變頻器在精密深孔機械加工中的應用
引言
在難加工材料上加工精密深孔，歷來都是機械加工中的難點之一。長期以來，較為普遍的方式為采用鉆原擴原鉸的工藝。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量上有所進步，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、高質量、高效率、低消耗的現代化工業生產要求。采用振動切削深孔加工技術與交流變頻調速技術相結合，對現有機床進行適當的改造，將對深孔加工的效率和精度有一個明顯的提高，并且加工質量也更為穩定。
1、變頻器調速原理
變頻器是多種技術和理論綜合發展的產物，一般包括主電路、控制、檢測和保護等部分。主電路部分包括整流、濾波穩壓、逆變等三部分，還留有直流平波電抗器、制動電阻、制動單元等接口。控制部分一般包含數字信號處理器和（或）高速微控制器，它們共同完成控制算法的實現、控制的動態調節、PWM控制信號的輸出。監測部分包括對電壓、電流、溫度等變量的檢測，并判斷是否超過設定值以便進行系統保護。一般所說的變頻器是指適用于工業通用電機和一般變頻電機，并由一般電網供電（單相220V/50Hz、三相380V/50Hz）作調速控制的通用變頻器。此類變頻器由于工業領域的廣泛使用已成為變頻器的主流。
將交流變成直流，經過平滑濾波，再經過逆變電路，把直流變成不同頻率的交流。使電動機獲得無級調速所需要的電壓、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制方法進行控制。這種脈動轉矩小，擴展了調速范圍,提高了調速性能，因此，在數控機床的交流驅動中得到了廣泛應用。
2、振動切削深孔加工的基本原理
振動切削深孔加工也就是通常說的振動鉆削，它是把振動切削技術應用于鉆孔加工，在傳統深孔加工的基礎上，給刀具附加一定頻率和振幅的有規律振動，刀具一邊進給、一邊振動的同時完成鉆削作業，將使切削厚度產生周期變化，達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，是改善深孔加工質量，提高加工效率的一種先進的工藝方法。該方法針對加工材料和不同鉆孔規格，只要對主軸轉速n、進給量s、振動振幅a和頻率f進行適當的選擇和匹配，既可有效地控制切屑的形狀和大小，滿足斷續切削的要求。
根據這一理論，對機床進行振動深孔鉆鏜床的改造，把先進的振動切削深孔加工技術與交流變頻調速技術有效地結合起來，形成一種專用的精密深孔加工系統，解決孔徑小于60mm、孔深達到4000mm、長徑比L/D大于70的非回轉類零件深孔加工中存在的問題。
3、振動切削深孔加工對機床改造的要求
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，為了滿足生產企業日益廣泛的加工需求，就必須增大主軸電機的調速范圍，同時為了滿足振動切削的要求，振動電機的調速范圍也必須成倍擴大。
就我國目前所使用的機床來看，主要采用變級多速三相異步電動機和在機床床頭箱內用電磁離合器來變換齒輪達到變速的目的，無法實施精度較高的恒線性控制，還不能適應那些要求主軸轉速高低跨度大，高，中，低速兼有的零件加工需要。而對于一些采用直流調速拖動的數控機床，雖然可以實現無級調速，但必須經常維護換流電刷，使用成本較高，且電機比較高轉速受限制。因此，我們把變頻調速技術應用到數控機床上，通過變頻器對電機進行直接變速傳動，可實現無級平滑調速，減小了大電機啟動時對電網的沖擊；提高了功率因數，節能效果顯著；提高了加工效率和精度。
要采用振動深孔鉆削，就需要對深孔鉆鏜床或者對普通機床進行適當的改造才能得以實現。若對普通車床進行改造，就需要在原車床的基礎上增加振動裝置、授油器、供油系統、電氣控制系統等四大部件。若對深孔鉆鏜機床進行改造時，則只需增加振動裝置和控制系統，其它部位稍作改動即可。其中，電氣控制系統是實現振動深孔鉆削的核心部件。
4、控制系統的原理
根據振動切削理論斷屑公式，在進給量s和振動振幅a為定值時，要使式（1）成立，必須使振動頻率f和主軸轉速n保持特定的比例，頻轉比的控制是整個控制系統的核心，它的性能直接決定著斷屑效果和加工過程的平穩性。為了滿足振動切削深孔加工的高精度要求，確保加工過程中頻轉比保持相對穩定，必須采用以主軸電機的轉速作為給定量，使振動軸的轉速作為反饋量的電動機閉環調速控制系統。一般情況下，調速系統都采用轉速、電流雙閉環系統，但是通用變頻器本身有限流保護，所以采用速度單閉環控制，不但結構簡單，而且可取得良好的綜合性能指標。
本系統采用如圖1所示的控制方案，通過測速傳感器檢測主軸轉速n和振動轉速f，與事先設定好的速度比率（即頻轉比參數）k=f/n進行比較，通過PI調節，再將比較的差值轉換成PWM電壓信號發送給變頻器，通過變頻器對振動電機轉速進行控制，使其跟隨主軸電機在不同的切削負荷下轉速的變化，從而使f/n維持設定比例k，保證數控車床的加工精度和穩定性。
5、控制系統的硬件結構
整個控制系統是由頻轉比控制器（80196KC單片機）、變頻器和交流電機三個重要部分組成，如圖2所示。在該系統中，頻轉比控制器通過檢測主軸轉速和振動轉速，按設定的頻率轉速比，通過控制交流電機變頻調速器的外部電壓控制端來調節振動電機速度，從而保證維持設定的頻轉比值。
其中主電機帶動一級同步齒形帶傳動，帶動主軸（刀具）旋轉，振動電機驅動連桿機構實現主軸（刀具）的軸向振動，當主電機運轉時，主軸電機與振動電機均由變頻器控制實現主軸轉速和振動頻率的無級調節，且振動電機與主軸電機之間運轉為閉環控制，即通過控制器設定比率控制振動電機頻率；振動振幅采用雙偏心機構來實現，可根據所選進給量的大小來調節．
根據主軸電機比較大轉速1000r/s的要求，該控制系統頻轉比率應在0.00~5.00之間無級可調。在電機傳動中，為了保持調速時電機的比較大轉矩不變，該系統必須保持頻率和電壓之比為常數。在出現異常情況下，系統必須具備應急故障處理功能和發出報警顯示。
6、變頻器的選型
變頻器的選擇，必須根據應用場合及負載特性的具體情況，并從容量、輸出電壓、輸出頻率、保護構造、V/F（電壓/頻率）模式、電網
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