數(shù)控車(chē)輪車(chē)床主軸變頻技術(shù)改造

泮建華

（上海鐵路局杭州北車(chē)輛段 杭州）

數(shù)控機(jī)床是輪對(duì)鏇修加工的重要設(shè)備，設(shè)備性能的穩(wěn)定和加工精度的準(zhǔn)確，對(duì)貨車(chē)輪對(duì)質(zhì)量和安全起著重要作用。主軸是機(jī)床的核心部件，主軸電機(jī)的控制對(duì)機(jī)床的精度和穩(wěn)定性也起著決定性作用。要使被加工的輪對(duì)尺寸符合規(guī)定，精度合格，同時(shí)確保在運(yùn)行中的穩(wěn)定，車(chē)床主軸的穩(wěn)定可靠顯得尤為重要。通過(guò)對(duì)數(shù)控車(chē)床與變頻器電機(jī)控制方面知識(shí)的學(xué)習(xí)和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)數(shù)控車(chē)床主軸電機(jī)的變頻技術(shù)改進(jìn)，論述數(shù)控車(chē)床主軸電機(jī)在運(yùn)用變頻技術(shù)之后，達(dá)到提高加工穩(wěn)定性、加工精度、平滑加減速、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。

一、現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

1.數(shù)控車(chē)輪車(chē)床現(xiàn)狀

杭州北車(chē)輛段修車(chē)大庫(kù)經(jīng)過(guò)擴(kuò)能改造后，日出車(chē)量由原來(lái)的30輛提高到現(xiàn)在的70輛（含廠修車(chē)輛），以車(chē)輛段目前輪對(duì)60%左右的鏇修率計(jì)算，日均鏇修輪對(duì)達(dá)到170余對(duì)。目前用于輪對(duì)鏇修加工的數(shù)控車(chē)輪車(chē)床增加到8臺(tái)，車(chē)床操作工采取早、中兩班工作制，每個(gè)班次5人，因此每臺(tái)車(chē)床的日均輪對(duì)加工數(shù)達(dá)34對(duì)左右。車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)均采用西門(mén)子公司的802D系統(tǒng)，主軸采用Y-△-YY，3速電機(jī)帶動(dòng)，平均功率40 kW。因數(shù)控加工要求精確、可靠，對(duì)主軸電機(jī)啟動(dòng)、變速、運(yùn)行的穩(wěn)定性要求很高，加上車(chē)輛段目前輪對(duì)鏇修加工量大的特點(diǎn)，如何改善數(shù)控車(chē)床主軸控制方式，提高輪對(duì)鏇修效率和精度成為了設(shè)備維修人員的重要課題。

2.運(yùn)行中存在的主要問(wèn)題和原因

（1）主軸電機(jī)功率大，電機(jī)采用的硬啟動(dòng)方式，啟動(dòng)瞬間電流急劇增大，不僅對(duì)電網(wǎng)電壓造成很大沖擊，而且還會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量要求過(guò)高，車(chē)輛段車(chē)輪車(chē)床與輪對(duì)探傷設(shè)備處于同一網(wǎng)路中，車(chē)床頻繁啟動(dòng)產(chǎn)生的大電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊已影響到探傷設(shè)備的正常使用。此外啟動(dòng)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)對(duì)相關(guān)零部件（各種閥類(lèi)）的損害極大，對(duì)設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。由此造成的油路和各種閥類(lèi)問(wèn)題，占維修量的很大比例，影響設(shè)備使用效率，增加設(shè)備維修人員的工作強(qiáng)度。

（2）車(chē)床主軸在運(yùn)行時(shí)，由于加工刀具、被加工材料以及對(duì)工件加工的不同要求為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，這就要求傳動(dòng)系統(tǒng)有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。同時(shí)在不同轉(zhuǎn)速下又有具體的要求：高速下，要求速度穩(wěn)定，盡可能提供主軸電機(jī)的最大功率，即恒功率范圍要寬；低速下，要求提供大轉(zhuǎn)矩輸出，以滿(mǎn)足重切削的要求。采用現(xiàn)行的齒輪傳動(dòng)變檔，主軸在變檔調(diào)速時(shí)由于轉(zhuǎn)速不是一個(gè)平滑的曲線，在加速或減速運(yùn)行時(shí)，由于絲杠的進(jìn)給速度在系統(tǒng)設(shè)定下是恒定的，由此造成的進(jìn)給速度不匹配，易造成刀頭的磨損甚至崩斷刀頭，造成刀頭使用費(fèi)用居高不下。

（3）系統(tǒng)對(duì)過(guò)電流保護(hù)的設(shè)計(jì)不夠合理。在車(chē)削過(guò)程中容易出現(xiàn)吃刀量過(guò)大現(xiàn)象，此時(shí)絲杠承受較大的切削力，但由于未設(shè)置高靈敏度的過(guò)電流保護(hù)裝置，使刀架扔按照程序運(yùn)行，長(zhǎng)時(shí)間工作必定會(huì)造成絲杠磨損，致使系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警，設(shè)備無(wú)法正常工作。通常情況下要處理絲杠問(wèn)題需要將刀架整體拆除，不僅需要耗費(fèi)大量時(shí)間且購(gòu)買(mǎi)新絲杠費(fèi)用較高，期間造成設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間停臺(tái)也嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度。

（4）主軸制動(dòng)效果差，目前主軸采用能耗制動(dòng)，在高速下主軸從制動(dòng)開(kāi)始到完全停止需要5～10 s，制動(dòng)效果不明顯，由于制動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，若發(fā)生突發(fā)情況主軸無(wú)法立即制動(dòng)，存在安全隱患。

（5）該設(shè)備月均運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，消耗的電能大，怎樣通過(guò)改進(jìn)節(jié)約設(shè)備耗能也是設(shè)備維修人員面臨的一個(gè)課題。圖1為數(shù)控系統(tǒng)與主軸控制結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)與主軸控制結(jié)構(gòu)示意圖

3.數(shù)控機(jī)床主軸要求

主軸是車(chē)床構(gòu)成中一個(gè)重要部分，功率消耗占機(jī)床總功率的70%～80%，性能直接影響到機(jī)床的加工效率、加工材料范圍、加工質(zhì)量等。數(shù)控機(jī)床將高效、高精度和高柔性集為一體。為滿(mǎn)足數(shù)控車(chē)床對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)的要求，主軸必須具備幾個(gè)性能：（1）要有較寬調(diào)速范圍且速度穩(wěn)定性能要高；（2）在斷續(xù)負(fù)載情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍要小；（3）電機(jī)加減速時(shí)間要短；（4）抗過(guò)載能力強(qiáng)；（5）噪聲低、振動(dòng)小、壽命長(zhǎng)。

二、主軸電機(jī)變頻改進(jìn)方案

利用段已拆除原空壓機(jī)上使用的艾默生EV2000-4T0750G型變頻器，改造主軸，實(shí)現(xiàn)主軸運(yùn)行頻率可控。

1.主軸系統(tǒng)異步電機(jī)變頻控制的基本原理

由異步電機(jī)理論可知，主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速公式見(jiàn)式（1）。

式中 p——電機(jī)的極對(duì)數(shù)

s——轉(zhuǎn)差率

f——供電電源的頻率

n——電機(jī)的轉(zhuǎn)速

從式（1）可看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑的調(diào)電機(jī)轉(zhuǎn)速，而對(duì)于變頻器而言，頻率可在0～400 Hz（甚至更高頻率）之間任意調(diào)節(jié)，因此主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速即可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速提高后，還應(yīng)考慮到對(duì)軸承及繞組的影響，防止電機(jī)過(guò)分磨損及過(guò)熱，一般可以通過(guò)設(shè)定最高頻率來(lái)進(jìn)行限定。

2.變頻控制現(xiàn)狀

在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，直流調(diào)速一直以其優(yōu)異的性能統(tǒng)治著電氣傳動(dòng)領(lǐng)域。隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使得交流調(diào)速性能可以與直流調(diào)速相媲美。目前，交流調(diào)速已進(jìn)入逐步代替直流調(diào)速的時(shí)代。

對(duì)交流電機(jī)（異步電機(jī)或同步電機(jī)）轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，公認(rèn)的交流電機(jī)調(diào)速是最理想、最有前途的調(diào)速方案。除了具有卓越的調(diào)速性能之外，變頻器調(diào)速系統(tǒng)還有顯著的節(jié)能作用，是企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置，是作為節(jié)能應(yīng)用與速度工藝控制中越來(lái)越重要的自動(dòng)化設(shè)備。變頻技術(shù)是電力電子技術(shù)的主要組成部分，主要用于需要交流電源的電壓、頻率可調(diào)（或恒壓、恒頻）的用電設(shè)備，如交流電機(jī)、中頻電源及各種專(zhuān)用電源的中間環(huán)節(jié)。變頻器在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

3.主軸變頻改造實(shí)施方案

（1）選擇合理位置安裝變頻器，按要求布置線路。變頻器主電路接線圖見(jiàn)圖3。

圖2 變頻器在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用

（2）根據(jù)工件加工要求設(shè)置變頻器各參數(shù)。①設(shè)置電機(jī)參數(shù)，額定功率FH.01在0.4～999.9 kW，額定電流FH.02在0.1～999.9 A；設(shè)置功能參數(shù)，頻率給定通道F0.00為VCI模擬給定（VCIGND)，運(yùn)行命令通道F0.03為端子運(yùn)行命令通道（LED)滅，運(yùn)轉(zhuǎn)方式F0.04為正轉(zhuǎn)，最大輸出頻率MAX（50.00， 上 限 頻 率F0.12）～650 Hz，設(shè)定為50 Hz，基本運(yùn)行頻率為50 Hz，為防止主軸反轉(zhuǎn)，設(shè)置防反轉(zhuǎn)F3.00為禁止反轉(zhuǎn)，設(shè)置點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行頻率為F3.13為5 Hz，點(diǎn)動(dòng)加速時(shí)間F3.15為10 s；②設(shè)置過(guò)程閉環(huán)控制參數(shù)，F(xiàn)5.02反饋通道選擇由VCI模擬電壓輸入 0～10 V，最大給定量F5.10為100%；③設(shè)置相關(guān)保護(hù)參數(shù)，F(xiàn)L.04過(guò)載預(yù)報(bào)警檢出，檢出水平相當(dāng)于電機(jī)額定電流（告警時(shí)故障代碼E014），自動(dòng)限流水平FL.07限流水平120%，保護(hù)動(dòng)作FL.12，告警并自動(dòng)減速運(yùn)行。

圖3 變頻器主電路接線圖

三、改進(jìn)后效果

（1）主軸點(diǎn)動(dòng)、啟動(dòng)及運(yùn)行平穩(wěn)，即實(shí)現(xiàn)了主軸的軟啟動(dòng)。采用軟啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：①平滑加減速，有效避免了硬啟動(dòng)對(duì)設(shè)備各部件的損傷，增強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高設(shè)備使用壽命。②避免了頻繁啟動(dòng)與停止對(duì)電網(wǎng)電壓的沖擊，有利于電網(wǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。③變頻器采用二極管整流，相對(duì)軟啟動(dòng)器安全的高次諧波少，網(wǎng)側(cè)的高次諧波減少，功率因數(shù)提高。④提高運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少刀片損耗，實(shí)現(xiàn)主軸加減速的平滑，提高工件加工質(zhì)量。⑤提高安全性。降低機(jī)械配件損毀、電網(wǎng)劇烈波動(dòng)、電機(jī)燒毀、停車(chē)失靈、操作人員誤傷等安全隱患。

（2）減少電能消耗。通過(guò)實(shí)際測(cè)試得出，正常切削時(shí)的電流是方案實(shí)施之前的70%，每年僅電費(fèi)就可節(jié)省30多萬(wàn)元。

（3）自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)（AVR）。當(dāng)電網(wǎng)電壓變化時(shí)自動(dòng)保持輸出電壓恒定；自動(dòng)限流，對(duì)運(yùn)行期間電流自動(dòng)限制，防止頻繁過(guò)電流故障。運(yùn)用此項(xiàng)功能設(shè)計(jì)過(guò)電流自動(dòng)報(bào)警，提醒操作人員合理選擇進(jìn)給吃刀量。由此可有效解決絲杠磨損嚴(yán)重等問(wèn)題。

（4）去除了不必要的接觸器、變速齒輪等，在提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性的同時(shí)，節(jié)省大量維修經(jīng)費(fèi)。

（5）實(shí)現(xiàn)主軸快速制動(dòng)，利用變頻器的減速停車(chē)功能，實(shí)現(xiàn)主軸快速停車(chē)，提高設(shè)備使用效率且有效保護(hù)操作人員的安全。

（6）變頻控制的實(shí)現(xiàn)，使主軸運(yùn)行穩(wěn)定，切削過(guò)程中調(diào)速平滑，有效防止刀架損壞，減輕了刀頭的磨損，刀頭使用費(fèi)用降低。