高頻變頻器在高速切削加工中的應用

圖1 在高速切削加工中，高頻變頻器是非常適用的

　　現代化機械加工的發展趨勢越來越多地傾向于高速切削加工。加工生產時，生產節拍的提高和加工時間的縮短日趨重要。全新的高頻變頻器就專為這一應用而研發（圖1）。

　　SFU-0303高頻變頻器適合于各種鉆、銑（圖2）高速加工，在特殊的使用條件下還適合于各種磨削加工；同時還可在磨削過程中對砂輪進行修整。為了實現這些任務，系統要求這種高頻變頻器必須可以調整。在各種機床配置中，它都能夠馬上投入使用，并且無需購買其他附件，直接安裝在電氣柜或19″標準3HF型電氣安裝盒中（圖3）即可使用。

　　如同BMR公司生產的其他變頻器一樣，這種新型高頻變頻器也是對所有功能進行監控、控制和檢驗的DSP數字信號處理器的核心。其利用PWM脈沖寬度調制技術生成高精度的正弦波形的軸電壓。

　　經矢量調節（或空間矢量調節）后，軸電壓即可生效。另外，BMR公司還研發成功了一種全新機床高速電控主軸驅動方式：能使機床電控主軸在不使用傳感器的情況下，在任何負載工況下穩定運行。這樣，用戶也可以在對機床主軸轉速要求很高的使用情況中，以及在不使用霍爾傳感器對主軸轉速進行檢測的情況下，使用這種高頻變頻器對高速電控主軸進行驅動。這樣的高速切削主軸價格經濟合理，而且工作時更加穩定。由于其避免了因傳感器失效而引起的意外故障，也降低了電氣布線的費用。

　　盡管SFU-3030外形尺寸不大，但其連續工作的性能卻不小。在工業電網（20A）中，其功率可達5kW，而且還有很高的過載功率儲備。無論是在電控主軸高速（100000r/min）旋轉時，還是低速（10r/min）旋轉時，都能實現最大扭矩輸出。

　　改善動態性能

　　在SFU-3030高頻變頻器中，隨負載變動而自動進行的轉速調節采用的是更加高效的全新調節方法。這種PID比例積分微分調節器的設置，一方面保證了在負載變化時能平滑轉換到新的轉速運轉；另一方面，這種轉速轉換快捷且有力。在鉆削、銑削和所有的特種磨削加工中都能保證良好的加工效果。

圖2 高頻變頻器適合于在鉆削和銑削加工機床中使用

　　為縮短生產加工工時，變頻器在電機功率為2.2kW時可按照25000r/s的速率來實現加速和制動。采用順序檢測的受控加速和受控減速制動使其動態性能更加完美。

　　能夠平滑地驅動主軸

　　由BMR公司研發生產的變頻器能高效地驅動機床電控主軸，能使機床的電控主軸平滑啟動，保證了電動機工作中的運行平穩。由于變頻器采用了全新的調節技術，因此其將電控主軸的工作溫度降低到了新的水平。不僅是在電動機空載運行時，即使是系統在滿負荷運行時，電動機的工作溫度也都有明顯降低。

　　機床電控主軸的工作溫度降低，同時也象征著主軸軸承承受的負載明顯降低，那么更換軸承的周期也可得以延長。主軸工作溫度降低后能夠帶來更多優點，即電機轉子的軸向伸長量減少，因此加工的精度可以進一步提高。

　　根據經驗，砂輪的修整對磨床的各個系統都具有很高的要求。除了砂輪修整主軸要有很小的熱傳導特性外，很高的轉速穩定性對砂輪的修整質量也提出了高要求。而在完成這樣的任務時，SFU-3030高頻變頻器非常合適。在聲發射系統的幫助下，砂輪修整主軸可在低噪聲的PAM調幅控制模式下被驅動。因此，無需另外使用正弦濾波器，也能在不損失性能的情況下實現降低成本和費用。

　　此變頻器中還可存儲16個高速電控主軸的特性曲線，這些主軸工作特性曲線既可手工輸入，也可利用輸入端口輸入。這對于多主軸驅動來講是非常有意義的。

圖3 高頻變頻器具有19標準規格的結構型式

　　多功能編碼-電位計有許多功能，能夠精細地進行轉速調節或在切削加工時實現轉速匹配。設備與集成的按鍵功能相配合，還能選擇不同的菜單。利用單獨的啟動和停止按鍵，操作更加可靠。在具有三行文字的LCD顯示屏的幫助下，能夠清晰顯示當前工作狀況。在工作時，按下編碼-電位計即可調出狀況監控，以便了解當前的軸電壓、軸電流和中間電路電壓等數據。

　　明文顯示當前工作狀況

　　新型SFU-3030型高頻變頻器還可按照使用要求在結構上進行匹配。該設備具有各種高速切削主軸工作時所需的特性，例如某一操作系統的基本型是230V高速電控主軸經濟型的配置方案（圖4）：帶有操作按鈕和LCD文字顯示、集成有USB接口的類型可在加工機床上直接進行調整；為了能精確地與電控主軸的工作電壓匹配，其是唯一可利用中間電路進行調節的控制設備。這就允許主軸在50～230V的電壓范圍內在不使用附加正弦濾波器的情況下順利工作；利用內置高性能制動器使這一變頻器能高效、快速地制動。

　　可拆卸的高速電控主軸帶有與計算機進行通信的USB接口。另外，高頻變頻器上的操作控制系統也可連接一根延長電纜，以此構成遠程控制系統，實現電控主軸的遠程操作。在很多應用工況中，變頻器無需手工操作。此時，變頻器由上一級的SPS可編程序控制器進行控制。在這種應用條件下，高頻變頻器可不自帶操作面板，從而節省了資金。即使是沒有操作控制面板，所有的工作狀況數據也都可用6個LED發光二極管的信號表示。

　　另外，這種高頻變頻器還有6個數字輸入端、6個數字輸出端、2個模擬輸入端和2個模擬輸出端；利用這些端口變頻器可實現與SPS可編程序控制器或控制計算機的連接通信。這些輸入輸出電控都利用光電耦合器進行了電氣隔離。

　　該高頻變頻器的通信接口為USB接口、RS 232接口和RS 485接口；為了能連接到工業領域中常用的現場總線環境中，變頻器可選用Profibus現場總線連接模塊。

圖4 高頻變頻器具有不帶操作面板和顯示裝置的結構型式

　　所有進出SFU-3030高頻變頻器的電纜、導線都是要用易于裝配和維修的螺釘接線端子進行連接。組合在一起的接地板、導線抗拉護板及可彈開的接線端子構成了一個完整的電纜連接方案。

　　在機床設備中，這種高頻變頻器有很高的安全性和可靠性。所有工作狀態，如加速、額定轉速及制動等都能受到準確地監控，避免出現意外。

　　該高頻變頻器具有符合EN 954-1 Kat3標準規定的脈沖止鎖功能，這個功能可防止機床電控主軸的意外啟動。另外，在特殊的緊急情況下或緊急停止時，電控主軸能可靠地完全停止。

　　允許20s過載運行

　　在經過適當的調整設置之后，電控主軸可在超負荷狀態下過載20?s。若這種超負荷工況在20s之后還將持續下去，則自我保護裝置將自動切斷電源。在排除過載原因后，電控主軸隨時可以啟動。

　　與使用塑料外殼的趨勢背相反，SFU-3030高頻變頻器的外殼使用的是鍍鋅和涂漆鐵板。因此，比塑料外殼更堅固、具有更好的強度，更有著比塑料外殼更好的電磁屏蔽性能。這種高頻變頻器的外殼有多種型式可供選擇。其SSE型外殼非常適合于在電氣柜中使用，且比原型號體積減小了30％。這種SSE型外殼具有很好的密封性能，能夠有效地防止切屑的進入，因此適合于在切屑細小且有微細粉塵的工況下使用。

　　為保證溫度平衡，高頻變頻器帶有外置、易于接近的冷卻裝置。另外，其還帶有散熱風扇，可對工作環境的溫度進行調節和必要的附加散熱。

　　固定支架保障可靠的安裝固定

　　在SFU-3030 SSE型高頻變頻器的安裝中，人們也嘗試著采用全新的安裝方式：利用不同的固定支架，這種變頻器在各種使用環境中都能夠可靠的固定。可供使用的安裝固定方式包括：標準固定支架，適合于在電氣柜的安裝板上安裝；外殼支架，適合于插接式的安裝固定；固定角鐵，適合于從側面進行安裝固定。

　　用戶利用共享的SFU-Terminal軟件，可對高頻變頻器進行參數賦值和編程。軟件的操作非常簡單，能夠靈活確定輸入輸出端的功能，從而使高頻變頻器能夠輕松地接入到已有SPS可編程序控制器系統中或建立新的SPS可編程序控制系統。軟件可以將不同的電控主軸數據輸入到計算機系統中，也可以從計算機系統中調出不同的電控主軸控制數據。允許直接在操作面板上調用不同電控主軸的參數，無需在各個電控主軸間轉換。利用電控主軸電路板的輸入端，變頻器可用一個控制信號來調用保存的電控主軸特性數據，這也是此類高頻變頻器的一大特點。SPS可編程序控制系統能選擇一個電控主軸，同時也向變頻器發送該主軸的特性數據。

　　若按照用戶的需求，在出廠時變頻器制造商對其高頻變頻器進行配置，則這些配置可以作為一個項目保存起來，隨時可以調用。另外，高頻變頻器在機床調整、排除故障中都有一定的輔助功能。

　　作為特點，新型高頻變頻器具有Autotuning自動調諧功能。利用這個功能，用戶可對一些陌生的電控主軸進行自動且高效的性能檢測和參數賦值。在加工機床上，只需幾分鐘時間就可完成電控主軸特性曲線的調整，減少了費時費力的人工調整設置。

　　利用調試功能可以對各種工作參數進行在線采集和顯示。所有參數、輸入端和輸出端都可以顯示出來。從而用戶可以快速地了解故障原因，界定故障部位，最終排除故障。

　　用于循環測試的啟動/停止功能

　　利用啟動/停止功能，變頻器可以在沒有SPS可編程序控制系統控制或無遠程控制的情況下進行循環持續測試，能夠完成電控主軸的測試運行。在這樣的測試過程中，產品還能顯示出所有的變量數據。

　　啟動加載Bootloader功能可對高頻變頻器的企業軟件進行升級或改進，這種操作可以在機床上直接完成。數據記錄模塊結合與之相連接的主控計算機后，可以顯示各種復雜的可選字符，并且能在長時間內使用。