基于西門(mén)子840D的高速電主軸星角轉(zhuǎn)換控制

宋 鐵,徐兆成,化春雷

(沈陽(yáng)機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司 設(shè)計(jì)研究院，沈陽(yáng) 110142)

高速臥式加工中心HMC50h是用于加工生產(chǎn)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋等高精設(shè)備的數(shù)控機(jī)床。為滿足加工工藝需要，高速臥式加工中心的主軸部件采用電主軸。電主軸是高速數(shù)控機(jī)床的核心部件，尤其是在高速加工中心、多面體加工、多軸聯(lián)動(dòng)等諸多先進(jìn)機(jī)床設(shè)備中，高速電主軸的優(yōu)異特點(diǎn)是其它類(lèi)型主軸單元不能替代的。由于高速電主軸普遍功率較大，通常起動(dòng)電流會(huì)很大，過(guò)大的起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)本身都有影響。首先若電網(wǎng)的容量不夠大，則電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流可能使電網(wǎng)電壓顯著下降，影響接在同一電網(wǎng)上的其他電動(dòng)機(jī)和電氣設(shè)備的正常工作；同時(shí)，過(guò)大的起動(dòng)電流，將使電動(dòng)機(jī)和線路上的電能損耗增加，特別是在頻繁起動(dòng)、起動(dòng)較慢或起動(dòng)過(guò)程較長(zhǎng)的情況下，電能損耗更大，發(fā)熱嚴(yán)重，使高速電主軸的使用壽命降低[1]。另外，在臥式加工中心進(jìn)行銑削工件表面等工步時(shí)，考慮到加工成本等因素，要求高速電主軸能夠在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的情況下輸出較大的轉(zhuǎn)矩以保證其加工工藝。

1 控制方案分析

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小主要與以下因素有關(guān)：

1)當(dāng)電源頻率和電機(jī)參數(shù)(包括定、轉(zhuǎn)子繞組電阻及漏電抗，勵(lì)磁電阻及勵(lì)磁電抗等)不變時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比。

2)當(dāng)電源的頻率和電壓一定時(shí)，漏電抗越大，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小[4]。

3)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨電源頻率的提高而減小。

4)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子電阻的增大而增大。所以，繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，在轉(zhuǎn)子繞組回路中串入適當(dāng)?shù)母郊与娮?，可提高起?dòng)轉(zhuǎn)矩[5]。

為保證高速異步電主軸在低速運(yùn)行的情況下具有較高的轉(zhuǎn)矩，最為可行的方法是當(dāng)電主軸在低速運(yùn)行時(shí)采用另外一套電機(jī)參數(shù)以保證其輸出足夠大的轉(zhuǎn)矩。因此，采用星角轉(zhuǎn)換方式控制電主軸可以滿足其調(diào)速范圍大、低速運(yùn)行時(shí)保持較高扭矩的要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，高速臥式加工中心HMC50h通過(guò)在西門(mén)子840D數(shù)控系統(tǒng)上，結(jié)合加工工藝要求，采用PLC控制和設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)相結(jié)合的方式來(lái)控制大功率異步電主軸。

2 在西門(mén)子840D數(shù)控系統(tǒng)上的實(shí)施方案

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的電主軸采用Kessler公司生產(chǎn)的異步電主軸，最高轉(zhuǎn)速是18 000 rpm，額定功率為25 kW。由HMC50 h加工工藝要求，當(dāng)電主軸在低速和高速運(yùn)行時(shí)同樣需要有足夠大的轉(zhuǎn)矩。因此，該主軸要求轉(zhuǎn)速在4 700 rpm以下時(shí)采用星接，轉(zhuǎn)速在4 700 rpm以上時(shí)采用角接。

從主軸電機(jī)的端口引出了6根動(dòng)力線，分別連接在星接和角接兩個(gè)接觸器上[6]，由接線端子轉(zhuǎn)接與西門(mén)子840D主軸驅(qū)動(dòng)模塊相連，如圖1所示。當(dāng)接觸器KM2閉合、接觸器KM1斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)定子繞組角接，電動(dòng)機(jī)以星接方式運(yùn)行；當(dāng)接觸器KM2斷開(kāi)、接觸器KM1閉合，定子繞組成角接狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)以角接方式運(yùn)行。為防止短路，KM1和KM2不能同時(shí)閉合，因此在切換過(guò)程中一個(gè)接觸器斷開(kāi)和另一個(gè)接觸器閉合之間應(yīng)有一段時(shí)間的延遲[7]。

圖1 星角起動(dòng)接線圖

2.2 系統(tǒng)參數(shù)配置

由于該款電主軸的調(diào)速范圍較大，為保證在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速運(yùn)行的情況下都有足夠大的轉(zhuǎn)矩，該電主軸配備了兩套參數(shù)。要求當(dāng)電主軸運(yùn)行在4 700 rpm以下是采用星接參數(shù)，當(dāng)電主軸運(yùn)行在4 700 rpm以上時(shí)采用角接參數(shù)。按照主軸說(shuō)明書(shū)將星、角兩套參數(shù)輸入。表1所示為部分星接和角接參數(shù)對(duì)比。

表1 星接和角接參數(shù)對(duì)比

2.3 PLC控制程序

在840D系統(tǒng)中采用西門(mén)子集成的FC17子程序?qū)崿F(xiàn)星角轉(zhuǎn)換，圖2為星角轉(zhuǎn)換的部分程序。在此星接和角接的接觸器之間的切換以及切換之間的時(shí)間延遲完全由程序?qū)崿F(xiàn)，從而降低了硬件連接的難度，節(jié)省了時(shí)間繼電器，降低了成本，提高了星角轉(zhuǎn)換的可靠性。

FC17是專(zhuān)用于控制星角切換定時(shí)的子程序，并且該星角切換既可以是在直接起動(dòng)時(shí)切換，也可以是在電主軸運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行切換。當(dāng)使用多個(gè)需要進(jìn)行星角切換的電主軸時(shí)，對(duì)每一個(gè)電主軸都需要分別調(diào)用一個(gè)FC17進(jìn)行控制。

圖2 FC17程序

首先在主程序中調(diào)用FC17子程序，參數(shù)“TDelta”是星角轉(zhuǎn)換的控制位，參數(shù)“SpindleIFO”應(yīng)寫(xiě)入定義主軸時(shí)給主軸分配的編號(hào)，參數(shù)“TimeVal”用于設(shè)置切換過(guò)程中的延遲時(shí)間，參數(shù)“TimerNO”用于指定計(jì)時(shí)器號(hào)，參數(shù)“Y”是星接接觸器的輸出地址，參數(shù)“Delta”是角接接觸器的輸出地址，參數(shù)“Ref”是FC17的狀態(tài)參考位。

通過(guò)M代碼控制參數(shù)“YDelta”，當(dāng)背景數(shù)據(jù)塊的DB101.DBX39.1位為0時(shí)采用星形連接方式，此時(shí)星接輸出位Q33.6為1，角接輸出位Q33.5為0，同時(shí)系統(tǒng)通過(guò)參考值MW500選取星接時(shí)的電機(jī)參數(shù)；當(dāng)該位為1時(shí)采用角形連接方式，此時(shí)星接輸出位Q33.6為0，角接輸出位Q33.5為1，同時(shí)系統(tǒng)通過(guò)參數(shù)值MW500選取角接時(shí)的電機(jī)參數(shù)。在星角轉(zhuǎn)換的過(guò)程中通過(guò)210號(hào)計(jì)時(shí)器進(jìn)行800MS的延遲，以防止短路，如果TimeVal位為0時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)啟用100 ms的延時(shí)缺省值，如果在該位輸入的一個(gè)小于50 ms的數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)將啟用該位最小的設(shè)置值50 ms。

在執(zhí)行星角轉(zhuǎn)換完成后，通過(guò)西門(mén)子840D的HMI界面可查看電機(jī)當(dāng)前的參數(shù)是否同時(shí)切換如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)西門(mén)子840D數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合PLC進(jìn)行星-角接轉(zhuǎn)換的方式能夠方便、可靠的實(shí)現(xiàn)大功率電主軸的降壓起動(dòng)，保護(hù)電主軸和伺服驅(qū)動(dòng)模塊的使用壽命，既能發(fā)揮電主軸的高速特性，又能完成電主軸低速大扭矩加工[8]。

3 結(jié)論

本文在分析三相異步電機(jī)的降壓起動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，論證了高速異步電主軸在低速運(yùn)行的情況下提供足夠大的力矩輸出的可行方案。結(jié)合高速臥式加工中心的加工工藝要求，通過(guò)西門(mén)子840D數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了異步電主軸在星接和角接方式下的運(yùn)行及星接角接切換，并驗(yàn)證FC17可實(shí)現(xiàn)電主軸星角轉(zhuǎn)換及電機(jī)參數(shù)切換。實(shí)驗(yàn)證明電主軸可以安全可靠的在星接和角接的狀態(tài)下運(yùn)行。

圖3 電主軸參數(shù)的切換

參考文獻(xiàn)(References)：

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