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，廣州萬緯電子科技有限公司用低壓變頻器的解決和實現方案。
關鍵詞: 匯川變頻器；萬緯科技；數控機床；主軸；驅動
引言： 數字控制機床，簡稱數控機床（NC ， Numerical Control）,是三十年來綜合應用集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術為一體的機電一體化產品，在現代機床生產中，一般采用多電機拖動，主軸和各進給系統分別由各自的電機來拖動。由于機床加工范圍較廣，不同的工件，不同的工序，使用不同的刀具，要求機床執行部件具有不同的運動速度，因此機床的主運動應能進行調速，主軸調速系統一般采用交流主軸系統，隨著變頻調速技術的發展，數控機床的主軸的交流拖動，同樣能夠很好滿足需要。主驅動電機通過皮帶傳動帶動主軸旋轉，或通過皮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。
在機械制造業中，用普通機床加工復雜的零部件或具有較高精確度的批量產品時，需要熟練的技術工人手工操作來完成，這種效率低下的傳統加工方式已無法滿足現代制造業的需求。隨著計算機技術的飛速發展，先進的加工中心和數控機床應運而生，逐漸成為主流的工具機床。廣州萬緯電子科技有限公司專注工控領域系統集成和系統改造項目。
數控機床的變頻器配置：
在機床的調速系統中，傳統復雜的齒輪箱式分級調速方式，在數控機床中得到極大的改進，采用更為先進的變頻無級調速方式。對于1.5kW三相交流電動機，選配匯川高性能矢量控制MD300系列，
數控機床的變頻器要求：
1、數控車床高生產率、高削切精度、高穩定性、高柔性要求。
2、動態響應速度快，使電機主軸能高速穩定運行。
3、滿足復雜、不規則形狀零件的高深度和高強度削切要求。
4、加減速時間0.1秒，實現無銜接式正反轉運行。
5、抗干擾性強，通過嚴格CNC綜合測試，不會對系統造成任何干擾。
6、穩速精度高，低速時速度變化率小，運行平滑。
MD300變頻控制系統優勢
(1)主軸變頻調速的范圍很寬，MD300開環矢量變頻器能在0-600Hz范圍內實現無級調速，能充分滿足主軸對調速范圍的要求。
(2)數控機床配套使用變頻器可以簡化齒輪箱等原有復雜的機械傳動機構，而且操作簡單，維修方便。
(3)變頻器在低頻下可以提供150％負載轉矩的能力，符合機床主軸電機具有較硬機械特性的要求，能夠提供150％的過載保護(60s)，使機床在低速時具有強大過載能力。
(4)變頻器具有的電壓、電流模擬輸入端口，數控機床的控制信號可以很好地與變頻器配合使用。
(5)大大提高機床的加工精度和生產效率，對于產品質量的提高、產量的增加、成本的降低、自動化程度的提高和維修量的減少有著重要的作用。
數控機床的變頻器聯接圖
數控機床對應用技術的要求
1、電機要求
通常要求用變頻電機，或者普通電機加風扇以滿足電機在低頻的散熱要求、并且要求電機調速范圍廣。
2、變頻器的技術要求
1）要求低頻力矩大
選用矢量變頻器，低頻時（1～10Hz）能出來150%額定轉矩。
2）轉矩動態響應速度快，穩速精度高
選用矢量變頻器，能實現很好的動態響應效果，依據負載的變化，通過輸出轉矩的變化很快做出響應，從而實現轉軸速度的穩定。
3）減速停車速度快
通常數控機床的加減速時間都是比較短的，加速時間靠變頻器的性能保證，減速時間則依靠外加制動電阻或制動單元。
4）進行電機參數自學習
選用矢量變頻器后，要達到很好的控制性能通常都需要對電機進行參數自學習，其目的是獲取準確的電機內部參數，以用于矢量控制計算。參數自學習所需要的電機銘牌參數有：電機額定功率、電機額定頻率、電機額定轉速、電機額定電壓、電機額定電流。有的變頻電機的銘牌上可能沒標額定轉速值，可以根據經驗值估計一下額定轉速。在進行參數自學習時，務必要在空載（電機軸上不接負載）的時候進行。只有在空載的時候才能保證自學習出來的電機參數的準確性。
如果現場條件沒辦法進行空載運行，可以考慮用變頻器出廠的電機參數試運行。
5）頻率指令和運行指令
數控機床上使用的變頻器其頻率指令和運行指令都來源于CNC控制器，一般給定的的通道有兩種，一種是模擬量給定，另一種是多段速給定，或者兩者同時給定，以多段速優先。模擬量給定以電壓型模擬量為主，也有電流型的。變頻器對這兩種類型的模擬量都可以采集。
3、抗干擾問題
變頻器在出廠的時候作了很好的抗干擾試驗，具有很強的抗干擾能力，但變頻器同時也是一個干擾源，在使用中很難避免不對其它設備進行干擾，在數控機床上最容易被干擾的設備是CNC控制器。一旦CNC控制器受干擾后，系統將不能正常工作。特別是變頻器的頻率指令和運行指令也可能會受到干擾，干擾嚴重的會造成頻率指令不穩定，變頻器誤動作等。解決此類問題的辦法是在變頻器的輸出線上加磁環以減少高頻輻射。一般進口的CNC的抗干擾能力較強。
下面以ECOM系列高性能矢量變頻器在沈陽某數控機床廠的應用為例，講述數控機床的變頻調速控制技術。
系統構成
MD300變頻器 制動電阻100Ω/520W 5.5KW調速電機 CNC數控系統和性能指標：
（4）提供標準的0～10V模擬量接口，能夠與大多數數控系統接口兼容，通用性強
（5）過負載能力強，150%額定輸出電流一分鐘；
（6）提供多功能的輸出端子信號，例如故障輸出信號，運行中信號，速度到達等輸出信號，能夠很好的滿足系統對于主軸速度狀態的監控；
3 調試參數：
F0-00 0：矢量控制
F0-01 1：端子命令通道
F0-02 3：AI1
F0-05 加速時間：2.0～3.0s
F0-06 減速時間：2.0～3.0s
F0-09 DI1端子功能：1，正轉
F0-10 DI2端子功能：2，反轉
F6-00 最大頻率：100.00Hz
F6-01 上限頻率：100.00Hz
F6-03 載波頻率：10.0kHz
F1組（電機參數），根據電機銘牌輸入，進行完整調諧。F2矢量參數為出廠默認值
調試結果
事實證明采用MD300系列高性能矢量變頻器完全能夠滿足機床主軸控制的要求。MD300采用的領先的磁通算法，即使在低轉速（低頻）運行下也能平穩輸出150%的轉矩，以滿足不同零件的加工需要，完全可以取代傳統的滾動軸承主軸結構，并且此主軸結構簡單、緊湊、可以實現真正的無級調速。此主軸的轉速由外部模擬量信號來控制輸出頻率，在不同的加工工藝（如；粗加工、精加工等）需要不同的轉速，此時可由數控系統輸出不同的模擬量電壓信號給變頻器，實現不同的轉速，同時啟停信號也由數控系統控制，提高了自動化程度、延長了刀具的使用壽命。
變頻器在數控機床上的應用如圖所示：
主軸變頻控制的基本原理
由異步電機理論可知，主軸電機的轉速公式為:
n=(60f/p)×(1-s)
其中P—電動機的極對數，s—轉差率，f—供電電源的頻率，n—電動機的轉速。從上式可看出，電機轉速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調節電機轉速，而對于變頻器而言，其頻率的調節范圍是很寬的，可在0～400Hz(甚至更高頻率)之間任意調節，因此主軸電機轉速即可以在較寬的范圍內調節。
主軸變頻控制的系統構成
不使用變頻器進行變速傳動的數控車床一般用時間控制器確認電機轉速到達指令速度開始進刀，而使用變頻器后，機床可按指令信號進刀，這樣一來就提高了效率。如果被加工件如圖2-2所示所示形狀，則由圖2-2中看出，對應于工件的AB段，主軸速度維持在1000rpm，對應于BC段，電機拖動主軸成恒線速度移動，但轉速卻是聯系變化的，從而實現高精度切削
主軸變頻器系統構成示意
在本系統中，速度信號的傳遞是通過數控裝置到變頻器的模擬給定通道(電壓或電流)，通過變頻器內部關于輸入信號與設定頻率的輸入輸出特性曲線的設置，數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、正/反作用、單/雙極性的不同配置，以滿足數控車床快速正反轉、自由調速、變速切削的要求。
主軸變頻的基本選型
目前較為簡單的一類變頻器是V/F控制(簡稱標量控制)，它就是一種電壓發生模式裝置，對調頻過程中的電壓進行給定變化模式調節，常見的有線性V/F控制(用于恒轉矩)和平方V/F控制(用于風機水泵變轉矩)。
標量控制的弱點在于低頻轉矩不夠(需要轉矩提升)、速度穩定性不好(調速范圍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行推廣。
所謂矢量控制，最通俗的講，為使鼠籠式異步機像直流電機那樣具有優秀的運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，用以維持電機內部的磁通為設定值，產生所需要的轉矩。
矢量控制相對于標量控制而言，其優點有:(1)控制特性非常優良，可以直流電機的電樞電流加勵磁電流調節相媲美;(2)能適應要求高速響應的場合;(3)調速范圍大(1:100);(4)可進行轉矩控制。
當然相對于標量控制而言，矢量控制的結構復雜、計算煩瑣，而且必須存貯和頻繁地使用電動機的參數。矢量控制分無速度傳感器和有速度傳感器兩種方式，區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，但是在數控車床中無速度傳感器的矢量變頻器的控制性能已經符合控制要求，所以這里推薦并介紹無速度傳感器的矢量變頻器。
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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西門子、艾默生、東芝、日立、LG、森蘭等廠家都有成熟的產品推出，總結各自產品的特點，它們都具有以下特點:(1)電機參數自動辯識和手動輸入相結合;(2)過載能力強，如50%額定輸出電流2min、180%額定輸出電流10s;(3)低頻高輸出轉矩，如150%額定轉矩/1HZ;(4)各種保護齊全(通俗地講，就是不容易炸模塊)。
無速度傳感器的矢量控制變頻器不僅改善了轉矩控制的特性，而且改善了針對各種負載變化產生的不特定環境下的速度可控性。圖3-1所示，為某品牌無速度傳感器變頻器產品在低頻和正常頻段時的轉矩測試數據(電機為5.5kW/4極)。從圖中可知，其在低速范圍時同樣可以產生強大的轉矩。在實驗中，我們同樣將2Hz的矢量變頻控制和V/F控制變頻進行比較發現，前者具有更強的輸出力矩，切削力幾乎與正常頻段(如30Hz或50Hz)相同。
3.3 矢量控制中的電機參數辨識
由于矢量控制是著眼于轉子磁通來控制電機的定子電流，因此在其內部的算法中大量涉及到電機參數。從圖3-2的異步電動機的T型等效電路表示中可以看出，電機除了常規的參數如電機極數、額定功率、額定電流外，還有R1(定子電阻)、X11(定子漏感抗)、R2(轉子電阻)、X21(轉子漏感抗)、Xm(互感抗)和I0(空載電流)。
參數辨識中分電機靜止辨識和旋轉辨識2種，其中在靜止辨識中，變頻器能自動測量并計算頂子和轉子電阻以及相對于基本頻率的漏感抗，并同時將測量的參數寫入;在旋轉辨識中，變頻器自動測量電機的互感抗和空載電流。
圖3-2 異步電動機穩定態等效電路
在參數辨識中，必須注意:(1)若旋轉辨識中出現過流或過壓故障，可適當增減加減速時間;(2)旋轉辨識只能在空載中進行;(3)如辨識前必須首先正確輸入電機銘牌的參數。
專用機床的合理應用
曲軸高效專用機床也有它的加工局限性，只有合理應用合適的加工機床，才能發揮出曲軸加工機床的高效專用性，從而提高工序的加工效率。
1．當曲軸軸頸有沉割槽時，數控內銑機床不能加工；如果曲軸軸頸軸向有沉割槽時，數控高速外銑機床和數控內銑機床均不能加工，但數控車-車拉機床能很方便地加工。
2．當平衡塊側面需要加工時，數控內銑機床應當為首選機床，因為內銑刀盤外圓定位，剛性好，尤其適用于加工大型鍛鋼曲軸；此時不適合用數控車-車拉機床，因為在曲軸的平衡塊側面需要加工的情況下，采用數控車-車拉機床加工，平衡塊側面是斷續切削，且曲軸轉速又很高，在這種工況下，崩刀現象比較嚴重。
3．當曲軸的軸頸無沉割槽，且平衡塊側面不需加工時，原則上幾種機床都能加工。當加工轎車曲軸時，主軸頸采用數控車-車拉機床，連桿頸采用數控高速外銑機床則應成為最佳高效加工選擇；當加工大型鍛鋼曲軸時，則主軸頸和連桿頸均采用數控內銑機床比較合理。
曲軸可以分為體形較大的鍛鋼曲軸和輕量化的轎車曲軸，鍛鋼曲軸軸頸一般無沉割槽，且側面需要加工，余量較大；轎車曲軸一般軸頸有沉割槽，且側面不需要加工。因此可以得出結論：加工鍛鋼曲軸采用數控內銑機床，加工轎車曲軸主軸頸采用數控車-車拉機床。
注：聯系我時，請說是在“傲立機床網”上看到的，謝謝！
