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李躍軍 集美輕工業(yè)學(xué)校
摘要: 機(jī)床是工作母機(jī)的總稱，包括車床,銑床,模床,沖床,刨床等,由于加工材質(zhì)的不同,需要不同的轉(zhuǎn)速,因此采用變頻調(diào)速的機(jī)會(huì)很多,主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)一般采用交流電機(jī)和伺服電機(jī)，通過(guò)帶傳動(dòng)把運(yùn)動(dòng)傳給主軸，從而使主軸達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速，來(lái)完成切削加工�，F(xiàn)在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，一般使用變頻器做為驅(qū)動(dòng)部件。本文針對(duì)數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床改造中對(duì)主軸傳動(dòng)變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用需求，提出了采用羅克韋爾自動(dòng)化的PowerFlex4型通用低壓變頻器的解決和實(shí)現(xiàn)方案。
關(guān)鍵詞: 羅克韋爾自動(dòng)化；低壓變頻器；數(shù)控機(jī)床；主軸；驅(qū)動(dòng)
一、 簡(jiǎn)介
數(shù)控機(jī)床，簡(jiǎn)稱NC（Numerical Control ）機(jī)床，它是綜合應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制、傳感技術(shù)、精密測(cè)量和機(jī)床設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的一種新型機(jī)床，是集機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)、微電子等多項(xiàng)技術(shù)為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是機(jī)械制造設(shè)備中具有高精度、高效率、高自動(dòng)化和高柔性化等優(yōu)點(diǎn)的工作母機(jī)。
數(shù)控機(jī)床一般由機(jī)、電兩部分構(gòu)成，其中電氣電子部分主要是由數(shù)控系統(tǒng)（CNC）、進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)和主軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。主軸是機(jī)床構(gòu)成中一個(gè)重要的部分，對(duì)于提高加工效率，擴(kuò)大加工材料范圍，提升加工質(zhì)量都有著很重要的作用。傳統(tǒng)的普通機(jī)床大多數(shù)是不能自動(dòng)變速的，需要變速時(shí)，只能把機(jī)床停止，然后手動(dòng)變速。而數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)大多采用無(wú)級(jí)變速。目前，無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機(jī)。通過(guò)帶傳動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，或通過(guò)帶傳動(dòng)和主軸箱內(nèi)的減速齒輪(以獲得更大的轉(zhuǎn)矩)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機(jī)調(diào)速范圍廣，又可無(wú)級(jí)調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。目前由于變頻器的高性價(jià)比，所以變頻器在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床的數(shù)控化改造中使用非常普遍。
二、 產(chǎn)品特點(diǎn)
Allen-Bradley品牌的PowerFlex 4交流變頻器在其緊湊的、節(jié)省空間的設(shè)計(jì)中為用戶提供了功能強(qiáng)大的電動(dòng)機(jī)速度控制它是PowerFlex變頻器系列中尺寸最小、最經(jīng)濟(jì)有效的一個(gè)成員。該變頻器可以提供的額定功率和電壓等級(jí)分別為0.2-3.7 kW(0.25-5 hp)和120V、240V、480V,它是為滿足全OEM和最終用戶對(duì)于靈活性、節(jié)省空間和使用方便的要求而設(shè)計(jì)的。PowerFlex 4是機(jī)械工具如機(jī)床行業(yè)的主軸傳動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行速度控制的經(jīng)濟(jì)有效的選擇。
1．屬于緊湊迷你型產(chǎn)品，體積小，零間隙，節(jié)省安裝時(shí)間和空間。
2．安裝方便，靈活的防護(hù)外殼和安裝選項(xiàng)，可直接卡裝于DIN導(dǎo)軌。
3．無(wú)傳感器矢量控制性能符合各種類型應(yīng)用場(chǎng)合的需求，特別是在低速轉(zhuǎn)矩上滿足機(jī)床主軸的需求，5HZ時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩能夠達(dá)到150%以上。
4．功能齊全，易于設(shè)定啟動(dòng)，操作面板的控制鍵和面板上的電位計(jì)簡(jiǎn)化了啟動(dòng)過(guò)程, 啟動(dòng)鍵和速度電位器上面的狀態(tài)指示器可指示其狀態(tài)。
5．集成面板及通訊端口，具有內(nèi)置的RS485通信 ( DSI, 變頻器串行通訊協(xié)議) 。
6．杰出的優(yōu)秀的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和加速性能, 電流精度和數(shù)字輸入響應(yīng)時(shí)間,對(duì)轉(zhuǎn)矩變化快速響應(yīng)，高速模式可將響應(yīng)時(shí)間提高至10mSec。
7．提供多功能的輸出端子信號(hào)，如速度到達(dá)信號(hào)，故障指示，滿足系統(tǒng)對(duì)于主軸速度狀態(tài)的監(jiān)控。
8. Drive Explorer和Drive Executive軟件提供了一種簡(jiǎn)單和直觀的方法以編程，監(jiān)控和控制.
9． 載波頻率最大可至16KHZ，只有變頻器運(yùn)行時(shí)風(fēng)扇才運(yùn)行，減小電機(jī)的電
磁噪音達(dá)到靜音運(yùn)行。
10．過(guò)負(fù)載能力強(qiáng)，150%額定輸出電流超過(guò)一分鐘，200%額定輸出電流超過(guò)3秒鐘。
三、 應(yīng)用效果
數(shù)控機(jī)床的主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)一般采用交流電機(jī)和伺服電機(jī)，采用變頻器或以消除直流電機(jī)電刷維護(hù)和高速限制，通過(guò)帶傳動(dòng)把運(yùn)動(dòng)傳給主軸，進(jìn)而使主軸達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，同時(shí)利用變頻器的速度一致信號(hào)（SU）來(lái)確認(rèn)電動(dòng)機(jī)達(dá)到了指令速度后，再進(jìn)刀切削加工，從而提高了效率和加工質(zhì)量。
1．由于有了更高的主軸速度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁、銅等軟工件的高效率切削及
高精度的精加工
2．由于不需要維護(hù)電刷和離合器，對(duì)主軸電動(dòng)機(jī)的選擇和安裝更靈活。
3．由于采用了全封閉電機(jī)，環(huán)境適應(yīng)性更好。
4．可以實(shí)現(xiàn)恒線速切削，根據(jù)刀具的位置使主軸速度連續(xù)變化，提高車削
盤類零件的表面質(zhì)量。
5．容易實(shí)現(xiàn)高速度恒功率運(yùn)轉(zhuǎn)，提高切削性能和加工質(zhì)量。
但在應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)需要注意一些問(wèn)題，由于速度可調(diào)整范圍很大，在做普通機(jī)床改造時(shí)需注意考慮與機(jī)械部件匹套，以防止機(jī)械諧振和在需要足夠大轉(zhuǎn)矩的低頻振動(dòng)。由于矢量控制需要提供電機(jī)參數(shù)（阻抗），變頻器提供電機(jī)參數(shù)自整定功能，通過(guò)面板運(yùn)行鍵，變頻器會(huì)自動(dòng)運(yùn)行。自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，除了計(jì)算出電機(jī)參數(shù)以外，還能夠檢測(cè)出空載電流，這幾個(gè)參數(shù)對(duì)于矢量控制能夠表現(xiàn)出較高的性能非常重要，這個(gè)過(guò)程會(huì)持續(xù)十幾秒鐘時(shí)間。在執(zhí)行自整定功能前，一定要確認(rèn)電機(jī)側(cè)是否沒(méi)有任何連接，包括減速皮帶。
一、 結(jié)束語(yǔ)
現(xiàn)代金屬切削機(jī)床設(shè)備離不開(kāi)主軸等交流調(diào)速控制,包括車床、銑床、磨床、刨床等各類普通機(jī)床與數(shù)控機(jī)床,由于加工材質(zhì)的不同,需要不同的轉(zhuǎn)速,因此采用變頻調(diào)速的機(jī)會(huì)很多,但是選用一般VF控制或空間矢量控制的效果不好,這是因?yàn)榈退俎D(zhuǎn)矩不足的主要原因。通用變頻器要想順利的使用在機(jī)床行業(yè)必須有兩個(gè)重要考慮：一是選用無(wú)速度傳感器矢量控制的產(chǎn)品，二是要設(shè)計(jì)在超速運(yùn)轉(zhuǎn)以提高低速轉(zhuǎn)矩.
作者簡(jiǎn)介： 李躍軍，男，80年3月出生，助理講師、技師，浙江大學(xué)電子商務(wù)（信電方向）畢業(yè)，現(xiàn)從事機(jī)電一體化理論與實(shí)踐教學(xué)工作。
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