泮建華

（上海鐵路局[Ju]杭州[Zhou]北車輛段）

數控機床是輪[Lun]對镟修加工的重要設備，設備性能的穩定和加工[Gong]精度的準确(Que)，對貨車(Che)輪對[Dui]質量和安全起[Qi]着重要作[Zuo]用。主軸是機床[Chuang]的核心部件，主軸電機的控制對機[Ji]床的精度和穩定性(Xing)也起着決定性作用。要使被加工的輪對尺寸符合規定，精度合格，同時确保在運行中[Zhong]的穩[Wen]定，車床主軸[Zhou]的穩定可靠顯得尤為重要[Yao]。通過對數控車床主軸電[Dian]機的變頻技(Ji)術改[Gai]進，達到[Dao]提高加工穩定性、加工精(Jing)度，平滑加減(Jian)速、節能等目的。

一、現狀及[Ji]存在問題

1、數[Shu]控車[Che]輪車床現狀

杭州北(Bei)車輛段修車大庫經過擴能改造後(Hou)，日[Ri]出[Chu]車量由原(Yuan)來的30輛提(Ti)高到現(Xian)在的70輛（含廠[Chang]修車輛），以車輛段目[Mu]前輪對60%左右的镟修率計算，日均镟修輪對達到170餘對。目[Mu]前用于(Yu)輪對镟修加工的數控車輪車床增加到8台，車[Che]床操作工采(Cai)取早、中兩班工作(Zuo)制，每個班次[Ci]5人，因此每台(Tai)車床的日均(Jun)輪[Lun]對加工數達34對左右。車(Che)床數控系統均采用(Yong)西門子公司的802D系統[Tong]，主軸采[Cai]用Y-△-YY，3速電機帶動(Dong)，平均功率40kW。因數控(Kong)加工要求精确、可靠，對主軸電機啟動、變(Bian)速、運[Yun]行的穩定(Ding)性要[Yao]求很高，加上車輛段目前輪對镟修加工量大的(De)特點，如何改(Gai)善數控車床(Chuang)主軸控[Kong]制方式，提[Ti]高輪對镟修效率和精度成為[Wei]了[Le]設備維修人[Ren]員的[De]重要課題。

2、運行中存在的[De]主要(Yao)問題和原[Yuan]因

（1）主[Zhu]軸電機功率大(Da)，電機采用(Yong)的硬啟動方式(Shi)，啟動瞬間電流(Liu)急劇增大，不僅對電網電壓造成(Cheng)很大沖擊，而[Er]且還會[Hui]對電網[Wang]容量要求過高，車輛(Liang)段車輪車床與[Yu]輪對探傷設備處于同一[Yi]網路中，車床[Chuang]頻繁啟(Qi)動産生的大電流(Liu)對電網的沖擊已影響[Xiang]到探傷設備的(De)正常使用。此[Ci]外啟動産生(Sheng)的大(Da)電[Dian]流和震動對(Dui)相關零部件（各(Ge)種[Zhong]閥類）的損害極大，對設備、管路的使用壽命(Ming)極為不利。由此造成[Cheng]的油路和[He]各種閥類問題，占維修量的[De]很[Hen]大比例，影(Ying)響設備使用效[Xiao]率，增加設備維修[Xiu]人員[Yuan]的工作強度[Du]。

（2）車床主軸在(Zai)運[Yun]行時，由于(Yu)加工刀具(Ju)、被加工材料以及對工件加[Jia]工的不同要求，為保證在(Zai)任何情況下都能[Neng]得到最佳切削條(Tiao)件，這就要求傳動[Dong]系統有足[Zu]夠寬的調速[Su]範(Fan)圍。同時在(Zai)不同轉速下又有具(Ju)體的(De)要求：高速(Su)下，要求速(Su)度穩定，盡可能提供[Gong]主軸(Zhou)電機的最(Zui)大功率，即恒功[Gong]率範圍要[Yao]寬；低(Di)速(Su)下，要求提供(Gong)大轉矩輸出，以滿足(Zu)重切削的要求。采(Cai)用現行的齒[Chi]輪傳動變檔，主軸[Zhou]在變檔(Dang)調速時由于轉(Zhuan)速不是一個[Ge]平[Ping]滑的曲線，在加[Jia]速或減速運行時，由于絲杠的進給速度在系統設定下是恒(Heng)定的，由此(Ci)造成(Cheng)的進[Jin]給速度不[Bu]匹配，易造成刀(Dao)頭的磨損甚至[Zhi]崩(Beng)斷刀頭[Tou]，造成[Cheng]刀頭使用費用居高不下(Xia)。

（3）系統對[Dui]過電流保護(Hu)的設計不夠合[He]理。在車削過程中容易出(Chu)現吃[Chi]刀[Dao]量[Liang]過大現象，此時絲杠承受(Shou)較大的切削(Xue)力(Li)，但由于未設置高靈敏度的過[Guo]電流保護裝置，使(Shi)刀架扔按照程序運行[Hang]，長[Zhang]時間工作必定會(Hui)造成絲(Si)杠磨損(Sun)，緻使(Shi)系統出現報警，設備無法正常工作。通常情況下要處理絲杠問(Wen)題需要将刀架整體拆除，不僅需要耗費大量時間且購買新絲杠費(Fei)用較高(Gao)，期間造成設備長時間停台也嚴重影響生産進度。

（4）主軸制動效[Xiao]果差，目前主軸采用(Yong)能耗制動，在高速下主軸從制(Zhi)動開始到完[Wan]全[Quan]停止需要[Yao]5～10s，制動[Dong]效果不明顯，由(You)于制動(Dong)時間長，若發生突發情[Qing]況主軸無法(Fa)立即制動，存在安(An)全隐患。

（5）該設備月均運行[Hang]時間長，消(Xiao)耗的電能大，怎樣[Yang]通過改進節約設[She]備耗能也是設備維修人員面臨的(De)一個課題。圖1為(Wei)數(Shu)控(Kong)系統與主軸控制結構示(Shi)意圖。

3、數[Shu]控機床[Chuang]主軸(Zhou)要求

主軸是[Shi]車床構成中[Zhong]一個重要部分，功率消耗占機(Ji)床總功[Gong]率的70%～80%，性能直(Zhi)接影響到[Dao]機床的(De)加[Jia]工效[Xiao]率、加工材料範圍、加工質量等。數控(Kong)機床将高(Gao)效、高精度和高柔性集為一體[Ti]。為滿足數控車[Che]床對主[Zhu]軸驅動[Dong]的要求，主[Zhu]軸必(Bi)須具[Ju]備幾個性[Xing]能：

（1）要有較寬調[Diao]速範圍且速度[Du]穩定性能要高[Gao]；

（2）在斷續負載情[Qing]況下，電機的轉(Zhuan)速波動範(Fan)圍要[Yao]小；

（3）電機加減(Jian)速時間要短；

（4）抗過(Guo)載能力強；

（5）噪聲低(Di)、振(Zhen)動小、壽命(Ming)長。

二、主軸電機變頻改進方(Fang)案

利用段已拆除原空壓機上使用的艾默生EV2000-4T0750G型變頻器，改造主軸，實現主軸運(Yun)行頻[Pin]率可控。

1、選擇合理[Li]位置安裝變頻器，按要[Yao]求布置線路(Lu)。變頻器主電路[Lu]接(Jie)線見圖2。

2、根(Gen)據工件加工要求設置變(Bian)頻器各參數：①設[She]置電機參數，額定功(Gong)率FH.01在(Zai)0.4～999.9 kW，額定電流FH.02 在0.1～999.9 A；設置功能(Neng)參數，頻率給定通道F0.00為VCI 模拟給定（VCIGND），運行[Hang]命令通道F0.03為端(Duan)子運行命令通[Tong]道，運[Yun]轉[Zhuan]方式F0.04 為(Wei)正轉，最大輸(Shu)出頻率MAX（50.00，上限頻率(Lü)F0.12）～650 Hz，設定為50 Hz，基本[Ben]運[Yun]行(Hang)頻(Pin)率為50 Hz，為防(Fang)止主軸反轉，設置防反轉F3.00為禁止反轉，設[She]置點(Dian)動運行頻率為F3.13 為5Hz，點動加(Jia)速時[Shi]間F3.15為10s；②設[She]置過程閉(Bi)環控制參數[Shu]，F5.02反[Fan]饋通道選擇(Ze)由VCI 模拟(Ni)電壓輸入0～10V，最大給(Gei)定量(Liang)F5.10為100%；③設置相關保護參(Can)數，FL.04過載預[Yu]報警檢出，檢出(Chu)水平相當于電(Dian)機額定電流（告警時故障代碼(Ma)E014），自動限流[Liu]水平FL.07 限流水平120%，保(Bao)護動作FL.12，告警并自[Zi]動減[Jian]速運行。

三、改進後效果

1、主軸點(Dian)動、啟動及運行平穩，即實現了主軸的軟啟動。采用[Yong]軟[Ruan]啟動的優[You]點：①平滑加減速，有效避[Bi]免了硬啟動對[Dui]設備各部[Bu]件(Jian)的損傷，增強(Qiang)設備(Bei)運行的穩定性，提高(Gao)設備使用壽命。②避免了頻[Pin]繁啟動與停(Ting)止對[Dui]電網電壓的(De)沖擊，有利于電網長期穩[Wen]定運行。③變頻器采用(Yong)二極管整流，相[Xiang]對軟啟動器安全的高次諧波少[Shao]，網側的高次諧波減少，功率(Lü)因數(Shu)提高。④提高運行的穩[Wen]定性，減少刀片損耗，實現(Xian)主軸加減速的平滑，提高(Gao)工件加工質量。⑤提高(Gao)安全(Quan)性。降(Jiang)低機械(Xie)配件損毀、電網劇烈波動[Dong]、電機燒毀(Hui)、停車失靈、操作人(Ren)員誤傷等安全[Quan]隐患。

2、減少電能消耗。通過實際測試得出，正常[Chang]切削時的電流是方[Fang]案實施之前的70%，每年僅電[Dian]費就可節省30多萬[Wan]元。

3、自動電壓調節[Jie]（AVR）。當電網電壓變化時(Shi)自動保持輸出電壓恒定；自動限[Xian]流，對運行期間電(Dian)流自動限(Xian)制，防(Fang)止頻繁過電流(Liu)故障。運用此項功能[Neng]設計過電流(Liu)自動報警，提(Ti)醒操作人員合理選擇進給吃刀量[Liang]。由此可有(You)效解決絲杠磨損[Sun]嚴重等問題(Ti)。

4、去除了不必要的接觸器、變速[Su]齒輪等(Deng)，在提高設備運行穩定(Ding)性的同時，節省(Sheng)大量維修經費。

5、實現主軸[Zhou]快速制動，利用變頻(Pin)器的減速停車功(Gong)能，實現主軸快速停車，提高[Gao]設備使用效率(Lü)且有效保護操(Cao)作人(Ren)員的安全。

6、變[Bian]頻控制的實現，使主軸運行穩定，切削過程中調速平滑，有效防止刀架損壞(Huai)，減輕了刀頭的磨損，刀頭[Tou]使用費用降低。

來源： 設備管(Guan)理與(Yu)維修

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