張麗娟¹　王剛²　張爾魯²  

（1.西京學院機械工程學院；2.西安法士特集團有限責任公司）

摘　要：為了將MB2120B數控內圓磨床電主軸的配套變頻器國產化，采用國產通用型臺達VFD- B系列變頻器來代替原進口的VACON NLX系列變頻器。經過改造后的內圓磨床完全能夠滿足生產需求。經過一年多的生產使用，運行穩定。

關鍵詞：變頻器；Z高輸出頻率；電主軸；參數設置

0　引言

目前數控機床電主軸都采用交流伺服控制，但交流伺服電主軸價格昂貴，多用在對速度控制精度要求高、調速范圍寬、升降速時間短、制動迅速、對分度有要求的場合。無錫機床股份有限公司MK2120B數控內圓磨床對砂輪拖動要求是：砂輪線速度達到55 m/s，換算成砂輪轉速為24 000 r/min，不要求調速及頻繁啟停。故不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臺三相異步電動機，驅動動采用荷蘭產VACONNLX系列變頻器，型號為NLX00465C5H1SSS0000，額定功率為18.5 k V；額定電流為46 A，額定電壓為AC 400 V，由于電主軸為4極，額定轉速為24 000 r/min，根據轉速計算公式n=60f/p，所以要求變頻器Z高輸出頻率為800 Hz，而通用VACON變頻器Z高輸出頻率為320 Hz，不能滿足轉速要求，所以需要特殊訂貨，一般情況下訂貨周期為90個工作日，而且價格為3萬元左右。如果內圓磨床砂輪變頻器發生故障，在沒有備件的情況下，這臺磨床將會停機Z少3個月。所以我們就希望能找到一個通用變頻器代替進口VACONNLX系列變頻器。

1、實例分析及現狀

臺灣臺達公司VFD-B系列變頻器，Z高輸出頻率Z高為400 Hz，不能滿足800 Hz的頻率要求，現有的電主軸備件有兩種，一種為4極，還有一種為2極。如果把4極磨頭電主軸換成2極的電主軸，根據轉速計算公式n =60f/p，輸入400 Hz的頻率時剛好滿足轉速為24 000 r/min的工藝要求，而且電主軸的更換在機械設計上特別方便。

2、設計改進及變頻器參數設定

基于以上的思路，我們對變頻器重新選型，確定型號為VFD185B43A。圖1是原VACONNLX系列變頻器接線圖，經分析，KA1為砂輪電主軸啟動信號，KA7為變頻器故障復位信號，RO1/1和RO1/2為變頻器故障信號輸出的常閉觸點。

圖1 VACON NLX系列變頻器接線圖

圖2 臺達VFD-B系列變頻器接線圖

實際控制過程為：當需要啟動砂輪時，按下手動啟動按鈕或者在零件加工程序中編寫相應的M功能 （輔助功能）指令，在CNC系統的PMC中經過邏輯運算，將運算結果輸出到系統I/O板相應地址的驅動晶體管，驅動晶體管控制外部中間繼電器KA1線圈，KA1線圈得電，KA1的常開觸點閉合，控制變頻器的可編程輸入點DIN1，DIN1在變頻器參數中設定為正向啟動功能。DIN1和+24 V端子接通，電主軸啟動，DIN1和+24 V端子斷開，電主軸停止。

變頻器的可編程輸入點DIN2和+24 V端子接通，變頻器復位，正常工作時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繼電器的常閉觸點，在變頻器正常工作時，RO1/1和RO1/2兩點接通，在變頻器故障報警時RO1/1和RO1/2兩點斷開，也就是變頻器正常工作時PMC的X2.0輸入為1，當變頻器故障時，RO1/1和RO1/2兩點斷開，PMC的X2.0輸入為0，PMC將做相應的邏輯處理，使CNC系統處于急停狀態，并做出相應的報警顯示。

根據以上的動作要求，將臺達VFD-B變頻器按圖2接線，并按照表1設置相應的參數：

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

表1 VFD-B變頻器參數設置

2）在節能運轉開啟時，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動計算Z佳的電壓值供給負載。此功能不適用負載變動頻繁的場合。

3 、安裝調試

3.1 電動機參數自動測量

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圈線-線間電阻值和空載電流值，使變頻器對電主軸控制達到Z佳狀態，這樣既節能又不會使電主軸發熱太嚴重，對延長變頻器和電主軸的壽命有很大的作用。這一步可通過儀器檢測來完成，如果要精確測量并得到電動機每相線圈的阻值，需要用雙臂電橋來完成。因為一般的單位很難找到這樣的儀器，而變頻器的該項功能就很容易解決這個問題。具體操作步驟如下：

1）驅動器的所有參數設定為出廠值。

2）將電動機所帶的負載卸掉。

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

4）將參數07-05設定為02，按下變頻器操作面板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加速時間+參數01-10減速時間。

5）執行完畢后，檢查參數07-01和07-06兩個參數是否已自動將測量數據填入。若沒有，則將參數07-05設定為02，并按RUN鍵。

3.2 參數設置

檢查無誤后，可按照表1的參數設置系統的其他參數。

3.3 調試

當所有參數設定完成后，進行調試，步驟如下：

1)設定變頻器的頻率值并檢查電動機的轉向。在系統無報警的情況下，在變頻器操作面板上輸入一個范圍在20～30 Hz之間的頻率值，將機床操作方式選擇JOG，點動砂輪啟動鍵，觀察砂輪有無啟停動作。如果砂輪不啟動，則檢查變頻器參數和變頻器的接線；如果砂輪啟動，則觀察電主軸轉向和要求是否一致，如果不一致，檢查電動機電源線相序，并改變電源線相序，使電動機的轉向和要求一致。

2） 磨床加速調整。在變頻器操作面板上輸入400Hz頻率，即電主軸的額定頻率，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時間參數設置過短，適當加長01-09加速時間值。經反復調試后，設定參數01-09加速時間值為20 s。若加速過程沒問題，以400 Hz運行一段時間，觀察運轉是否正常，也可通過控制面板上LED監視電主軸運行時的電流值。如果控制運行時的電流值不大于電動機額定電流40％～50％，則達到要求。

3）磨床降速動作調整。觀察在電主軸降速時有無過電壓現象。如果有，則說明變頻器減速時間參數設置過短，適當加長01-10減速時間值即可。

4）嘯叫雜音的調節。在升降速及穩速無報警后，觀察磨床在運轉過程中，電動機有無嘯叫雜音，如果有，可適當降低參數02-03 PWM載波頻率，嘯叫聲就會明顯減小。但是這樣又會使變頻器對外部設備的電磁干擾增強，功率模塊IGBT溫度升高，所以必須找到一個平衡點，既減小了嘯叫，又不干擾其他設備。因此，不是PWM載波頻率越小越好。

5）試機運行。上述工作做完以后，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后，磨削加工不會有問題。

4、結語

改造后的數控內圓磨床經過1年多時間使用，設備運行穩定，未發現變頻器或磨頭電主軸出現問題，完全滿足生產工藝要求。并且設備功能完善，節約了成本，值得推廣和借鑒。

來源：《機械工程師》 2019年07期