泮建華

（上海鐵路局杭州北車輛段）

數控（kòng）機床是輪對鏇（xuàn）修（xiū）加工（gōng）的重要設備，設備性能的穩定和（hé）加工精度的準確，對貨（huò）車輪對質（zhì）量和安全起著重要作用。主軸是機床的核心部件，主軸電機的控（kòng）製對機床的精（jīng）度和穩定性也起著決定性作用。要使被加工的輪對尺寸符合規定，精度合格，同時確保在運行中（zhōng）的穩定，車床主軸的穩（wěn）定可靠顯得尤為（wéi）重要。通（tōng）過對數控車床主軸電機的（de）變頻技術改進，達到提高加工（gōng）穩定性、加工精度（dù），平（píng）滑加減速（sù）、節能（néng）等目的（de）。

一、現狀及存（cún）在問題

1、數（shù）控車輪車床現狀

杭州北（běi）車輛段修車大庫經過擴能改造後（hòu），日出車量由原來的30輛提高到現在的70輛（含廠修車輛），以車輛段目前輪對60%左右的鏇（xuàn）修率計（jì）算，日均鏇修輪對達到170餘對（duì）。目前用（yòng）於輪對鏇修加工的數控車輪車床增加到8台，車床操作工采取早、中兩班工作製，每個班次5人，因此（cǐ）每（měi）台車床的日均輪對加工數達34對左右。車床數控係統均采用西門（mén）子公司（sī）的802D係統（tǒng），主軸采用Y-△-YY，3速電機帶動，平均功率40kW。因（yīn）數控加工要求精確、可靠，對主軸電機啟動、變速、運行（háng）的穩定（dìng）性要求很（hěn）高，加上車（chē）輛段目前輪對鏇修加工量大的特（tè）點，如何改善數控車床（chuáng）主軸控製方式，提高輪對鏇修效（xiào）率（lǜ）和精度成為了設備維修人員的重要（yào）課題。

2、運行中存在的主要問題和原因（yīn）

（1）主軸電機功（gōng）率大，電機采用的硬啟動方式，啟動瞬間電流急劇增大，不僅（jǐn）對電網電壓造成很大衝擊，而且還會對電網容量要求過高，車輛段車輪車床與輪對探傷（shāng）設備處於同一網（wǎng）路（lù）中，車（chē）床頻繁（fán）啟動產（chǎn）生的大電流對電網的衝擊已影響到探傷設備的正常（cháng）使用。此外（wài）啟動產生的（de）大電流和震動對相關零部件（jiàn）（各種閥類）的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利（lì）。由此造成的油（yóu）路和各種閥類問題，占維修量的很大比例，影響設備使用效率，增加設備維（wéi）修人員的工作強度。

（2）車床主軸在運行時，由於加工刀具、被加工材（cái）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（xuē）條件，這就要求傳動係統有足夠寬的調速範圍。同時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（tí）供主軸電機的功率，即恒功率（lǜ）範圍要寬；低速下，要求提供大轉矩輸出，以滿足重（chóng）切削的要求。采用現行的齒輪傳動變檔（dàng），主軸在變（biàn）檔調速時由（yóu）於轉（zhuǎn）速不是一個平滑的曲（qǔ）線，在加速或減速（sù）運（yùn）行時，由於絲杠的進給速度在係統設定下是恒定的，由此造成的進給速度（dù）不匹（pǐ）配，易造成刀頭的磨損甚至（zhì）崩斷刀頭，造成刀頭使用費用居高不下。

（3）係（xì）統對過電（diàn）流保護的設計不夠合理。在車削過程中容易出現吃（chī）刀量過大現象，此時絲杠承受較大的切削（xuē）力，但（dàn）由於未設置高靈敏（mǐn）度的過電流保護裝置，使刀架扔按（àn）照程序運行，長時間工作必定會造成絲杠磨損，致使係（xì）統出現報警，設備無法正常工作。通常情況下要處理絲杠問（wèn）題需要將刀架整體（tǐ）拆除，不僅需要耗費大量時間且購買新絲杠費用較高，期間造成設備長時間停台也嚴重影響生產進度。

（4）主軸製動效果（guǒ）差，目前主軸采用能耗製動，在高速下主軸從製動開始到完全停止需要5～10s，製動效果不明顯，由於製動時間長，若發（fā）生突發情況（kuàng）主軸無法立即（jí）製動，存在安全隱患。

（5）該設備月均運行（háng）時間長，消耗的（de）電能大，怎樣通過改進節（jiē）約設備耗能也是設備（bèi）維修人員（yuán）麵臨的一（yī）個課（kè）題。圖1為數控係統與主軸控（kòng）製結構示意圖。

3、數控機床主軸要求（qiú）

主軸是車床構成中一個重要部分，功率消耗占（zhàn）機床（chuáng）總（zǒng）功率的70%～80%，性能直接影響到機床的加工效率、加工材料（liào）範圍（wéi）、加工質量等。數控機床將高效、高精度和高柔性集為一體（tǐ）。為滿足數控車床對主軸（zhóu）驅動（dòng）的要求，主軸必須具備幾個性能：

（1）要有（yǒu）較寬調速範圍且速度穩定性能要（yào）高；

（2）在斷續負載情況下，電機的轉速波動範（fàn）圍要小；

（3）電機加減速時間要短；

（4）抗過載能力強；

（5）噪聲低、振動（dòng）小、壽命長。

二、主軸電（diàn）機變頻改進方案

利用段已拆除原空壓機上使用的艾默生EV2000-4T0750G型變頻（pín）器，改造主軸，實現主軸（zhóu）運行頻率可控。

1、選（xuǎn）擇合理位置安（ān）裝變頻（pín）器，按要求布（bù）置（zhì）線路。變頻器主電路接（jiē）線（xiàn）見圖2。

2、根據工件加工要求（qiú）設置變頻（pín）器各參數：①設置電機（jī）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（shè）置功能參數，頻率（lǜ）給定通道F0.00為（wéi）VCI 模擬給定（VCIGND），運行命令通道F0.03為（wéi）端子運行命令通（tōng）道，運轉方（fāng）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（yùn）行頻率為50 Hz，為防止主軸反轉（zhuǎn），設置防反轉F3.00為禁止反轉，設置點動運行頻率為F3.13 為（wéi）5Hz，點動加速時（shí）間F3.15為10s；②設置過程閉環控製參數，F5.02反饋通道選擇由VCI 模擬電壓輸入0～10V，給定（dìng）量F5.10為100%；③設（shè）置相關保護參數，FL.04過載預報警檢出，檢出水平相當於電機額定電流（告警時故障代碼E014），自動限流水平（píng）FL.07 限流（liú）水平120%，保（bǎo）護動作（zuò）FL.12，告警（jǐng）並自（zì）動減速運行。

三、改進後效果

1、主軸點動、啟動及運行平穩，即實現了（le）主（zhǔ）軸（zhóu）的軟啟動。采用軟啟動的優點：①平滑加減速，有效避免了硬啟動對設備各部件的損傷，增強設備運行的穩定性（xìng），提高設備使用壽（shòu）命。②避免了頻繁啟動與（yǔ）停止對電網電（diàn）壓的（de）衝擊，有利於電網長期穩定（dìng）運行。③變頻器采（cǎi）用二極管整流，相對軟啟動器安全的高次諧波少，網側的高次諧波減少，功率因數提高。④提高運行的穩定性，減少刀片損耗，實現主軸加減速的（de）平滑，提（tí）高工（gōng）件加工質量（liàng）。⑤提高安全性（xìng）。降低機械配件損（sǔn）毀、電網劇烈波動、電機（jī）燒毀、停（tíng）車失靈、操作人員誤傷等安全隱（yǐn）患。

2、減少（shǎo）電（diàn）能消耗。通過實際測試得出，正常切削時（shí）的電流是方案實施之前的70%，每年僅（jǐn）電費就可節省30多萬元。

3、自動電壓調節（AVR）。當電網電壓變（biàn）化時自動保持輸出電壓（yā）恒定；自動限流，對運行（háng）期間電流（liú）自動限製，防止（zhǐ）頻繁過電（diàn）流故（gù）障。運用此項（xiàng）功能設計過電流自動報警，提醒操作人員合理選擇進給吃刀量。由此可有（yǒu）效解決絲杠磨損嚴重等問題。

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

5、實現主軸快速製動，利（lì）用變頻器的減速停車功能，實現主軸快速停車，提高設備使用效率且有效保（bǎo）護操（cāo）作人員的安（ān）全。

6、變頻控製的實現，使主軸運行穩定，切削過程中（zhōng）調速平滑（huá），有效防止刀架損壞，減輕了刀頭的磨損，刀頭使（shǐ）用費用降低。

來源： 設備管理與維修

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