摘要：傳統(tǒng)的自動(dòng)車床實(shí)現(xiàn)主軸伺服定位控制大多采用專用交流主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由于價(jià)格昂貴，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控自動(dòng)車床上難以廣泛運(yùn)用，本文介紹一種基于四方電氣V360變頻器的主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了主軸快速、精確定位的改造應(yīng)用，該方案以低成本、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控自動(dòng)車床得到了廣泛應(yīng)用。

引言

由于機(jī)床加工范圍較廣，不同的工件，不同的工序，使用不同的刀具，要求機(jī)床執(zhí)行部件具有不同的運(yùn)動(dòng)速度，因此機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)應(yīng)能進(jìn)行調(diào)速，機(jī)床用戶對變頻器產(chǎn)品的調(diào)速作用更為關(guān)注。

主軸是車床構(gòu)成中一個(gè)重要的部分，對于提高加工效率，擴(kuò)大加工材料范圍，提升加工質(zhì)量都有著很重要的作用，變頻器主要應(yīng)用于主軸調(diào)速系統(tǒng)。目前在經(jīng)濟(jì)型自動(dòng)車床行業(yè)，變頻器以其低成本優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用。

一、自動(dòng)車床工藝介紹

1.自動(dòng)車床簡介

自動(dòng)車床，是一種高性能，高精度，低噪音的走刀式自動(dòng)車床，是通過凸輪來控制加工程序的自動(dòng)加工機(jī)床。另外也有一些數(shù)控自動(dòng)車床與氣動(dòng)自動(dòng)車床以及走心式自動(dòng)車床，其基本核心是可以經(jīng)過一定設(shè)置與調(diào)教后可以長時(shí)間自動(dòng)加工同一種產(chǎn)品。特別適合銅、鋁、鐵、塑料等精密零件加工制造，適用于儀表、鐘表、汽車、摩托、自行車、眼鏡、文具、五金衛(wèi)浴、電子零件、接插件、電腦、手機(jī)、機(jī)電、軍工等行業(yè)成批加工小零件，特別是較為復(fù)雜的零件。

2自動(dòng)車床工藝說明

裝工件:主軸轉(zhuǎn)動(dòng)到固定位置，機(jī)械手將工件裝入卡盤內(nèi)；

加工工件:主軸快速加速到所需轉(zhuǎn)速，通過刀臺(tái)的移動(dòng)加工產(chǎn)品；

卸工件:加工完成，將產(chǎn)品從卡盤內(nèi)推出，同時(shí)卡盤快速的轉(zhuǎn)動(dòng)到固定位置裝入下一個(gè)工件。

二、現(xiàn)場工藝要求及調(diào)試方案

1.現(xiàn)場要求:

（1）啟停速度快---加減速時(shí)間要求：加速0.5S，減速0.3S；

（2）定位響應(yīng)快---定位時(shí)間：1秒以內(nèi)；

（3）定位精度要求高---在2個(gè)脈沖以內(nèi)；

2.調(diào)試方案

改造系統(tǒng)采用的方案為：高性能閉環(huán)矢量變頻器+分頻卡。系統(tǒng)方案中，變頻器配備分頻卡，使系統(tǒng)工作運(yùn)行在閉環(huán)矢量控制模式，實(shí)現(xiàn)變頻定位功能。因?yàn)樵谧詣?dòng)車床中，負(fù)載慣量大、減速時(shí)間短，需配備制動(dòng)電阻，具體選型方法《V360系列高性能矢量變頻器說明書》。

圖1 電氣接線圖

3、主軸變頻定位系統(tǒng)原理

本方案整體控制框圖見下圖2。變頻器采用不控整流方式從三相電網(wǎng)取電，由三相逆變?nèi)珮蛲ㄟ^空間矢量調(diào)制（SVPWM）、閉環(huán)矢量控制（Field orientation control）實(shí)時(shí)控制主軸電機(jī)；通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋到變頻器控制單元，反饋的轉(zhuǎn)速信號(hào)通過分頻卡換算為角度信號(hào)，與設(shè)定的角度做差，經(jīng)過PID單元運(yùn)算（加速過程PID,穩(wěn)態(tài)過程PID）得到下一拍主軸電機(jī)控制轉(zhuǎn)速指令（具有轉(zhuǎn)矩限幅功能）， 從而實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速、定位角度的實(shí)時(shí)精確控制。

圖2 主軸變頻定位系統(tǒng)原理框圖

4、調(diào)試步驟及參數(shù)設(shè)定：

系統(tǒng)中涉及到PID運(yùn)算，在設(shè)置比例增益P值、積分時(shí)間I值、微分時(shí)間D值時(shí)要按以下原則設(shè)置：轉(zhuǎn)速比例增益P值越大響應(yīng)越快，但系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，過大的增益可導(dǎo)致轉(zhuǎn)速震蕩；積分時(shí)間常數(shù)I值越小響應(yīng)越快，轉(zhuǎn)速超調(diào)越大，穩(wěn)定性越差。該參數(shù)與系統(tǒng)慣量成正比，慣量較大時(shí)，該參數(shù)應(yīng)當(dāng)設(shè)置較大數(shù)值。

參數(shù)組中轉(zhuǎn)速比例增益1在主軸加速過程中有效，數(shù)值較比例增益2大，用于提高響應(yīng)速度；比例增益2用于穩(wěn)態(tài)過程PI調(diào)整，為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，該參數(shù)數(shù)值較小。加速過程中兩組PI參數(shù)可以通過滯環(huán)或連續(xù)切換方式，自動(dòng)切換。

3、調(diào)試中出現(xiàn)的問題與解決方法：

（1）電機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)震動(dòng)及噪音

該現(xiàn)象原因：過大的增益比例P值有可能使轉(zhuǎn)速震蕩，從而穩(wěn)速精度下降，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定；反之，加速過程緩慢，系統(tǒng)響應(yīng)速度降低。載波頻率主要影響運(yùn)行中的音頻噪聲和熱效應(yīng)：載波頻率值較小，雖然提高了變頻器可帶最大負(fù)載量，但產(chǎn)生的噪音將同樣會(huì)增大。

解決方法：調(diào)整適當(dāng)?shù)腜ID增益（F8.1.21和F8.1.25）；增大載波頻率。

（2）定位精度不高，定位時(shí)間長

該現(xiàn)象原因：過小的位置環(huán)增益，導(dǎo)致了系統(tǒng)響應(yīng)速度減慢，在工況頻繁變化的情況下定位精度下降。

解決方法：增大位置環(huán)PID的增益(Fb.2.21)。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

南方某數(shù)控機(jī)床廠采用該變頻定位方案過程后，達(dá)到交流主軸伺服驅(qū)動(dòng)的性能，在一臺(tái)電機(jī)功率為2.2KW的自動(dòng)車床上進(jìn)行試運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

結(jié)論：

通過實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)用，將本方案應(yīng)用于自動(dòng)車床，實(shí)現(xiàn)了一次裝夾，節(jié)省了外部按鈕及中間繼電器，且加工效率也提高近20%，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，充分的發(fā)揮經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的優(yōu)越性；經(jīng)過長期應(yīng)用，本方案運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)迅速、定位精度高，與專用的交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比更適合應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型自動(dòng)車床領(lǐng)域。