摘 要：本文介绍了采用数控车床的主轴驱动中变频控制的系统结构与运行模式，并阐述了无速度的矢量的基本应用。并通过使用3G3RX无速度传感器的变频器后，得出以下显著优点：大幅度降低维护费用，甚至是免维护的;可实现高效率的切割和较高的加工精度;实现低速和高速情况下强劲的力矩输出。

关键词：矢量控制 数控车床

1 前言

　　数控车床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电机及其拖动、自动控制、检测等技术为一身的自动化设备。其中主轴运动是数控车床的一个重要内容，以完成切削任务，其动力约占整台车床的动力的70%～80%。数控机床的技术水平依赖于进给和主轴传动系统的性能，对于主轴传动来说，主要有下述要求：

　　（1）调速范围要宽

　　调速范围r是主轴电动机的{zg}转速与{zd1}转速之比，即r=nmax/nmin。为适应不同零件及不同加工工艺方法对主轴参数的要求，数控机床的主轴传动系统应能在很宽的范围内实现调速。

　　（2）低速时大转矩输出

　　数控机床切削加工，一般低速时为大切削量（切削深度和宽度），要求主轴传动系统在低速运行时，要有大的输出转矩。

　　（3）速度和功率不断提高

　　随着生产力的不断提高，机床结构的改进，加工范围的扩大，要求机床主轴的速度和功率也不断提高，主轴的转速范围也不断的扩大，主轴的恒功率调速范围更大，并有自动换刀的主轴准停功能等。

　　本文介绍了采用数控车床的主轴驱动中变频控制的系统结构与运行模式，并阐述了欧姆龙3G3RX变频器的基本应用。

2 数控车床主轴变频的系统结构与运行模式

　　（1）主轴的控制原理

　　数控车床主轴的基本控制是主轴的正、反转和停止，同时自动换档和无级调速。在目前数控车床中，主轴控制装置通常是采用交流变频器来控制交流主轴电动机。其工作原理如下：

图1 交流变频主轴驱动原理框图

　　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0～400Hz（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。

　　当然，转速提高后，还应考虑到对其轴承及绕组的影响，防止电机过分磨损及过热，一般可以通过设定{zg}频率来进行限定。

　　（2）数控车床主轴变频控制的方式

　　图2所示为变频器在数控车床的应用，其中变频器与数控装置的联系通常包括：（1）数控装置到变频器的正反转信号;（2）数控装置到变频器的速度或频率信号;（3）变频器到数控装置的故障等状态信号。因此所有关于对变频器的操作和反馈均可在数控面板进行编程和显示。

图2 变频器在数控车床上的应用

　　图3是华中HNC-21与主轴变频器的具体接线图，HNC-21通过XS9主轴接口中的模拟量输出可控制主轴转速，当主轴模拟量的输出范围为-10V～+10V，用于双极性速度指令输入主轴驱动单元或变频器，这时采用使能信号控制主轴的启、停。当主轴模拟量的输出范围为0～+10V，用于单极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器，这时采用主轴正转、主轴反转信号控制主轴的正、反转。模拟电压的值由用户PLC 程序送到相应接口的数字量决定。

图3 数控装置与主轴变频器的接线图

　　（3）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。如果被加工件呈图4（1）所示形状，则由图中看出，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。

图4 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HNC-21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。

3 变频器3G3RX变频器的主轴应用

　　（1）主轴变频器的基本选型

　　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控制精度（万分之五），而前者为千分之五，但是在数控车床中无速度传感器的矢量变频器的控制性能已经符合控制要求，所以这里推荐并介绍无速度传感器的矢量变频器。

　　（2）无速度传感器的矢量变频器

　　无速度传感器的矢量变频器目前包括欧姆龙、西门子、艾默生、东芝、日立、LG、森兰等厂家都有成熟的产品推出，总结各自产品的特点，它们都具有以下特点：（1）电机参数自动辩识和手动输入相结合;（2）过载能力强，如50%额定输出电流2分钟、180%额定输出电流10秒;（3）低频高输出转矩，如150%额定转矩/1HZ;（4）各种保护齐全（通俗地讲，就是不容易炸模块）。

图5 无传感器矢量变频器的转矩特性

　　无速度传感器的矢量控制变频器不仅改善了转矩控制的特性，而且改善了针对各种负载变化产生的不特定环境下的速度可控性。图5所示，为3G3RX无速度传感器变频器产品在低频和正常频段时的转矩测试数据（电机为5.5KW/4极）。从图5中可知，其在低速范围时同样可以产生强大的转矩。在实验中，我们同样将2HZ的矢量变频控制和V/F控制变频进行比较发现，前者具有更强的输出力矩，切削力几乎与正常频段（如30HZ或50HZ）相同。

　　（3）主轴变频控制中的电机参数调整

　　为了确保主轴变频器在切削过程中能正常运行，应该根据表1中的要求进行适时调整。

　　表1 主轴变频器参数调整项目

4 结束语

　　对于数控车床的主轴电机，使用了3G3RX无速度传感器的变频调速器的矢量控制后，具有以下显著优点：大幅度降低维护费用，甚至是免维护的;可实现高效率的切割和较高的加工精度;实现低速和高速情况下强劲的力矩输出。

参考文献:

　　1、王侃夫.数控机床控制技术与系统[M].北京：机械工业出版社,2002;

　　2、欧姆龙公司.3G3RX变频器说明书[M].2008

文章来源：中国传动网
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