變頻器在電火花線切割機(jī)床上的應(yīng)用

0 引言

電火花線切割加工是電火花加工的重要組成部分，它是利用金屬線狀工具電極(又稱電極絲)沿著給定的幾何圖形軌跡，利用脈沖放電腐蝕金屬的原理來加工工件。快走絲線切割機(jī)床于70年代在我國興起并逐步廣泛應(yīng)用于加工精度要求高、形狀復(fù)雜，特別是模具等金屬件的加工中。

快走絲線切割機(jī)床的電氣及控制系統(tǒng)一般分為：微機(jī)控制部分、高頻電源部分和絲筒電機(jī)控制部分。絲筒電機(jī)控制部分控制電機(jī)及絲筒，帶動(dòng)鉬絲作快速正反的啟動(dòng)運(yùn)行和停止，并提供各種相應(yīng)保護(hù)功能。其它類型機(jī)床電氣控制通常采用繼電器控制方式，也比較實(shí)用，但這種控制方式存在著下述一系列的問題：

(1)繼電器接觸器動(dòng)作頻繁，損耗相對(duì)較大;中間轉(zhuǎn)換控制復(fù)雜，出故障可能性高。

(2)電機(jī)頻繁正反向全壓啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大，對(duì)絲筒機(jī)械部件沖擊大。

(3)接觸器觸點(diǎn)頻繁閉合斷開造成的噪聲大。

這些問題導(dǎo)致的主要后果是整個(gè)加工可靠性降低，燒絲等問題增多，這勢(shì)必導(dǎo)致二次加工，最終影響產(chǎn)品質(zhì)量，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)上述存在的問題，故用小功率變頻器來實(shí)現(xiàn)原控制方式的改進(jìn)，其理由主要有以下幾點(diǎn)：

(1)變頻器產(chǎn)品技術(shù)成熟、性能可靠，已被廣泛應(yīng)用于異步電機(jī)各控制系統(tǒng)中。

(2)利用變頻器的外接控制輸入端子和反映運(yùn)行狀態(tài)的輸出端子以及強(qiáng)大的可編碼功能，可以根據(jù)被控對(duì)象和控制方式的不同進(jìn)行靈活選擇和設(shè)定，省去了復(fù)雜的中間轉(zhuǎn)換控制。

(3)電機(jī)的啟停時(shí)間及電流可分別通過手動(dòng)編碼或自動(dòng)設(shè)置完成，減少了原方式中起動(dòng)電流大，機(jī)械沖擊大的弊病。

(4)主電路的相序切換通過變頻器內(nèi)部集成控制電路完成(無觸點(diǎn)切換)。另外變頻器內(nèi)還設(shè)有直流制動(dòng)功能，并設(shè)定當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為0后，制動(dòng)過程可自動(dòng)解除，避免由于操作不當(dāng)電機(jī)所承受的不必要的大電流。

(5)變頻器還可自行彌補(bǔ)電網(wǎng)電壓波動(dòng)，設(shè)置自動(dòng)延時(shí)關(guān)機(jī)和來電繼續(xù)加工等功能，可進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度。

本機(jī)床采用Altivar31系列高性能變頻器，功率范圍從0.18～15KW;無速度傳感器磁通矢量控制;6路可變邏輯輸入端子，3路可配置模擬輸入端子，3路邏輯/模擬輸出端子，提供控制功能和保護(hù)功能。

1 走絲機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)

快走絲線切割機(jī)床的走絲機(jī)構(gòu)，是影響其加工質(zhì)量及加工穩(wěn)定性的關(guān)鍵部件。走絲機(jī)構(gòu)的功能是帶動(dòng)電極絲按一定線速度移動(dòng)往復(fù)運(yùn)絲，并將電極絲整齊地排繞在儲(chǔ)絲筒上。儲(chǔ)絲筒本身作高速正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，是利用電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)來達(dá)到的。電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器帶動(dòng)絲筒，再經(jīng)同步帶帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，拖板便作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，拖板移動(dòng)的行程可由調(diào)整換向左右撞塊的距離來達(dá)到。機(jī)床走絲機(jī)構(gòu)如圖1所示。

2 絲筒變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

(1)主電路

系統(tǒng)功率變換環(huán)節(jié)采用AD/DC整流電路和IGBT逆變電路。

(2)控制電路

控制電路主要用來接受外來信號(hào)和發(fā)出控制命令和PWM 波形。

(3)驅(qū)動(dòng)電路

采用IGBT智能功率模塊(IPM)。

(4)保護(hù)電路

為了保護(hù)動(dòng)作的快速性和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性，采用了硬件電路加軟件子程序的監(jiān)控方式，故障發(fā)生時(shí)如果是屬于電機(jī)短路之類的故障，則硬件電路將立即產(chǎn)生信號(hào)，關(guān)閉波形發(fā)生器并在中斷子程序中進(jìn)行保護(hù)設(shè)置，并使程序回到初始狀態(tài)。

3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

儲(chǔ)絲簡采用三相交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，電機(jī)速度通過變頻器調(diào)速旋鈕進(jìn)行無極調(diào)速

3.1 主電路的設(shè)計(jì)

三相交流電壓經(jīng)二極管整流模塊，大電容濾波后送到由6個(gè)IGBT組成的三相逆變器，系統(tǒng)功率器件選用第三代IGBT及續(xù)流二極管，由逆變器送出的可變頻率的交流電供給電動(dòng)機(jī)調(diào)速。

3.2 控制電路的設(shè)計(jì)

使用DSP作為控制器能最大限度地減少外圍器件的數(shù)目，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在本設(shè)計(jì)中主要使用1MS32OC24Ox DSP的PWM輸出口，及板上A/D口、捕獲接口CAP。DSP的6個(gè)PWM信號(hào)經(jīng)過緩沖器反相后送到驅(qū)動(dòng)電路板驅(qū)動(dòng)IPM。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示

對(duì)于A/D采樣口的輸入信號(hào)做了前期的處理，直接輸入的信號(hào)是幅值在0～5V的直流電壓信號(hào)，能滿足DSP對(duì)輸入模擬信號(hào)的要求。交流電機(jī)的矢量控制要求對(duì)交流電機(jī)速度進(jìn)行采樣。

3.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中使用IGBT智能功率模塊(IPM)，它是一種大規(guī)模集成模塊，不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還將過電壓、過電流和過熱等故障檢測(cè)電路包含在里面，并可將故障保護(hù)信號(hào)送到CPU或DSP進(jìn)行處理。

3.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

IGBT用于電力變換時(shí)，容易出現(xiàn)過電壓、過電流等故障，造成器件的損壞，因而IGBT在工作時(shí)，必須采取完備的保護(hù)措施。這些保護(hù)措施主要包括過壓保護(hù)、過流保護(hù)和過溫保護(hù)3部分。IPM內(nèi)部已經(jīng)整合了很周密的保護(hù)電路，從電流保護(hù)、電壓保護(hù)到熱保護(hù)。

4 結(jié)論

電火花線切割加工機(jī)床集高效、高精度和高柔性為一體，要求電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、加減速性能好、速度精度高、特殊功能(如高速定位)強(qiáng)。變頻器在走絲機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，達(dá)到對(duì)三相異步電機(jī)的無級(jí)調(diào)速，具有節(jié)能、對(duì)電網(wǎng)無污染、調(diào)速范圍大、調(diào)速機(jī)械性硬等優(yōu)點(diǎn)。