英威腾Goodrive35变频器在数控车床上的应用
2011/12/7 16:41:19
英威腾电气股份有限公司 李远远
摘 要：数控车床又称为CNC车床，即计算机数字控制车床，是目前国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床，约占数控机床总数的25%。数控车床主要用于加工轴类和回转体零件，能自动完成内外圆柱面、圆弧面、端面、螺纹等工序的切削加工，适合于加工形状复杂、精度要求高的轴类或盘类零件。本文以某公司数控车床主轴电机采用英威腾Goodrive35变频器控制为例，详细讲述数控车床的结构、工艺特性，以及Goodrive35变频器应用在数控车床上的优越性。
关键词：Goodrive35 数控车床 变频器 闭环矢量 主轴定位
一、数控车床简介
数控车床又称为CNC（Computer numerical control）车床，是一种由程序控制的自动化机床。数控车床主要用于加工轴类和回转体零件，能自动完成内外圆柱面、圆弧面、端面、螺纹等工序的切削加工，适合于加工形状复杂、精度要求高的轴类或盘类零件。数控车床主要由主机、数控装置、驱动装置以及辅助装置等几大部分组成。
主机，它是数控车床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。数控装置，它是数控车床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。驱动装置，它是数控车床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。辅助装置，是指数控车床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。
二、现场工况
1、主轴电机参数
|
电机类型 |
变频异步电机 |
额定功率 |
2.2KW |
额定转速 |
1430r/min |
|
额定电压 |
380V |
额定电流 |
6.0A |
额定频率 |
50HZ |
|
控制方式 |
端子控制 |
频率给定方式 |
模拟量给定(0-10V) |
控制模式 |
闭环矢量控制模式 |
2、实景图片
三、工艺要求及变频器配置
数控车床主轴电机需要变频器在起停时要快且平稳，电机无尖叫声，无明显抖动。转矩响应要快，稳速精度要高；抗干扰能力强，同时维修要方便。电机最大转速要求达到3000r/min，现场速度脉冲编码器安装在车床主轴上面，车床主轴和主轴电机之间通过同步皮带连接，且皮带输入输出带轮直径比值为1：1。同时，车床主轴要求实现定位控制，当一个工件加工好后，车床主轴要回到初始位置，此时，将加工好的工件取下，重新装上一个待加工工件。
针对上述工艺要求，我司特选用高性能闭环矢量主轴定位专用变频器Goodrive35，功率等级为4KW，型号为GD35-004G-4-A1。
四、调试过程及实际效果
1、现场接线示意图
图（3）CNC数控系统与Goodrive35接线示意图
2、调试过程及使用效果
（1）编码器参数及方向设定
CNC数控系统、变频器和速度脉冲编码器之间的连线接好后，然后测试编码器。设置编码器线数P20.01，设置P00.00=2，P00.10=20Hz，运行电机，此时电机旋转为20Hz，观察P18.00的测速值应接近20Hz，如果测速值为负，则表明编码器方向反向了，设置P20.02=1即可，如果测速值偏差较大，则表明P20.01设置错误。观察P18.02 Z脉冲计数值是否波动，如果波动，表明编码器有干扰或者P20.01设置错误，检查接线及屏蔽线是否良好接地。
（2）电机参数自学习
记录电机铭牌参数，然后设置参数P02.00~P02.05。设置P00.00=1，开环矢量运行模式，并设置参数P00.15=1（旋转参数自学习），同时给运行命令，电机会先静止然后再旋转到2/3的额定转速，自学习完成后，自动停机，键盘显示-END-，并且将学习得到的参数保存在P2组电机参数P02.06~P02.10中。
注：进行上述动态自学习时需要把电机轴与机械负载脱开，而进行静态自学习则不需要脱开机械负载。
（3）试运行电机
设置P00.00=3，闭环矢量控制模式，同时设置运行指令通道及频率给定源。调整加减速时间及P3组速度环及电流环PI参数，使之在整个范围内运行平稳。
（4）端子功能设定
参考说明书P5,P6组输入输出端子功能进行端子功能的设定。注：Goodrive35说明文档由Goodrive300产品说明书和Goodrive35附加说明书共同组成。
车床主轴加工工件时，转速要求设定为850r/min，采用闭环矢量控制模式，转速波动小，稳速精度高。电机无异常噪音，无明显抖动。当一个工件加工完成后，切换到定位模式，主轴可以精准地回到最始位置。Goodrive35主轴定位专用变频器在数控车床上的应用，完全可以满足客户需求。
3、变频器典型参数设置
|
序号 |
功能代码 |
名称 |
设定值 |
说明 |
|
1 |
P00.00 |
速度控制模式 |
3 |
闭环矢量模式 |
|
2 |
P00.01 |
运行指令通道 |
1 |
端子运行通道 |
|
3 |
P00.03 |
最大输出频率 |
100HZ |
|
|
4 |
P00.04 |
运行频率上限 |
100HZ |
|
|
5 |
P00.06 |
A频率指令选择 |
1 |
模拟量AI1 |
|
6 |
P00.11 |
加速时间1 |
1S |
|
|
7 |
P00.12 |
减速时间1 |
2S |
|
|
8 |
P01.13 |
正反转死区时间 |
1S |
|
|
9 |
P05.01 |
S1端子功能选择 |
1 |
正转运行 |
|
10 |
P05.02 |
S2端子功能选择 |
2 |
反转运行 |
|
11 |
P05.03 |
S3端子功能选择 |
45 |
主轴回零 |
|
12 |
P06.04 |
继电器RO2输出选择 |
5 |
变频器故障 |
|
13 |
P22.00 |
主轴定位模式选择 |
41 |
主轴定位使能；脉冲有效 |
|
14 |
P22.01 |
主轴准停速度 |
5HZ |
|
|
15 |
P20.02 |
编码器方向 |
0或1 |
调整编码器方向 |
|
16 |
P22.03 |
主轴零点位置 |
0～4096 |
调整零点位置 |
五、结论
之前，数控车床主轴定位功能是由伺服驱动器来完成。采用英威腾主轴定位专用变频器Goodrive35替代伺服驱动器后，性能优良，具有伺服驱动器主轴定位控制的同样效果，并能大大降低数控车床的成本。