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MB2120B型數(shù)控內(nèi)圓磨床電主軸變頻器的改造
2020-11-13  來源：西京學(xué)院機(jī)械工程 西安法士特集團(tuán)   作者：張麗娟 王剛 張爾魯

     摘要：為了將MB2120B數(shù)控內(nèi)圓磨床電主軸的配套變頻器國(guó)產(chǎn)化，采用國(guó)產(chǎn)通用型臺(tái)達(dá)VFD- B系列變頻器來代替原進(jìn)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(yùn)行穩(wěn)定。

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

      0 引 言
  
     目前數(shù)控機(jī)床電主軸都采用交流伺服控制，但交流伺服電主軸價(jià)格昂貴，多用在對(duì)速度控制精度要求高、調(diào)速范圍寬、升降速時(shí)間短、制動(dòng)迅速、對(duì)分度有要求的場(chǎng)合。無錫機(jī)床股份有限公司MK2120B數(shù)控內(nèi)圓磨床對(duì)砂輪拖動(dòng)要求是：砂輪線速度達(dá)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(dòng)機(jī)其實(shí)就是一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)采用荷蘭產(chǎn)VACONNLX系列變頻器，型號(hào)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(jì)算公式n=60f/p，所以要求變頻器最高輸出頻率為800 Hz，而通用VACON變頻器最高輸出頻率為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(gè)工作日，而且價(jià)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(tái)磨床將會(huì)停機(jī)最少3個(gè)月。所以我們就希望能找到一個(gè)通用變頻器代替進(jìn)口VACONNLX系列變頻器。
  
     1、 實(shí)例分析及現(xiàn)狀
  
     臺(tái)灣臺(tái)達(dá)公司VFD-B系列變頻器，最高輸出頻率最高為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(jì)算公式n =60f/p，輸入400 Hz的頻率時(shí)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(jī)械設(shè)計(jì)上特別方便。
  
     2、 設(shè)計(jì)改進(jìn)及變頻器參數(shù)設(shè)定
  
     基于以上的思路，我們對(duì)變頻器重新選型，確定型號(hào)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(dòng)信號(hào)，KA7為變頻器故障復(fù)位信號(hào)，RO1/1和RO1/2為變頻器故障信號(hào)輸出的常閉觸點(diǎn)。
 
   
圖1 VACON NLX系列變頻器接線圖
  
 
 
圖2 臺(tái)達(dá)VFD-B系列變頻器接線圖
  
     實(shí)際控制過程為：當(dāng)需要啟動(dòng)砂輪時(shí)，按下手動(dòng)啟動(dòng)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(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果輸出到系統(tǒng)I/O板相應(yīng)地址的驅(qū)動(dòng)晶體管，驅(qū)動(dòng)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(diǎn)閉合，控制變頻器的可編程輸入點(diǎn)DIN1，DIN1在變頻器參數(shù)中設(shè)定為正向啟動(dòng)功能。DIN1和+24 V端子接通，電主軸啟動(dòng)，DIN1和+24 V端子斷開，電主軸停止。
  
     變頻器的可編程輸入點(diǎn)DIN2和+24 V端子接通，變頻器復(fù)位，正常工作時(shí)DIN2和+24 V端子應(yīng)斷開。RO1/1和RO1/2為變頻器故障信號(hào)輸出信號(hào)繼電器的常閉觸點(diǎn)，在變頻器正常工作時(shí)，RO1/1和RO1/2兩點(diǎn)接通，在變頻器故障報(bào)警時(shí)RO1/1和RO1/2兩點(diǎn)斷開，也就是變頻器正常工作時(shí)PMC的X2.0輸入為1，當(dāng)變頻器故障時(shí)，RO1/1和RO1/2兩點(diǎn)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(bào)警顯示。
  
     根據(jù)以上的動(dòng)作要求，將臺(tái)達(dá)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(shí)，表示進(jìn)行電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)測(cè)量，驅(qū)動(dòng)器接收到運(yùn)轉(zhuǎn)命令后，立即執(zhí)行自動(dòng)測(cè)量工作。當(dāng)設(shè)定為01時(shí)，只測(cè)量電動(dòng)機(jī)一次側(cè)電阻值R1，空載電流值參數(shù)07-01需手動(dòng)輸入，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)設(shè)置為02時(shí)需將負(fù)載卸下，自動(dòng)測(cè)量電動(dòng)機(jī)一次側(cè)電阻值R1和空載電流值，自動(dòng)測(cè)量完成后，并將測(cè)量值自動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)開啟時(shí)，在加減速過程中以全電壓運(yùn)轉(zhuǎn)，定速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)由負(fù)載功率自動(dòng)計(jì)算最佳的電壓值供給負(fù)載。此功能不適用負(fù)載變動(dòng)頻繁的場(chǎng)合。

     3 、安裝調(diào)試
  
     3.1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)測(cè)量
  
     此目的是通過變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)測(cè)量，自動(dòng)測(cè)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(duì)電主軸控制達(dá)到最佳狀態(tài)，這樣既節(jié)能又不會(huì)使電主軸發(fā)熱太嚴(yán)重，對(duì)延長(zhǎng)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(cè)來完成，如果要精確測(cè)量并得到電動(dòng)機(jī)每相線圈的阻值，需要用雙臂電橋來完成。因?yàn)橐话愕膯挝缓茈y找到這樣的儀器，而變頻器的該項(xiàng)功能就很容易解決這個(gè)問題。具體操作步驟如下：

     1）驅(qū)動(dòng)器的所有參數(shù)設(shè)定為出廠值。
     2）將電動(dòng)機(jī)所帶的負(fù)載卸掉。
     3）將電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)測(cè)量動(dòng)作，此時(shí)電動(dòng)機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，執(zhí)行的時(shí)間約為：15 s+參數(shù)01-09第一加速時(shí)間+參數(shù)01-10第一減速時(shí)間。
     5）執(zhí)行完畢后，檢查參數(shù)07-01和07-06兩個(gè)參數(shù)是否已自動(dòng)將測(cè)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(jìn)行調(diào)試，步驟如下：

     1)設(shè)定變頻器的頻率值并檢查電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。在系統(tǒng)無報(bào)警的情況下，在變頻器操作面板上輸入一個(gè)范圍在20～30 Hz之間的頻率值，將機(jī)床操作方式選擇JOG，點(diǎn)動(dòng)砂輪啟動(dòng)鍵，觀察砂輪有無啟停動(dòng)作。如果砂輪不啟動(dòng)，則檢查變頻器參數(shù)和變頻器的接線；如果砂輪啟動(dòng)，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(dòng)機(jī)電源線相序，并改變電源線相序，使電動(dòng)機(jī)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(dòng)砂輪，觀察在電主軸加速時(shí)有無過電流報(bào)警，有報(bào)警說明變頻器加速時(shí)間參數(shù)設(shè)置過短，適當(dāng)加長(zhǎng)01-09第一加速時(shí)間值。經(jīng)反復(fù)調(diào)試后，設(shè)定參數(shù)01-09第一加速時(shí)間值為20 s。若加速過程沒問題，以400 Hz運(yùn)行一段時(shí)間，觀察運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，也可通過控制面板上LED監(jiān)視電主軸運(yùn)行時(shí)的電流值。如果控制運(yùn)行時(shí)的電流值不大于電動(dòng)機(jī)額定電流40％～50％，則達(dá)到要求。

     3）磨床降速動(dòng)作調(diào)整。觀察在電主軸降速時(shí)有無過電壓現(xiàn)象。如果有，則說明變頻器減速時(shí)間參數(shù)設(shè)置過短，適當(dāng)加長(zhǎng)01-10第一減速時(shí)間值即可。

     4）嘯叫雜音的調(diào)節(jié)。在升降速及穩(wěn)速無報(bào)警后，觀察磨床在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，電動(dòng)機(jī)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(huì)明顯減小。但是這樣又會(huì)使變頻器對(duì)外部設(shè)備的電磁干擾增強(qiáng)，功率模塊IGBT溫度升高，所以必須找到一個(gè)平衡點(diǎn)，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(jī)運(yùn)行。上述工作做完以后，就可以帶載試機(jī)。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(huì)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(shí)間使用，設(shè)備運(yùn)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。

 
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