張麗娟¹　王剛²　張爾魯²  

（1.西京學(xué)院機械工程學(xué)院；2.西安法士特集團有限責(zé)任公司）

摘　要：為了將MB2120B數(shù)控內(nèi)圓磨床電主軸的配套變頻器國產(chǎn)化，采用國產(chǎn)通用型臺達VFD- B系列變頻器來代替原進口的VACON NLX系列變頻器。經(jīng)過改造后的內(nèi)圓磨床完全能夠滿足生產(chǎn)需求。經(jīng)過一年多的生產(chǎn)使用，運行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：變頻器；Z高輸出頻率；電主軸；參數(shù)設(shè)置

0　引言

目前數(shù)控機床電主軸都采用交流伺服控制，但交流伺服電主軸價格昂貴，多用在對速度控制精度要求高、調(diào)速范圍寬、升降速時間短、制動迅速、對分度有要求的場合。無錫機床股份有限公司MK2120B數(shù)控內(nèi)圓磨床對砂輪拖動要求是：砂輪線速度達到55 m/s，換算成砂輪轉(zhuǎn)速為24 000 r/min，不要求調(diào)速及頻繁啟停。故不采用交流伺服電主軸，而采用交流異步高頻電主軸。

從原理上來講，交流異步高頻電主軸電動機其實就是一臺三相異步電動機，驅(qū)動動采用荷蘭產(chǎn)VACONNLX系列變頻器，型號為NLX00465C5H1SSS0000，額定功率為18.5 k V；額定電流為46 A，額定電壓為AC 400 V，由于電主軸為4極，額定轉(zhuǎn)速為24 000 r/min，根據(jù)轉(zhuǎn)速計算公式n=60f/p，所以要求變頻器Z高輸出頻率為800 Hz，而通用VACON變頻器Z高輸出頻率為320 Hz，不能滿足轉(zhuǎn)速要求，所以需要特殊訂貨，一般情況下訂貨周期為90個工作日，而且價格為3萬元左右。如果內(nèi)圓磨床砂輪變頻器發(fā)生故障，在沒有備件的情況下，這臺磨床將會停機Z少3個月。所以我們就希望能找到一個通用變頻器代替進口VACONNLX系列變頻器。

1、實例分析及現(xiàn)狀

臺灣臺達公司VFD-B系列變頻器，Z高輸出頻率Z高為400 Hz，不能滿足800 Hz的頻率要求，現(xiàn)有的電主軸備件有兩種，一種為4極，還有一種為2極。如果把4極磨頭電主軸換成2極的電主軸，根據(jù)轉(zhuǎn)速計算公式n =60f/p，輸入400 Hz的頻率時剛好滿足轉(zhuǎn)速為24 000 r/min的工藝要求，而且電主軸的更換在機械設(shè)計上特別方便。

2、設(shè)計改進及變頻器參數(shù)設(shè)定

基于以上的思路，我們對變頻器重新選型，確定型號為VFD185B43A。圖1是原VACONNLX系列變頻器接線圖，經(jīng)分析，KA1為砂輪電主軸啟動信號，KA7為變頻器故障復(fù)位信號，RO1/1和RO1/2為變頻器故障信號輸出的常閉觸點。

圖1 VACON NLX系列變頻器接線圖

圖2 臺達VFD-B系列變頻器接線圖

實際控制過程為：當(dāng)需要啟動砂輪時，按下手動啟動按鈕或者在零件加工程序中編寫相應(yīng)的M功能 （輔助功能）指令，在CNC系統(tǒng)的PMC中經(jīng)過邏輯運算，將運算結(jié)果輸出到系統(tǒng)I/O板相應(yīng)地址的驅(qū)動晶體管，驅(qū)動晶體管控制外部中間繼電器KA1線圈，KA1線圈得電，KA1的常開觸點閉合，控制變頻器的可編程輸入點DIN1，DIN1在變頻器參數(shù)中設(shè)定為正向啟動功能。DIN1和+24 V端子接通，電主軸啟動，DIN1和+24 V端子斷開，電主軸停止。

變頻器的可編程輸入點DIN2和+24 V端子接通，變頻器復(fù)位，正常工作時DIN2和+24 V端子應(yīng)斷開。RO1/1和RO1/2為變頻器故障信號輸出信號繼電器的常閉觸點，在變頻器正常工作時，RO1/1和RO1/2兩點接通，在變頻器故障報警時RO1/1和RO1/2兩點斷開，也就是變頻器正常工作時PMC的X2.0輸入為1，當(dāng)變頻器故障時，RO1/1和RO1/2兩點斷開，PMC的X2.0輸入為0，PMC將做相應(yīng)的邏輯處理，使CNC系統(tǒng)處于急停狀態(tài)，并做出相應(yīng)的報警顯示。

根據(jù)以上的動作要求，將臺達VFD-B變頻器按圖2接線，并按照表1設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)：

1）此參數(shù)設(shè)定為01或02時，表示進行電動機參數(shù)自動測量，驅(qū)動器接收到運轉(zhuǎn)命令后，立即執(zhí)行自動測量工作。當(dāng)設(shè)定為01時，只測量電動機一次側(cè)電阻值R1，空載電流值參數(shù)07-01需手動輸入，此時電動機不轉(zhuǎn)動；當(dāng)設(shè)置為02時需將負載卸下，自動測量電動機一次側(cè)電阻值R1和空載電流值，自動測量完成后，并將測量值自動寫入?yún)?shù)07-01和07-06。

表1 VFD-B變頻器參數(shù)設(shè)置

2）在節(jié)能運轉(zhuǎn)開啟時，在加減速過程中以全電壓運轉(zhuǎn)，定速運轉(zhuǎn)時會由負載功率自動計算Z佳的電壓值供給負載。此功能不適用負載變動頻繁的場合。

3 、安裝調(diào)試

3.1 電動機參數(shù)自動測量

此目的是通過變頻器對電動機參數(shù)自動測量?自動測出電主軸的定子線圈線-線間電阻值和空載電流值，使變頻器對電主軸控制達到Z佳狀態(tài)，這樣既節(jié)能又不會使電主軸發(fā)熱太嚴重，對延長變頻器和電主軸的壽命有很大的作用。這一步可通過儀器檢測來完成，如果要精確測量并得到電動機每相線圈的阻值，需要用雙臂電橋來完成。因為一般的單位很難找到這樣的儀器，而變頻器的該項功能就很容易解決這個問題。具體操作步驟如下：

1）驅(qū)動器的所有參數(shù)設(shè)定為出廠值。

2）將電動機所帶的負載卸掉。

3）將電動機銘牌上的額定電壓寫入?yún)?shù)01-02，額定頻率寫入?yún)?shù)01-01，額定電流寫入?yún)?shù)07-00，電動機極數(shù)寫入?yún)?shù)07-04，額定轉(zhuǎn)差寫入?yún)?shù)07-08。

4）將參數(shù)07-05設(shè)定為02，按下變頻器操作面板RUN鍵，執(zhí)行自動測量動作，此時電動機會轉(zhuǎn)動，執(zhí)行的時間約為：15 s+參數(shù)01-09加速時間+參數(shù)01-10減速時間。

5）執(zhí)行完畢后，檢查參數(shù)07-01和07-06兩個參數(shù)是否已自動將測量數(shù)據(jù)填入。若沒有，則將參數(shù)07-05設(shè)定為02，并按RUN鍵。

3.2 參數(shù)設(shè)置

檢查無誤后，可按照表1的參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)的其他參數(shù)。

3.3 調(diào)試

當(dāng)所有參數(shù)設(shè)定完成后，進行調(diào)試，步驟如下：

1)設(shè)定變頻器的頻率值并檢查電動機的轉(zhuǎn)向。在系統(tǒng)無報警的情況下，在變頻器操作面板上輸入一個范圍在20～30 Hz之間的頻率值，將機床操作方式選擇JOG，點動砂輪啟動鍵，觀察砂輪有無啟停動作。如果砂輪不啟動，則檢查變頻器參數(shù)和變頻器的接線；如果砂輪啟動，則觀察電主軸轉(zhuǎn)向和要求是否一致，如果不一致，檢查電動機電源線相序，并改變電源線相序，使電動機的轉(zhuǎn)向和要求一致。

2） 磨床加速調(diào)整。在變頻器操作面板上輸入400Hz頻率，即電主軸的額定頻率，啟動砂輪，觀察在電主軸加速時有無過電流報警，有報警說明變頻器加速時間參數(shù)設(shè)置過短，適當(dāng)加長01-09加速時間值。經(jīng)反復(fù)調(diào)試后，設(shè)定參數(shù)01-09加速時間值為20 s。若加速過程沒問題，以400 Hz運行一段時間，觀察運轉(zhuǎn)是否正常，也可通過控制面板上LED監(jiān)視電主軸運行時的電流值。如果控制運行時的電流值不大于電動機額定電流40％～50％，則達到要求。

3）磨床降速動作調(diào)整。觀察在電主軸降速時有無過電壓現(xiàn)象。如果有，則說明變頻器減速時間參數(shù)設(shè)置過短，適當(dāng)加長01-10減速時間值即可。

4）嘯叫雜音的調(diào)節(jié)。在升降速及穩(wěn)速無報警后，觀察磨床在運轉(zhuǎn)過程中，電動機有無嘯叫雜音，如果有，可適當(dāng)降低參數(shù)02-03 PWM載波頻率，嘯叫聲就會明顯減小。但是這樣又會使變頻器對外部設(shè)備的電磁干擾增強，功率模塊IGBT溫度升高，所以必須找到一個平衡點，既減小了嘯叫，又不干擾其他設(shè)備。因此，不是PWM載波頻率越小越好。

5）試機運行。上述工作做完以后，就可以帶載試機。觀察磨削過程有無異常。一般按上述步驟調(diào)試完成后，磨削加工不會有問題。

4、結(jié)語

改造后的數(shù)控內(nèi)圓磨床經(jīng)過1年多時間使用，設(shè)備運行穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)變頻器或磨頭電主軸出現(xiàn)問題，完全滿足生產(chǎn)工藝要求。并且設(shè)備功能完善，節(jié)約了成本，值得推廣和借鑒。

來源：《機械工程師》 2019年07期