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

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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