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(xiàn)代化機械加工的發(fā)展趨勢越來越多地傾向于高速切削加工。加工生產(chǎn)時，生產(chǎn)節(jié)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(fā)（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(xiàn)這些任務，系統(tǒng)要求這種高頻變頻器必須可以調(diào)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(chǎn)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(jiān)控、控制和檢驗的DSP數(shù)字信號處理器的核心。其利用PWM脈沖寬度調(diào)制技術生成高精度的正弦波形的軸電壓。

　　經(jīng)矢量調(diào)節(jié)（或空間矢量調(diào)節(jié)）后，軸電壓即可生效。另外，BMR公司還研發(fā)成功了一種全新機床高速電控主軸驅(qū)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(wěn)定運行。這樣，用戶也可以在對機床主軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)動。這樣的高速切削主軸價格經(jīng)濟合理，而且工作時更加穩(wěn)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(xù)工作的性能卻不小。在工業(yè)電網(wǎng)（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(zhuǎn)時，還是低速（10r/min）旋轉(zhuǎn)時，都能實現(xiàn)最大扭矩輸出。

　　改善動態(tài)性能

　　在SFU-3030高頻變頻器中，隨負載變動而自動進行的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用的是更加高效的全新調(diào)節(jié)方法。這種PID比例積分微分調(diào)節(jié)器的設置，一方面保證了在負載變化時能平滑轉(zhuǎn)換到新的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)；另一方面，這種轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(tài)性能更加完美。

　　能夠平滑地驅(qū)動主軸

　　由BMR公司研發(fā)生產(chǎn)的變頻器能高效地驅(qū)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(wěn)。由于變頻器采用了全新的調(diào)節(jié)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(tǒng)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(yōu)點，即電機轉(zhuǎn)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(jù)經(jīng)驗，砂輪的修整對磨床的各個系統(tǒng)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(zhuǎn)速穩(wěn)定性對砂輪的修整質(zhì)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(fā)射系統(tǒng)的幫助下，砂輪修整主軸可在低噪聲的PAM調(diào)幅控制模式下被驅(qū)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(xiàn)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(qū)動來講是非常有意義的。

圖3 高頻變頻器具有19標準規(guī)格的結(jié)構型式

　　多功能編碼-電位計有許多功能，能夠精細地進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)或在切削加工時實現(xiàn)轉(zhuǎn)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(diào)出狀況監(jiān)控，以便了解當前的軸電壓、軸電流和中間電路電壓等數(shù)據(jù)。

　　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(jié)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(tǒng)的基本型是230V高速電控主軸經(jīng)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(diào)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(diào)節(jié)的控制設備。這就允許主軸在50～230V的電壓范圍內(nèi)在不使用附加正弦濾波器的情況下順利工作；利用內(nèi)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(tǒng)也可連接一根延長電纜，以此構成遠程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)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(jié)省了資金。即使是沒有操作控制面板，所有的工作狀況數(shù)據(jù)也都可用6個LED發(fā)光二極管的信號表示。

　　另外，這種高頻變頻器還有6個數(shù)字輸入端、6個數(shù)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(xiàn)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(yè)領域中常用的現(xiàn)場總線環(huán)境中，變頻器可選用Profibus現(xiàn)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(jié)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(tài)，如加速、額定轉(zhuǎn)速及制動等都能受到準確地監(jiān)控，避免出現(xiàn)意外。

　　該高頻變頻器具有符合EN 954-1 Kat3標準規(guī)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(jīng)過適當?shù)恼{(diào)整設置之后，電控主軸可在超負荷狀態(tài)下過載20?s。若這種超負荷工況在20s之后還將持續(xù)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(huán)境的溫度進行調(diào)節(jié)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(huán)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(cè)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(shù)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(tǒng)中或建立新的SPS可編程序控制系統(tǒng)。軟件可以將不同的電控主軸數(shù)據(jù)輸入到計算機系統(tǒng)中，也可以從計算機系統(tǒng)中調(diào)出不同的電控主軸控制數(shù)據(jù)。允許直接在操作面板上調(diào)用不同電控主軸的參數(shù)，無需在各個電控主軸間轉(zhuǎn)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(diào)用保存的電控主軸特性數(shù)據(jù)，這也是此類高頻變頻器的一大特點。SPS可編程序控制系統(tǒng)能選擇一個電控主軸，同時也向變頻器發(fā)送該主軸的特性數(shù)據(jù)。

　　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(diào)用。另外，高頻變頻器在機床調(diào)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(diào)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(shù)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(diào)整，減少了費時費力的人工調(diào)整設置。

　　利用調(diào)試功能可以對各種工作參數(shù)進行在線采集和顯示。所有參數(shù)、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(huán)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(tǒng)控制或無遠程控制的情況下進行循環(huán)持續(xù)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(chǎn)品還能顯示出所有的變量數(shù)據(jù)。

　　啟動加載Bootloader功能可對高頻變頻器的企業(yè)軟件進行升級或改進，這種操作可以在機床上直接完成。數(shù)據(jù)記錄模塊結(jié)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(nèi)使用。