摘 要：本文介紹了采用數(shù)控車床的主軸驅(qū)動(dòng)中變頻控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式，并闡述了無速度傳感器的矢量變頻器的基本應(yīng)用。并通過使用3G3RX無速度傳感器的變頻器后，得出以下顯著優(yōu)點(diǎn)：大幅度降低維護(hù)費(fèi)用，甚至是免維護(hù)的;可實(shí)現(xiàn)高效率的切割和較高的加工精度;實(shí)現(xiàn)低速和高速情況下強(qiáng)勁的力矩輸出。 關(guān)鍵詞：矢量控制 變頻器 數(shù)控車床 1 前言 　　數(shù)控車床是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，是集機(jī)床、計(jì)算機(jī)、電機(jī)及其拖動(dòng)、自動(dòng)控制、檢測(cè)等技術(shù)為一身的自動(dòng)化設(shè)備。其中主軸運(yùn)動(dòng)是數(shù)控車床的一個(gè)重要內(nèi)容，以完成切削任務(wù)，其動(dòng)力約占整臺(tái)車床的動(dòng)力的70%～80%。數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平依賴于進(jìn)給和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的性能，對(duì)于主軸傳動(dòng)來說，主要有下述要求： 　　（1）調(diào)速范圍要寬 　　調(diào)速范圍r是主軸電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，即r=nmax/nmin。為適應(yīng)不同零件及不同加工工藝方法對(duì)主軸參數(shù)的要求，數(shù)控機(jī)床的主軸傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)能在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 　　（2）低速時(shí)大轉(zhuǎn)矩輸出 　　數(shù)控機(jī)床切削加工，一般低速時(shí)為大切削量（切削深度和寬度），要求主軸傳動(dòng)系統(tǒng)在低速運(yùn)行時(shí)，要有大的輸出轉(zhuǎn)矩。 　?。?）速度和功率不斷提高 　　隨著生產(chǎn)力的不斷提高，機(jī)床結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，加工范圍的擴(kuò)大，要求機(jī)床主軸的速度和功率也不斷提高，主軸的轉(zhuǎn)速范圍也不斷的擴(kuò)大，主軸的恒功率調(diào)速范圍更大，并有自動(dòng)換刀的主軸準(zhǔn)停功能等。 　　本文介紹了采用數(shù)控車床的主軸驅(qū)動(dòng)中變頻控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式，并闡述了歐姆龍3G3RX變頻器的基本應(yīng)用。 2 數(shù)控車床主軸變頻的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式 　?。?）主軸變頻器的控制原理 　　數(shù)控車床主軸的基本控制是主軸的正、反轉(zhuǎn)和停止，同時(shí)自動(dòng)換檔和無級(jí)調(diào)速。在目前數(shù)控車床中，主軸控制裝置通常是采用交流變頻器來控制交流主軸電動(dòng)機(jī)。其工作原理如下： [align=center] 圖1 交流變頻主軸驅(qū)動(dòng)原理框圖[/align] 　　由異步電機(jī)理論可知，主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： 　　n=60f/p×（1-s）?。渲?P—電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，s—轉(zhuǎn)差率，f-供電電源的頻率，n-電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速｝ 　　從上式可看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，而對(duì)于變頻器而言，其頻率的調(diào)節(jié)范圍是很寬的，可在0～400Hz（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)。 　　當(dāng)然，轉(zhuǎn)速提高后，還應(yīng)考慮到對(duì)其軸承及繞組的影響，防止電機(jī)過分磨損及過熱，一般可以通過設(shè)定最高頻率來進(jìn)行限定。 　?。?）數(shù)控車床主軸變頻控制的方式 　　圖2所示為變頻器在數(shù)控車床的應(yīng)用，其中變頻器與數(shù)控裝置的聯(lián)系通常包括：（1）數(shù)控裝置到變頻器的正反轉(zhuǎn)信號(hào);（2）數(shù)控裝置到變頻器的速度或頻率信號(hào);（3）變頻器到數(shù)控裝置的故障等狀態(tài)信號(hào)。因此所有關(guān)于對(duì)變頻器的操作和反饋均可在數(shù)控面板進(jìn)行編程和顯示。 [align=center] 圖2 變頻器在數(shù)控車床上的應(yīng)用[/align] 　　圖3是華中HNC-21與主軸變頻器的具體接線圖，HNC-21通過XS9主軸接口中的模擬量輸出可控制主軸轉(zhuǎn)速，當(dāng)主軸模擬量的輸出范圍為-10V～+10V，用于雙極性速度指令輸入主軸驅(qū)動(dòng)單元或變頻器，這時(shí)采用使能信號(hào)控制主軸的啟、停。當(dāng)主軸模擬量的輸出范圍為0～+10V，用于單極性速度指令輸入的主軸驅(qū)動(dòng)單元或變頻器，這時(shí)采用主軸正轉(zhuǎn)、主軸反轉(zhuǎn)信號(hào)控制主軸的正、反轉(zhuǎn)。模擬電壓的值由用戶PLC 程序送到相應(yīng)接口的數(shù)字量決定。 [align=center] 圖3 數(shù)控裝置與主軸變頻器的接線圖[/align] 　?。?）主軸變頻控制的系統(tǒng)構(gòu)成 　　不使用變頻器進(jìn)行變速傳動(dòng)的數(shù)控車床一般用時(shí)間控制器確認(rèn)電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)指令速度開始進(jìn)刀，而使用變頻器后，機(jī)床可按指令信號(hào)進(jìn)刀，這樣一來就提高了效率。如果被加工件呈圖4（1）所示形狀，則由圖中看出，對(duì)應(yīng)于工件的AB段，主軸速度維持在1000RPM，對(duì)應(yīng)于BC段，電機(jī)拖動(dòng)主軸成恒線速度移動(dòng)，但轉(zhuǎn)速卻是聯(lián)系變化的，從而實(shí)現(xiàn)高精度切削。 [align=center] 圖4 主軸變頻器系統(tǒng)構(gòu)成示意[/align] 　　在本系統(tǒng)中，速度信號(hào)的傳遞是通過數(shù)控裝置HNC-21到變頻器的模擬給定通道（電壓或電流），通過變頻器內(nèi)部關(guān)于輸入信號(hào)與設(shè)定頻率的輸入輸出特性曲線的設(shè)置，數(shù)控裝置就可以方便而自由地控制主軸的速度。該特性曲線必須涵蓋電壓/電流信號(hào)、正/反作用、單/雙極性的不同配置，以滿足數(shù)控車床快速正反轉(zhuǎn)、自由調(diào)速、變速切削的要求。 3 變頻器3G3RX變頻器的主軸應(yīng)用 　?。?）主軸變頻器的基本選型 　　目前較為簡單的一類變頻器是V/F控制（簡稱標(biāo)量控制），它就是一種電壓發(fā)生模式裝置，對(duì)調(diào)頻過程中的電壓進(jìn)行給定變化模式調(diào)節(jié)，常見的有線性V/F控制（用于恒轉(zhuǎn)矩）和平方V/F控制（用于風(fēng)機(jī)水泵變轉(zhuǎn)矩）。 　　標(biāo)量控制的弱點(diǎn)在于低頻轉(zhuǎn)矩不夠（需要轉(zhuǎn)矩提升）、速度穩(wěn)定性不好（調(diào)速范圍1：10），因此在車床主軸變頻使用過程中被逐步淘汰，而矢量控制的變頻器正逐步進(jìn)行推廣。 　　所謂矢量控制，最通俗的講，為使鼠籠式異步機(jī)像直流電機(jī)那樣具有優(yōu)秀的運(yùn)行性能及很高的控制性能，通過控制變頻器輸出電流的大小、頻率及其相位，用以維持電機(jī)內(nèi)部的磁通為設(shè)定值，產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)矩。 　　矢量控制相對(duì)于標(biāo)量控制而言，其優(yōu)點(diǎn)有：（1）控制特性非常優(yōu)良，可以直流電機(jī)的電樞電流加勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)相媲美;（2）能適應(yīng)要求高速響應(yīng)的場合;（3）調(diào)速范圍大（1：100）;（4）可進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。 　　當(dāng)然相對(duì)于標(biāo)量控制而言，矢量控制的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算煩瑣，而且必須存貯和頻繁地使用電動(dòng)機(jī)的參數(shù)。矢量控制分無速度傳感器和有速度傳感器兩種方式，區(qū)別在于后者具有更高的速度控制精度（萬分之五），而前者為千分之五，但是在數(shù)控車床中無速度傳感器的矢量變頻器的控制性能已經(jīng)符合控制要求，所以這里推薦并介紹無速度傳感器的矢量變頻器。 　?。?）無速度傳感器的矢量變頻器 　　無速度傳感器的矢量變頻器目前包括歐姆龍、西門子、艾默生、東芝、日立、LG、森蘭等廠家都有成熟的產(chǎn)品推出，總結(jié)各自產(chǎn)品的特點(diǎn)，它們都具有以下特點(diǎn)：（1）電機(jī)參數(shù)自動(dòng)辯識(shí)和手動(dòng)輸入相結(jié)合;（2）過載能力強(qiáng)，如50%額定輸出電流2分鐘、180%額定輸出電流10秒;（3）低頻高輸出轉(zhuǎn)矩，如150%額定轉(zhuǎn)矩/1HZ;（4）各種保護(hù)齊全（通俗地講，就是不容易炸模塊）。 [align=center] 圖5 無傳感器矢量變頻器的轉(zhuǎn)矩特性[/align] 　　無速度傳感器的矢量控制變頻器不僅改善了轉(zhuǎn)矩控制的特性，而且改善了針對(duì)各種負(fù)載變化產(chǎn)生的不特定環(huán)境下的速度可控性。圖5所示，為3G3RX無速度傳感器變頻器產(chǎn)品在低頻和正常頻段時(shí)的轉(zhuǎn)矩測(cè)試數(shù)據(jù)（電機(jī)為5.5KW/4極）。從圖5中可知，其在低速范圍時(shí)同樣可以產(chǎn)生強(qiáng)大的轉(zhuǎn)矩。在實(shí)驗(yàn)中，我們同樣將2HZ的矢量變頻控制和V/F控制變頻進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，前者具有更強(qiáng)的輸出力矩，切削力幾乎與正常頻段（如30HZ或50HZ）相同。 　?。?）主軸變頻控制中的電機(jī)參數(shù)調(diào)整 　　為了確保主軸變頻器在切削過程中能正常運(yùn)行，應(yīng)該根據(jù)表1中的要求進(jìn)行適時(shí)調(diào)整。 　　表1 主軸變頻器參數(shù)調(diào)整項(xiàng)目 4 結(jié)束語 　　對(duì)于數(shù)控車床的主軸電機(jī)，使用了3G3RX無速度傳感器的變頻調(diào)速器的矢量控制后，具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：大幅度降低維護(hù)費(fèi)用，甚至是免維護(hù)的;可實(shí)現(xiàn)高效率的切割和較高的加工精度;實(shí)現(xiàn)低速和高速情況下強(qiáng)勁的力矩輸出。 參考文獻(xiàn): 　　1、王侃夫.數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002; 　　2、歐姆龍公司.3G3RX變頻器說明書[M].2008