變頻器在自動(dòng)車(chē)床上的伺服定位方案

引言
由于機床加工范圍較廣，不同的工件，不同的工序，使用不同的刀具，要求機床執行部件具有不同的運動(dòng)速度，因此機床的主運動(dòng)應能進(jìn)行調速，機床用戶(hù)對變頻器產(chǎn)品的調速作用更為關(guān)注。
主軸是車(chē)床構成中一個(gè)重要的部分，對于提高加工效率，擴大加工材料范圍，提升加工質(zhì)量都有著(zhù)很重要的作用，變頻器主要應用于主軸調速系統。目前在經(jīng)濟型自動(dòng)車(chē)床行業(yè)，變頻器以其低成本優(yōu)勢得到了廣泛的應用。
一、自動(dòng)車(chē)床工藝介紹
1.自動(dòng)車(chē)床簡(jiǎn)介
自動(dòng)車(chē)床，是一種高性能，高精度，低噪音的走刀式自動(dòng)車(chē)床，是通過(guò)凸輪來(lái)控制加工程序的自動(dòng)加工機床。另外也有一些數控自動(dòng)車(chē)床與氣動(dòng)自動(dòng)車(chē)床以及走心式自動(dòng)車(chē)床，其基本核心是可以經(jīng)過(guò)一定設置與調教后可以長(cháng)時(shí)間自動(dòng)加工同一種產(chǎn)品。特別適合銅、鋁、鐵、塑料等精密零件加工制造，適用于儀表、鐘表、汽車(chē)、摩托、自行車(chē)、眼鏡、文具、五金衛浴、電子零件、接插件、電腦、手機、機電、*等行業(yè)成批加工小零件，特別是較為復雜的零件。
2自動(dòng)車(chē)床工藝說(shuō)明
裝工件:主軸轉動(dòng)到固定位置，機械手將工件裝入卡盤(pán)內；
加工工件:主軸快速加速到所需轉速，通過(guò)刀臺的移動(dòng)加工產(chǎn)品；
卸工件:加工完成，將產(chǎn)品從卡盤(pán)內推出，同時(shí)卡盤(pán)快速的轉動(dòng)到固定位置裝入下一個(gè)工件。
二、現場(chǎng)工藝要求及調試方案
1.現場(chǎng)要求:
（1）啟停速度快---加減速時(shí)間要求：加速0.5S，減速0.3S；
（2）定位響應快---定位時(shí)間：1秒以?xún)龋?br />（3）定位精度要求高---在2個(gè)脈沖以?xún)龋?br />2.調試方案
改造系統采用的方案為：高性能閉環(huán)矢量變頻器+分頻卡。系統方案中，變頻器配備分頻卡，使系統工作運行在閉環(huán)矢量控制模式，實(shí)現變頻定位功能。因為在自動(dòng)車(chē)床中，負載慣量大、減速時(shí)間短，需配備制動(dòng)電阻，具體選型方法《V560系列高性能矢量變頻器說(shuō)明書(shū)》。

                                                                  圖1 電氣接線(xiàn)圖

3、主軸變頻定位系統原理
本方案整體控制框圖見(jiàn)下圖2。變頻器采用不控整流方式從三相電網(wǎng)取電，由三相逆變全橋通過(guò)空間矢量調制（SVPWM）、閉環(huán)矢量控制（Field orientation control）實(shí)時(shí)控制主軸電機；通過(guò)傳動(dòng)機構，將轉速信號反饋到變頻器控制單元，反饋的轉速信號通過(guò)分頻卡換算為角度信號，與設定的角度做差，經(jīng)過(guò)PID單元運算（加速過(guò)程PID,穩態(tài)過(guò)程PID）得到下一拍主軸電機控制轉速指令（具有轉矩限幅功能），  從而實(shí)現主軸轉速、定位角度的實(shí)時(shí)控制。

                                                   圖2 主軸變頻定位系統原理框圖

4、調試步驟及參數設定：
系統中涉及到PID運算，在設置比例增益P值、積分時(shí)間I值、微分時(shí)間D值時(shí)要按以下原則設置：轉速比例增益P值越大響應越快，但系統穩定性變差，過(guò)大的增益可導致轉速震蕩；積分時(shí)間常數I值越小響應越快，轉速超調越大，穩定性越差。該參數與系統慣量成正比，慣量較大時(shí)，該參數應當設置較大數值。
參數組中轉速比例增益1在主軸加速過(guò)程中有效，數值較比例增益2大，用于提高響應速度；比例增益2用于穩態(tài)過(guò)程PI調整，為了增加系統的穩定性，該參數數值較小。加速過(guò)程中兩組PI參數可以通過(guò)滯環(huán)或連續切換方式，自動(dòng)切換。

3、調試中出現的問(wèn)題與解決方法：
（1）電機運行時(shí)出現震動(dòng)及噪音
該現象原因：過(guò)大的增益比例P值有可能使轉速震蕩，從而穩速精度下降，甚至使系統不穩定；反之，加速過(guò)程緩慢，系統響應速度降低。載波頻率主要影響運行中的音頻噪聲和熱效應：載波頻率值較小，雖然提高了變頻器可帶zui大負載量，但產(chǎn)生的噪音將同樣會(huì )增大。
解決方法：調整適當的PID增益（F8.1.21和F8.1.25）；增大載波頻率。
（2）定位精度不高，定位時(shí)間長(cháng)
該現象原因：過(guò)小的位置環(huán)增益，導致了系統響應速度減慢，在工況頻繁變化的情況下定位精度下降。
解決方法：增大位置環(huán)PID的增益(Fb.2.21)。
三、實(shí)驗結果分析
南方某數控機床廠(chǎng)采用該變頻定位方案過(guò)程后，達到交流主軸伺服驅動(dòng)的性能，在一臺電機功率為2.2KW的自動(dòng)車(chē)床上進(jìn)行試運行，實(shí)驗結果如下：

總結
通過(guò)實(shí)際的生產(chǎn)運用，將本方案應用于自動(dòng)車(chē)床，實(shí)現了一次裝夾，節省了外部按鈕及中間繼電器，且加工效率也提高近20%，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，充分的發(fā)揮經(jīng)濟型數控車(chē)床的*性；經(jīng)過(guò)長(cháng)期應用，本方案運行穩定、響應迅速、定位精度高，與的交流主軸驅動(dòng)系統相比更適合應用于經(jīng)濟型自動(dòng)車(chē)床領(lǐng)域。
參考文獻：
1.《V560系列高性能矢量變頻器說(shuō)明書(shū)》 深圳市四方電氣技術(shù)有限公司