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          MB2120B型數控內圓磨床電主軸變頻器的改造
          2020-11-13  來源:西京學院機械工程 西安法士特集團   作者:張麗娟 王剛 張爾魯  訪問量:

               摘要:為了將MB2120B數控內圓磨床電主軸的配套變頻器國產化,采用國產通用型臺達VFD- B系列變頻器來代替原進口的VACON NLX系列變頻器。經過改造后的內圓磨床完全能夠滿足生產需求。經過一年多的生產使用,運行穩定。

               關鍵詞:變頻器;最高輸出頻率;電主軸;參數設置

                0 引 言
            
               目前數控機床電主軸都采用交流伺服控制,但交流伺服電主軸價格昂貴,多用在對速度控制精度要求高、調速范圍寬、升降速時間短、制動迅速、對分度有要求的場合。無錫機床股份有限公司MK2120B數控內圓磨床對砂輪拖動要求是:砂輪線速度達到55 m/s,換算成砂輪轉速為24 000 r/min,不要求調速及頻繁啟停。故不采用交流伺服電主軸,而采用交流異步高頻電主軸。

              從原理上來講,交流異步高頻電主軸電動機其實就是一臺三相異步電動機,驅動采用荷蘭產VACONNLX系列變頻器,型號為NLX00465C5H1SSS0000,額定功率為18.5 k V;額定電流為46 A,額定電壓為AC 400 V,由于電主軸為4極,額定轉速為24 000 r/min,根據轉速計算公式n=60f/p,所以要求變頻器最高輸出頻率為800 Hz,而通用VACON變頻器最高輸出頻率為320 Hz,不能滿足轉速要求,所以需要特殊訂貨,一般情況下訂貨周期為90個工作日,而且價格為3萬元左右。如果內圓磨床砂輪變頻器發生故障,在沒有備件的情況下,這臺磨床將會停機最少3個月。所以我們就希望能找到一個通用變頻器代替進口VACONNLX系列變頻器。
            
               1、 實例分析及現狀
            
               臺灣臺達公司VFD-B系列變頻器,最高輸出頻率最高為400 Hz,不能滿足800 Hz的頻率要求,現有的電主軸備件有兩種,一種為4極,還有一種為2極。如果把4極磨頭電主軸換成2極的電主軸,根據轉速計算公式n =60f/p,輸入400 Hz的頻率時剛好滿足轉速為24 000 r/min的工藝要求,而且電主軸的更換在機械設計上特別方便。
            
               2、 設計改進及變頻器參數設定
            
               基于以上的思路,我們對變頻器重新選型,確定型號為VFD185B43A。圖1是原VACONNLX系列變頻器接線圖,經分析,KA1為砂輪電主軸啟動信號,KA7為變頻器故障復位信號,RO1/1和RO1/2為變頻器故障信號輸出的常閉觸點。
           
             
          圖1 VACON NLX系列變頻器接線圖
            
            
           
          圖2 臺達VFD-B系列變頻器接線圖
            
               實際控制過程為:當需要啟動砂輪時,按下手動啟動按鈕或者在零件加工程序中編寫相應的M功能 (輔助功能)指令,在CNC系統的PMC中經過邏輯運算,將運算結果輸出到系統I/O板相應地址的驅動晶體管,驅動晶體管控制外部中間繼電器KA1線圈,KA1線圈得電,KA1的常開觸點閉合,控制變頻器的可編程輸入點DIN1,DIN1在變頻器參數中設定為正向啟動功能。DIN1和+24 V端子接通,電主軸啟動,DIN1和+24 V端子斷開,電主軸停止。
            
               變頻器的可編程輸入點DIN2和+24 V端子接通,變頻器復位,正常工作時DIN2和+24 V端子應斷開。RO1/1和RO1/2為變頻器故障信號輸出信號繼電器的常閉觸點,在變頻器正常工作時,RO1/1和RO1/2兩點接通,在變頻器故障報警時RO1/1和RO1/2兩點斷開,也就是變頻器正常工作時PMC的X2.0輸入為1,當變頻器故障時,RO1/1和RO1/2兩點斷開,PMC的X2.0輸入為0,PMC將做相應的邏輯處理,使CNC系統處于急停狀態,并做出相應的報警顯示。
            
               根據以上的動作要求,將臺達VFD-B變頻器按圖2接線,并按照表1設置相應的參數:
            
               1)此參數設定為01或02時,表示進行電動機參數自動測量,驅動器接收到運轉命令后,立即執行自動測量工作。當設定為01時,只測量電動機一次側電阻值R1,空載電流值參數07-01需手動輸入,此時電動機不轉動;當設置為02時需將負載卸下,自動測量電動機一次側電阻值R1和空載電流值,自動測量完成后,并將測量值自動寫入參數07-01和07-06。

          表1 VFD-B變頻器參數設置
           
            
            
               2)在節能運轉開啟時,在加減速過程中以全電壓運轉,定速運轉時會由負載功率自動計算最佳的電壓值供給負載。此功能不適用負載變動頻繁的場合。

               3 、安裝調試
            
               3.1 電動機參數自動測量
            
               此目的是通過變頻器對電動機參數自動測量,自動測出電主軸的定子線圈線-線間電阻值和空載電流值,使變頻器對電主軸控制達到最佳狀態,這樣既節能又不會使電主軸發熱太嚴重,對延長變頻器和電主軸的壽命有很大的作用。這一步可通過儀器檢測來完成,如果要精確測量并得到電動機每相線圈的阻值,需要用雙臂電橋來完成。因為一般的單位很難找到這樣的儀器,而變頻器的該項功能就很容易解決這個問題。具體操作步驟如下:

               1)驅動器的所有參數設定為出廠值。
               2)將電動機所帶的負載卸掉。
               3)將電動機銘牌上的額定電壓寫入參數01-02,額定頻率寫入參數01-01,額定電流寫入參數07-00,電動機極數寫入參數07-04,額定轉差寫入參數07-08。
               4)將參數07-05設定為02,按下變頻器操作面板RUN鍵,執行自動測量動作,此時電動機會轉動,執行的時間約為:15 s+參數01-09第一加速時間+參數01-10第一減速時間。
               5)執行完畢后,檢查參數07-01和07-06兩個參數是否已自動將測量數據填入。若沒有,則將參數07-05設定為02,并按RUN鍵。

               3.2 參數設置
            
               檢查無誤后,可按照表1的參數設置系統的其他參數。

               3.3 調試
            
               當所有參數設定完成后,進行調試,步驟如下:

               1)設定變頻器的頻率值并檢查電動機的轉向。在系統無報警的情況下,在變頻器操作面板上輸入一個范圍在20~30 Hz之間的頻率值,將機床操作方式選擇JOG,點動砂輪啟動鍵,觀察砂輪有無啟停動作。如果砂輪不啟動,則檢查變頻器參數和變頻器的接線;如果砂輪啟動,則觀察電主軸轉向和要求是否一致,如果不一致,檢查電動機電源線相序,并改變電源線相序,使電動機的轉向和要求一致。

               2) 磨床加速調整。在變頻器操作面板上輸入400Hz頻率,即電主軸的額定頻率,啟動砂輪,觀察在電主軸加速時有無過電流報警,有報警說明變頻器加速時間參數設置過短,適當加長01-09第一加速時間值。經反復調試后,設定參數01-09第一加速時間值為20 s。若加速過程沒問題,以400 Hz運行一段時間,觀察運轉是否正常,也可通過控制面板上LED監視電主軸運行時的電流值。如果控制運行時的電流值不大于電動機額定電流40%~50%,則達到要求。

               3)磨床降速動作調整。觀察在電主軸降速時有無過電壓現象。如果有,則說明變頻器減速時間參數設置過短,適當加長01-10第一減速時間值即可。

               4)嘯叫雜音的調節。在升降速及穩速無報警后,觀察磨床在運轉過程中,電動機有無嘯叫雜音,如果有,可適當降低參數02-03 PWM載波頻率,嘯叫聲就會明顯減小。但是這樣又會使變頻器對外部設備的電磁干擾增強,功率模塊IGBT溫度升高,所以必須找到一個平衡點,既減小了嘯叫,又不干擾其他設備。因此,不是PWM載波頻率越小越好。

               5)試機運行。上述工作做完以后,就可以帶載試機。觀察磨削過程有無異常。一般按上述步驟調試完成后,磨削加工不會有問題。
            
               4、 結語
            
               改造后的數控內圓磨床經過1年多時間使用,設備運行穩定,未發現變頻器或磨頭電主軸出現問題,完全滿足生產工藝要求。并且設備功能完善,節約了成本,值得推廣和借鑒。

           
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