數(shù)控車輪車床主軸變頻技術(shù)改造

泮建華

（上海鐵路局杭州北車輛段 杭州）

數(shù)控機床是輪對鏇修加工的重要設(shè)備，設(shè)備性能的穩(wěn)定和加工精度的準(zhǔn)確，對貨車輪對質(zhì)量和安全起著重要作用。主軸是機床的核心部件，主軸電機的控制對機床的精度和穩(wěn)定性也起著決定性作用。要使被加工的輪對尺寸符合規(guī)定，精度合格，同時確保在運行中的穩(wěn)定，車床主軸的穩(wěn)定可靠顯得尤為重要。通過對數(shù)控車床與變頻器電機控制方面知識的學(xué)習(xí)和現(xiàn)場對數(shù)控車床主軸電機的變頻技術(shù)改進，論述數(shù)控車床主軸電機在運用變頻技術(shù)之后，達到提高加工穩(wěn)定性、加工精度、平滑加減速、節(jié)能等優(yōu)點。

一、現(xiàn)狀及存在問題

1.數(shù)控車輪車床現(xiàn)狀

杭州北車輛段修車大庫經(jīng)過擴能改造后，日出車量由原來的30輛提高到現(xiàn)在的70輛（含廠修車輛），以車輛段目前輪對60%左右的鏇修率計算，日均鏇修輪對達到170余對。目前用于輪對鏇修加工的數(shù)控車輪車床增加到8臺，車床操作工采取早、中兩班工作制，每個班次5人，因此每臺車床的日均輪對加工數(shù)達34對左右。車床數(shù)控系統(tǒng)均采用西門子公司的802D系統(tǒng)，主軸采用Y-△-YY，3速電機帶動，平均功率40 kW。因數(shù)控加工要求精確、可靠，對主軸電機啟動、變速、運行的穩(wěn)定性要求很高，加上車輛段目前輪對鏇修加工量大的特點，如何改善數(shù)控車床主軸控制方式，提高輪對鏇修效率和精度成為了設(shè)備維修人員的重要課題。

2.運行中存在的主要問題和原因

（1）主軸電機功率大，電機采用的硬啟動方式，啟動瞬間電流急劇增大，不僅對電網(wǎng)電壓造成很大沖擊，而且還會對電網(wǎng)容量要求過高，車輛段車輪車床與輪對探傷設(shè)備處于同一網(wǎng)路中，車床頻繁啟動產(chǎn)生的大電流對電網(wǎng)的沖擊已影響到探傷設(shè)備的正常使用。此外啟動產(chǎn)生的大電流和震動對相關(guān)零部件（各種閥類）的損害極大，對設(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問題，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度。

（2）車床主軸在運行時，由于加工刀具、被加工材料以及對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，這就要求傳動系統(tǒng)有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。同時在不同轉(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，以滿足重切削的要求。采用現(xiàn)行的齒輪傳動變檔，主軸在變檔調(diào)速時由于轉(zhuǎn)速不是一個平滑的曲線，在加速或減速運行時，由于絲杠的進給速度在系統(tǒng)設(shè)定下是恒定的，由此造成的進給速度不匹配，易造成刀頭的磨損甚至崩斷刀頭，造成刀頭使用費用居高不下。

（3）系統(tǒng)對過電流保護的設(shè)計不夠合理。在車削過程中容易出現(xiàn)吃刀量過大現(xiàn)象，此時絲杠承受較大的切削力，但由于未設(shè)置高靈敏度的過電流保護裝置，使刀架扔按照程序運行，長時間工作必定會造成絲杠磨損，致使系統(tǒng)出現(xiàn)報警，設(shè)備無法正常工作。通常情況下要處理絲杠問題需要將刀架整體拆除，不僅需要耗費大量時間且購買新絲杠費用較高，期間造成設(shè)備長時間停臺也嚴(yán)重影響生產(chǎn)進度。

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

（5）該設(shè)備月均運行時間長，消耗的電能大，怎樣通過改進節(jié)約設(shè)備耗能也是設(shè)備維修人員面臨的一個課題。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)控機床主軸要求

主軸是車床構(gòu)成中一個重要部分，功率消耗占機床總功率的70%～80%，性能直接影響到機床的加工效率、加工材料范圍、加工質(zhì)量等。數(shù)控機床將高效、高精度和高柔性集為一體。為滿足數(shù)控車床對主軸驅(qū)動的要求，主軸必須具備幾個性能：（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)負載情況下，電機的轉(zhuǎn)速波動范圍要??；（3）電機加減速時間要短；（4）抗過載能力強；（5）噪聲低、振動小、壽命長。

二、主軸電機變頻改進方案

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

1.主軸系統(tǒng)異步電機變頻控制的基本原理

由異步電機理論可知，主軸電機轉(zhuǎn)速公式見式（1）。

式中 p——電機的極對數(shù)

s——轉(zhuǎn)差率

f——供電電源的頻率

n——電機的轉(zhuǎn)速

從式（1）可看出，電機轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑的調(diào)電機轉(zhuǎn)速，而對于變頻器而言，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)考慮到對軸承及繞組的影響，防止電機過分磨損及過熱，一般可以通過設(shè)定最高頻率來進行限定。

2.變頻控制現(xiàn)狀

在相當(dāng)長的時期內(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)速已進入逐步代替直流調(diào)速的時代。

對交流電機（異步電機或同步電機）轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，公認的交流電機調(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越重要的自動化設(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、中頻電源及各種專用電源的中間環(huán)節(jié)。變頻器在數(shù)控機床上的應(yīng)用簡圖見圖2。

3.主軸變頻改造實施方案

（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圖3。

圖2 變頻器在數(shù)控機床上的應(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)，運行命令通道F0.03為端子運行命令通道（LED)滅，運轉(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)置點動運行頻率為F3.13為5 Hz，點動加速時間F3.15為10 s；②設(shè)置過程閉環(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)保護參數(shù)，F(xiàn)L.04過載預(yù)報警檢出，檢出水平相當(dāng)于電機額定電流（告警時故障代碼E014），自動限流水平FL.07限流水平120%，保護動作FL.12，告警并自動減速運行。

圖3 變頻器主電路接線圖

三、改進后效果

（1）主軸點動、啟動及運行平穩(wěn)，即實現(xiàn)了主軸的軟啟動。采用軟啟動的優(yōu)點：①平滑加減速，有效避免了硬啟動對設(shè)備各部件的損傷，增強設(shè)備運行的穩(wěn)定性，提高設(shè)備使用壽命。②避免了頻繁啟動與停止對電網(wǎng)電壓的沖擊，有利于電網(wǎng)長期穩(wěn)定運行。③變頻器采用二極管整流，相對軟啟動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提高運行的穩(wěn)定性，減少刀片損耗，實現(xiàn)主軸加減速的平滑，提高工件加工質(zhì)量。⑤提高安全性。降低機械配件損毀、電網(wǎng)劇烈波動、電機燒毀、停車失靈、操作人員誤傷等安全隱患。

（2）減少電能消耗。通過實際測試得出，正常切削時的電流是方案實施之前的70%，每年僅電費就可節(jié)省30多萬元。

（3）自動電壓調(diào)節(jié)（AVR）。當(dāng)電網(wǎng)電壓變化時自動保持輸出電壓恒定；自動限流，對運行期間電流自動限制，防止頻繁過電流故障。運用此項功能設(shè)計過電流自動報警，提醒操作人員合理選擇進給吃刀量。由此可有效解決絲杠磨損嚴(yán)重等問題。

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

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

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