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泮建華

（上海鐵路局杭州北車(chē)輛段）

數控機床是輪對鏇修加工的重要設備，設備性能的穩定和加工精度的準確，對貨車(chē)輪對質(zhì)量和安全起著(zhù)重要作用。主軸是機床的核心部件，主軸電機的控制對機床的精度和穩定性也起著(zhù)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(shí)確保在運行中的穩定，車(chē)床主軸的穩定可靠顯得尤為重要。通過(guò)對數控車(chē)床主軸電機的變頻技術(shù)改進(jìn)，達到提高加工穩定性、加工精度，平滑加減速、節能等目的。

一、現狀及存在問(wèn)題

1、數控車(chē)輪車(chē)床現狀

杭州北車(chē)輛段修車(chē)大庫經(jīng)過(guò)擴能改造后，日出車(chē)量由原來(lái)的30輛提高到現在的70輛（含廠(chǎng)修車(chē)輛），以車(chē)輛段目前輪對60%左右的鏇修率計算，日均鏇修輪對達到170余對。目前用于輪對鏇修加工的數控車(chē)輪車(chē)床增加到8臺，車(chē)床操作工采取早、中兩班工作制，每個(gè)班次5人，因此每臺車(chē)床的日均輪對加工數達34對左右。車(chē)床數控系統均采用西門(mén)子公司的802D系統，主軸采用Y-△-YY，3速電機帶動(dòng)，平均功率40kW。因數控加工要求精確、可靠，對主軸電機啟動(dòng)、變速、運行的穩定性要求很高，加上車(chē)輛段目前輪對鏇修加工量大的特點(diǎn)，如何改善數控車(chē)床主軸控制方式，提高輪對鏇修效率和精度成為了設備維修人員的重要課題。

2、運行中存在的主要問(wèn)題和原因

（1）主軸電機功率大，電機采用的硬啟動(dòng)方式，啟動(dòng)瞬間電流急劇增大，不僅對電網(wǎng)電壓造成很大沖擊，而且還會(huì )對電網(wǎng)容量要求過(guò)高，車(chē)輛段車(chē)輪車(chē)床與輪對探傷設備處于同一網(wǎng)路中，車(chē)床頻繁啟動(dòng)產(chǎn)生的大電流對電網(wǎng)的沖擊已影響到探傷設備的正常使用。此外啟動(dòng)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)對相關(guān)零部件（各種閥類(lèi)）的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。由此造成的油路和各種閥類(lèi)問(wèn)題，占維修量的很大比例，影響設備使用效率，增加設備維修人員的工作強度。

（2）車(chē)床主軸在運行時(shí)，由于加工刀具、被加工材料以及對工件加工的不同要求，為保證在任何情況下都能得到佳切削條件，這就要求傳動(dòng)系統有足夠寬的調速范圍。同時(shí)在不同轉速下又有具體的要求：高速下，要求速度穩定，盡可能提供主軸電機的功率，即恒功率范圍要寬；低速下，要求提供大轉矩輸出，以滿(mǎn)足重切削的要求。采用現行的齒輪傳動(dòng)變檔，主軸在變檔調速時(shí)由于轉速不是一個(gè)平滑的曲線(xiàn)，在加速或減速運行時(shí)，由于絲杠的進(jìn)給速度在系統設定下是恒定的，由此造成的進(jìn)給速度不匹配，易造成刀頭的磨損甚至崩斷刀頭，造成刀頭使用費用居高不下。

（3）系統對過(guò)電流保護的設計不夠合理。在車(chē)削過(guò)程中容易出現吃刀量過(guò)大現象，此時(shí)絲杠承受較大的切削力，但由于未設置高靈敏度的過(guò)電流保護裝置，使刀架扔按照程序運行，長(cháng)時(shí)間工作必定會(huì )造成絲杠磨損，致使系統出現報警，設備無(wú)法正常工作。通常情況下要處理絲杠問(wèn)題需要將刀架整體拆除，不僅需要耗費大量時(shí)間且購買(mǎi)新絲杠費用較高，期間造成設備長(cháng)時(shí)間停臺也嚴重影響生產(chǎn)進(jìn)度。

（4）主軸制動(dòng)效果差，目前主軸采用能耗制動(dòng)，在高速下主軸從制動(dòng)開(kāi)始到完全停止需要5～10s，制動(dòng)效果不明顯，由于制動(dòng)時(shí)間長(cháng)，若發(fā)生突發(fā)情況主軸無(wú)法立即制動(dòng)，存在安全隱患。

（5）該設備月均運行時(shí)間長(cháng)，消耗的電能大，怎樣通過(guò)改進(jìn)節約設備耗能也是設備維修人員面臨的一個(gè)課題。圖1為數控系統與主軸控制結構示意圖。

3、數控機床主軸要求

主軸是車(chē)床構成中一個(gè)重要部分，功率消耗占機床總功率的70%～80%，性能直接影響到機床的加工效率、加工材料范圍、加工質(zhì)量等。數控機床將高效、高精度和高柔性集為一體。為滿(mǎn)足數控車(chē)床對主軸驅動(dòng)的要求，主軸必須具備幾個(gè)性能：

（1）要有較寬調速范圍且速度穩定性能要高；

（2）在斷續負載情況下，電機的轉速波動(dòng)范圍要??；

（3）電機加減速時(shí)間要短；

（4）抗過(guò)載能力強；

（5）噪聲低、振動(dòng)小、壽命長(cháng)。

二、主軸電機變頻改進(jìn)方案

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(shí)現主軸運行頻率可控。

1、選擇合理位置安裝變頻器，按要求布置線(xiàn)路。變頻器主電路接線(xiàn)見(jiàn)圖2。

2、根據工件加工要求設置變頻器各參數：①設置電機參數，額定功率FH.01在0.4～999.9 kW，額定電流FH.02 在0.1～999.9 A；設置功能參數，頻率給定通道F0.00為VCI 模擬給定（VCIGND），運行命令通道F0.03為端子運行命令通道，運轉方式F0.04 為正轉，輸出頻率MAX（50.00，上限頻率F0.12）～650 Hz，設定為50 Hz，基本運行頻率為50 Hz，為防止主軸反轉，設置防反轉F3.00為禁止反轉，設置點(diǎn)動(dòng)運行頻率為F3.13 為5Hz，點(diǎn)動(dòng)加速時(shí)間F3.15為10s；②設置過(guò)程閉環(huán)控制參數，F5.02反饋通道選擇由VCI 模擬電壓輸入0～10V，給定量F5.10為100%；③設置相關(guān)保護參數，FL.04過(guò)載預報警檢出，檢出水平相當于電機額定電流（告警時(shí)故障代碼E014），自動(dòng)限流水平FL.07 限流水平120%，保護動(dòng)作FL.12，告警并自動(dòng)減速運行。

三、改進(jìn)后效果

1、主軸點(diǎn)動(dòng)、啟動(dòng)及運行平穩，即實(shí)現了主軸的軟啟動(dòng)。采用軟啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：①平滑加減速，有效避免了硬啟動(dòng)對設備各部件的損傷，增強設備運行的穩定性，提高設備使用壽命。②避免了頻繁啟動(dòng)與停止對電網(wǎng)電壓的沖擊，有利于電網(wǎng)長(cháng)期穩定運行。③變頻器采用二極管整流，相對軟啟動(dòng)器安全的高次諧波少，網(wǎng)側的高次諧波減少，功率因數提高。④提高運行的穩定性，減少刀片損耗，實(shí)現主軸加減速的平滑，提高工件加工質(zhì)量。⑤提高安全性。降低機械配件損毀、電網(wǎng)劇烈波動(dòng)、電機燒毀、停車(chē)失靈、操作人員誤傷等安全隱患。

2、減少電能消耗。通過(guò)實(shí)際測試得出，正常切削時(shí)的電流是方案實(shí)施之前的70%，每年僅電費就可節省30多萬(wàn)元。

3、自動(dòng)電壓調節（AVR）。當電網(wǎng)電壓變化時(shí)自動(dòng)保持輸出電壓恒定；自動(dòng)限流，對運行期間電流自動(dòng)限制，防止頻繁過(guò)電流故障。運用此項功能設計過(guò)電流自動(dòng)報警，提醒操作人員合理選擇進(jìn)給吃刀量。由此可有效解決絲杠磨損嚴重等問(wèn)題。

4、去除了不必要的接觸器、變速齒輪等，在提高設備運行穩定性的同時(shí)，節省大量維修經(jīng)費。

5、實(shí)現主軸快速制動(dòng)，利用變頻器的減速停車(chē)功能，實(shí)現主軸快速停車(chē)，提高設備使用效率且有效保護操作人員的安全。

6、變頻控制的實(shí)現，使主軸運行穩定，切削過(guò)程中調速平滑，有效防止刀架損壞，減輕了刀頭的磨損，刀頭使用費用降低。

來(lái)源： 設備管理與維修

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