變頻器在電火花線切割機床上的應用

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?？熳呓z線切割機床于70年代在我國興起并逐步廣泛應用于加工精度要求高、形狀復雜，特別是模具等金屬件的加工中。

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

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

(2)電機頻繁正反向全壓啟動，啟動電流大，對絲筒機械部件沖擊大。

(3)接觸器觸點頻繁閉合斷開造成的噪聲大。

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

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

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

(3)電機的啟停時間及電流可分別通過手動編碼或自動設置完成，減少了原方式中起動電流大，機械沖擊大的弊病。

(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(無觸點切換)。另外變頻器內(nèi)還設有直流制動功能，并設定當電機轉(zhuǎn)速為0后，制動過程可自動解除，避免由于操作不當電機所承受的不必要的大電流。

(5)變頻器還可自行彌補電網(wǎng)電壓波動，設置自動延時關機和來電繼續(xù)加工等功能，可進一步提高自動化程度。

本機床采用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功能。

1 走絲機構控制系統(tǒng)

快走絲線切割機床的走絲機構，是影響其加工質(zhì)量及加工穩(wěn)定性的關鍵部件。走絲機構的功能是帶動電極絲按一定線速度移動往復運絲，并將電極絲整齊地排繞在儲絲筒上。儲絲筒本身作高速正反向轉(zhuǎn)動，是利用電動機正反轉(zhuǎn)來達到的。電機經(jīng)聯(lián)軸器帶動絲筒，再經(jīng)同步帶帶動絲杠轉(zhuǎn)動，拖板便作往復運動，拖板移動的行程可由調(diào)整換向左右撞塊的距離來達到。機床走絲機構如圖1所示。

2 絲筒變頻調(diào)速系統(tǒng)結構

變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由以下幾個環(huán)節(jié)構成，系統(tǒng)結構框圖如圖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和發(fā)出控制命令和PWM 波形。

(3)驅(qū)動電路

采用IGBT智能功率模塊(IPM)。

(4)保護電路

為了保護動作的快速性和實時監(jiān)測性，采用了硬件電路加軟件子程序的監(jiān)控方式，故障發(fā)生時如果是屬于電機短路之類的故障，則硬件電路將立即產(chǎn)生信號，關閉波形發(fā)生器并在中斷子程序中進行保護設置，并使程序回到初始狀態(tài)。

3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的電路設計

儲絲簡采用三相交流異步電動機拖動，電機速度通過變頻器調(diào)速旋鈕進行無極調(diào)速

3.1 主電路的設計

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機調(diào)速。

3.2 控制電路的設計

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。在本設計中主要使用1MS32OC24Ox DSP的PWM輸出口，及板上A/D口、捕獲接口CAP。DSP的6個PWM信號經(jīng)過緩沖器反相后送到驅(qū)動電路板驅(qū)動IPM?？刂葡到y(tǒng)結構圖如圖3所示

對于A/D采樣口的輸入信號做了前期的處理，直接輸入的信號是幅值在0～5V的直流電壓信號，能滿足DSP對輸入模擬信號的要求。交流電機的矢量控制要求對交流電機速度進行采樣。

3.3 驅(qū)動電路的設計

在設計中使用IGBT智能功率模塊(IPM)，它是一種大規(guī)模集成模塊，不僅把功率開關器件和驅(qū)動電路集成在一起，而且還將過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路包含在里面，并可將故障保護信號送到CPU或DSP進行處理。

3.4 保護電路的設計

IGBT用于電力變換時，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，必須采取完備的保護措施。這些保護措施主要包括過壓保護、過流保護和過溫保護3部分。IPM內(nèi)部已經(jīng)整合了很周密的保護電路，從電流保護、電壓保護到熱保護。

4 結論

電火花線切割加工機床集高效、高精度和高柔性為一體，要求電動機控制系統(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。變頻器在走絲機構控制系統(tǒng)中的應用，達到對三相異步電機的無級調(diào)速，具有節(jié)能、對電網(wǎng)無污染、調(diào)速范圍大、調(diào)速機械性硬等優(yōu)點。