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文檔簡介
1、模塊三 連接與調(diào)試主軸系統(tǒng)課題一 連接變頻器主線路知識點:·變頻調(diào)速器的基本構成及工作原理·變頻調(diào)各端子的功能技能點:·能根據(jù)交流變頻調(diào)速器的接線圖,能進行線路的連接與調(diào)試一、任務引入數(shù)控機床上主軸系統(tǒng)的變頻器接線圖,如圖3-1所示,認請變頻器上主接線端子的功能,試聯(lián)接主線路。圖3-1 (IMS-M2)接線圖二、任務分析數(shù)控機床主軸的速度是由電壓頻率變換器(即變頻器)實現(xiàn)的。什么是變頻器?變頻器是由哪幾部分組成?主接線端子有哪些功能?下面我們就對這些問題進行講解。三、相關知識1、變頻電源的應用變頻器即電壓頻率變換器,是一種將固定頻率的交流電變換成頻率、電壓連續(xù)可調(diào)
2、的交流電,以供給電動機運轉的電源裝置。交流電動機變頻調(diào)速與控制技術已經(jīng)在機床、紡織、印刷、造紙、冶金、礦山以及工程機械等各個領域得到了廣泛應用,因此提供進口和國產(chǎn)變頻電源產(chǎn)品的單位已經(jīng)十分普遍。中小功率變頻電源產(chǎn)品由于運行時其散熱表面的溫度可高達90,所以大多數(shù)要求壁掛立式安裝,并在機殼內(nèi)配有冷卻風扇以保證熱量得到充分的散發(fā)。在電氣柜中應注意給變頻電源的兩側及后部留出足夠空間,而且在它的上部不應安排容易受人影響的器件。多臺變頻電源安裝在一起時要盡量避免豎排安裝,如必須豎排則要在兩層間配備隔熱板。變頻電源工作的環(huán)境溫度不準超過50。2. 變頻電源的基本接線小功率變頻電源產(chǎn)品的外形如圖3-2所示。
3、一般三相輸入、三相輸出變頻電源的基本電氣接線原理圖如圖3-3所示。在圖3-3中,主電路接入口R、S、T處應按常規(guī)動力線路的要求預先串接符合該電動機功率容量的空氣斷路器和交流接觸器,以便對電動機工作電路進行正常的控制和保護。經(jīng)過變頻后的三相動力接出口為U、V、W,在它們和電動機之間可安排熱繼電器以防止電動機過長時間過載或單相運行等問題。電動機的轉向仍然靠外部的線頭換相來確定或控制。B1、B2用來連接外部制動電阻,改變制動電阻值的大小可調(diào)節(jié)制動的程度。工作頻率的模擬輸入端為A11和A12,模擬量地端AGND為零電位點。電壓或電流模擬方式的選擇一般通過這些端口的內(nèi)部跳線來確定。電壓模擬輸入也可以從外
4、部接入電位器實現(xiàn)(有的變頻電源將此環(huán)節(jié)設定在內(nèi)部),電位器的參考電壓從REF端獲取。工作頻率檔位的數(shù)字輸入由D3、D4、D5的三位二進制數(shù)設定,“000”認定為模擬控制方式。另外三個數(shù)字端可分別控制電動機電源的起動、停止,起動及制動過程的加、減速時間選定等功能。數(shù)字量的參考電位點是DGND。 一般變頻電源都提供模擬電流輸出端IO和數(shù)字頻率輸出端FO,便于建立外部的控制系統(tǒng)。如需要電壓輸出可外接頻壓轉換環(huán)節(jié)獲得。繼電器輸出KM1和KM2可對外表述諸如變頻電源有無故障、電動機是否在運轉、各種運轉參數(shù)是否超過規(guī)定極限、工作頻率是否符合給定數(shù)據(jù)等種種狀態(tài),便于整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和正常運行。通訊接口可以選擇
5、是否將該變頻電源作為某個大系統(tǒng)的終端設備,它們的通訊協(xié)議一般由變頻電源廠商規(guī)定,不可改變。為保證變頻電源的正常工作,其外殼PE應可靠地接入大地零電位。所有與信號相關的接線群都要有屏蔽接點SCR。 圖3-2 變頻電源外形 圖3-3變頻電源基本接線原理3. 變頻器主接線端子的介紹主接線端子是變頻器與電源及電動機連接的接線端子。(1)主接線端子的示意圖主接線端子的示意圖如圖3-4所示。圖3-4 主接線端子的示意圖(2)主接線端子的功能主接線端子的功能見表3-1。表3-1 主回路端子的功能表目的使用端子主回路電源輸入R、S、T變頻器輸出U、V、W直流電源輸入-、+直流電抗器連接+、B1(去掉短接片)制
6、動電阻連接B1、B2接地4. 變頻器的構成目前,通用變頻器幾乎都是交直交型變頻器,因此本節(jié)以交直交電壓型變頻器為例,講述變頻器的基本構成。變頻器由主電路和控制電路組成,如圖3-5所示。(1)主電路電壓型交直交變頻器的主電路由整流電路、中間直流電路和逆變器電路三部分組成。主電路的基本結構如圖3-6所示(2)控制電路圖3-5 變頻器的基本構成控制電路的基本結構如圖3-7所示,它主要由電源板、主控板、鍵盤與顯示板、外接控制電路等構成。主控板是變頻器運行的控制中心,其主要功能如下。1)接受從鍵盤輸入的各種信號。2)接受從外部控制電路輸入的各種信號。3)接受內(nèi)部的采樣信號,如主電路中電壓與電流的采樣信號
7、、各部分溫度的采樣信號、各逆變管工作狀態(tài)的采樣信號等。4)完成SPWM調(diào)制,將接受的各種信號進行判斷和綜合運算,產(chǎn)生相應的SPWM調(diào)制指令,并分配給各逆變管的驅動電路。5)發(fā)出顯示信號,向顯示板和顯示屏發(fā)出各種顯示信號。6)發(fā)出保護指令,變頻器必須根據(jù)各種采樣信號隨時判斷其工作是否正常,一旦發(fā)現(xiàn)異常工況,必須發(fā)出保護指令進行保護。7)向外電路發(fā)出控制信號及顯示信號,如正常運行信號、頻率到達信號、故障信號等。圖3-6 電壓型交一直交變頻器主電路的基本結構。圖3-7 通用變頻器的控制框圖四、任務實施1MCCB接線用斷路器在電源與輸入端子之間,先插入適合變頻器功率的接線用斷路器。MCCB的時間特性要
8、充分考慮變頻器的過熱保護的時間特性,一般為達到額定輸出電流的150%、且超過1分鐘。 2MC電磁接觸器可以通過斷開MC斷開主回路電源,電機自由滑行停止,但頻繁地開閉會引起變頻器故障。MC的容量常選為變頻器額定電流的1.52倍。3R制動電阻在制動力矩不能滿足要求時使用,運用于大慣性負載、頻繁制動或快速剎車的情況。4接地線的設置接地端子,務必接地。5AC電抗器或DC電抗器連接大功率(600KVA以上)的電源變壓器場合時,會有進線電解電容的切換,切換將有很大的峰值電流流入輸入電源回路而損壞整流部分元氣件的可能。為避免這樣的情況產(chǎn)生,一般在變頻器的輸入側接入AC電抗器或者在DC電抗器端子上安裝DC電抗
9、器。接入電抗器后也有改善功率因數(shù)的效果,同時除去從電源線入侵變頻器的噪聲,也可以降低從變頻器流出的噪聲,提高抗干擾能力。6主回路輸出側的接線變頻器與電機的接線如圖3-8所示。絕對禁止將輸入電源接入輸出端子、將輸出端子短路和接地。7漏電開關的安裝由于變頻器的輸出是高頻脈沖波,應安裝漏電開關,漏電開關請選用變頻器專用的漏電開關(動作電流在30MA以上)。選擇通用的漏電開關時,其開關的動作電流在200MA以上。圖3-8 主回路的接線五、知識鏈接對交流電機實現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置稱為變頻調(diào)速器,其功能是將電網(wǎng)提供的電壓與頻率固定不變的交流電變換為可變電壓和頻率VVVF(Variable Voltage Va
10、riable Frequency)的交流電,實現(xiàn)對電機的無級調(diào)速。1. 變頻器的分類目前國內(nèi)外變頻器的種類很多,其分類見表3-2。表3-2 變頻器的分類方法及類別序號分類方法類 別說 明1按變換環(huán)節(jié)分類交直交變頻器交直交變頻器首先將頻率固定的交流電整流成直流電,經(jīng)過濾波,再將平滑的直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電。由于把直流電逆變成交流電的環(huán)節(jié)較易控制,因此在頻率的調(diào)節(jié)范圍內(nèi),以及改善頻率后電動機的特性等方面都有明顯的優(yōu)勢,目前,此種變頻器已得到普及交交變頻器交交變頻器把頻率固定的交流電直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電。其主要優(yōu)點是沒有中間環(huán)節(jié),故變換效率高。它主要用于低速大容量的拖動系統(tǒng)中2按
11、電壓的調(diào)制方式分類PAM(脈幅調(diào)制)PAM(Pulse Amplitude Modulation的簡稱)是通過調(diào)節(jié)輸出脈沖的幅值來調(diào)節(jié)輸出電壓的一種方式,在調(diào)節(jié)過程中,逆變器負責調(diào)頻,相控整流器或直流斬波器負責調(diào)壓。這種方式基本不用PWM(脈寬調(diào)制)PWM(Pulse Width Modulation的簡稱)是通過改變輸出脈沖的寬度和占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓的一種方式,在調(diào)節(jié)過程中,逆變器負責調(diào)頻調(diào)壓。目前普遍應用的是脈寬按正弦規(guī)律變化的正弦脈寬調(diào)制方式,即SPWM方式。中小容量的通用變頻器幾乎全部采用此類型的變頻器3按濾波方式分類電壓型變頻器在交直交變壓變頻裝置中,當中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時
12、,直流電壓波形比較平直,在理想情況下可以等效成一個內(nèi)阻抗為零的恒壓源,輸出的交流電壓是矩形波或階梯波,這類變頻裝置叫電壓型變頻器電流型變頻器在交直交變壓變頻裝置中,當中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時,直流電流波形比較平直,因而電源內(nèi)阻抗很大,對負載來說基本上是一個電流源,輸出交流電流是矩形波或階梯波,這類變頻裝置叫電流型變頻器4按輸入電源的相數(shù)分類三進三出變頻器變頻器的輸入側和輸出側都是三相交流電,絕大多數(shù)變頻器都屬于此類單進三出變頻器變頻器的輸入側為單相交流電,輸出側是三相交流電,家用電器里的變頻器都屬于此類,通常容量較小5按控制方式分類U/f控制變頻器U/f控制是在改變變頻器輸出頻率的同時控制
13、變頻器輸出電壓,使電動機的主磁通保持一定,在較寬的調(diào)速范圍內(nèi),電動機的效率和功率因數(shù)保持不變。因為是控制電壓和頻率的比,所以稱為U/f控制。它是轉速開環(huán)控制,無需速度傳感器,控制電路簡單,是目前通用變頻器中使用較多的一種控制方式轉差頻率控制變頻器轉差頻率控制需檢測出電動機的轉速,構成速度閉環(huán)。速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉差頻率,然后以電動機速度與轉差頻率之和作為變頻器的給定輸出頻率。轉差頻率控制是指能夠在控制過程中保持磁通量m的恒定,能夠限制轉差頻率的變化范圍,且能通過轉差頻率調(diào)節(jié)異步電動機的電磁轉矩的控制方式。速度的靜態(tài)誤差小,適用于自動控制系統(tǒng)矢量控制方式變頻器U/f控制變頻器和轉差頻率控制變頻器
14、的控制思想都建立在異步電動機的靜態(tài)數(shù)字模型上,因此動態(tài)性能指標不高。采用矢量控制方式的目的,主要是為了提高變頻調(diào)速的動態(tài)性能?;旧峡蛇_到和直流電動機一樣的控制特性2變頻器的額定參數(shù)(1)變頻器的額定值1)輸入側的額定值輸入側的額定值主要是電壓和相數(shù)。在我國的中小容量變頻器中,輸入電壓的額定值有以下幾種情況(均為線電壓)。380 V50 Hz,三相,用于絕大多數(shù)電器中。200230 V50 Hz或60 Hz,三相,主要用于某些進口設備中。200230 V50 Hz,單相,主要用于精細加工和家用電器。2)輸出側的額定值輸出電壓額定值UN 由于變頻器在變頻的同時也要變壓,所以輸出電壓的額定值是指輸
15、出電壓中的最大值。通常,輸出電壓的額定值總是和輸入電壓相等的。輸出電流額定值IN 輸出電流的額定值是指允許長時間輸出的最大電流,是用戶在選擇變頻器時的主要依據(jù)。輸出容量SN(kVA) SN與UN和IN的關系為 配用電動機容量PN(kW) 變頻器說明書中規(guī)定的配用電動機容量。變頻器銘牌上的“適用電動機容量”是針對四極的電動機而言,若拖動的電動機是六極或其他,那么相應的變頻器容量加大。過載能力 變頻器的過載能力是指其輸出電流超過額定電流的允許范圍和時間。大多數(shù)變頻器都規(guī)定為150%IN,60s或180%IN,0.5s。(2)變頻器的頻率指標1)頻率的名詞術語基底頻率fb 當變頻器的輸出電壓等于額定
16、電壓時對應的最小輸出頻率,稱為基底頻率,用來作為調(diào)節(jié)頻率的基準。圖3-9 變頻器的上下限頻率最高頻率fmax 當變頻器的頻率給定信號為最大值時,變頻器的給定頻率。這是變頻器的最高工作頻率的設定值。上限頻率fH和下限頻率fL 根據(jù)拖動系統(tǒng)的工作需要,變頻器可設定上限頻率和下限頻率,如圖3-9所示。 跳變頻率fJ 生產(chǎn)機械在運轉時總是有振動的,其振動頻率和轉速有關。為了避免機械諧振的發(fā)生,機械系統(tǒng)必須回避可能引起諧振的轉速。回避轉速對應的工作頻率就是跳變頻率。點動頻率fJOG 生產(chǎn)機械在調(diào)試過程中,以及每次新的加工過程開始前,常常需要“點一點、動一動”,以便觀察各部位的運轉情況。如果每次在點動前后
17、,都要進行頻率調(diào)整的話,既麻煩,又浪費時間。因此,變頻器可以根據(jù)生產(chǎn)機械的特點和要求,預先一次性地設定一個“點動頻率fJOG”,每次點動時都在該頻率下運行,而不必變動已經(jīng)設定好了的給定頻率。2)變頻器的頻率指標頻率范圍 頻率范圍即變頻器能夠輸出的最高頻率fmax和最低頻率fmin。各種變頻器規(guī)定的頻率范圍不盡一致。頻率精度 頻率精度指變頻器輸出頻率的準確程度。用變頻器的實際輸出頻率和設定頻率之間的最大誤差與最高工作頻率之比的百分數(shù)表示。頻率分辨率 頻率分辨率指輸出頻率的最小改變量,即每相鄰兩擋頻率之間的最小差值。一般分模擬設定分辨率和數(shù)字設定分辨率兩種。 【思考與練習】1 變頻器的主要功能有哪
18、些?2 變頻器按變頻環(huán)節(jié)分哪幾類?3 簡述變頻器主控板的功能。4 畫出變頻器的控制電路的基本控制框圖。課題二 連接主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)知識點:·數(shù)控機床主軸對伺服系統(tǒng)的要求·主軸伺服系統(tǒng)及主軸電機·主軸裝置與數(shù)控裝置的連接·主軸準??刂萍寄茳c:·能進行變頻器投入運轉的參數(shù)設置,能對感應電動機進行性能測試一、任務引入將Micromaster 440型變頻器與華中世紀星數(shù)控系統(tǒng)相連接,根據(jù)Micromaster 440型變頻器設置其連接電機的參數(shù),由華中世紀星數(shù)控系統(tǒng)的主軸控制命令控制變頻器的運行。二、任務分析在主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)中,變頻調(diào)不僅接入了主電
19、源(三相電源),而且輸出控制、狀態(tài)信號給數(shù)控系統(tǒng)來控主軸電機的正/反轉、速度到達等。變頻調(diào)與數(shù)控系統(tǒng)的哪些接口相連?變頻調(diào)與電機聯(lián)接時是否要進行參數(shù)設置?下面對這些問題進行講解。三、相關知識1變頻調(diào)的試運行連接 Micromaster 440型變頻的外形如圖3-10a所示。當采用電位器作速度的給定模擬量,用開關作為啟動停止和正反轉控制簡單試運行的連接方式,如圖3-10b所示。按該圖連接以后,確認無誤即可進行操作。 a)440型變頻器外觀圖 b)440型變頻器簡單試運行連接圖圖3-10 變頻器外觀及運行連接圖2變頻器與華中世紀星數(shù)控系統(tǒng)的連接Micromaster 440型變頻器與華中世紀星數(shù)控
20、系統(tǒng)連接的端子與接口,如圖3-11所示。圖3-11 變頻器與華中世紀星數(shù)控系統(tǒng)的連接圖3變頻器中電動機參數(shù)的設置在Micromaster 440型變頻器的基本操作面板(Bop)進行調(diào)試,把變頻器所有參數(shù)復位為出廠時的缺省設置值。接通變頻器三相(380V)輸入電源,然后進行快速調(diào)試,將參數(shù)P0010設置為“1”,設置參數(shù)P0100(=0)和下列電動機參數(shù): 電動機額定電壓 P0304=380V 電動機額定電流 P0305=1.5A 電動機額定功率 P0307=0.55kW 電動機額定頻率 P0310=50Hz 電動機額定轉速 P0311=1390rmin再依次設置參數(shù)P0700=1(將變頻器設置
21、為基本操作面板Bop控制方式)、P1000=1(用Bop控制頻率的升降)、P1080=0(電動機最小頻率0Hz)、P1082=50(電動機最大頻率50Hz)、P1120=10(斜坡上升時間10s)和P1121=10(斜坡下降時間10s)。完成上述步驟后,將參數(shù)P3900設置為“1”,使變頻器自動執(zhí)行必要的電動機其他參數(shù)計算;并使其余參數(shù)恢復為缺省設置值,自動將POOl0參數(shù)設置為“0”。四、任務實施1440型變頻器與華中世紀星數(shù)控系統(tǒng)的連接 根據(jù)圖3-11所示的連接圖,將Micromaster 440型變頻器與華中世紀星數(shù)控系統(tǒng)進行連接。為了與華中世紀星數(shù)控系統(tǒng)IO控制邏輯功能配合,需將Mic
22、romaster 440型變頻器的DIN2設置為“反轉停止”控制方式,即將“P0701”設置為“2”(P0701=2)。 2修改控制信號源參數(shù) 完成了Micromaster 440型變頻器與華中世紀星數(shù)控系統(tǒng)接線和變頻器中電動機參數(shù)的設置后,變頻器已經(jīng)進入待命狀態(tài)。按下開關,電動機轉動,可進行給定頻率的增加與減少、電動旋轉方向的改變、進行點動(按JOG鍵)操作等。接通三相(380V)輸入電源后,修改控制信號源參數(shù),使"P0700=2”(由端口輸入控制,信號源為模擬輸入),使“P1000=2”(這時輸入模擬電壓從AIN1+和AIN1-接入,電壓范圍為O10V,單極性,其對應的缺省設置頻
23、率范圍為O50Hz;若要擴大控制頻率范圍,例如擴大至100Hz,則可將基準頻率參數(shù)設置為P2000=1OOHz)。缺省設置的IO功能見表3-3。上述連接、參數(shù)設置確認無誤后,接通各部分電源,便可由華中世紀星數(shù)控系統(tǒng)的主軸控制命令控制變頻器的運行。表3-3 缺省設置的IO功能表數(shù)字輸入端口:數(shù)字輸出端口:DIN1啟動/停止RELAY1變頻器故障DIN2正/反轉RELAY2變頻器報警DIN3故障復位RELAY3變頻器準備就緒DIN4、DIN5、DIN6固定頻率選擇 五、知識鏈接1. 數(shù)控機床主軸對伺服系統(tǒng)的要求(1) 數(shù)控銑床主軸部件 數(shù)控銑床主軸電動機通過同步帶副將運動傳遞到主軸,主電動機為變頻
24、調(diào)速三相異步電動機,由變頻器控制其速度的變化,從而使主軸實現(xiàn)無級調(diào)速,主軸轉速范圍為2506000rmin。 現(xiàn)代數(shù)控銑床的主軸開啟與停止、主軸正反轉與主軸變速等都可以按程序介質(zhì)上編入的程序自動執(zhí)行。不同的機床其變速功能與范圍也不同。有的采用變頻機組(目前已很少采用),固定幾種轉速,可任選一種編入程序,但不能在運轉時改變;有的采用變頻器調(diào)速,將轉速分為幾檔,程編時可任選一檔,在運轉中可通過控制面板上的旋鈕在本檔范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié);有的則不分檔,程編可在整個調(diào)速范圍內(nèi)任選一值,在主軸運轉中可以在全速范圍內(nèi)進行無級調(diào)整,但從安全角度考慮,每次只能調(diào)高或調(diào)低在允許的范圍內(nèi),不能有大起大落的突變。在數(shù)控銑
25、床的主軸套筒內(nèi)一般都設有自動拉、退刀裝置,能在數(shù)秒內(nèi)完成裝刀與卸刀,使換刀顯得較方便。此外,多坐標數(shù)控銑床的主軸可以繞X、Y或Z軸作數(shù)控擺動,也有的數(shù)控銑床帶有萬能主軸頭,擴大了主軸自身的運動范圍,但主軸結構更加復雜。(2)數(shù)控機床主軸對伺服系統(tǒng)的要求 數(shù)控機床的技術水平依賴于進給和主軸伺服系統(tǒng)的性能,因此,數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制及伺服電機主要有下述要求。 1)進給調(diào)速范圍要寬 調(diào)速范圍rh是伺服電機的最高轉速與最低轉速之比,即rh=nmaxnmin。為適應不同零件及不同加工工藝方法對主軸參數(shù)的要求,數(shù)控機床的主軸伺服系統(tǒng)應能在很寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)調(diào)速。 2)位置精度要高 為滿足加
26、工高精度零件的需要,關鍵之一是要保證數(shù)控機床的定位精度和進給跟蹤精度。數(shù)控機床位置伺服系統(tǒng)的定位精度一般要求達到lm,甚至0.1m。相應地,對伺服系統(tǒng)的分辨率也提出了要求。伺服系統(tǒng)接受CNC送來的一個脈沖,工作臺相應移動的距離稱為分辨率。系統(tǒng)分辨率取決于系統(tǒng)的穩(wěn)定工作性能和所使用的位置檢測元件。 3)速度響應要快 為了保證零件尺寸、形狀精度和獲得低的表面粗糙度值,要求伺服系統(tǒng)除具有較高的定位精度外,還應有良好的快速響應特性,即要求跟蹤指令信號的響應要快。一方面伺服系統(tǒng)加減速過渡過程時間要短;另一方面是恢復時間要短,且無振蕩。4)低速時大轉矩輸出數(shù)控機床切削加工,一般低速時為大切削量(切削深度和
27、寬度),要求伺服驅動系統(tǒng)在低速進給時,要有大的輸出轉矩。 2.數(shù)控機床主軸驅動系統(tǒng)的特點(1)隨著生產(chǎn)力的不斷提高,機床結構的改進,加工范圍的擴大,要求機床主軸的速度和功率也不斷提高,主軸的轉速范圍也不斷的擴大,主軸的恒功率調(diào)速范圍更大,并有自動換刀的主軸準停功能等。(2)為了實現(xiàn)上述要求,主軸驅動要采用無級調(diào)速系統(tǒng)驅動。一般情況下主軸驅動只有速度控制要求,少量有位置控制要求,所以主軸控制系統(tǒng)只有速度控制環(huán)。(3)由于主軸需要恒功率調(diào)速范圍大,采用永磁式電動機就不合理,往往采用他勵式直流伺服電動機和籠型感應交流伺服電動機。(4)數(shù)控機床主旋轉運動無需絲杠或其他直線運動的機構,機床的主軸驅動與進
28、給驅動有很大的差別。(5)早年的數(shù)控機床多采用直流主軸驅動系統(tǒng),但由于直流電動機的換向限制,大多數(shù)系統(tǒng)恒功率調(diào)速范圍都非常小。隨著微處理器技術和大功率晶體管技術的發(fā)展,20世紀80年代初期開始,數(shù)控機床的主軸驅動應用了交流主軸驅動系統(tǒng)。目前,國內(nèi)外新生產(chǎn)的數(shù)控機床基本都采用交流主軸驅動系統(tǒng),交流主軸驅動系統(tǒng)將完全取代直流主軸驅動系統(tǒng)。這是因為交流電動機不像直流電動機那樣在高轉速和大容量方面受到限制,而且交流主軸驅動系統(tǒng)的性能已達到直流驅動系統(tǒng)的水平,甚至在噪聲方面還有所降低,價格也比直流主軸驅動系統(tǒng)低。3.直流主軸伺服系統(tǒng)直流主軸伺服系統(tǒng)由他勵式直流電動機和直流主軸速度控制單元組成。直流主軸速
29、度單元是由速度環(huán)和電流環(huán)構成的雙閉環(huán)速度控制系統(tǒng),用于控制主軸電動機的電樞電壓,進行恒轉矩調(diào)速??刂葡到y(tǒng)的主回路采用反并聯(lián)可逆整流電路,因為主軸電動機的容量大,所以主回路的功率開關元件大都采用晶閘管元件。主軸直流電動機調(diào)速還包括恒功率調(diào)速,由勵磁控制回路完成。因為主軸電動機為他勵式電動機,勵磁繞組需要有另一直流電源供電,用減弱勵磁控制回路電流方式使電動機升速。采用直流主軸速度控制單元之后,只需23級機械變速,即可滿足數(shù)控機床主軸調(diào)速要求。4.交流主軸伺服系統(tǒng)交流主軸伺服系統(tǒng)由交流主軸速度控制單元和交流主軸伺服電動機組成。交流主軸速度控制單元一般是數(shù)字式控制形式,由微處理器擔任的轉差頻率矢量控制
30、器和晶體管逆變器控制感應電動機速度,速度傳感器一般采用脈沖編碼器或旋轉變壓器。 在伺服系統(tǒng)中,直流伺服電動機能獲得優(yōu)良的動態(tài)與靜態(tài)性能,其根本原因是被控量只有電動機磁場和電樞電流,且這兩個量是獨立的,如果完滿的補償電樞反應,兩量互不影響。此時,電磁轉矩與磁通和電樞電流分別成正比關系,因此控制簡單,特性為線性。而交流感應電動機沒有獨立的勵磁回路,轉子電流時刻影響著磁通的變化,而且交流感應電動機的輸入量是隨時間交變的量,磁通也是空間的交變矢量,僅僅控制定子電壓和電源頻率,其輸出特性顯然不是線性。如果能夠模擬直流電動機,求出交流電動機與此對應的磁場與電樞電流,分別而獨立的加以控制,就會使交流電動機具
31、有與直流電動機近似的優(yōu)良調(diào)速特性。為此,必須將三相交流變量(矢量)轉換為與之等效的直流量(標量),建立起交流電動機的等效數(shù)學模型,然后按直流電動機的控制方法對其進行控制,再將控制信號等效轉變?yōu)槿嘟涣麟娏浚寗痈袘涣麟妱訖C,完成對交流電動機的速度控制。這種矢量-標量-矢量的過程就是矢量變換控制過程。在矢量變換控制中,首先是將三相交流量(三相交流電動機)等效為兩相交流量(二相交流電動機),再將二相交流量(二相交流電動機)旋轉后等效為模擬直流量(直流電動機),控制后,再將調(diào)制好的模擬直流量轉換為三相交流量輸出。在這個過程中要進行復雜的運算和坐標變換計算,所以矢量控制往往由微處理器系統(tǒng)來完成,如圖
32、3-12所示。圖3-12 交流主軸驅動原理框圖 5. 數(shù)控裝置與主軸裝置的連接華中HNC-21數(shù)控裝置通過XS9主軸控制接口和PLC 輸入/輸出接口,連接各種主軸驅動器,實現(xiàn)正反轉、定向、調(diào)速等控制,還可以外接主軸編碼器,實現(xiàn)螺紋車削和銑床上的剛性攻絲功能。(1)主軸啟停主軸啟??刂朴蒔LC 承擔,標準銑床PLC 程序和標準車床PLC 程序中關于主軸啟??刂频男盘柸绫?-4。利用Y1.0、Y1.1 輸出即可控制主軸裝置的正、反轉及停止,一般定義接通有效;當Y1.0 接通時,可控制主軸裝置正轉;Y1.1 接通時,主軸裝置反轉;二者都不接通時,主軸裝置停止旋轉。在使用某些主軸變頻器或主軸伺服單元時
33、,也用Y1.0、Y1.1作為主軸單元的使能信號。部分主軸裝置的運轉方向由速度給定信號的正、負極性控制,這時可將主軸正轉信號用作主軸使能控制,主軸反轉信號不用。部分主軸控制器有速度到達和零速信號,由此可使用主軸速度到達和主軸零速輸入,實現(xiàn)PLC 對主軸運轉狀態(tài)的監(jiān)控。表3-4 與主軸啟停有關的輸入/輸出開關量信號信號說明標號(X/Y地址)所在接口信號名腳號銑車輸入開關量主軸速度到達X3.1X3.1XS11I2523主軸零速X3.2I2610輸出開關量主軸正轉Y1.0Y1.0XS20O089主軸反轉Y1.1Y1.1O0921(2)主軸速度控制華中HNC-21通過XS9主軸接口中的模擬量輸出可控制主
34、軸轉速,當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動單元或變頻器,這時采用使能信號控制主軸的啟、停。當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動單元或變頻器,這時采用主軸正轉、主軸反轉信號控制主軸的正、反轉。模擬電壓的值由用戶PLC 程序送到相應接口的數(shù)字量決定。(3)主軸定向控制與主軸定向有關的輸入/輸出開關量信號見表3-5。實現(xiàn)主軸定向控制的方案及控制方式見表3-6。表3-5 與主軸定向有關的輸入/輸出開關量信號信號說明標號(X/Y地址)所在接口信號名腳號銑輸入開關量主軸定向完成X3.3XS11I2727輸出開關量主軸定向Y1.3XS20
35、O1120表3-6 主軸定向控制的方案及控制方式序號控制的方案控制方式及說明1用帶主軸定向功能的主軸驅動單元標準銑床PLC 程序中定義了相關的輸入/輸出的信號。由PLC 發(fā)生主軸定向命令,即Y1.3 接通主軸單元完成定向后送回主軸定向完成信號X3.32用伺服主軸即主軸工作在位控方式下主軸作為一個伺服軸控制,可在需要時可由用戶PLC程序控制定向到任意角度3用機械方式實現(xiàn)根據(jù)所采用的具體方式,用戶可自行定義有關的PLC輸入/輸出點,并編制相應PLC 程序(3)主軸編碼器連接通過主軸接口XS9可外接主軸編碼器,用于螺紋切割、攻絲等,華中HNC-21數(shù)控裝置可接入兩種輸出類型的編碼器,即差分TTL方波
36、或單極性TTL方波。一般使用差分編碼器,確保長的傳輸距離的可靠性及提高抗干擾能力。華中HNC-21數(shù)控裝置與主軸編碼器的接線圖如圖3-13所示。圖3-13 數(shù)控裝置與主軸變頻器的接線圖(若沒有主軸編碼器則虛線框中的內(nèi)容沒有)圖3-14 數(shù)控裝置與普通三相異步主軸電機的連接(4) 數(shù)控裝置與主軸裝置的連接實例1)與普通三相異步電機連接用無調(diào)速裝置的交流異步電機作為主軸電機時,只需利用數(shù)控裝置輸出開關量控制中間繼電器和接觸器,便可控制主軸電機的正轉、反轉、停止,如圖3-14所示。圖3-14中KA3、KM3 控制電機正轉,KA4、KM4 控制電機反轉。華中HNC-21數(shù)控裝置與普通三相異步主軸電機的
37、連接,可配合主軸機械換檔實現(xiàn)有級調(diào)速,還可外接主軸編碼器實現(xiàn)螺紋車削加工或剛性攻絲。2)與交流變頻主軸連接采用交流變頻器控制交流變頻電機,可在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)主軸的無級變速,這時需利用數(shù)控裝置的主軸控制接口(XS9)中的模擬量電壓輸出信號,作為變頻器的速度給定,采用開關量輸出信號(XS20、XS21)控制主軸啟、停(或正、反轉)。華中HNC-21數(shù)控裝置與主軸變頻器的接線圖如圖3-13所示。采用交流變頻主軸時,由于低速特性不很理想,一般需配合機械換檔以兼顧低速特性和調(diào)速范圍。需要車削螺紋或攻絲時,可外接主軸編碼器。3)與伺服驅動主軸連接采用伺服驅動主軸可獲得較寬的調(diào)速范圍和良好的低速特性,還可實
38、現(xiàn)主軸定向控制??衫脭?shù)控裝置上的主軸控制接口(XS9)中的模擬量輸出信號(模擬電壓),作為主軸單元的速度給定;利用PLC 輸出控制啟、停(或正、反轉)及定向。華中HNC-21數(shù)控裝置與主軸伺服的接線圖如圖3-15所示。圖3-15 數(shù)控裝置與主軸伺服的接線圖圖3-16 數(shù)控裝置與主軸伺服的接線圖位置反饋來自主軸伺服圖3-17 數(shù)控裝置與主軸伺服的接線圖位置反饋來自外部編碼器需車削螺紋或攻絲時,可利用主軸伺服本身反饋給數(shù)控裝置接口XS9的主軸位置信息,如圖3-16所示;也可外接主軸編碼器,如圖3-17所示。6主軸準??刂浦鬏S準停指使主軸準確停止在某一固定位置,以便加工中心在該處換刀等操作?,F(xiàn)代數(shù)控機床中,一般采用電氣控制方式使主軸定向,只要數(shù)控裝置發(fā)出M19主軸準停指令,主軸就能準確的定向。它是利用安裝在主軸上的主軸位置編碼器或接近開關(如磁性接近開關、光電開關等)作為位置反饋元件,控制主軸準確的停止在規(guī)定的位置上。主軸準停控制,實際上是在主軸速度控制的基礎上,增加一個位置控制環(huán)。圖3-18分別為采用主軸位置編碼器或磁性開關兩種方
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