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优化某数控加工中心主轴变频器加速时间及实验验证
阅读：558 发布时间：2020-8-135.4优化某数控加工中心主轴变频器加速时间及实验验证
数控加工中心XK713型铣床，接下来对该型机床的结构和主要参数进行一下介绍。
数控加工中心供电需采用380
V, 50Hz三相四线制交流电源供电, 该型数控加工中心的理想工作室温在20°C左右，另外该型数控加工中心同样具有较好的刚 性和加工精度，对于大多数较为常见的加工特征如：平面、曲面、孔以及沟槽等 都能够较为准确的加工出来。
XK713型数控加工中心主要由底座、立柱、工作台、滑鞍、主轴箱、冷却箱、全 防护、电气箱和集中操作按钮站等部分组成，数控加工中心的外观图如图5.1所示， 电气箱安装在数控加工中心背面，冷却箱安放在数控加工中心全防护的下面，集中操作按 钮站固定在数控加工中心全防护的正右方，数控加工中心总体布局紧凑，操作方便，占用 面积较小。
该型数控加工中心的主传动电机采用的是YPNC系列5.5KW/6000rmp的主轴异步 变频电机，并配备变频器经过两档齿轮机械变速以实现机床主轴的无极变速， 主轴采用两支撑结构，前支撑采用高精度成组结构的哈轴7212ACTA/P4DBA角 接触主轴轴承，这种结构的轴承承载能力大，极限转速高，并能够同时承载径向 力和两向的轴向推力，后支撑采用一只D110向心轴承，在轴承内孔里设有刀具 自动卡紧机构；而本数控加工中心的进给传动均采用高精度、高刚性的角接触轴承构 成，本数控加工中心主传动系统结构图如图5.2所示，主传动系统传动比图如图5.3 所示。
由图5.2可以看出主电动机1通过齿轮3、4、9、10的机械传动，可以使数 控铣床主轴在较低转速下转动，即数控加工中心主轴的低速档位，而通过齿轮3、4、 6、8的机械传动，可以使数控加工中心主轴在较高转速下转动，即数控加工中心主轴的高 速档位，数控加工中心主轴通过主电动机和上述两档齿轮的相互配合，可以实现数控 铣床主轴的无极调速。由图5.3可以计算得出各传动环节的转动惯量。
据此可以看出，该型数控加工中心主传动系统的能量利用率是比较低的，因此基 于该型数控加工中心开展提升其能效研宄是很有必要的。
数控加工中心XK713型铣床为例，对上述节能方法进行实验验 证，该型机床分两个档位，低速档和高速档，主轴转速可在0~6000rmp内实现无 极变速，由于出于技术保护等原因，在购买数控加工中心后其待机功率、空载功率、 主轴功率等参数厂商不愿提供，因此首先需要经过试验得到该型数控加工中心的待机 功率，通过多功能功率采集仪多次测量数控加工中心主轴静止时的待机功率，后计 算得出数控加工中心的待机平均功率为328.5w，具体测量值如表5.1所示。
| 表5.1待机功率值
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控制数控加工中心主轴在0~1600rpm内每隔lOOrmp为一档做主轴旋转运动，在 各级转速下待数控加工中心平稳运行后，通过多功能功率采集仪连接一次性测取多组对应转速下的主轴铣削空载功率p„，然后将各级转速下的数控加工中心主轴空切削功 率减去待机平均功率便可得到表5.2所示的主轴旋转功率表。
| 表5.2主轴旋转功率表
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对以上数据进行分析和拟合，绘制转速与功率之间的曲线图，其中在绘制时 以主轴转速n为横坐标，主轴旋转功率Pm为纵坐标绘制，具体如图4.3所示，从 图中可以很明显的看出在lOOOrmp和1400rmp时曲线的斜率变化明显，因此以转 速lOOOrmp和1400rmp为分界点得出主轴旋转功率的分段函数，
接下来对通过以上所得的主轴旋转加速功率方程和能耗模型的准确性进行实 验验证，以便确保后续在改变铣床主轴变频器加速时间后利用该公式计算出的主轴能耗结果的准确性。随机选取六组主轴旋转加速的初始转速^及 主轴旋转加速的终转速详细实验参数如表5.3所示，在查阅了数控加工中心XK713的电气说明书后知道主轴变频器的加速时间h=3.2x,带入主轴旋转加速 功率和能耗公式中即可求得相应能耗。测试实验的现场调试装置图如图5.5所示。
| 表5.3主轴转速参数表
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通过前文所述的主轴旋转加速功率方程和能耗模型可以计算得出主传动系统 的能耗预测值，为了验证该计算值的准确度需进行上述主轴能耗测试实验，将理 论预测值与实际测量值进行对比，证明该模型的实用性。
在进行该模型可靠性分析时主要通过精确度的指标来判定，而预测精度计算 式如式(5-17)所示，分析结果如表5.4所示。
£1 -能耗测量值；
在进行该实验时主要用到的实验仪器为：XK713型数控加工中心、横河WT1800 功率测试仪以及一些辅助器材如电流钳等。在众多功率分析仪器中，横河WT1800 具有体积轻巧、精度高及便于安放和测量等优点，能精确满足能耗数据采集实验 的要求，因此选用该型功率仪进行实验测试。在测量的过程中主要是通过电流钳 将功率测试仪串联进数控加工中心主传动系统主轴电机的输出端，通过测量电压和电 流从而间测算出主轴电机加速过程的能耗值。
| 表5.4分析结果表
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通过观察实验结果表后发现，应用前文所述的数控加工中心主轴旋转加速能耗计算 方法得出的能耗计算值与实际测量值之间存在一定的误差，但误差在合理范围以 内，能耗预测精度在88%以上，说明了该能耗模型具有一定的实用性，可以作为在 改变主轴变频器加速时间后重新预测数控加工中心主轴能耗的理论公式。
首先设定数控加工中心主轴旋转加速的初始主轴转速和终转速，在变频器加速 时间变化范围内改变其加速时间，然后带入主轴旋转加速功率计算公式及能耗计 算公式中，通过计算得出主轴旋转加速功率峰值及能耗的不同取值，然后经过筛 选，剔除计算出的主轴旋转加速功率峰值大于主轴额定功率的方案，后在剩下 的方案中选取解。
XK713型数控加工中心为例，根据机床参数列出了 4种可供选 择的主轴变频器加速时间，方案1的？4为5.4s，方案2的为4s,方案3的;4为数控加工中心原始变频器加速时间3.2s，方案4的;4为2.6s。本实验所选初始主轴转速均为0,终转速为主轴旋转的大转速1600rmp,由于变频器加速时间不同导致主轴同样从0加速到1600rmp的时间不同，具体如表5.4所示。将上述己知 量带入前文公式中即可计算得到四个方案的主轴旋转功率和能耗的理论值，具体 计算结果如表5.4所示。
表5.4计算结果表
| 方案 主轴旋转加速功率公式 主轴旋转加速时间(s) 大功率(w) 能耗⑴
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由数控加工中心的参数值可知，数控加工中心主轴电机的额定功率为5500w，而方案 4的大功率超过了 5600w,超出了主轴电机的大额定负荷，不满足我们的要 求，应该选择在主轴额定功率以下且能耗值低的为加速时间，因此首先剔除 方案4。对比其他三个方案，方案2的加速时间比方案1短，却比数控加工中心原变 频器加速时间3.2s要长，但方案2的能耗比方案1的能耗降低了 5.7%，比方案3 的能耗降低了 4.2% ,因此优先选择方案2的主轴变频器加速时间为方案， 终通过计算分析验证了本论文所提出的主传动系统节能优化方法的有效性，通 过选取合适的主轴变频器加速时间确实可以降低主轴能耗。
通过观察计算结果还可以看出，在数控加工中心实际加工过程中，主轴变频器的 加速时间并不是越短主轴能耗越小，也不是越长主轴能耗越小，主轴能耗和变频 器的加速时间之间的关系并不是单调的，但是可以通过计算，从有限个方案中选 择合适的主轴变频器加速时间方案，从而降低铣床主传动系统主轴的能耗，进而 降低主传动系统的总能耗。
5.5本章小结
本章主要围绕如何选取合适的主轴变频器加速时间来优化主传动系统的主轴 能耗展开，通过降低主轴能耗达到降低主传动系统能耗的目的。首先分别给出了 主传动系统主轴旋转加速功率和能耗方程的详细获取方法，然后基于数控加工中心 XK713进行了实例分析，后根据数控加工中心参数列出了 4种可供选择的数控加工中心 主轴变频器旋转加速时间方案，根据方案分别计算出了各自方案下的数控加工中心主 轴能耗，并终通过对结果的分析给出了的主轴变频器旋转加速时间方案， 当选取此种方案时，确实可以起到降低数控加工中心主轴能耗的效果，提升了主传动 系统的能效，从而实现主传动系统节能的目的。
本文采摘自“数控加工中心主传动系统能耗特性及运行节能技术研究”，因为编辑困难导致有些函数、表格、图片、内容无法显示，有需要者可以在网络中查找相关文章！本文由伯特利数控整理发表文章均来自网络仅供学习参考，转载请注明！