摘要：
机床是工作母机的总称，包括车床,铣床,模床,冲床,刨床等,由于加工材质的不同,需要不同的转速,因此采用变频调速的机会很多,主轴传动结构一般采用交流电机和伺服电机，通过带传动把运动传给主轴，从而使主轴达到一定的转速，来完成切削加工。现在经济型数控机床中，一般使用变频器做为驱动部件。本文针对数控机床和普通机床改造中对主轴传动变频调速系统的应用需求，广州万纬电子科技有限公司用低压变频器的解决和实现方案。
关键词: 汇川变频器；万纬科技；数控机床；主轴；驱动
引言： 数字控制机床，简称数控机床（NC ， Numerical Control）,是三十年来综合应用集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品，在现代机床生产中，一般采用多电机拖动，主轴和各进给系统分别由各自的电机来拖动。由于机床加工范围较广，不同的工件，不同的工序，使用不同的刀具，要求机床执行部件具有不同的运动速度，因此机床的主运动应能进行调速，主轴调速系统一般采用交流主轴系统，随着变频调速技术的发展，数控机床的主轴的交流拖动，同样能够很好满足需要。主驱动电机通过皮带传动带动主轴旋转，或通过皮带传动和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩）带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。
在机械制造业中，用普通机床加工复杂的零部件或具有较高精确度的批量产品时，需要熟练的技术工人手工操作来完成，这种效率低下的传统加工方式已无法满足现代制造业的需求。随着计算机技术的飞速发展，先进的加工中心和数控机床应运而生，逐渐成为主流的工具机床。广州万纬电子科技有限公司专注工控领域系统集成和系统改造项目。
数控机床的变频器配置：
在机床的调速系统中，传统复杂的齿轮箱式分级调速方式，在数控机床中得到极大的改进，采用更为先进的变频无级调速方式。对于1.5kW三相交流电动机，选配汇川高性能矢量控制MD300系列，
数控机床的变频器要求：
1、数控车床高生产率、高削切精度、高稳定性、高柔性要求。
2、动态响应速度快，使电机主轴能高速稳定运行。
3、满足复杂、不规则形状零件的高深度和高强度削切要求。
4、加减速时间0.1秒，实现无衔接式正反转运行。
5、抗干扰性强，通过严格CNC综合测试，不会对系统造成任何干扰。
6、稳速精度高，低速时速度变化率小，运行平滑。
MD300变频控制系统优势
(1)主轴变频调速的范围很宽，MD300开环矢量变频器能在0-600Hz范围内实现无级调速，能充分满足主轴对调速范围的要求。
(2)数控机床配套使用变频器可以简化齿轮箱等原有复杂的机械传动机构，而且操作简单，维修方便。
(3)变频器在低频下可以提供150％负载转矩的能力，符合机床主轴电机具有较硬机械特性的要求，能够提供150％的过载保护(60s)，使机床在低速时具有强大过载能力。
(4)变频器具有的电压、电流模拟输入端口，数控机床的控制信号可以很好地与变频器配合使用。
(5)大大提高机床的加工精度和生产效率，对于产品质量的提高、产量的增加、成本的降低、自动化程度的提高和维修量的减少有着重要的作用。
数控机床的变频器联接图
数控机床对应用技术的要求
1、电机要求
通常要求用变频电机，或者普通电机加风扇以满足电机在低频的散热要求、并且要求电机调速范围广。
2、变频器的技术要求
1）要求低频力矩大
选用矢量变频器，低频时（1～10Hz）能出来150%额定转矩。
2）转矩动态响应速度快，稳速精度高
选用矢量变频器，能实现很好的动态响应效果，依据负载的变化，通过输出转矩的变化很快做出响应，从而实现转轴速度的稳定。
3）减速停车速度快
通常数控机床的加减速时间都是比较短的，加速时间靠变频器的性能保证，减速时间则依靠外加制动电阻或制动单元。
4）进行电机参数自学习
选用矢量变频器后，要达到很好的控制性能通常都需要对电机进行参数自学习，其目的是获取准确的电机内部参数，以用于矢量控制计算。参数自学习所需要的电机铭牌参数有：电机额定功率、电机额定频率、电机额定转速、电机额定电压、电机额定电流。有的变频电机的铭牌上可能没标额定转速值，可以根据经验值估计一下额定转速。在进行参数自学习时，务必要在空载（电机轴上不接负载）的时候进行。只有在空载的时候才能保证自学习出来的电机参数的准确性。
如果现场条件没办法进行空载运行，可以考虑用变频器出厂的电机参数试运行。
5）频率指令和运行指令
数控机床上使用的变频器其频率指令和运行指令都来源于CNC控制器，一般给定的的通道有两种，一种是模拟量给定，另一种是多段速给定，或者两者同时给定，以多段速优先。模拟量给定以电压型模拟量为主，也有电流型的。变频器对这两种类型的模拟量都可以采集。
3、抗干扰问题
变频器在出厂的时候作了很好的抗干扰试验，具有很强的抗干扰能力，但变频器同时也是一个干扰源，在使用中很难避免不对其它设备进行干扰，在数控机床上最容易被干扰的设备是CNC控制器。一旦CNC控制器受干扰后，系统将不能正常工作。特别是变频器的频率指令和运行指令也可能会受到干扰，干扰严重的会造成频率指令不稳定，变频器误动作等。解决此类问题的办法是在变频器的输出线上加磁环以减少高频辐射。一般进口的CNC的抗干扰能力较强。
下面以ECOM系列高性能矢量变频器在沈阳某数控机床厂的应用为例，讲述数控机床的变频调速控制技术。
系统构成
MD300变频器 制动电阻100Ω/520W 5.5KW调速电机 CNC数控系统和性能指标：
（4）提供标准的0～10V模拟量接口，能够与大多数数控系统接口兼容，通用性强
（5）过负载能力强，150%额定输出电流一分钟；
（6）提供多功能的输出端子信号，例如故障输出信号，运行中信号，速度到达等输出信号，能够很好的满足系统对于主轴速度状态的监控；
3 调试参数：
F0-00 0：矢量控制
F0-01 1：端子命令通道
F0-02 3：AI1
F0-05 加速时间：2.0～3.0s
F0-06 减速时间：2.0～3.0s
F0-09 DI1端子功能：1，正转
F0-10 DI2端子功能：2，反转
F6-00 最大频率：100.00Hz
F6-01 上限频率：100.00Hz
F6-03 载波频率：10.0kHz
F1组（电机参数），根据电机铭牌输入，进行完整调谐。F2矢量参数为出厂默认值
调试结果
事实证明采用MD300系列高性能矢量变频器完全能够满足机床主轴控制的要求。MD300采用的领先的磁通算法，即使在低转速（低频）运行下也能平稳输出150%的转矩，以满足不同零件的加工需要，完全可以取代传统的滚动轴承主轴结构，并且此主轴结构简单、紧凑、可以实现真正的无级调速。此主轴的转速由外部模拟量信号来控制输出频率，在不同的加工工艺（如；粗加工、精加工等）需要不同的转速，此时可由数控系统输出不同的模拟量电压信号给变频器，实现不同的转速，同时启停信号也由数控系统控制，提高了自动化程度、延长了刀具的使用寿命。
变频器在数控机床上的应用如图所示：
主轴变频控制的基本原理
由异步电机理论可知，主轴电机的转速公式为:
n=(60f/p)×(1-s)
其中P—电动机的极对数，s—转差率，f—供电电源的频率，n—电动机的转速。从上式可看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0～400Hz(甚至更高频率)之间任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。
主轴变频控制的系统构成
不使用变频器进行变速传动的数控车床一般用时间控制器确认电机转速到达指令速度开始进刀，而使用变频器后，机床可按指令信号进刀，这样一来就提高了效率。如果被加工件如图2-2所示所示形状，则由图2-2中看出，对应于工件的AB段，主轴速度维持在1000rpm，对应于BC段，电机拖动主轴成恒线速度移动，但转速却是联系变化的，从而实现高精度切削
主轴变频器系统构成示意
在本系统中，速度信号的传递是通过数控装置到变频器的模拟给定通道(电压或电流)，通过变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置，数控装置就可以方便而自由地控制主轴的速度。该特性曲线必须涵盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置，以满足数控车床快速正反转、自由调速、变速切削的要求。
主轴变频的基本选型
目前较为简单的一类变频器是V/F控制(简称标量控制)，它就是一种电压发生模式装置，对调频过程中的电压进行给定变化模式调节，常见的有线性V/F控制(用于恒转矩)和平方V/F控制(用于风机水泵变转矩)。
标量控制的弱点在于低频转矩不够(需要转矩提升)、速度稳定性不好(调速范围1:10)，因此在车床主轴变频使用过程中被逐步淘汰，而矢量控制的变频器正逐步进行推广。
所谓矢量控制，最通俗的讲，为使鼠笼式异步机像直流电机那样具有优秀的运行性能及很高的控制性能，通过控制变频器输出电流的大小、频率及其相位，用以维持电机内部的磁通为设定值，产生所需要的转矩。
矢量控制相对于标量控制而言，其优点有:(1)控制特性非常优良，可以直流电机的电枢电流加励磁电流调节相媲美;(2)能适应要求高速响应的场合;(3)调速范围大(1:100);(4)可进行转矩控制。
当然相对于标量控制而言，矢量控制的结构复杂、计算烦琐，而且必须存贮和频繁地使用电动机的参数。矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，区别在于后者具有更高的速度控制精度(万分之五)，而前者为千分之五，但是在数控车床中无速度传感器的矢量变频器的控制性能已经符合控制要求，所以这里推荐并介绍无速度传感器的矢量变频器。
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无速度传感器的矢量变频器
无速度传感器的矢量变频器目前包括西门子、艾默生、东芝、日立、LG、森兰等厂家都有成熟的产品推出，总结各自产品的特点，它们都具有以下特点:(1)电机参数自动辩识和手动输入相结合;(2)过载能力强，如50%额定输出电流2min、180%额定输出电流10s;(3)低频高输出转矩，如150%额定转矩/1HZ;(4)各种保护齐全(通俗地讲，就是不容易炸模块)。
无速度传感器的矢量控制变频器不仅改善了转矩控制的特性，而且改善了针对各种负载变化产生的不特定环境下的速度可控性。图3-1所示，为某品牌无速度传感器变频器产品在低频和正常频段时的转矩测试数据(电机为5.5kW/4极)。从图中可知，其在低速范围时同样可以产生强大的转矩。在实验中，我们同样将2Hz的矢量变频控制和V/F控制变频进行比较发现，前者具有更强的输出力矩，切削力几乎与正常频段(如30Hz或50Hz)相同。
3.3 矢量控制中的电机参数辨识
由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流，因此在其内部的算法中大量涉及到电机参数。从图3-2的异步电动机的T型等效电路表示中可以看出，电机除了常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外，还有R1(定子电阻)、X11(定子漏感抗)、R2(转子电阻)、X21(转子漏感抗)、Xm(互感抗)和I0(空载电流)。
参数辨识中分电机静止辨识和旋转辨识2种，其中在静止辨识中，变频器能自动测量并计算顶子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗，并同时将测量的参数写入;在旋转辨识中，变频器自动测量电机的互感抗和空载电流。
图3-2 异步电动机稳定态等效电路
在参数辨识中，必须注意:(1)若旋转辨识中出现过流或过压故障，可适当增减加减速时间;(2)旋转辨识只能在空载中进行;(3)如辨识前必须首先正确输入电机铭牌的参数。
专用机床的合理应用
曲轴高效专用机床也有它的加工局限性，只有合理应用合适的加工机床，才能发挥出曲轴加工机床的高效专用性，从而提高工序的加工效率。
1．当曲轴轴颈有沉割槽时，数控内铣机床不能加工；如果曲轴轴颈轴向有沉割槽时，数控高速外铣机床和数控内铣机床均不能加工，但数控车-车拉机床能很方便地加工。
2．当平衡块侧面需要加工时，数控内铣机床应当为首选机床，因为内铣刀盘外圆定位，刚性好，尤其适用于加工大型锻钢曲轴；此时不适合用数控车-车拉机床，因为在曲轴的平衡块侧面需要加工的情况下，采用数控车-车拉机床加工，平衡块侧面是断续切削，且曲轴转速又很高，在这种工况下，崩刀现象比较严重。
3．当曲轴的轴颈无沉割槽，且平衡块侧面不需加工时，原则上几种机床都能加工。当加工轿车曲轴时，主轴颈采用数控车-车拉机床，连杆颈采用数控高速外铣机床则应成为最佳高效加工选择；当加工大型锻钢曲轴时，则主轴颈和连杆颈均采用数控内铣机床比较合理。
曲轴可以分为体形较大的锻钢曲轴和轻量化的轿车曲轴，锻钢曲轴轴颈一般无沉割槽，且侧面需要加工，余量较大；轿车曲轴一般轴颈有沉割槽，且侧面不需要加工。因此可以得出结论：加工锻钢曲轴采用数控内铣机床，加工轿车曲轴主轴颈采用数控车-车拉机床。
注：联系我时，请说是在“傲立机床网”上看到的，谢谢！
