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    機(jī)床設(shè)備對(duì)伺服系統(tǒng)的要求是：調(diào)速范圍寬(要求在100：1以上。如XT754型鏜銑床最低速度是10mm/min，最高速度是2500mm/min，其調(diào)速范圍d：2500：10=250：1)；速度控制精度高(在整個(gè)調(diào)速范圍，起制動(dòng)及運(yùn)行過程要求運(yùn)行穩(wěn)定)；定位準(zhǔn)確(當(dāng)下件快速進(jìn)給后定位時(shí)間短、定位行程小，從而可提高加工效率)。

    針對(duì)上述特點(diǎn)，我們選擇性能比較先進(jìn)的日本安川變頻器驅(qū)動(dòng)一般異步電動(dòng)機(jī)，對(duì)1臺(tái)XT754型鏜銑床的進(jìn)給直流伺服系統(tǒng)實(shí)施改造，從而使這臺(tái)鏜銑床的進(jìn)給實(shí)現(xiàn)交流伺服控制。

    1．交流伺服系統(tǒng)的組成

    由變頻器、異步電動(dòng)機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)和脈沖編碼器等組成，如圖1所示。

圖1

    (1) 變頻器是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它是一個(gè)多功能全數(shù)字式變頻器，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的能源變換和數(shù)據(jù)處理。它和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、脈沖編碼器、PG速度控制卡一起構(gòu)成典型的帶PG反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

    變頻器VS-616G5(CIMR-C5A43P7 3.7kW)為多功能全數(shù)字式。它有四種方式：無PG U/f控制、有PG U/f控制、無PG矢量控制和有PG矢量控制。當(dāng)選用有PG矢量控制方式時(shí)，其調(diào)速范圍可以達(dá)到1000：1，并且能夠?qū)崿F(xiàn)零速控制。

    (2) 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用一般籠型異步電動(dòng)機(jī)(Y132M1-6型，4kW、380V、9.4A、960r/min)，并配備強(qiáng)迫冷卻風(fēng)機(jī)(吵125mm軸流風(fēng)機(jī))。由于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要工作在低速狀態(tài)，在低速長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)易發(fā)熱，因此增加冷卻風(fēng)機(jī)是必要的。

    (3) 脈沖編碼器采用HLE-1024L-3F)k A型．安裝于電動(dòng)機(jī)的軸上，其軸徑要與電動(dòng)機(jī)軸徑相配合。它是構(gòu)成帶PG反饋系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要參數(shù)是每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)NP(變頻器參數(shù)P1-01)，由下式計(jì)算選擇。

    NP=60f/nN

    式中：f--速度控制卡工作頻率，Hz

          nN--電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min
 
    當(dāng)選用的電動(dòng)機(jī)為960r/min，PG-B2速度控制卡的工作頻率是20kHz時(shí)，NP=60X20000/960=1250。實(shí)際選用PG脈沖數(shù)為1024的脈沖編碼器。

    2．PG脈沖數(shù)與車銑精度的關(guān)系

    XT754型鏜銑床進(jìn)給系統(tǒng)的調(diào)速范圍是μ=10～1120mm/Min，快速進(jìn)給速度是2500mm/min。由于PG脈沖數(shù)與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速又直接反映了伺服裝置的行程。因此，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為最低速n=5.14r/min(D10mm/min)時(shí)，則：

    每個(gè)脈沖當(dāng)量=μ/(nXPG脈沖數(shù))=10/(5.14 X1024)=0.0019(mm)

    即每個(gè)脈沖行程是1.9lμm。

    3．調(diào)速指令電阻網(wǎng)絡(luò)匹配計(jì)算

    變頻器端子13為主速指令控制端，對(duì)應(yīng)10V電壓輸出的頻率是基本頻率，即50Hz。根據(jù)工藝要求，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍是5.14-576r/min。若仍舊采用原調(diào)整控制開關(guān)進(jìn)行控制，其電阻調(diào)整范圍是7512-200k12。為配合這個(gè)調(diào)速開關(guān)的設(shè)計(jì)，調(diào)速電阻網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。其中，R1、R3、R5均為3.3kΩ可調(diào)電阻。當(dāng)RP在75ll-200k12變化時(shí)，對(duì)應(yīng)端子13的輸出電壓是6-0.054V。根據(jù)電路原理分析，當(dāng)R3=1.05kΩ時(shí)，可以得到一組計(jì)算參數(shù)：R1=985Ω，1.05kΩ，R5=2.26kΩ。

圖2

    根據(jù)這組計(jì)算參數(shù)整定電阻R1、R3、R5，即可在變頻器端子13得到所要求的頻率設(shè)定電壓。

    正常運(yùn)行時(shí)，KA6不動(dòng)作，端子13對(duì)17的輸出范圍在0.054-6V之間，對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)速度為5.14-576r/min。當(dāng)快速進(jìn)給時(shí)，KA6動(dòng)作，端子13對(duì)17輸出10V的電壓，對(duì)應(yīng)輸出電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。

    4. 電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向及其控制

    電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向只與變頻器的輸出相序有關(guān)，與進(jìn)線電源的相序無關(guān)。因變頻器本身設(shè)計(jì)有外接端子，可以進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及運(yùn)行停止，故設(shè)計(jì)正反轉(zhuǎn)繼電器輸出組時(shí)，可以直接與變頻器的端子相連，如圖3所示。利用KA7、KA8正反轉(zhuǎn)控制繼電器進(jìn)行控制，接口簡(jiǎn)單，控制可靠。

圖3

    5．實(shí)施中的問題及對(duì)策

    經(jīng)過以上改造組成的變頻調(diào)速伺服控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，操作習(xí)慣與原機(jī)組完全相同。但在不加PG矢量控制的條件下，經(jīng)試車發(fā)現(xiàn)存在：定位不準(zhǔn)確(快速進(jìn)給后工件行程太長(zhǎng)，加工定位不好掌握)和低速運(yùn)行速度不穩(wěn)定等問題。

    分析原因是：在無PG矢量控制的條件下，其調(diào)速范圍是100：1，即在基本速度50Hz的條件下，其最低運(yùn)行頻率是0.5Hz，對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)最低速度是9.6r/min，達(dá)不到機(jī)械設(shè)備工藝要求。

    當(dāng)加上PG脈沖編碼器構(gòu)成帶PG反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)后，在磁通矢量控制方式下，其調(diào)速范圍可以達(dá)到1000：1，而此時(shí)對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)最低速度(滿足工藝要求)，要求變頻器的輸出頻率僅為0.2Hz。

    ASR是變頻器有PG矢量控制的自動(dòng)速度控制器。調(diào)整變頻器的參數(shù)C5-01-04可使速度控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)在低速至高速的全速度范圍內(nèi)得到良好調(diào)節(jié)。通常C5-06參數(shù)不必調(diào)整，只有在調(diào)整增益而不能消除振動(dòng)時(shí)，可調(diào)整C5-06來消除振動(dòng)(但是調(diào)整這個(gè)參數(shù)會(huì)造成降低速度控制響應(yīng))。

    6．經(jīng)濟(jì)效益

    經(jīng)過方案比較，如果仍舊采用直流傳動(dòng)系統(tǒng)，最低投資為2.5萬(wàn)元，而采用變頻調(diào)速系統(tǒng)方案，全部投資僅為1.8萬(wàn)元，節(jié)約直接投資費(fèi)用0.7萬(wàn)元。

    采用直流傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)際功耗約2kW，而交流變頻調(diào)速系統(tǒng)僅0.18kW，按0.5元／kwh，每臺(tái)班工作5h，全年按600個(gè)臺(tái)班計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)約0.27萬(wàn)元。