刀量决定。而切削转矩则取决于切削力和工件回转半径的乘积，其大小与下列因素有关：（1） 切削深度；（2） 进刀量；（3） 工件的材质与直径，等。2.2 实例及基本数据某厂的意大利产SAG型精密车床，由于调速用电磁离合器损坏率较高，国内无配件，进口件又十分昂贵，故改用变频调速。具体情况如下：2.2.1 原拖动系统概况（1）转速档次负载侧有八档转速：75、120、200、300、500、800、1200、2000r/min。（2）电动机的主要额定数据1）额定容量2.2KW；2）额定转速1440r/min；3）过载能力2.5。（3）控制方式由手柄的八个位置来控制四个电磁离合器的分与合，得到齿轮的八种组合，从而得到八档转速。2.2.2 主要计算数据（1）调速范围由公式：LnLmax/nLmin2000/7526.67（2）负载转矩1）计算转速由（9-1）式，并根据机械工程师提供的数据，有：D2000/4500r/min2）在各档转速下的负载转矩如表10-1所示（考虑到设计者在选择电动机时通常都留有余量，故负载功率按PL=2KW计）。3）电动机额定转矩nMN9550*2.2/144014.6Nm表1 各档转速下的负载转矩档次12345678转速（r/min）7512020030050080012002000转矩（Nm）38.238.238.238.238.223.915.99.552.2.3 用户要求1）尽可能不更换电动机；2）在高速区，过载能力不低于1.8；3）转速档次及控制方式不变，即仍由手柄的八个位置来控制八档转速。3变频调速拖动系统的计算3.1 决定频率范围3.1.1 基本方案的决定为了满足用户关于“尽可能不更换电动机”的要求，根据5.7节所阐明的指导思想，决定采用两档传动比的方案。3.1.2 最低工作频率本着“改造力求从简”的原则，决定不增加速度反馈环节，而采用“无反馈矢量控制”功能或V/F控制方式。为了使低频运行时能够稳定可靠，应尽量提高最低转速时的工作频率。具体方法是减小恒转矩区（即计算转速），故取：np300r/min从而：（1） 恒转矩区的调速范围为：LD300/754（2） 最低工作频率：fmin50/412.5Hz3.1.3 确定频率范围（1） 恒功率区的调速范围LH2000/3006.67（2）频率范围采用两档传动比的方案，由（5-16）式：f L 6.672.58（3）中间速的大小Lmid2000/2.58775.3r/min由于中间速Lmid在低速档与电动机的最高工作频率fmax相对应，而fmax不宜超过额定频率fN的两倍，故取：Lmid300*2600r/min3.2 确定传动比3.2.1 拖动系统的工作区如表2所示。3.2.2 低速档的传动比L1440/3004.8取L5表2 拖动系统的工作区低速档低速档高速档高速档恒转矩区恒功率区恒转矩区恒功率区负载转速范围75300300600600100010002000工作频率范围12.55050100305050100电机转速范围3601440144028808641440144028803.2.3 高速档的传动比H1440/10001.44取H1.5由于所取的L和H值均与计算值不同，故表10-2中的数据将有所调整。3.3 电动机容量不变的可行性核算3.3.1 核算公式（1） 低速档恒转矩区折算至负载轴的电动机转矩TMLTTMNL（2）带负载的过载能力LTMNTNLT/TL（3）（2） 低速档恒功率区折算至负载轴的电动机转矩TMLPTMLT/Kf1.4（4）带负载的过载能力LpmnTMLP/TL（5）（3） 高速档恒转矩区折算至负载轴的电动机转矩TMNTTMNH（6）带负载的过载能力HTmnTMNT/TL（7）（4） 高速档恒功率区折算至负载轴的电动机转矩（按允许电流不变的原则）计算：TMHPTMHT/Kf（8）带负载的过载能力HP（MN/Kfmax0.4）Tmhp/TL（9）3.3.2 核算结果根据上述公式，将计算结果列于表3中。与表中的各档负载转矩相比，可以看出：（1） 除第六档（nL800r/min）的转矩与原来的额定转矩相比，略显逊色外，其余各转速档的拖动转矩都能满足要求；（2） 各档的过载能力基本满足要求；（3） 在第6档，额定拖动转矩为负载转矩的21.9/23.90.92，在实际工作中，已能满足要求。故得出结论：不更换电动机是完全可行的。表3 各档转速的转矩核算结果负载转速（r/min）7512020030050080012002000电动机转速（r/min）375600100015002500120018003000电动机工作频率（Hz）13213552874262.5104电动机的调频比0.260.420.71.041.740.841.252.08电动机折算转矩（Nm）73737370.24221.917.510.5带负载的过载能力4.84.84.84.52.22.32.51.954龙门刨床的构造与工作特点4.1 龙门刨床的基本结构主要由七个部分组成，如图3所示。（1）床身是一个箱形体，上有V形和U形导轨，用于安置工作台。（2）刨台也叫工作台，用于安置工件。下有传动机构，可顺着床身的导轨作往复运动。（3）横梁用于安置垂直刀架。在切削过程严禁动作，仅在更换工件时移动，用以调整刀架的高度。（4） 左右垂直刀架 安装在横梁上，可沿水平方向移动，刨刀也可沿刀架本身的导轨垂直移动。（5） 左右侧刀架安置在立柱上，可上、下沿移动。（6） 立柱 用于安置横梁。（7） 龙门项用于紧固立柱。4.2 龙门刨床的主运动4.2.1 主运动的工作过程龙门刨床的刨削过程是工件（安置在刨台上）与刨刀之间作相对运动的过程。因为刨刀是不动的，所以，龙门刨床的主运动就是刨台频繁的往复运动。4.2.2 主运动的工作特点（1）刨台的往复运动周期所谓往复运动周期，是指刨台每往返一次的速度变化。以国产A系列龙门刨床为例，其往复周期如图4所示。图中，v为线速度，t为时间。各时间段（t1t5）的工况如下：t1段：刨台起动、刨刀切入工件的阶段。为了减小在刨刀刚切入工件的瞬间，刀具所受的冲击，和防止工件被崩坏，故速度较低，为V0；t2段： 刨削段。刨台加速至正常的刨削速度VF；t3段：刨刀退出工件段。为了防止工件边缘被崩裂，故将速度又降低为V0；t4段：返回段。返回过程是不切削工件的空行程，为了节省返回时间，提高工作效率，返回速度应尽可能高一些，设为VR；t5段：缓冲段。返回行程即将结束、再反向到工作速度之前，为了减小对传动机构的冲击，又应将速度降低为V0；之后，便进入下一周期，重复上述过程。4.3 刨台运动的机械特性以A系列龙门刨床为例，说明如下：4.3.1 刨台运动的负荷性质（1）切削速度VQ25m/min在这一速度段，龙门刨床允许的最大切削力相同。在调速过程中负荷具有恒转矩性质。（2）切削速度VQ25m/min由于受横梁与立柱等机械结构的强度所限止，允许的最大切削力是随速度的增加而减小的。因此，在调速过程中负荷具有恒功率性质。其机械特性如图5所示。4.3.2 负载功率因为机械功率与转矩和转速（或切削力和线速度）的乘积成正比，所以，刨台运动的负载功率与面积OLJ成正比。4.3.3 刨台的传动机构分成两档，以45m/min为界，速比为2：1。4.3.4 刨台原拖动系统的主要特点早期的刨台拖动系统采用G-M（发电机-电动机组）调速系统，以A系列龙门刨床为例，如图6所示。图中，直接拖动刨台的是直流电动DM，DM由直流发电机G1提供电源，G1又由交流电动机AM来带动，AM在带动G1的同时，还带动一台励磁发电机G2。G2发出的电，一方面为DM和G1提供励磁电流，同时也为控制电路提供电源。除此以外，为了改善DM的机械特性，还采用了一台交磁放大机DMA尽管直流电动机在额定转速以上，可以进行具有恒功率性质的弱磁调速，但由于在弱磁调速时无法利用电流反馈和速度反馈环节来改善机械特性，故不能用于切削过程中。所以，电动机的机械特性如图7所示，图中，曲线是负载的机械特性，曲线是直流电动机的机械特性。由图可以看出，所需电动机的容量与面积OLMM”成正比，比负载实际所需功率大很多。5 刨台运动的变频调速5.1 变频调速的机械特性由于负载的高速段具有恒功率特性，而电动机在额定频率以上也具有恒功率特性，因此，为了充分发挥电动机的潜力，电动机的工作频率应适当提高至额定频率以上，使其机械特性如图8所示。图中，曲线是负载的机械特性，曲线是变频调速后异步电动机的机械特性。由图可以看出，所需电动机的容量与面积OLKK成正比，和负载实际所需功率十分接近。上述A系列龙门刨床的主运动在采用变频调速后，电动机的容量可减小采用变频调速后，非介拖动系统的构成变得十分简单，并且还减小了主电动机的容量。由于负载的高速段具有恒功率特性，而电动机在额定频率以上也具有恒功率特性，因此，为了充分发挥电动机的潜力，电动机的工作频率应适当提高至额定频率以上，使其机械特性如图8所示。图中，曲线是负载的机械特性，曲线是变频调速后异步电动机的机械特性。由图是变频调速后异步电动机的机械特性。由图可以看出，所需电动机的容量与面积OLKK成正比，和负载实际所需功率十分接近。上述A系列龙门刨床的主运动在采用变频调速后，电动机的容量可减小为原用直流电动机的3/4，最高工作频率为75HZ。可见，采用变频调速后，非但拖动系统的构成变得十分简单，并且还减小了主电动机的容量。5.2 变频调速方案的设计要点5.2.1 电动机选型 一般来说，以选用变频器调速专用电动机为宜。5.2.2 变频器的选型近年来，龙门刨床常常与铣削兼用，而铣削时的进刀速度约只有刨削时的百分之一，故要求拖动系统具有良好的低速进行性能。所以，以选用具有矢量控制功能的变频器为宜。5.2.3 制动电阻与制动单元如上述，刨台在工作过程中，处于频繁地往复运行的状态。为了提高工作效率、缩短辅助时间，刨台的升、降速时间应尽量地短。因此，直流回路中的制动电阻与制动单元是必不可少的。制动电阻阻值的确定方法与前述相同，但由于往复十分频繁，故制动电阻的容量应比一般情况下的容量加大12个档次。5.3 采用变频调速的主要优点（1） 大大简化了拖动系统，减小了电动机的容量。（2） 减小了静差度所谓静差度，是指在刨削过程中因进刀量变化（如工件质不匀或内部有砂眼等）而形成的速度的变化率。通常，直流调速系统的静差度约小于10%；采用了变频调速后，静差度可小于3%。（3） 下垂特性易于实现下垂特性是指在电动机严重过载时，能自动地将电流限制在一定范围内，即使堵转，也能将电流限制住。采用了变频调速后； 在直流电动机调速系统中，一旦过载，将使换向变坏、火花增大，甚至产生环火，因此，对下垂特性的要求比较严格。而在异步电动机中，由于不存在 换向问题，故下垂特性的重要性相对减小； 变频器大多具有过载自处理功能，发生过载时，能自降低频率和电压，以限制过载电流；（4）节能效果可观由于： 拖动系统简化的结果是使附加损失大为减小； 采用变频调速后，电动机的有效转矩线比较贴近负载的机械特性，提高了电动机的效率。所以，节能效果也是十分可观的。6刨台往复运动的控制6.1 往复指令与电路6.1.1 往复指令刨台在往复周期中，实现速度变化的指令信号，是由刨台下面专用的双稳态接近开关（行程开关）的状态得到的。接近开关的状态又由装在刨台下部的四个“接近块”（相当于行程开关的档块，分别编以1、2、3、4号）接近的情况所决定。如图9所示。图中，为了直观起见，仍用行程开关和档块来表示。SQ1SQ2是用来决定刨台的运行情况的，SQ5、SQ6则是极限开关，用于对刨台极限位置的保护。各接近开关在不同时序中的状态如图b）所示。图中，接近开关被“撞”后的状态为“1”；复位后的状态为“0”。6.1.2 刨台运动的控制电路由于龙门刨床的实际控制电路，除刨台的往复运动外，还必须考虑刨台运动与横梁、刀架之间的配合等等，故控制电路以采用PLC较为方便，本节将只涉及刨台在往复周期中的切换控制，其控制电路如图10所示。如图10-10所示，SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分别为各切换点的接近开关，按钮开关SB1用于循环开始，SB2用于紧急停机，SB3、SB4分别为正、反向点按钮，这是在调整过程中所必须的。6.2 刨台控制的梯形图变频器的多档速度控制端X1、X2、X3分别与PLC的输出端Y4、Y3、Y2相接。从而，各阶段变频器的输出频率将取决于Y4、Y3、Y2的状态。变频器的多档升、降速时间控制端X4、X5分别与PLC的输出端Y1、Y0相接。从而，变频器在不同阶段的升、降速时间将取决于Y1、Y0的状态。变频器的正向控制端FWD、反向控制端REV以及点动控制端JOG分别与PLC的输出端Y5、Y6、Y7相接，以便接受它们的控制。PLC的内部逻辑关系（梯形图）如图11所示。因为输出继电器（Y0、Y1、Y2）是直接与外电路相接的，响应速度有一定的滞后，其“线圈”常不宜多处反复使用，故采用PLC内部的辅助继电器M1、M2作过渡。今说明如下：在循环开始前，应通过点动将刨台位置调整到一端，使SQ3、SQ4处于接通状态（SQ3=1，SQ4=1）。A段循环开始与紧急停机：按下SB1输入继电器X0动作辅助继电器M0动作，为后面的运行好准备。按下SB2输入继电器X1动作辅助继电器M0复位，循环运行中止。B段循环开始及刨刀切入工件段。这时：（1） 辅助继电器M6复位。在刚开始循环时，因M6并未动作，故无作用。（2） 辅助继电器M5动作输出继电器Y5动作变频器的FWD接通正向运行。（3） 辅助继电器M4动作输出继电器Y4动作变频器的X1接通选择第1档工作频率（多档速的状态为001）；（4） 辅助继电器M1动作输出继电器Y1动作变频器的X4接通选择第1档升、降速时间（多档升、降速时间的状态为01）。这时，变频器以第1升速时间（ta1）较快升速至第1工作频率（f X1），刨台以较低速度正向运行，使刨刀切入工件。在此过程中，SQ4复位（SQ4=0）。C段正常切削段。接近开关SQ3复位输入继电器X6复位。这时：（1）辅助继电器M4复位输出继电器Y4复位变频器的X1断开重选工作频率；（2） 辅助继电器M1复位输出继电器Y1复位变频器的X4断开重选升速时间；（3）辅助继电器M3动作输出继电器Y3动作变频器的X2接通选择第2档工作频率（多档速的状态为010）；（4）电器M0动作输出继电器Y0动作变频器的X5接通选择第2档升速时间（多档升、降速时间的状态为10）。这时，变频器以第2升速时间（ta2）较缓升速至第