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變頻器在深孔機(jī)械加工中的應(yīng)用

時(shí)間:2018-01-18

  0、引言

  在難加工材料上加工精密深孔,歷來都是機(jī)械加工中的難點(diǎn)之一。長期以來,較為普遍的方式為采用鉆原擴(kuò)原鉸的工藝。

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  以后雖有槍鉆、BTA鉆、噴吸鉆等深孔加工工具和方法,在加工效率和加工質(zhì)量上有所進(jìn)步,但是如斷屑、排屑、刀具磨損過快等問題仍然存在,依舊不能滿足高精度、高質(zhì)量、高效率、低消耗的現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)要求。采用振動(dòng)切削深孔加工技術(shù)與交流變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合,對(duì)現(xiàn)有機(jī)床進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑欤瑢?duì)深孔加工的效率和精度有一個(gè)明顯的提高,并且加工質(zhì)量也更為穩(wěn)定。

  1、變頻器調(diào)速原理

  變頻器是多種技術(shù)和理論綜合發(fā)展的產(chǎn)物,一般包括主電路、控制、檢測(cè)和保護(hù)等部分。主電路部分包括整流、濾波穩(wěn)壓、逆變等三部分,還留有直流平波電抗器、制動(dòng)電阻、制動(dòng)單元等接口??刂撇糠忠话惆瑪?shù)字信號(hào)處理器和(或)高速微控制器,它們共同完成控制算法的實(shí)現(xiàn)、控制的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、PWM控制信號(hào)的輸出。監(jiān)測(cè)部分包括對(duì)電壓、電流、溫度等變量的檢測(cè),并判斷是否超過設(shè)定值以便進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)。一般所說的變頻器是指適用于工業(yè)通用電機(jī)和一般變頻電機(jī),并由一般電網(wǎng)供電(單相220V/50Hz、三相380V/50Hz)作調(diào)速控制的通用變頻器。此類變頻器由于工業(yè)領(lǐng)域的廣泛使用已成為變頻器的主流。

  將交流變成直流,經(jīng)過平滑濾波,再經(jīng)過逆變電路,把直流變成不同頻率的交流。使電動(dòng)機(jī)獲得無級(jí)調(diào)速所需要的電壓、電流、頻率。這種變頻器叫交-直-交變頻器,交-直-交變頻器比較好的是采用雙極性正弦波脈寬調(diào)制方法進(jìn)行控制。這種脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩小,擴(kuò)展了調(diào)速范圍,提高了調(diào)速性能,因此,在數(shù)控機(jī)床的交流驅(qū)動(dòng)中得到了廣泛應(yīng)用。

  2、振動(dòng)切削深孔加工的基本原理

  振動(dòng)切削深孔加工也就是通常說的振動(dòng)鉆削,它是把振動(dòng)切削技術(shù)應(yīng)用于鉆孔加工,在傳統(tǒng)深孔加工的基礎(chǔ)上,給刀具附加一定頻率和振幅的有規(guī)律振動(dòng),刀具一邊進(jìn)給、一邊振動(dòng)的同時(shí)完成鉆削作業(yè),將使切削厚度產(chǎn)生周期變化,達(dá)到控制切削形狀和大小的目的,從而有效地解決了深孔加工中的斷排屑難題,是改善深孔加工質(zhì)量,提高加工效率的一種先進(jìn)的工藝方法。該方法針對(duì)加工材料和不同鉆孔規(guī)格,只要對(duì)主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給量s、振動(dòng)振幅a和頻率f進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇和匹配,既可有效地控制切屑的形狀和大小,滿足斷續(xù)切削的要求。理論斷屑公式如式(1)所列,即

  根據(jù)這一理論,對(duì)機(jī)床進(jìn)行振動(dòng)深孔鉆鏜床的改造,把先進(jìn)的振動(dòng)切削深孔加工技術(shù)與交流變頻調(diào)速技術(shù)有效地結(jié)合起來,形成一種專用的精密深孔加工系統(tǒng),解決孔徑小于60mm、孔深達(dá)到4000mm、長徑比L/D大于70的非回轉(zhuǎn)類零件深孔加工中存在的問題。

  3、振動(dòng)切削深孔加工對(duì)機(jī)床改造的要求

  一般深孔加工由于加工材料、孔深、孔徑大小不同,也就有不同的刀具和不同的切削速度的要求。所以,為了滿足生產(chǎn)企業(yè)日益廣泛的加工需求,就必須增大主軸電機(jī)的調(diào)速范圍,同時(shí)為了滿足振動(dòng)切削的要求,振動(dòng)電機(jī)的調(diào)速范圍也必須成倍擴(kuò)大。

  就我國目前所使用的機(jī)床來看,主要采用變級(jí)多速三相異步電動(dòng)機(jī)和在機(jī)床床頭箱內(nèi)用電磁離合器來變換齒輪達(dá)到變速的目的,無法實(shí)施精度較高的恒線性控制,還不能適應(yīng)那些要求主軸轉(zhuǎn)速高低跨度大,高,中,低速兼有的零件加工需要。而對(duì)于一些采用直流調(diào)速拖動(dòng)的數(shù)控機(jī)床,雖然可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速,但必須經(jīng)常維護(hù)換流電刷,使用成本較高,且電機(jī)最高轉(zhuǎn)速受限制。因此,我們把變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床上,通過變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行直接變速傳動(dòng),可實(shí)現(xiàn)無級(jí)平滑調(diào)速,減小了大電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊;提高了功率因數(shù),節(jié)能效果顯著;提高了加工效率和精度。

  要采用振動(dòng)深孔鉆削,就需要對(duì)深孔鉆鏜床或者對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑觳拍艿靡詫?shí)現(xiàn)。若對(duì)普通車床進(jìn)行改造,就需要在原車床的基礎(chǔ)上增加振動(dòng)裝置、授油器、供油系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等四大部件。若對(duì)深孔鉆鏜機(jī)床進(jìn)行改造時(shí),則只需增加振動(dòng)裝置和控制系統(tǒng),其它部位稍作改動(dòng)即可。其中,電氣控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)振動(dòng)深孔鉆削的核心部件。

  4、控制系統(tǒng)的原理

  根據(jù)振動(dòng)切削理論斷屑公式,在進(jìn)給量s和振動(dòng)振幅a為定值時(shí),要使式(1)成立,必須使振動(dòng)頻率f和主軸轉(zhuǎn)速n保持特定的比例,頻轉(zhuǎn)比的控制是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心,它的性能直接決定著斷屑效果和加工過程的平穩(wěn)性。為了滿足振動(dòng)切削深孔加工的高精度要求,確保加工過程中頻轉(zhuǎn)比保持相對(duì)穩(wěn)定,必須采用以主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為給定量,使振動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速作為反饋量的電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)。一般情況下,調(diào)速系統(tǒng)都采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng),但是通用變頻器本身有限流保護(hù),所以采用速度單閉環(huán)控制,不但結(jié)構(gòu)簡單,而且可取得良好的綜合性能指標(biāo)。

  本系統(tǒng)采用的控制方案,通過測(cè)速傳感器檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)速n和振動(dòng)轉(zhuǎn)速f,與事先設(shè)定好的速度比率(即頻轉(zhuǎn)比參數(shù))k=f/n進(jìn)行比較,通過PI調(diào)節(jié),再將比較的差值轉(zhuǎn)換成PWM電壓信號(hào)發(fā)送給變頻器,通過變頻器對(duì)振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,使其跟隨主軸電機(jī)在不同的切削負(fù)荷下轉(zhuǎn)速的變化,從而使f/n維持設(shè)定比例k,保證數(shù)控車床的加工精度和穩(wěn)定性。

  5、控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

  整個(gè)控制系統(tǒng)是由頻轉(zhuǎn)比控制器(80196KC單片機(jī))、變頻器和交流電機(jī)三個(gè)重要部分組成。在該系統(tǒng)中,頻轉(zhuǎn)比控制器通過檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)速和振動(dòng)轉(zhuǎn)速,按設(shè)定的頻率轉(zhuǎn)速比,通過控制交流電機(jī)變頻調(diào)速器的外部電壓控制端來調(diào)節(jié)振動(dòng)電機(jī)速度,從而保證維持設(shè)定的頻轉(zhuǎn)比值。

  其中主電機(jī)帶動(dòng)一級(jí)同步齒形帶傳動(dòng),帶動(dòng)主軸(刀具)旋轉(zhuǎn),振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主軸(刀具)的軸向振動(dòng),當(dāng)主電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),主軸電機(jī)與振動(dòng)電機(jī)均由變頻器控制實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速和振動(dòng)頻率的無級(jí)調(diào)節(jié),且振動(dòng)電機(jī)與主軸電機(jī)之間運(yùn)轉(zhuǎn)為閉環(huán)控制,即通過控制器設(shè)定比率控制振動(dòng)電機(jī)頻率;振動(dòng)振幅采用雙偏心機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),可根據(jù)所選進(jìn)給量的大小來調(diào)節(jié)。

  根據(jù)主軸電機(jī)最大轉(zhuǎn)速1000r/s的要求,該控制系統(tǒng)頻轉(zhuǎn)比率應(yīng)在0.00~5.00之間無級(jí)可調(diào)。在電機(jī)傳動(dòng)中,為了保持調(diào)速時(shí)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變,該系統(tǒng)必須保持頻率和電壓之比為常數(shù)。在出現(xiàn)異常情況下,系統(tǒng)必須具備應(yīng)急故障處理功能和發(fā)出報(bào)警顯示。

  6、變頻器的選型

  變頻器的選擇,必須根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合及負(fù)載特性的具體情況,并從容量、輸出電壓、輸出頻率、保護(hù)構(gòu)造、V/F(電壓/頻率)模式、電網(wǎng)—逆變器的切換、瞬停再啟動(dòng)等諸方面進(jìn)行綜合考慮,進(jìn)而選擇滿足要求的機(jī)種、機(jī)型。一般通用型V/F控制方式的變頻器,主要考慮輸出功率和電流,選擇必須等于或大于被驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)的功率和電流的變頻器。我們選擇了西安春日電器有限公司的KVFC系列通用變頻器,其中11kW的主軸電機(jī)選用KVFC-4110(11kW/400V),1.5kW的振動(dòng)電機(jī)選用KVFC-417(1.7kW/400V)。

  7、變頻器功能的設(shè)置

  變頻器設(shè)計(jì)了充分的頻率設(shè)定功能和頻率控制接口。變頻器的頻率輸出可以用數(shù)字鍵盤設(shè)定,如基本頻率、啟動(dòng)頻率、最大最小頻率、跳躍頻率及寬度、多段運(yùn)行頻率值以及加減速斜率等,利用鍵盤的上升下降鍵、起停健可以實(shí)時(shí)改變電機(jī)的速度。另一種辦法是利用輸入接口端子來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),如正轉(zhuǎn)指令、反轉(zhuǎn)指令、復(fù)位輸入、加減速時(shí)間的轉(zhuǎn)換、多段運(yùn)行頻率的選擇、自由運(yùn)行等控制端子。這時(shí)的運(yùn)行頻率值可以用電壓輸入0~5V或0~10V來設(shè)定,也可以用(4~20)mA的電流信號(hào)來設(shè)定。

  由于我們采用單片機(jī)作為控制器,其工作電壓為5V。因此,使用單片機(jī)輸出0~5V連續(xù)變化的模擬信號(hào),通過變頻器VRC端子控制變頻器實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)和振動(dòng)電機(jī)的變頻無級(jí)調(diào)速。變頻器的主要功能參數(shù)設(shè)置如表1所示。

  變頻器參數(shù)的設(shè)定也是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。若系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速太低,轉(zhuǎn)矩過小,由于負(fù)載的作用,會(huì)使電機(jī)轉(zhuǎn)差損耗大,發(fā)熱厲害,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)燒毀,因此必須給電機(jī)設(shè)定下限頻率或者設(shè)置自動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升功能。加、減速時(shí)間整定也是參數(shù)整定的關(guān)鍵項(xiàng),如果加、減速時(shí)間設(shè)定不合理,變頻器會(huì)出現(xiàn)過電流或過電壓而自動(dòng)停機(jī)。因此,加速時(shí)必須限制頻率的上升率以防止過電流,減速時(shí)必須限制頻率的下降率以防止過電壓。

  8、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

  軟件功能是以系統(tǒng)的性能要求和硬件的設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)來設(shè)計(jì)的。針對(duì)振動(dòng)切削深孔加工系統(tǒng)的功能要求,軟件系統(tǒng)需要完成以下幾個(gè)方面的任務(wù):有主控程序、主軸電機(jī)測(cè)速模塊、振動(dòng)電機(jī)測(cè)速模塊、振動(dòng)電機(jī)控制模塊、伺服電機(jī)控制模塊、顯示子模塊、設(shè)定參數(shù)讀取和PI控制算法以及故障保護(hù)模塊等任務(wù)。振動(dòng)電機(jī)控制模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)輸出PWM電機(jī)控制信號(hào),根據(jù)給定的比率控制振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速,使其保持f/n越k。

  9、結(jié)語

  本文結(jié)合振動(dòng)鉆孔技術(shù)和交流變頻調(diào)速技術(shù),對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行改造,利用單片機(jī)為數(shù)控機(jī)床的控制器,設(shè)計(jì)完成了振動(dòng)切削深孔加工控制系統(tǒng)。在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了應(yīng)用,證明這種復(fù)合加工技術(shù)能有效地解決深孔加工中的斷屑、排屑這一主要問題,因而可簡化刀具結(jié)構(gòu),降低對(duì)切削液系統(tǒng)的要求,可相對(duì)縮小排屑空間而提高鉆桿強(qiáng)度和深孔鉆削系統(tǒng)的剛性,保證加工的穩(wěn)定性和質(zhì)量。尤其對(duì)難加工材料的深孔鉆削,效果更為明顯,是在難加工材料上進(jìn)行深孔加工的最有效工藝措施。


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