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

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,并得到了快速的发展。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%,其性能干脆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,具有限制精度高,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整电机转速。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沟通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把沟通电转换为直流电。当电容CF电压达到基准值时,辅助电源动作,输出直流限制电压。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依据电动机的额定电流好工作状况进行选择。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:zzyFxFpFzzfCF⋅⋅=α81.9310−⋅⋅=vFPzm式中:FzC为决定于被加工金属及切削条件的系数;pα为切削深度;zxF为被吃刀量指数;f为切削进给率;zyF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:FzC=40,zxF=1.0,zyF=0.75,最大被吃刀量pα=6mm,f转速n工件直径d,计算可得:NFz832=,smdnv/5.4601000/(=×=πkWvFPzm7.3105.48321033=××=⋅⋅=−−按上述方法求出切削功率后,还需考虑机床的传动效率η因素,根据电机功率公式η/mEPP≥确定主轴电机功率。η一般在0.75~0.85之间取值,从而可以得到kWPE9.475.0/7.3=≥。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匀称性,主电机功率应有肯定的储备。因此,选用了电动机型号为YTSP132S-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限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:数字限制和模拟限制是数控系统配置的两种机床主轴限制方式。由于经济型数控车床对主轴的功率、限制精度和动态响应等要求不高,运用变频器实现主轴模拟量限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、变频器主轴限制方案及实际运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限制中图分类号: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2SPWM调制信号示意图95科技资讯科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2010NO.14工业技术为德国西门子MICROMASTER系列变频器、日本三菱FR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100Ω/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基于变频器的主轴限制方案数控车床主轴的变频器限制接线图如图3所示。三相380V沟通电压通过空气开关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。电动机的正反转限制通过端子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限制的继电器KA8和KA9完成。13、17端子与FANUC0iTC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(0~10V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限制。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FANUCA860-0320-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限制系统进行合理、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状况。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限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。