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1、题目：变频器在机床中的应用学生：陈孝敏学院： 安徽水利水电职业技术学院 班级：0918309专业：机电设备维修与管理指导老师： 蒋瑾瑾摘要：机床是工作母机的总称，包括车床,铣床,模床,冲床,刨床等,由于加工材质的不同,需要不同的转速,因此采用变频调速的机会很多,主轴传动结构一般采用交流电机和伺服电机，通过带传动把运动传给主轴，从而使主轴达到一定的转速，来完成切削加工。现在经济型数控机床中，一般使用变频器做为驱动部件。本文针对数控机床和普通机床改造中对主轴传动变频调速系统的应用需求，提出了采用罗克韦尔自动化的 PowerFlex4 型通用低压变频器的解决和实现方案。关键词: 罗克韦尔自动化；低压
2、变频器；数控机床；主轴；驱动 Abstract: Machine is the general term for machine tools, including lathes, milling machines, mold bed, presses, planer, etc., due to processing of different materials require different speeds, so many opportunities for use of frequency control, spindle structure commonly used AC motor
3、 drive and servo motor , the motion passed through the belt drive shaft, so that the spindle reaches a certain speed, to complete the cutting. Now that the economy CNC machine tools in general use the drive as the drive components. In this paper, general machine tools CNC machine tools and drive the
4、 transformation of the spindle frequency control system application requirements, the paper introduces Rockwell Automations general-purpose low-voltage inverter PowerFlex4 solutions and implementations. Key words: Rockwell Automation; low frequency; NC machine tool; spindle; drive 引言： 数字控制机床，简称数控机床（
5、NC ， Numerical Control）,是三十年来综合应用集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品，在现代机床生产中，一般采用多电机拖动，主轴和各进给系统分别由各自的电机来拖动。由于机床加工范围较广，不同的工件，不同的工序，使用不同的刀具，要求机床执行部件具有不同的运动速度，因此机床的主运动应能进行调速，主轴调速系统一般采用交流主轴系统，随着变频调速技术的发展，数控机床的主轴的交流拖动，同样能够很好满足需要。主驱动电机通过皮带传动带动主轴旋转，或通过皮带传动和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩）带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴
6、箱的结构大为简化。在机械制造业中，用普通机床加工复杂的零部件或具有较高精确度的批量产品时，需要熟练的技术工人手工操作来完成，这种效率低下的传统加工方式已无法满足现代制造业的需求。随着计算机技术的飞速发展，先进的加工中心和数控机床应运而生，逐渐成为主流的工具机床。广州三晶电气有限公司生产的 S350 系列高性能矢量型变频器以其独特的性能和优越的性价比，在加工中心和数控机床上的应用迅速崛起，现以数控系统为例，对三晶变频器的配置、系统联接、机械性能等实际应用研究介绍如下：数控机床的变频器配置：在机床的调速系统中，传统复杂的齿轮箱式分级调速方式，在数控机床中得到极大的改进，采用更为先进的变频无级调速方
7、式。对于1.5kW 三相交流电动机，选配三晶高性能矢量控制 S350 系列，S350变频控制系统优势1、完全满足数控车床高生产率、高削切精度、高稳定性、高柔性要求。2、S350 采用矢量控制模式，动态响应效果非常好，使电机主轴能高速稳定运行。3、满足复杂、不规则形状零件的高深度和高强度削切要求，在0.5HZ1HZ 低频状况下，可以稳定保持 150%的转矩输出。4、加减速时间 0.1 秒，实现无衔接式正反转运行。5、抗干扰性强，通过严格 CNC 综合测试，不会对系统造成任何干扰。6、稳速精度高，低速时速度变化率小，运行平滑。数控机床的变频器联接图数控机床对应用技术的要求1、电机要求通常要求用变频
8、电机，或者普通电机加风扇以满足电机在低频的散热要求、并且要求电机调速范围广。2、变频器的技术要求 1）要求低频力矩大选用矢量变频器，低频时（110Hz）能出来 150%额定转矩。2）转矩动态响应速度快，稳速精度高选用矢量变频器，能实现很好的动态响应效果，依据负载的变化，通过输出转矩的变化很快做出响应，从而实现转轴速度的稳定。3）减速停车速度快通常数控机床的加减速时间都是比较短的，加速时间靠变频器的性能保证，减速时间则依靠外加制动电阻或制动单元。4）进行电机参数自学习选用矢量变频器后，要达到很好的控制性能通常都需要对电机进行参数自学习，其目的是获取准确的电机内部参数，以用于矢量控制计算。参数自学
9、习所需要的电机铭牌参数有：电机额定功率、电机额定频率、电机额定转速、电机额定电压、电机额定电流。有的变频电机的铭牌上可能没标额定转速值，可以根据经验值估计一下额定转速。在进行参数自学习时，务必要在空载（电机轴上不接负载）的时候进行。只有在空载的时候才能保证自学习出来的电机参数的准确性。如果现场条件没办法进行空载运行，可以考虑用变频器出厂的电机参数试运行。5）频率指令和运行指令数控机床上使用的变频器其频率指令和运行指令都来源于 CNC控制器，一般给定的的通道有两种，一种是模拟量给定，另一种是多段速给定，或者两者同时给定，以多段速优先。模拟量给定以电压型模拟量为主，也有电流型的。变频器对这两种类型
10、的模拟量都可以采集。3、抗干扰问题变频器在出厂的时候作了很好的抗干扰试验，具有很强的抗干扰能力，但变频器同时也是一个干扰源，在使用中很难避免不对其它设备进行干扰，在数控机床上最容易被干扰的设备是 CNC 控制器。一旦 CNC 控制器受干扰后，系统将不能正常工作。特别是变频器的频率指令和运行指令也可能会受到干扰，干扰严重的会造成频率指令不稳定，变频器误动作等。解决此类问题的办法是在变频器的输出线上加磁环以减少高频辐射。一般进口的 CNC 的抗干扰能力较强。下面以 ECOM 系列高性能矢量变频器在沈阳某数控机床厂的应用为例，讲述数控机床的变频调速控制技术。系统构成EACON 变频器 制动电阻 10
11、0/520W 5.5KW 调速电机 CNC数控系统和性能指标： 5.5kW 数控车床，电动机参数：额定功率：5.5kW， 额定频率：50Hz, 额定电压：380V， 额定电流：11A， 额定转速：1440r/min 机械传动比：1：1.5加工材料：45#钢实际测试性能指标：（进刀性能及速度）1、主轴转速：200r/min（变频器运行频率 910Hz）2、主轴转速：450r/min（变频器运行频率 22Hz 左右） EC3000 系列变频器的特点EC3000 系列高性能矢量变频器采用先进磁通控制技术，电机在低速时转矩大，速度精度高，价格合理，功能齐全，具有瞬停电处理及速度跟踪再启动功能，确保系统
12、实现连续运行机制，以保证电机运转在最高效率状态，因此，采用 EC3000 系列高性能矢量变频器代替主轴交流伺服系统，是机床行业最佳的选择。EC3000 系列变频器具有以下特点（1）采用先进的磁通控制算法，实现了真正的无速度传感器矢量控制，在控制性能上比传统的 V/F 控制方式有很大的改善。（2）起动转矩大，0.5Hz/150%,0Hz/180%（3）载波频率范围 015KHz；可根据温度和负载的特性自适应调整（4）提供标准的 010V 模拟量接口，能够与大多数数控系统接口兼容，通用性强（5）过负载能力强，150%额定输出电流一分钟；（6）提供多功能的输出端子信号，例如故障输出信号，运行中信号，
13、速度到达等输出信号，能够很好的满足系统对于主轴速度状态的监控；调试结果事实证明采用 EC3000 系列高性能矢量变频器完全能够满足机床主轴控制的要求。ECOM 采用的领先的磁通算法，即使在低转速（低频）运行下也能平稳输出 150%的转矩，以满足不同零件的加工需要，完全可以取代传统的滚动轴承主轴结构，并且此主轴结构简单、紧凑、可以实现真正的无级调速。此主轴的转速由外部模拟量信号来控制输出频率，在不同的加工工艺（如；粗加工、精加工等）需要不同的转速，此时可由数控系统输出不同的模拟量电压信号给变频器，实现不同的转速，同时启停信号也由数控系统控制，提高了自动化程度、延长了刀具的使用寿命。变频器在数控机
14、床上的应用如图所示：2 主轴变频控制的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电动机的极对数，s转差率，f供电电源的频率，n电动机的转速。从上式可看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在 0400Hz(甚至更高频率)之间任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。主轴变频控制的系统构成不使用变频器进行变速传动的数控车床一般用时间控制器确认电机转速到达指令速度开始进刀，而使用变频器后，机床可按指令信号进刀，这样一来就提高了效率。如果被加工件如图 2-2 所示所示形状，则
15、由图 2-2 中看出，对应于工件的 AB 段，主轴速度维持在1000rpm，对应于 BC 段，电机拖动主轴成恒线速度移动，但转速却是联系变化的，从而实现高精度切削主轴变频器系统构成示意在本系统中，速度信号的传递是通过数控装置到变频器的模拟给定通道(电压或电流)，通过变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置，数控装置就可以方便而自由地控制主轴的速度。该特性曲线必须涵盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置，以满足数控车床快速正反转、自由调速、变速切削的要求。主轴变频的基本选型目前较为简单的一类变频器是 V/F 控制(简称标量控制)，它就是一种电压发生模式装置，对调频过程
16、中的电压进行给定变化模式调节，常见的有线性 V/F 控制( 用于恒转矩)和平方 V/F 控制(用于风机水泵变转矩)。标量控制的弱点在于低频转矩不够(需要转矩提升)、速度稳定性不好(调速范围 1:10)，因此在车床主轴变频使用过程中被逐步淘汰，而矢量控制的变频器正逐步进行推广。所谓矢量控制，最通俗的讲，为使鼠笼式异步机像直流电机那样具有优秀的运行性能及很高的控制性能，通过控制变频器输出电流的大小、频率及其相位，用以维持电机内部的磁通为设定值，产生所需要的转矩。矢量控制相对于标量控制而言，其优点有:(1)控制特性非常优良，可以直流电机的电枢电流加励磁电流调节相媲美;(2)能适应要求高速响应的场合;(3)调速范围大(1:100);(4)可进行转矩控制。当然相对于标量控制而言，矢量控制的结构复杂、计算烦琐，而且必须存贮和频繁地使用电动机的参数。矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，区别在于后者具有更高的速度
