數控車輪車床主軸變頻技術改造

泮建華

（上海鐵路局杭州北車輛段 杭州）

數控機床是輪對鏇修加工的重要設備，設備性能的穩定和加工精度的準確，對貨車輪對質量和安全起著重要作用。主軸是機床的核心部件，主軸電機的控制對機床的精度和穩定性也起著決定性作用。要使被加工的輪對尺寸符合規定，精度合格，同時確保在運行中的穩定，車床主軸的穩定可靠顯得尤為重要。通過對數控車床與變頻器電機控制方面知識的學習和現場對數控車床主軸電機的變頻技術改進，論述數控車床主軸電機在運用變頻技術之后，達到提高加工穩定性、加工精度、平滑加減速、節能等優點。

一、現狀及存在問題

1.數控車輪車床現狀

杭州北車輛段修車大庫經過擴能改造后，日出車量由原來的30輛提高到現在的70輛（含廠修車輛），以車輛段目前輪對60%左右的鏇修率計算，日均鏇修輪對達到170余對。目前用于輪對鏇修加工的數控車輪車床增加到8臺，車床操作工采取早、中兩班工作制，每個班次5人，因此每臺車床的日均輪對加工數達34對左右。車床數控系統均采用西門子公司的802D系統，主軸采用Y-△-YY，3速電機帶動，平均功率40 kW。因數控加工要求精確、可靠，對主軸電機啟動、變速、運行的穩定性要求很高，加上車輛段目前輪對鏇修加工量大的特點，如何改善數控車床主軸控制方式，提高輪對鏇修效率和精度成為了設備維修人員的重要課題。

2.運行中存在的主要問題和原因

（1）主軸電機功率大，電機采用的硬啟動方式，啟動瞬間電流急劇增大，不僅對電網電壓造成很大沖擊，而且還會對電網容量要求過高，車輛段車輪車床與輪對探傷設備處于同一網路中，車床頻繁啟動產生的大電流對電網的沖擊已影響到探傷設備的正常使用。此外啟動產生的大電流和震動對相關零部件（各種閥類）的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。由此造成的油路和各種閥類問題，占維修量的很大比例，影響設備使用效率，增加設備維修人員的工作強度。

（2）車床主軸在運行時，由于加工刀具、被加工材料以及對工件加工的不同要求為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，這就要求傳動系統有足夠寬的調速范圍。同時在不同轉速下又有具體的要求：高速下，要求速度穩定，盡可能提供主軸電機的最大功率，即恒功率范圍要寬；低速下，要求提供大轉矩輸出，以滿足重切削的要求。采用現行的齒輪傳動變檔，主軸在變檔調速時由于轉速不是一個平滑的曲線，在加速或減速運行時，由于絲杠的進給速度在系統設定下是恒定的，由此造成的進給速度不匹配，易造成刀頭的磨損甚至崩斷刀頭，造成刀頭使用費用居高不下。

（3）系統對過電流保護的設計不夠合理。在車削過程中容易出現吃刀量過大現象，此時絲杠承受較大的切削力，但由于未設置高靈敏度的過電流保護裝置，使刀架扔按照程序運行，長時間工作必定會造成絲杠磨損，致使系統出現報警，設備無法正常工作。通常情況下要處理絲杠問題需要將刀架整體拆除，不僅需要耗費大量時間且購買新絲杠費用較高，期間造成設備長時間停臺也嚴重影響生產進度。

（4）主軸制動效果差，目前主軸采用能耗制動，在高速下主軸從制動開始到完全停止需要5～10 s，制動效果不明顯，由于制動時間長，若發生突發情況主軸無法立即制動，存在安全隱患。

（5）該設備月均運行時間長，消耗的電能大，怎樣通過改進節約設備耗能也是設備維修人員面臨的一個課題。圖1為數控系統與主軸控制結構示意圖。

圖1 數控系統與主軸控制結構示意圖

3.數控機床主軸要求

主軸是車床構成中一個重要部分，功率消耗占機床總功率的70%～80%，性能直接影響到機床的加工效率、加工材料范圍、加工質量等。數控機床將高效、高精度和高柔性集為一體。為滿足數控車床對主軸驅動的要求，主軸必須具備幾個性能：（1）要有較寬調速范圍且速度穩定性能要高；（2）在斷續負載情況下，電機的轉速波動范圍要小；（3）電機加減速時間要短；（4）抗過載能力強；（5）噪聲低、振動小、壽命長。

二、主軸電機變頻改進方案

利用段已拆除原空壓機上使用的艾默生EV2000-4T0750G型變頻器，改造主軸，實現主軸運行頻率可控。

1.主軸系統異步電機變頻控制的基本原理

由異步電機理論可知，主軸電機轉速公式見式（1）。

式中 p——電機的極對數

s——轉差率

f——供電電源的頻率

n——電機的轉速

從式（1）可看出，電機轉速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑的調電機轉速，而對于變頻器而言，頻率可在0～400 Hz（甚至更高頻率）之間任意調節，因此主軸電機轉速即可以在較寬的范圍內調節。轉速提高后，還應考慮到對軸承及繞組的影響，防止電機過分磨損及過熱，一般可以通過設定最高頻率來進行限定。

2.變頻控制現狀

在相當長的時期內，直流調速一直以其優異的性能統治著電氣傳動領域。隨著電力電子技術、控制技術和微電子技術的飛速發展，使得交流調速性能可以與直流調速相媲美。目前，交流調速已進入逐步代替直流調速的時代。

對交流電機（異步電機或同步電機）轉速的調節，公認的交流電機調速是最理想、最有前途的調速方案。除了具有卓越的調速性能之外，變頻器調速系統還有顯著的節能作用，是企業技術改造和產品更新換代的理想調速裝置，是作為節能應用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設備。變頻技術是電力電子技術的主要組成部分，主要用于需要交流電源的電壓、頻率可調（或恒壓、恒頻）的用電設備，如交流電機、中頻電源及各種專用電源的中間環節。變頻器在數控機床上的應用簡圖見圖2。

3.主軸變頻改造實施方案

（1）選擇合理位置安裝變頻器，按要求布置線路。變頻器主電路接線圖見圖3。

圖2 變頻器在數控機床上的應用

（2）根據工件加工要求設置變頻器各參數。①設置電機參數，額定功率FH.01在0.4～999.9 kW，額定電流FH.02在0.1～999.9 A；設置功能參數，頻率給定通道F0.00為VCI模擬給定（VCIGND)，運行命令通道F0.03為端子運行命令通道（LED)滅，運轉方式F0.04為正轉，最大輸出頻率MAX（50.00， 上 限 頻 率F0.12）～650 Hz，設定為50 Hz，基本運行頻率為50 Hz，為防止主軸反轉，設置防反轉F3.00為禁止反轉，設置點動運行頻率為F3.13為5 Hz，點動加速時間F3.15為10 s；②設置過程閉環控制參數，F5.02反饋通道選擇由VCI模擬電壓輸入 0～10 V，最大給定量F5.10為100%；③設置相關保護參數，FL.04過載預報警檢出，檢出水平相當于電機額定電流（告警時故障代碼E014），自動限流水平FL.07限流水平120%，保護動作FL.12，告警并自動減速運行。

圖3 變頻器主電路接線圖

三、改進后效果

（1）主軸點動、啟動及運行平穩，即實現了主軸的軟啟動。采用軟啟動的優點：①平滑加減速，有效避免了硬啟動對設備各部件的損傷，增強設備運行的穩定性，提高設備使用壽命。②避免了頻繁啟動與停止對電網電壓的沖擊，有利于電網長期穩定運行。③變頻器采用二極管整流，相對軟啟動器安全的高次諧波少，網側的高次諧波減少，功率因數提高。④提高運行的穩定性，減少刀片損耗，實現主軸加減速的平滑，提高工件加工質量。⑤提高安全性。降低機械配件損毀、電網劇烈波動、電機燒毀、停車失靈、操作人員誤傷等安全隱患。

（2）減少電能消耗。通過實際測試得出，正常切削時的電流是方案實施之前的70%，每年僅電費就可節省30多萬元。

（3）自動電壓調節（AVR）。當電網電壓變化時自動保持輸出電壓恒定；自動限流，對運行期間電流自動限制，防止頻繁過電流故障。運用此項功能設計過電流自動報警，提醒操作人員合理選擇進給吃刀量。由此可有效解決絲杠磨損嚴重等問題。

（4）去除了不必要的接觸器、變速齒輪等，在提高設備運行穩定性的同時，節省大量維修經費。

（5）實現主軸快速制動，利用變頻器的減速停車功能，實現主軸快速停車，提高設備使用效率且有效保護操作人員的安全。

（6）變頻控制的實現，使主軸運行穩定，切削過程中調速平滑，有效防止刀架損壞，減輕了刀頭的磨損，刀頭使用費用降低。