通用變頻器在數控機床主軸控制的應用

金光云

（中航工業沈陽飛機工業（集團）有限公司數控加工廠，遼寧 沈陽 110085）

通用變頻器在數控機床主軸控制的應用

金光云

（中航工業沈陽飛機工業（集團）有限公司數控加工廠，遼寧 沈陽 110085）

論文中介紹了通用變頻器的技術特點，并以一臺三坐標數控機床為例，介紹了在數控機床主軸控制時使用通用的變頻技術進行驅動，所采用的具體電路設計、PLC程序及各類相關數據的匹配關系。

主軸控制；通用變頻器；PLC程序

1 控制原理

任何一臺數控機床的主軸控制，都是機床控制的重要組成部分，使用變頻器控制的機床其基本工作原理并沒有改變，只是減少了數控系統對主軸工作性能的調整，更具體的細微處的主軸運轉精度由變頻器自身來完成，變頻器更具備相對的獨立性和通用性。在以變頻器為主的主軸控制系統中，需要由控制系統輸出的啟動與停止信號、轉速信號、報警信號等，再根據變頻器內部的參數設定控制主軸的旋轉。

2 性能對比

隨著生產技術的日益發展，對機械加工設備的要求也越來越高。有些數控機床的控制形式已限制了機床的加工性能，V2-2000B機床是一臺三坐標龍門數控銑床，由法國FOREST公司生產，其主軸采用變頻機組形式進行控制，只提供了1000～6000RPM中的五個固定檔位的主軸轉速，限制了加工時對主軸轉速的選擇范圍。

這種主軸的控制方式，決定了主軸的啟動與停止硬性較大，對機床的硬件有很大的損傷，使一些元件使用壽命變短，導致機床故障頻繁發生。這種數控機床主軸控制形式已明顯落后，因此，采用變頻技術控制主軸進行生產加工，可以滿足現在的加工需求，并能解決舊式控制方式的缺點。

3 工作內容

3.1 選擇主軸變頻模塊

數控機床的主軸運轉規律是：額定轉速以下為恒轉矩運行，額定轉速以上為恒功率運行。因此配備的變頻器規格應遵循公式：In≥K·Im

In為變頻器額定電流，Im為電機額定電流，K為電流系數一般為1.05～1.15。

另外根據變頻器選型的理論計算，再考慮到其過載能力，一般的恒轉矩負載應用時按電機功率放大一倍。該機床的主軸電機型號指標如下：

BBC JJELX160L2 15KW 28.2A 2920MIN

根據主軸電機的數據代入以上公式和理論算法，可以估算出，該機床主軸配備的變頻器的輸出電流應在32.4A以上，輸出功率應在30KW以上。

綜合考慮主軸電機的功率、相關的技術數據、外形尺寸、提供的各項輔助功能及后續備件的通用性和經濟性等多方面因素，選定使用安川變頻器：CIMR-G74018，額定輸出功率32KVA，額定輸出電流42A，變頻范圍：0.01～400Hz，輸入電壓380V，具有自學習模式、轉矩補償、節能控制、過熱保護、失速保護、過載保護等多項功能。

3.2 修改機床電氣控制系統

將機床電器柜重新排布，取消原電路的接觸器、變壓器等。增加變頻裝置保護開關（50A），電源進線的尺寸應選擇6m2～10m2；增加上電交流接觸器，增加制動模塊和波紋電阻，采用與G74018變頻器配套的制動單元的制動電阻，最后安裝變頻器模塊，根據使用說明書的指示，在電器柜中留出充足的散熱空間。

在機床控制面板增加一個10K的滑動變阻器，作為主軸倍率開關，為主軸變頻模塊提供轉速信號，在使用中可通過旋動該開關，通過系統處理后可產生0～10V的給定模擬電壓，實現機床主軸的無級調速。

圖2 PLCTOOL中 PLC程序

圖1 電氣線路連接

為取得更好的運轉特性，主軸電機采用角形連接。從機床數控系統的I/O模塊上選出幾組空余的輸入輸出點，與變頻模塊連接，分別為：主軸正轉、反轉、停止輸入接口，緊急停止信號輸入接口，和報警輸出接口，作為主軸動作的觸發信號。模擬量接口A1、Ac與數控系統的ANALOG接口連接。電機的連線T1、T2、T3應選擇6m2～10m2，并安全接地。其連接簡圖如圖1。

4 重新編制PLC程序

根據硬件連接時選用的各接口信號，重新編制PLC程序，主要工作是將主軸控制設定為主軸倍率開關有效形式，取消原有的五檔控制功能及檢測信號，保留原有的主軸潤滑、主軸松刀部分的邏輯關系，增加正、反轉和停止功能，互鎖保護功能，手動、自動使能功能等，增加在控制面板處的主軸狀態的顯示。如圖2。

5 調試變頻器

根據機床本身的特點及實際加工需要，對變頻器內部的相關參數進行調整，設定其控制模式、極限電流、功率、頻率及制動模式和保護方式等。G74018變頻器具有多種運行模式，數字操作器時獨立于變頻器主機的小型操作面板，具有中文顯示功能，可顯示狀態、輸入數據。其中A.TUNE為自學習模式，是變頻器自動測定電機所需的參數，并自動進行參數設定的功能。

通常情況下，自學習模式設定的參數并不能完全適用，在電機實際運轉時，可能會出現報警或其它異常情況，此時需要手動修改一些參數。變頻器調試成功后，要進行實際加工試切，考驗其穩定性、啟動停止的功率、制動時間等相關的技術指標。

結語

經過對G74018變頻器的安裝調試，證明了通用變頻器在數控機床主軸控制上應用的可行性，通用變頻器在通用性、實用性和經濟性方面具有的優勢，這種技術可以應用在各類數控機床上。

[1]王愛玲，白恩遠.現代數控機床[M].北京：國防工業出版社，2003.

[2]劉美俊.變頻器應用與維修[M].北京：電子工業出版社，2009.

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