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MB2120B型數控內圓磨床（chuáng）電主（zhǔ）軸變頻器的改造

2020-11-13 來源：西京學院機械工程（chéng）西安法士特集團作者：張麗娟（juān）王（wáng）剛張爾魯

摘要：為（wéi）了將MB2120B數控內圓磨床電主軸的配（pèi）套變頻器國產化，采用國產通用型台達VFD- B係列變頻（pín）器來代替原進口（kǒu）的VACON NLX係列變頻器。經過改造後的內（nèi）圓磨床完全能夠滿足生產需求。經過一年多的生產使用（yòng），運行穩（wěn）定。

關鍵詞：變頻器；最高輸出頻（pín）率；電主軸；參數設置

0 引言

目前數（shù）控機床電主軸都采用交流伺服控製，但交流伺服電主（zhǔ）軸價格昂貴，多用在對速度控製精（jīng）度要求高、調速範圍（wéi）寬、升降速時間短、製動迅速（sù）、對（duì）分度（dù）有（yǒu）要求（qiú）的場合（hé）。無錫機床股份有限公司MK2120B數控內圓磨床對砂輪拖動要求（qiú）是：砂輪線（xiàn）速度達到55 m/s，換算成砂輪轉（zhuǎn）速為24 000 r/min，不要求調速及頻繁啟停。故不（bú）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台三相異步（bù）電動機，驅（qū）動采用荷蘭產（chǎn）VACONNLX係列變頻器，型（xíng）號為（wéi）NLX00465C5H1SSS0000，額定功率為18.5 k V；額定電流為46 A，額定（dìng）電壓為AC 400 V，由於電主軸為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（yào）求變（biàn）頻器最高輸出頻率為800 Hz，而通（tōng）用VACON變頻器最高輸出頻率為320 Hz，不能滿（mǎn）足轉速要求，所以需要特殊訂貨，一般情況下訂貨周（zhōu）期為90個工作日，而（ér）且價格為3萬元左右。如果內圓磨床（chuáng）砂輪變（biàn）頻器發生故障，在（zài）沒有（yǒu）備件的情（qíng）況下，這（zhè）台磨床將會停機最少3個月。所以我們就（jiù）希望（wàng）能找到一個通用變（biàn）頻器代替（tì）進口VACONNLX係列變頻器（qì）。

1、實例分析及現狀

台灣台達公（gōng）司VFD-B係列變頻器（qì），最（zuì）高輸出頻率最高（gāo）為400 Hz，不能（néng）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（yǒu）一種為2極（jí）。如果把4極磨頭電主軸換成2極的（de）電主軸，根據轉速計算公（gōng）式（shì）n =60f/p，輸入400 Hz的頻率時剛好滿足（zú）轉速為24 000 r/min的工藝要求，而且（qiě）電主軸的更換（huàn）在（zài）機械設計上特別方便。

2、設計改進及變頻器參數設定

基於以上的思路，我們對變頻（pín）器重新選型（xíng），確定型號為（wéi）VFD185B43A。圖1是原（yuán）VACONNLX係列變（biàn）頻器接線圖（tú），經分析，KA1為砂輪電主軸啟動信號，KA7為變頻器故障複位信號，RO1/1和RO1/2為變頻器（qì）故障信號（hào）輸出的常閉觸點。

圖1 VACON NLX係列變（biàn）頻器接線圖

圖（tú）2 台達VFD-B係列變頻器接線圖

實際控製過程為：當需（xū）要啟動砂輪時，按（àn）下手動（dòng）啟動按鈕或者在零件加工程序中編寫相應的M功能（輔助（zhù）功能）指令，在CNC係統的PMC中經過邏輯運（yùn）算，將運算結果輸出到（dào）係統I/O板相應地址的驅動（dòng）晶體管，驅動晶體管控製外部中間繼（jì）電器KA1線圈（quān），KA1線圈得電，KA1的常開觸點閉合，控製變頻（pín）器的（de）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（hé）+24 V端（duān）子接通，電主軸啟動，DIN1和+24 V端子斷開（kāi），電主軸停止。

變頻器的可編程輸入點DIN2和+24 V端子接通，變頻器複位，正常工作時（shí）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（hào）繼（jì）電器的常閉觸點，在變頻器正常工作時，RO1/1和（hé）RO1/2兩點（diǎn）接通，在變（biàn）頻（pín）器故障報警時RO1/1和RO1/2兩點斷開，也就（jiù）是變頻（pín）器正常工作時PMC的X2.0輸（shū）入為1，當變頻器故（gù）障時，RO1/1和RO1/2兩（liǎng）點斷開，PMC的X2.0輸入為0，PMC將做相（xiàng）應的（de）邏輯處理（lǐ），使CNC係統處於（yú）急停狀態，並做出相（xiàng）應的報警顯示。

根據以上的動作（zuò）要求，將台達VFD-B變頻器按圖2接線，並按照表1設置相應的參數：

1）此參（cān）數設定為01或02時，表示進行電動（dòng）機參數自動（dòng）測量，驅動器接收到運轉命令後，立即執行自動（dòng）測量工作。當設定為01時，隻測量電動（dòng）機一（yī）次側電阻值R1，空載（zǎi）電流值參數07-01需手動輸入，此時電動機不轉動；當設置為（wéi）02時需將負載卸下，自動測（cè）量電動機一次側電阻值R1和空載電流值，自動測量完成後，並將測量值自（zì）動寫入參（cān）數07-01和07-06。

表1 VFD-B變頻器參數設置

2）在節（jiē）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（zì）動計算最佳的電壓值供給負載（zǎi）。此（cǐ）功能不適用（yòng）負（fù）載變動頻繁的場合。

3 、安裝調（diào）試（shì）

3.1 電動機參數自動（dòng）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（xiàn）圈線-線間電阻（zǔ）值（zhí）和空載電流值，使變頻（pín）器對電主軸控製達到（dào）最（zuì）佳狀態，這樣既節能又不會使（shǐ）電主軸發熱太嚴重，對延長變頻器（qì）和（hé）電主軸的壽命有很大的作（zuò）用。這（zhè）一（yī）步可通過（guò）儀器檢測來完成，如果要精（jīng）確測量並得到電動機每相線圈的阻值，需要用雙臂電橋（qiáo）來完成。因（yīn）為一般的單位很難找到這樣的儀器（qì），而變頻器的該項（xiàng）功能（néng）就很容易解決這個問題。具體操作步驟如下：

1）驅（qū）動器的所有參數（shù）設（shè）定（dìng）為出廠值。

2）將電（diàn）動機所帶的負載卸（xiè）掉。

3）將電動機銘牌上的額定電壓（yā）寫（xiě）入參數01-02，額定頻率寫（xiě）入參數01-01，額定（dìng）電流寫入參數07-00，電動機極數寫（xiě）入參數07-04，額定轉差寫入參數07-08。

4）將參（cān）數07-05設定為（wéi）02，按下變頻器操（cāo）作麵板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（dì）一減速時間。

5）執行完畢後，檢查參數07-01和07-06兩個參數是否已自動將測量數（shù）據填入。若沒有，則（zé）將參數07-05設定為02，並按（àn）RUN鍵。

3.2 參數設置

檢查無誤後，可按照（zhào）表1的參數（shù）設置係統的其他參數。

3.3 調試

當所有參數設定完成後，進行調試，步驟如下：

1)設定變頻器的頻率值（zhí）並檢查電動機的轉向。在係統無報警的情況下，在變頻器操作麵板上輸入一個範（fàn）圍在20～30 Hz之間的頻率值，將機床操作方式選擇JOG，點動（dòng）砂輪啟動鍵，觀察砂輪有無啟停動作。如果砂輪（lún）不啟動，則檢（jiǎn）查變（biàn）頻器參數和變頻器的接（jiē）線；如果砂輪啟（qǐ）動，則觀（guān）察電主軸轉向和要求是否一致，如果不一致，檢（jiǎn）查電動（dòng）機電源線相序，並改變電源線相序，使（shǐ）電動機的轉向（xiàng）和要求一致。

2）磨床（chuáng）加（jiā）速調整。在變頻器操作麵板上輸入（rù）400Hz頻率，即電（diàn）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（sù）時（shí）間參數設置過短，適當加長（zhǎng）01-09第一（yī）加速時間值。經反複調試後，設（shè）定參數01-09第一（yī）加速（sù）時間值為20 s。若加速過程沒問題，以400 Hz運行一段時間，觀（guān）察（chá）運轉是否正常，也可通過控製麵板上LED監視電主軸運行（háng）時的電流值。如果控製運行時的電流值不（bú）大於電動機額定電流40％～50％，則達到要求。

3）磨床（chuáng）降速（sù）動作調整。觀察在（zài）電主軸降速時有無過電壓現象（xiàng）。如果有，則說明變頻器減（jiǎn）速時間參數（shù）設置過短，適當加長01-10第一減速時間值（zhí）即可。

4）嘯叫雜音的調節。在升降速及（jí）穩速無報警後，觀察磨床在運轉過程中，電動機有無嘯叫雜音，如果有，可（kě）適當降低（dī）參數02-03 PWM載波頻率，嘯叫聲就會明顯減小（xiǎo）。但是這樣又會使（shǐ）變（biàn）頻器對外部設備（bèi）的電磁幹（gàn）擾增強，功率模（mó）塊IGBT溫度升高，所（suǒ）以必須找到一個平衡（héng）點，既減小了嘯叫，又不幹（gàn）擾其他（tā）設備。因此，不是PWM載波頻率越小越好（hǎo）。

5）試機運行。上述工作做完（wán）以後（hòu），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後，磨削加（jiā）工不會有問題。

4、結語

改造後的數控（kòng）內（nèi）圓磨（mó）床經過1年多時間（jiān）使用，設備運行穩定，未發現變頻器或磨（mó）頭電主軸（zhóu）出現問題，完全滿足生產工藝要求。並且設備功能完善（shàn），節（jiē）約了成（chéng）本，值得推廣（guǎng）和借鑒。

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