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(共11页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上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

2、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

3、 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

4、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

5、 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

6、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

7、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 /(=kWv F P z m 7. 3105. =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

8、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

9、 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 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

10、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(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

11、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 ,

12、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

13、 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

14、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

15、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专心-专注-专业