變頻器在精密深孔機(jī)械加工中的應(yīng)用

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。

    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，對現(xiàn)有機(jī)床進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑�，將對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�含數(shù)字信號處理器和（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控制信號的輸出。監(jiān)測部分包括對電壓、電流、溫度等變量的檢測，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。該方法針對加工材料和不同鉆孔規(guī)格，只要對主軸轉(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，通過變頻器對電機(jī)進(jìn)行直接變速傳動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速，減小了大電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對電網(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，就需要對深孔鉆鏜床或者對普通機(jī)床進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑觳拍艿靡詫?shí)現(xiàn)。若對普通車床進(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)采用如圖1所示的控制方案，通過測速傳感器檢測主軸轉(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電壓信號發(fā)送給變頻器，通過變頻器對振動(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，如圖2所示。在該系統(tǒng)中，頻轉(zhuǎn)比控制器通過檢測主軸轉(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，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)測速模塊、振動(dòng)電機(jī)測速模塊、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，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。主程序流程圖如圖3所示。

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)，降低對切削液系統(tǒng)的要求，可相對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。