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優(yōu)化某數(shù)控加工中心主軸變頻器加速時(shí)間及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
閱讀：549 發(fā)布時(shí)間：2020-8-135.4優(yōu)化某數(shù)控加工中心主軸變頻器加速時(shí)間及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
數(shù)控加工中心XK713型銑床，接下來對(duì)該型機(jī)床的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)進(jìn)行一下介紹。
數(shù)控加工中心供電需采用380
V, 50Hz三相四線制交流電源供電, 該型數(shù)控加工中心的理想工作室溫在20°C左右，另外該型數(shù)控加工中心同樣具有較好的剛 性和加工精度，對(duì)于大多數(shù)較為常見的加工特征如：平面、曲面、孔以及溝槽等 都能夠較為準(zhǔn)確的加工出來。
XK713型數(shù)控加工中心主要由底座、立柱、工作臺(tái)、滑鞍、主軸箱、冷卻箱、全 防護(hù)、電氣箱和集中操作按鈕站等部分組成，數(shù)控加工中心的外觀圖如圖5.1所示， 電氣箱安裝在數(shù)控加工中心背面，冷卻箱安放在數(shù)控加工中心全防護(hù)的下面，集中操作按 鈕站固定在數(shù)控加工中心全防護(hù)的正右方，數(shù)控加工中心總體布局緊湊，操作方便，占用 面積較小。
該型數(shù)控加工中心的主傳動(dòng)電機(jī)采用的是YPNC系列5.5KW/6000rmp的主軸異步 變頻電機(jī)，并配備變頻器經(jīng)過兩檔齒輪機(jī)械變速以實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸的無極變速， 主軸采用兩支撐結(jié)構(gòu)，前支撐采用高精度成組結(jié)構(gòu)的哈軸7212ACTA/P4DBA角 接觸主軸軸承，這種結(jié)構(gòu)的軸承承載能力大，極限轉(zhuǎn)速高，并能夠同時(shí)承載徑向 力和兩向的軸向推力，后支撐采用一只D110向心軸承，在軸承內(nèi)孔里設(shè)有刀具 自動(dòng)卡緊機(jī)構(gòu)；而本數(shù)控加工中心的進(jìn)給傳動(dòng)均采用高精度、高剛性的角接觸軸承構(gòu) 成，本數(shù)控加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5.2所示，主傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比圖如圖5.3 所示。
由圖5.2可以看出主電動(dòng)機(jī)1通過齒輪3、4、9、10的機(jī)械傳動(dòng)，可以使數(shù) 控銑床主軸在較低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)，即數(shù)控加工中心主軸的低速檔位，而通過齒輪3、4、 6、8的機(jī)械傳動(dòng)，可以使數(shù)控加工中心主軸在較高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)，即數(shù)控加工中心主軸的高 速檔位，數(shù)控加工中心主軸通過主電動(dòng)機(jī)和上述兩檔齒輪的相互配合，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控 銑床主軸的無極調(diào)速。由圖5.3可以計(jì)算得出各傳動(dòng)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
據(jù)此可以看出，該型數(shù)控加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)的能量利用率是比較低的，因此基 于該型數(shù)控加工中心開展提升其能效研宄是很有必要的。
數(shù)控加工中心XK713型銑床為例，對(duì)上述節(jié)能方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn) 證，該型機(jī)床分兩個(gè)檔位，低速檔和高速檔，主軸轉(zhuǎn)速可在0~6000rmp內(nèi)實(shí)現(xiàn)無 極變速，由于出于技術(shù)保護(hù)等原因，在購買數(shù)控加工中心后其待機(jī)功率、空載功率、 主軸功率等參數(shù)廠商不愿提供，因此首先需要經(jīng)過試驗(yàn)得到該型數(shù)控加工中心的待機(jī) 功率，通過多功能功率采集儀多次測(cè)量數(shù)控加工中心主軸靜止時(shí)的待機(jī)功率，后計(jì) 算得出數(shù)控加工中心的待機(jī)平均功率為328.5w，具體測(cè)量值如表5.1所示。
| 表5.1待機(jī)功率值
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控制數(shù)控加工中心主軸在0~1600rpm內(nèi)每隔lOOrmp為一檔做主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在 各級(jí)轉(zhuǎn)速下待數(shù)控加工中心平穩(wěn)運(yùn)行后，通過多功能功率采集儀連接一次性測(cè)取多組對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的主軸銑削空載功率p„，然后將各級(jí)轉(zhuǎn)速下的數(shù)控加工中心主軸空切削功 率減去待機(jī)平均功率便可得到表5.2所示的主軸旋轉(zhuǎn)功率表。
| 表5.2主軸旋轉(zhuǎn)功率表
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對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和擬合，繪制轉(zhuǎn)速與功率之間的曲線圖，其中在繪制時(shí) 以主軸轉(zhuǎn)速n為橫坐標(biāo)，主軸旋轉(zhuǎn)功率Pm為縱坐標(biāo)繪制，具體如圖4.3所示，從 圖中可以很明顯的看出在lOOOrmp和1400rmp時(shí)曲線的斜率變化明顯，因此以轉(zhuǎn) 速lOOOrmp和1400rmp為分界點(diǎn)得出主軸旋轉(zhuǎn)功率的分段函數(shù)，
接下來對(duì)通過以上所得的主軸旋轉(zhuǎn)加速功率方程和能耗模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)證，以便確保后續(xù)在改變銑床主軸變頻器加速時(shí)間后利用該公式計(jì)算出的主軸能耗結(jié)果的準(zhǔn)確性。隨機(jī)選取六組主軸旋轉(zhuǎn)加速的初始轉(zhuǎn)速^及 主軸旋轉(zhuǎn)加速的終轉(zhuǎn)速詳細(xì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表5.3所示，在查閱了數(shù)控加工中心XK713的電氣說明書后知道主軸變頻器的加速時(shí)間h=3.2x,帶入主軸旋轉(zhuǎn)加速 功率和能耗公式中即可求得相應(yīng)能耗。測(cè)試實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試裝置圖如圖5.5所示。
| 表5.3主軸轉(zhuǎn)速參數(shù)表
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通過前文所述的主軸旋轉(zhuǎn)加速功率方程和能耗模型可以計(jì)算得出主傳動(dòng)系統(tǒng) 的能耗預(yù)測(cè)值，為了驗(yàn)證該計(jì)算值的準(zhǔn)確度需進(jìn)行上述主軸能耗測(cè)試實(shí)驗(yàn)，將理 論預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，證明該模型的實(shí)用性。
在進(jìn)行該模型可靠性分析時(shí)主要通過精確度的指標(biāo)來判定，而預(yù)測(cè)精度計(jì)算 式如式(5-17)所示，分析結(jié)果如表5.4所示。
£1 -能耗測(cè)量值；
在進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)主要用到的實(shí)驗(yàn)儀器為：XK713型數(shù)控加工中心、橫河WT1800 功率測(cè)試儀以及一些輔助器材如電流鉗等。在眾多功率分析儀器中，橫河WT1800 具有體積輕巧、精度高及便于安放和測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，能精確滿足能耗數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn) 的要求，因此選用該型功率儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在測(cè)量的過程中主要是通過電流鉗 將功率測(cè)試儀串聯(lián)進(jìn)數(shù)控加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)主軸電機(jī)的輸出端，通過測(cè)量電壓和電 流從而間測(cè)算出主軸電機(jī)加速過程的能耗值。
| 表5.4分析結(jié)果表
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通過觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果表后發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用前文所述的數(shù)控加工中心主軸旋轉(zhuǎn)加速能耗計(jì)算 方法得出的能耗計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值之間存在一定的誤差，但誤差在合理范圍以 內(nèi)，能耗預(yù)測(cè)精度在88%以上，說明了該能耗模型具有一定的實(shí)用性，可以作為在 改變主軸變頻器加速時(shí)間后重新預(yù)測(cè)數(shù)控加工中心主軸能耗的理論公式。
首先設(shè)定數(shù)控加工中心主軸旋轉(zhuǎn)加速的初始主軸轉(zhuǎn)速和終轉(zhuǎn)速，在變頻器加速 時(shí)間變化范圍內(nèi)改變其加速時(shí)間，然后帶入主軸旋轉(zhuǎn)加速功率計(jì)算公式及能耗計(jì) 算公式中，通過計(jì)算得出主軸旋轉(zhuǎn)加速功率峰值及能耗的不同取值，然后經(jīng)過篩 選，剔除計(jì)算出的主軸旋轉(zhuǎn)加速功率峰值大于主軸額定功率的方案，后在剩下 的方案中選取解。
XK713型數(shù)控加工中心為例，根據(jù)機(jī)床參數(shù)列出了 4種可供選 擇的主軸變頻器加速時(shí)間，方案1的？4為5.4s，方案2的為4s,方案3的;4為數(shù)控加工中心原始變頻器加速時(shí)間3.2s，方案4的;4為2.6s。本實(shí)驗(yàn)所選初始主軸轉(zhuǎn)速均為0,終轉(zhuǎn)速為主軸旋轉(zhuǎn)的大轉(zhuǎn)速1600rmp,由于變頻器加速時(shí)間不同導(dǎo)致主軸同樣從0加速到1600rmp的時(shí)間不同，具體如表5.4所示。將上述己知 量帶入前文公式中即可計(jì)算得到四個(gè)方案的主軸旋轉(zhuǎn)功率和能耗的理論值，具體 計(jì)算結(jié)果如表5.4所示。
表5.4計(jì)算結(jié)果表
| 方案 主軸旋轉(zhuǎn)加速功率公式 主軸旋轉(zhuǎn)加速時(shí)間(s) 大功率(w) 能耗⑴
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由數(shù)控加工中心的參數(shù)值可知，數(shù)控加工中心主軸電機(jī)的額定功率為5500w，而方案 4的大功率超過了 5600w,超出了主軸電機(jī)的大額定負(fù)荷，不滿足我們的要 求，應(yīng)該選擇在主軸額定功率以下且能耗值低的為加速時(shí)間，因此首先剔除 方案4。對(duì)比其他三個(gè)方案，方案2的加速時(shí)間比方案1短，卻比數(shù)控加工中心原變 頻器加速時(shí)間3.2s要長，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% ,因此優(yōu)先選擇方案2的主軸變頻器加速時(shí)間為方案， 終通過計(jì)算分析驗(yàn)證了本論文所提出的主傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化方法的有效性，通 過選取合適的主軸變頻器加速時(shí)間確實(shí)可以降低主軸能耗。
通過觀察計(jì)算結(jié)果還可以看出，在數(shù)控加工中心實(shí)際加工過程中，主軸變頻器的 加速時(shí)間并不是越短主軸能耗越小，也不是越長主軸能耗越小，主軸能耗和變頻 器的加速時(shí)間之間的關(guān)系并不是單調(diào)的，但是可以通過計(jì)算，從有限個(gè)方案中選 擇合適的主軸變頻器加速時(shí)間方案，從而降低銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)主軸的能耗，進(jìn)而 降低主傳動(dòng)系統(tǒng)的總能耗。
5.5本章小結(jié)
本章主要圍繞如何選取合適的主軸變頻器加速時(shí)間來優(yōu)化主傳動(dòng)系統(tǒng)的主軸 能耗展開，通過降低主軸能耗達(dá)到降低主傳動(dòng)系統(tǒng)能耗的目的。首先分別給出了 主傳動(dòng)系統(tǒng)主軸旋轉(zhuǎn)加速功率和能耗方程的詳細(xì)獲取方法，然后基于數(shù)控加工中心 XK713進(jìn)行了實(shí)例分析，后根據(jù)數(shù)控加工中心參數(shù)列出了 4種可供選擇的數(shù)控加工中心 主軸變頻器旋轉(zhuǎn)加速時(shí)間方案，根據(jù)方案分別計(jì)算出了各自方案下的數(shù)控加工中心主 軸能耗，并終通過對(duì)結(jié)果的分析給出了的主軸變頻器旋轉(zhuǎn)加速時(shí)間方案， 當(dāng)選取此種方案時(shí)，確實(shí)可以起到降低數(shù)控加工中心主軸能耗的效果，提升了主傳動(dòng) 系統(tǒng)的能效，從而實(shí)現(xiàn)主傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能的目的。
本文采摘自“數(shù)控加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)能耗特性及運(yùn)行節(jié)能技術(shù)研究”，因?yàn)榫庉嬂щy導(dǎo)致有些函數(shù)、表格、圖片、內(nèi)容無法顯示，有需要者可以在網(wǎng)絡(luò)中查找相關(guān)文章！本文由伯特利數(shù)控整理發(fā)表文章均來自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明！