用变频器改造实验室X62W铣床的一种方法

摘要:
为满足学校实验室实验需要，采用变频器对X62W铣床进给系统进行改造。本文介绍了电气线路改造方案，变频器接线方案、参数设置，以及改造后工作台运行速度的调整与计算方法。实践证明，这种改造方法适合学校实验室的实际情况，教学实验现象更加明显，教学效果也随之提高。

关键词：变频器；铣床；无级调速；电动机；进给系统；

One reform method of a miller using converter in laboratory of university
Zhang Xichuan 1 Zhang Yue 2
(1 College of Material Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110023, China;
2School of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Abstract：For satisfying experiment in laboratory of university, the feeding system of a X62W miller is reformed by a converter. In the paper, it is discussed that the blue print of electrocircuit reformed, converter connection and parameter setting, and the way of adjusting and calculating of miller feeding speed after reform. In practice, it is proved that the reform method matches to the fact of laboratory in university. The phenomena of experiment are more evidence, and the effect of teaching is enhanced, too.

Keywords：converter；miller；；stepless speed regulation；electromotor；feeding system

1 概述
由于学校教学实验要求，须将实验室的X62W铣床进给系统进行改造，改造后机床工作台进给电机可无级调速。采用变频器完成改造工作，根据X62W铣床传动链和电气控制线路的特点[1]，使用变频器只改变工作台进给速度，进给方向仍按原方法调整。考虑到实验室实际情况，改造要求有：1.不更换机床进给电机；2.变频器可随时与工频电网进行切换，而状态切换操作要方便快捷；3.变频器接入后不改变机床操作习惯，即变频器接入后只起无级调速作用；4车床工作台进给速度的无级调速必须在设定最高速的条件下进行，以防实验中发生危险。改造过程中，首先进行变频器选型；然后确定具体的改造方案，包括电机电路与控制电路设计、变频器外部接线和参数设置等；最后分析改造后工作台进给速度的计算方法。

2 改造方案的确定
2.1变频器选型
变频器是运用近代电力电子与微电脑控制技术的一项新兴产品，主要用在各种机械设备上。其用途在于借着它改变供电频率，来控制电机转速，进而达到提升机械自动化程度与节约能源的目的。
X62W铣床工作台进给电机为三相异步电动机，级数为4级，额定功率1.5kw。根据这种实际情况，通过市场调查和综合分析比较，选用台达VFD-V型变频器。VFD-V型变频器是高性能无感测磁束矢量型变频器，采用了32位高速CPU芯片，具有响应速度快、精度高、输出力矩大(最大200%转矩电流)以及定位控制等特点。可广泛应用于机床、电梯、起重设备，加工中心及其相关的各种高性能应用场合等。
2.2电气线路改造方案[2]~[5]
根据X62W铣床特点和教学实验要求来确定改造方案，为降低改造成本与缩短施工周期，不改变铣床的机械部分，只对电气线路进行改造。改造后，铣床工作台进给速度，将由齿轮传动调速与变频器变频调速共同决定，从而这种调速方法是齿轮传动有级调速与变频无级调速相结合的调速方法，即在有级调速中加入无级调速，扩大了工作台进给速度取值范围。基于1中的改造要求，设计了如图1所示的机床电气线路改造图。在原基础上，增加了VFD-V型变频器、按钮、交流继电器以及配套元件。继电器KMB与KMY必须互锁，以防止变频器输出端与380V电源相连，造成变频器损坏。



2.3 变频器的使用[6]
根据改造要求和2.2所述，设计了变频器外部接线，如图2所示。


此时，变频器各参数为出厂值，要实际应用，还必须对其中一些参数进行调整。表1给出了参数调整情况。因为实验只要求改变电机转速，所以在此只调整一些必要的参数。调整后，电机的启动和停止由SBV控制，运转频率由滑动变阻器R给定，其频率调整范围设定0~50Hz。从而当齿轮箱调速手柄指向某一进给速度vi，同时R调到最大，此时变频器输出频率为50Hz，进给电机在工频电下工作，进给速度仍为vi，所以工作台进给速度上限由调速手柄和变频器最高输出频率共同决定。值得一题的是，这种方法可以在线调速，即工作台处于运转状态下，随时可以根据需要调整滑动变阻器R，从而调整工作台进给速度。
表1 变频器参数调整表
参数 名称 出厂值 意义 调整值 意义
00-10 控制方式 0 V/F控制 2 矢量控制
00-20 频率指令来源 0 键盘输入 2 外部模拟输入
00-21 运转指令来源 0 RS485/键盘 1 外部端子/键盘
01-02 第一输出电压 440 440V 380 380V
05-00 电机参数自动测量 0 无功能 1 测量
05-05 电机极数 4 4极 4 4级

3 改造后工作台进给速度的计算
由前述，虽然变频器输出频率范围已定，但同一频率下，齿轮箱调速手柄指向位置不同，工作台进给速度也不同，所以必须考虑改造后工作台进给速度的计算方法。X62W铣床工作台可以有横向、纵向和升降三种运动方式，但不能同时运动，所以本文以横向进给为例讨论工作台进给速度的计算，纵向进给量与横向进给量相同，升降速度为纵横进给量的1/3。已知X62W铣床进给电机同步转速1500r/min，额定转速为1450r/min。使用变频器以前，电源为工频电，频率为50Hz。改造后，工作台进给速度计算如下：
由公式：

(1)
式中：n0——电机同步转速(r/min)，
f ——电源频率(Hz)，
p ——电机极对数；

(2)
式中：n ——电机转速(r/min)，
s ——电机转差率；
可得：

(3)
由于p是电机固有的，不受其他因素的影响，当采用矢量控制时，s也不变。所以由(3)式可知，电机转速n与电源频率f成正比。
经过传动系统后，工作台进给速度可由下式计算：

(4)
式中：v ——工作台进给速度(mm/min)，
i ——传动系数(mm/r)；
由(3)、(4)式可得：

(5)
(5)式可简化为：

(6)
式中：k ——变频传动系数(mm• s/ min)，
例如：当齿轮箱调速手柄指向23.5mm/min档时，由(6)式可以计算出此时的k值，k=23.5/50=0.47mm•s /min。但当齿轮箱调速手柄指向其他档位时，k值也随之改变。
综上，使用变频器后，工作台进给速度的计算公式如下：

(7)
式中：fb ——变频器输出频率(Hz)；
(7)式成立条件为：齿轮箱调速手柄指向23.5mm/min。此时若变频器输出频率为30Hz，则工作台进给速度为v=0.47×30=14.1mm/min。

4 结论
(1)采用变频器改造X62W铣床工作台进给系统，实现了工作台进给的无级调速，但从安全角度考虑，可根据实际情况限制工作台进给最高进给速度；
(2)在实际应用中，可根据需要接入变频器，也可直接使用工频电源，具有很大灵活性，符合学校实验室的实际情况；
(3)引入变频器后，进给电机在某一频率下工作，工作台进给进给速度可根据公式推导计算。
(4)实践证明，改造方案达到了改造要求，使得实验现象更加明显，教学实验效果也有了较大提高。


参考文献
1戴曙主编．金属切削机床．北京：机械工业出版社，2001
2曾毅、王效良、吴皓等编著．变频调速控制系统的设计与维护．济南：山东科学技术出版社，2002
3杜金城主编．电气变频调速设计技术．北京：中国电力出版社，2001
4王占奎等编．变频调速应用百例．北京：科学出版社，1999
5张燕宾主编．变频调速应用实践．北京：机械工业出版社，2000
6中达电通股份有限公司．VDF-V高性能磁束向量控制交流马达驱动器使用手册，2003



作者：张希川(1953- )，男，沈阳工业大学，材料科学与工程学院，高级工程师，e-mail:zhangxichuan@126.com 。