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2010NO.14
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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:
z
z
yF xF p Fz z f C F ⋅⋅=α81.93
10−⋅⋅=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 α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 α=6mm,f转速n 工件直径d , 计算可得:
N F z 832=,s
m dn v /5.4 601000/(=×=πkW
v F P z m7.3105. 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/m E P P ≥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kW P E9.475.0/7. 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
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科技资讯SCIENCE& TECHNOLOGY INFORMATION 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(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
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[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。