MB2120B型数控内圆磨床电主轴变频器的改造
2020-11-13 来源：西京学院机械工程 西安法士特集团 作者：张丽娟 王刚 张尔鲁
摘要：为了将MB2120B数控内圆磨床电主轴的配套变频器国产化，采用国产通用型台达VFD- B系列变频器来代替原进口的VACON NLX系列变频器。经过改造后的内圆磨床完全能够满足生产需求。经过一年多的生产使用，运行稳定。
关键词：变频器；最高输出频率；电主轴；参数设置
0 引 言
目前数控机床电主轴都采用交流伺服控制，但交流伺服电主轴价格昂贵，多用在对速度控制精度要求高、调速范围宽、升降速时间短、制动迅速、对分度有要求的场合。无锡机床股份有限公司MK2120B数控内圆磨床对砂轮拖动要求是：砂轮线速度达到55 m/s，换算成砂轮转速为24 000 r/min，不要求调速及频繁启停。故不采用交流伺服电主轴，而采用交流异步高频电主轴。
从原理上来讲，交流异步高频电主轴电动机其实就是一台三相异步电动机，驱动采用荷兰产VACONNLX系列变频器，型号为NLX00465C5H1SSS0000，额定功率为18.5 k V；额定电流为46 A，额定电压为AC 400 V，由于电主轴为4极，额定转速为24 000 r/min，根据转速计算公式n=60f/p，所以要求变频器最高输出频率为800 Hz，而通用VACON变频器最高输出频率为320 Hz，不能满足转速要求，所以需要特殊订货，一般情况下订货周期为90个工作日，而且价格为3万元左右。如果内圆磨床砂轮变频器发生故障，在没有备件的情况下，这台磨床将会停机最少3个月。所以我们就希望能找到一个通用变频器代替进口VACONNLX系列变频器。
1、 实例分析及现状
台湾台达公司VFD-B系列变频器，最高输出频率最高为400 Hz，不能满足800 Hz的频率要求，现有的电主轴备件有两种，一种为4极，还有一种为2极。如果把4极磨头电主轴换成2极的电主轴，根据转速计算公式n =60f/p，输入400 Hz的频率时刚好满足转速为24 000 r/min的工艺要求，而且电主轴的更换在机械设计上特别方便。
2、 设计改进及变频器参数设定
基于以上的思路，我们对变频器重新选型，确定型号为VFD185B43A。图1是原VACONNLX系列变频器接线图，经分析，KA1为砂轮电主轴启动信号，KA7为变频器故障复位信号，RO1/1和RO1/2为变频器故障信号输出的常闭触点。
图1 VACON NLX系列变频器接线图
图2 台达VFD-B系列变频器接线图
实际控制过程为：当需要启动砂轮时，按下手动启动按钮或者在零件加工程序中编写相应的M功能 （辅助功能）指令，在CNC系统的PMC中经过逻辑运算，将运算结果输出到系统I/O板相应地址的驱动晶体管，驱动晶体管控制外部中间继电器KA1线圈，KA1线圈得电，KA1的常开触点闭合，控制变频器的可编程输入点DIN1，DIN1在变频器参数中设定为正向启动功能。DIN1和+24 V端子接通，电主轴启动，DIN1和+24 V端子断开，电主轴停止。
变频器的可编程输入点DIN2和+24 V端子接通，变频器复位，正常工作时DIN2和+24 V端子应断开。RO1/1和RO1/2为变频器故障信号输出信号继电器的常闭触点，在变频器正常工作时，RO1/1和RO1/2两点接通，在变频器故障报警时RO1/1和RO1/2两点断开，也就是变频器正常工作时PMC的X2.0输入为1，当变频器故障时，RO1/1和RO1/2两点断开，PMC的X2.0输入为0，PMC将做相应的逻辑处理，使CNC系统处于急停状态，并做出相应的报警显示。
根据以上的动作要求，将台达VFD-B变频器按图2接线，并按照表1设置相应的参数：
1）此参数设定为01或02时，表示进行电动机参数自动测量，驱动器接收到运转命令后，立即执行自动测量工作。当设定为01时，只测量电动机一次侧电阻值R1，空载电流值参数07-01需手动输入，此时电动机不转动；当设置为02时需将负载卸下，自动测量电动机一次侧电阻值R1和空载电流值，自动测量完成后，并将测量值自动写入参数07-01和07-06。
表1 VFD-B变频器参数设置
2）在节能运转开启时，在加减速过程中以全电压运转，定速运转时会由负载功率自动计算最佳的电压值供给负载。此功能不适用负载变动频繁的场合。
3 、安装调试
3.1 电动机参数自动测量
此目的是通过变频器对电动机参数自动测量，自动测出电主轴的定子线圈线-线间电阻值和空载电流值，使变频器对电主轴控制达到最佳状态，这样既节能又不会使电主轴发热太严重，对延长变频器和电主轴的寿命有很大的作用。这一步可通过仪器检测来完成，如果要精确测量并得到电动机每相线圈的阻值，需要用双臂电桥来完成。因为一般的单位很难找到这样的仪器，而变频器的该项功能就很容易解决这个问题。具体操作步骤如下：
1）驱动器的所有参数设定为出厂值。
2）将电动机所带的负载卸掉。
3）将电动机铭牌上的额定电压写入参数01-02，额定频率写入参数01-01，额定电流写入参数07-00，电动机极数写入参数07-04，额定转差写入参数07-08。
4）将参数07-05设定为02，按下变频器操作面板RUN键，执行自动测量动作，此时电动机会转动，执行的时间约为：15 s+参数01-09第一加速时间+参数01-10第一减速时间。
5）执行完毕后，检查参数07-01和07-06两个参数是否已自动将测量数据填入。若没有，则将参数07-05设定为02，并按RUN键。
3.2 参数设置
检查无误后，可按照表1的参数设置系统的其他参数。
3.3 调试
当所有参数设定完成后，进行调试，步骤如下：
1)设定变频器的频率值并检查电动机的转向。在系统无报警的情况下，在变频器操作面板上输入一个范围在20～30 Hz之间的频率值，将机床操作方式选择JOG，点动砂轮启动键，观察砂轮有无启停动作。如果砂轮不启动，则检查变频器参数和变频器的接线；如果砂轮启动，则观察电主轴转向和要求是否一致，如果不一致，检查电动机电源线相序，并改变电源线相序，使电动机的转向和要求一致。
2） 磨床加速调整。在变频器操作面板上输入400Hz频率，即电主轴的额定频率，启动砂轮，观察在电主轴加速时有无过电流报警，有报警说明变频器加速时间参数设置过短，适当加长01-09第一加速时间值。经反复调试后，设定参数01-09第一加速时间值为20 s。若加速过程没问题，以400 Hz运行一段时间，观察运转是否正常，也可通过控制面板上LED监视电主轴运行时的电流值。如果控制运行时的电流值不大于电动机额定电流40％～50％，则达到要求。
3）磨床降速动作调整。观察在电主轴降速时有无过电压现象。如果有，则说明变频器减速时间参数设置过短，适当加长01-10第一减速时间值即可。
4）啸叫杂音的调节。在升降速及稳速无报警后，观察磨床在运转过程中，电动机有无啸叫杂音，如果有，可适当降低参数02-03 PWM载波频率，啸叫声就会明显减小。但是这样又会使变频器对外部设备的电磁干扰增强，功率模块IGBT温度升高，所以必须找到一个平衡点，既减小了啸叫，又不干扰其他设备。因此，不是PWM载波频率越小越好。
5）试机运行。上述工作做完以后，就可以带载试机。观察磨削过程有无异常。一般按上述步骤调试完成后，磨削加工不会有问题。
4、 结语
改造后的数控内圆磨床经过1年多时间使用，设备运行稳定，未发现变频器或磨头电主轴出现问题，完全满足生产工艺要求。并且设备功能完善，节约了成本，值得推广和借鉴。
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