李躍軍 集美輕工業學校

摘要: 機床是工作母機的總稱，包括車床,銑床,模床,沖床,刨床等,由于加工材質的不同,需要不同的轉速,因此采用變頻調速的機會很多,主軸傳動結構一般采用交流電機和伺服電機，通過帶傳動把運動傳給主軸，從而使主軸達到一定的轉速，來完成切削加工�，F在經濟型數控機床中，一般使用變頻器做為驅動部件。本文針對數控機床和普通機床改造中對主軸傳動變頻調速系統的應用需求，提出了采用羅克韋爾自動化的PowerFlex4型通用低壓變頻器的解決和實現方案。
關鍵詞: 羅克韋爾自動化；低壓變頻器；數控機床；主軸；驅動
    一、         簡介
    數控機床，簡稱NC（Numerical Control ）機床，它是綜合應用了計算機技術、自動控制、傳感技術、精密測量和機床設計等先進技術而發展起來的一種新型機床，是集機械、電氣、液壓、氣動、微電子等多項技術為一體的機電一體化產品，是機械制造設備中具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優點的工作母機。
    數控機床一般由機、電兩部分構成，其中電氣電子部分主要是由數控系統（CNC）、進給伺服驅動和主軸進給驅動系統組成。主軸是機床構成中一個重要的部分，對于提高加工效率，擴大加工材料范圍，提升加工質量都有著很重要的作用。傳統的普通機床大多數是不能自動變速的，需要變速時，只能把機床停止，然后手動變速。而數控機床的主傳動系統大多采用無級變速。目前，無級變速系統主要有變頻主軸系統和伺服主軸系統兩種，一般采用直流或交流主軸電機。通過帶傳動帶動主軸旋轉，或通過帶傳動和主軸箱內的減速齒輪(以獲得更大的轉矩)帶動主軸旋轉。由于主軸電機調速范圍廣，又可無級調速，使得主軸箱的結構大為簡化。目前由于變頻器的高性價比，所以變頻器在經濟型數控機床和普通機床的數控化改造中使用非常普遍。
    二、         產品特點
    Allen-Bradley品牌的PowerFlex 4交流變頻器在其緊湊的、節省空間的設計中為用戶提供了功能強大的電動機速度控制它是PowerFlex變頻器系列中尺寸最小、最經濟有效的一個成員。該變頻器可以提供的額定功率和電壓等級分別為0.2-3.7 kW(0.25-5 hp)和120V、240V、480V,它是為滿足全OEM和最終用戶對于靈活性、節省空間和使用方便的要求而設計的。PowerFlex 4是機械工具如機床行業的主軸傳動應用場合進行速度控制的經濟有效的選擇。
    1．屬于緊湊迷你型產品，體積小，零間隙，節省安裝時間和空間。
    2．安裝方便，靈活的防護外殼和安裝選項，可直接卡裝于DIN導軌。
    3．無傳感器矢量控制性能符合各種類型應用場合的需求，特別是在低速轉矩上滿足機床主軸的需求，5HZ時起動轉矩能夠達到150%以上。
    4．功能齊全，易于設定啟動，操作面板的控制鍵和面板上的電位計簡化了啟動過程, 啟動鍵和速度電位器上面的狀態指示器可指示其狀態。
    5．集成面板及通訊端口，具有內置的RS485通信 ( DSI, 變頻器串行通訊協議) 。
    6．杰出的優秀的起動轉矩和加速性能, 電流精度和數字輸入響應時間,對轉矩變化快速響應，高速模式可將響應時間提高至10mSec。
    7．提供多功能的輸出端子信號，如速度到達信號，故障指示，滿足系統對于主軸速度狀態的監控。
    8. Drive Explorer和Drive Executive軟件提供了一種簡單和直觀的方法以編程，監控和控制.
    9．  載波頻率最大可至16KHZ，只有變頻器運行時風扇才運行，減小電機的電
磁噪音達到靜音運行。
    10．過負載能力強，150%額定輸出電流超過一分鐘，200%額定輸出電流超過3秒鐘。
    三、         應用效果
    數控機床的主軸傳動結構一般采用交流電機和伺服電機，采用變頻器或以消除直流電機電刷維護和高速限制，通過帶傳動把運動傳給主軸，進而使主軸達到一定的轉速來實現無級調速，同時利用變頻器的速度一致信號（SU）來確認電動機達到了指令速度后，再進刀切削加工，從而提高了效率和加工質量。

    1．由于有了更高的主軸速度，可以實現對鋁、銅等軟工件的高效率切削及
高精度的精加工
    2．由于不需要維護電刷和離合器，對主軸電動機的選擇和安裝更靈活。
    3．由于采用了全封閉電機，環境適應性更好。
    4．可以實現恒線速切削，根據刀具的位置使主軸速度連續變化，提高車削
盤類零件的表面質量。
    5．容易實現高速度恒功率運轉，提高切削性能和加工質量。
    但在應用設計時需要注意一些問題，由于速度可調整范圍很大，在做普通機床改造時需注意考慮與機械部件匹套，以防止機械諧振和在需要足夠大轉矩的低頻振動。由于矢量控制需要提供電機參數（阻抗），變頻器提供電機參數自整定功能，通過面板運行鍵，變頻器會自動運行。自動運行過程中，除了計算出電機參數以外，還能夠檢測出空載電流，這幾個參數對于矢量控制能夠表現出較高的性能非常重要，這個過程會持續十幾秒鐘時間。在執行自整定功能前，一定要確認電機側是否沒有任何連接，包括減速皮帶。
    一、         結束語
    現代金屬切削機床設備離不開主軸等交流調速控制,包括車床、銑床、磨床、刨床等各類普通機床與數控機床,由于加工材質的不同,需要不同的轉速,因此采用變頻調速的機會很多,但是選用一般VF控制或空間矢量控制的效果不好,這是因為低速轉矩不足的主要原因。通用變頻器要想順利的使用在機床行業必須有兩個重要考慮：一是選用無速度傳感器矢量控制的產品，二是要設計在超速運轉以提高低速轉矩.



作者簡介： 李躍軍，男，80年3月出生，助理講師、技師，浙江大學電子商務（信電方向）畢業，現從事機電一體化理論與實踐教學工作。
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