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变频调速器在机床换刀机构上的应用 |
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作者：张敬毅 倪俊霞 |
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就数控机床而言，除了进给、主轴因有精度要求，一般采用伺服电机驱动外，对于刀库、机械手等辅助驱动可采用变频调速器进行驱动。变频调速器连线简单，调试方便。
我厂XH715B型立式加工中心属轻型机床，其换刀机构包括链式刀库及凸轮机械手。在考虑设计方案时，由于刀库、机械手的驱动要求不高，但又要求有变速、定位、换向功能，因此，采用变频调速器拖动普通交流电动机的方案。因为刀库和机械手是分时运动的，故由一台变频器驱动两台普通交流电动机，其驱动原理见图1。
图1 变频调速器驱动换刀机构电气原理图
实际调试时，我们分别应用变频调速器的正反转功能与多段速运行功能，满足刀库的正反转与两级速度要求。利用两个接近开关进行刀库计数及精确定位。接近开关信号时序图如图2所示。每一个TM周期为刀库传动齿轮转动一个齿的距离。通过计算得知，刀库齿轮每转动4个齿为一个刀套的距离。通过PLC运算处理，利用计数器计数，可实现刀库计数运转。并在刀库运行至目标刀位前一刀库位置时进行减速运转(变频调速器运行频率为10～15Hz)，至目标刀位停止。以前我厂刀库检测定位采用一个绝对编码器，且多为进口的，现在采用两个接近开关即可实现，降低了成本，且性能可靠。刀库快速运转时，变频调速器运行频率为30～40Hz，慢速时为10～15Hz，可以进行正转和反转，就近找刀。由于刀库降速比大，惯性大，运行速度可以不必太快，故实现定位功能较为容易。
图2 接近开关信号时序图
在调试机械手时，出现了一问题，即机械手停止运行时，不能准确停在零位。机械手有一个零位开关，换刀时，要求机械手从零位开始起动，运行时零位信号由1变为0，低电平输出。当再次回到零位时，零位信号则由0变为1，高电平输出，此时要求机械手停止运行，并准确停在零位(图3)。由于机械手惯性小，运行速度快，当NC再次检测到零位信号时，即零位信号由0变为1时，马上发出指令让机械手停止运行，但其停止位置往往越过零位，见图3中A位置。这显然是不允许的，因为机械手稍微偏离零位，当机床Z轴向下运动时就会撞上机械手造成损害。经过观察分析，发现造成这种情况是因为高速运行的电动机若由变频器驱动，其停止时会有很大一部分动能传递至传动机构上。如传动机构惯性大，可能不会产生明显的影响，而对于凸轮机械手这样的小惯性传动机构则会产生明显影响。当我们增加变频调速器的制动单元时，效果不甚明显。为此，我们增加了一个能耗制动回路，见图1虚框部分。当机械手运行至零位时，立即把驱动电动机与变频调速器断开，并将电动机电枢的三根线连至制动电阻上。这样，电机中的动能大部分泄放到制动电阻上，剩余动能很小，对机械手的停止位置就不会产生明显影响。经过多次试验，机械手停止位置都变得比较准确了。后来我们在此基础上，为机械手增加了一个更直接的零位开关(或称作机械手保护开关)，整个换刀机构的运行就更加可靠、安全。
图3 零位开关示意图
通过这台机床调试，我们认为交流变频调速器作为数控机床辅助驱动，尤其是换刀机构的驱动装置，不失为一种低成本、可靠、方便的驱动方案。可以预见，今后变频调速器在数控机床上将得到更为广泛的应用。(end)
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(12/2/2006) |
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