摘 要：文章將智能化交流伺服主軸驅動系統(tǒng)應用于數(shù)控加工中心，分析主軸驅動系統(tǒng)的原理，給出容量計算及型號選擇方法，討論主軸驅動系統(tǒng)與CNC之間的信號聯(lián)系與電路連接方法，研究主軸的參數(shù)設置，使高性能主軸驅動系統(tǒng)在加工中心上得到合理使用，以滿足數(shù)控加工的工藝和精度要求。 關鍵詞：數(shù)控系統(tǒng)；智能化；交流主軸驅動；參數(shù)整定 主軸驅動系統(tǒng)是數(shù)控機床的大功率執(zhí)行機構，其功能是接受數(shù)控系統(tǒng)（CNC）的S碼速度指令及M碼輔助功能指令，驅動主軸進行切削加工。數(shù)控加工中心對主軸有較高的控制要求，首先要求在大力矩、強過載能力的基礎上實現(xiàn)寬范圍無級變速，其次要求在自動換刀動作中實現(xiàn)定角度停止（即準停），這使加工中心主軸驅動系統(tǒng)比一般的變頻調(diào)速系統(tǒng)或小功率交流伺服系統(tǒng)在電路設計和運行參數(shù)整定上具有更大的難度。主軸的驅動可以使用交流變頻或交流伺服2種控制方式，交流變頻主軸能夠無級變速但不能準停，需要另外裝設主軸位置傳感器，配合CNC系統(tǒng)PMC（指數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置PLC）的邏輯程序來完成準停速度控制和定位停止;交流伺服主軸本身即具有準停功能，其自身的軸控PLC信號可直接連接至CNC系統(tǒng)的PMC，配合簡捷的PMC邏輯程序即可完成準停定位控制，且后者的控制精度遠遠高于前者。 本文基于主軸伺服驅動系統(tǒng)的原理分析，結合三菱SJ-PF系統(tǒng)交流主軸驅動系統(tǒng)在H400和V400立、臥式2臺加工中心上的應用情況，探討如何利用現(xiàn)代智能化驅動系統(tǒng)的高穩(wěn)定度、高精度特點及方便的參數(shù)調(diào)整功能，通過合理的容量選擇、電路連接和相關參數(shù)調(diào)整，使主軸驅動系統(tǒng)滿足加工中心的工藝和精度要求。 一、交流伺服主軸驅動系統(tǒng)工作原理 [align=center] 圖1　交流伺服主軸驅動單元的原理框圖[/align] 交流伺服主軸驅動系統(tǒng)由主軸驅動單元、主軸電動機和檢測主軸速度與位置的旋轉編碼器3部分組成，主要完成閉環(huán)速度控制，但當主軸準停時則完成閉環(huán)位置控制。由于數(shù)控機床的主軸驅動功率較大，所以主軸電動機采用鼠籠式感應電動機結構形式，旋轉編碼器可以在主軸外安裝，也可以與主軸電動機做成一個整體，主軸驅動單元的閉環(huán)控制、矢量運算均由內(nèi)部的高速信號處理器及控制系統(tǒng)實現(xiàn)，其原理框圖如圖1所示。圖中CNC系統(tǒng)向主軸驅動單元發(fā)出速度指令驅動單元將該指令與旋轉編碼器測出的實際速度相比較，經(jīng)數(shù)字化的速度調(diào)節(jié)器和磁鏈函數(shù)發(fā)生器運算，得到轉子當前的希望力矩與希望磁鏈矢量再分別與實際力矩、磁鏈運算結果相比較，且經(jīng)過力矩、磁鏈調(diào)節(jié)器運算得到等效直流電動機（兩相旋轉軸系）的轉矩電流分量和勵磁電流分量換進入兩相靜止軸系，最后經(jīng)2/3矢量變換進入三相靜止軸系，得到變頻裝置的三相定子電流希望值，通過控制SPWM驅動器及IGBT變頻主回路使負載三相電流跟隨希望值，就可以完成主軸的速度閉環(huán)控制。 三菱主軸驅動單元采用電流型矢量控制方式，以高速數(shù)字信號處理器DSP為核心，以大規(guī)模專用集成電路、高速功率模塊作為實現(xiàn)電路，使驅動單元具有體積小、重量輕、運算速度高、位置控制定向時間短、易于高速準停等諸多優(yōu)點。該驅動單元能接受數(shù)字速度給定，也能接受模擬速度給定，具備過流、過壓、過載、欠壓、過熱、過速等多項保護的監(jiān)控和診斷功能，具有通訊功能，準停參數(shù)及運行參數(shù)設置既可以通過PC機預置也可以手動輸入，設計緊湊，使用方便。該主軸驅動器在準停定位時，實際上并不接受CNC的速度命令，僅僅按照預設的準停位置、準停速度等參數(shù)完成閉環(huán)位置控制。 二、主軸驅動系統(tǒng)的容量選擇 以H400立式加工中心主軸驅動系統(tǒng)的容量選擇為例，說明主軸驅動系統(tǒng)容量的選擇過程。 1、選擇條件 （1）初選三菱SJ-PF系列交流主軸驅動系統(tǒng)，主軸電機最高轉速為6000r/min，主軸恒扭矩輸出的最大轉速為1500r/min。 （2）切削參數(shù)（最大銑削力狀況），使用高速鋼端面銑刀銑削中碳鋼工件時，刀具直徑為125mm，最大銑削速度為40m/min。 2、計算主軸主傳動功率 （1）主軸空載功率。H400型立式加工中心主軸前后支承軸頸的平均直徑為70mm，按下式可計算出主軸空載功率，即 式中：k，c為常數(shù);dm為主軸前后支承軸頸的平均直徑;n為主軸恒扭矩輸出的最大轉速。 代入數(shù)值得P0=0.92kW。 （2）主軸最大切削功率。當主軸最大切削功率為最大銑削力產(chǎn)生時，主軸的切削負荷。用高速鋼端面銑刀銑削中碳鋼工件時，最大銑削力可用下式計算 設最大銑削速度v=40m/min，可求出最大切削功率 （3）主軸主傳動功率為 由于數(shù)控機床的傳動鏈較短，主傳動總效率取較高數(shù)值0.85，代入數(shù)值可得PE=2.39kW。 作為整套伺服驅動系統(tǒng)，三菱主軸驅動單元與主軸電動機容量已作過匹配，依據(jù)設計功率大于主傳動功率的原則，為H400型立式加工中心選擇的SJ-PF系列主軸電動機型號為SJ-PF5.5，驅動單元型號為MDS-A-SPJA-55，容量為5.5kW，對應輸出功率為3.7kW，額定速度為1500r/min，2臺電動機均帶有內(nèi)藏式編碼器及冷卻風 扇。 三、主軸驅動系統(tǒng)與CNC連接電路 加工中心采用符合工業(yè)PC標準的INCON-M40F型開放體系結構數(shù)控系統(tǒng)作為主控制器，該數(shù)控系統(tǒng)通過1套交流伺服驅動系統(tǒng)完成加工中心的主軸運動控制，3套伺服進給驅動系統(tǒng)完成X，Y，Z 3個方向的進給聯(lián)動控制，又通過2塊PLC擴展I/O板完成機床動作復雜邏輯控制（包括數(shù)控系統(tǒng)工作方式管理、手輪管理、刀庫自動換刀、雙工作臺交換、工作臺分度定位停止等），邏輯控制軟件使用C++語言開發(fā)，由數(shù)控系統(tǒng)的80586CPU實現(xiàn)各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)管理。以INCON-M40F數(shù)控系統(tǒng)為核心的加工中心電氣控制系統(tǒng)總體結構如圖2所示。 [align=center] 圖2　加工中心電氣控制系統(tǒng)的總體結構[/align] 圖3為主軸驅動系統(tǒng)的連接電路。MDS-A-SPJA系列主軸驅動器上共有9個強電接線端子和3個信號電纜插座CN1，CN2，CN3。9個強電接線端子分別為：AC 220V三相電源進線R，S，T，交-直-交變頻主回路的直流側能耗制動電阻接線端子C，P，向主軸電機供電的變頻輸出動力線端子U，V，W及屏蔽線接線端子PE。信號電纜CN3用于連接CNC系統(tǒng)及PC機，其中SE1，SE2用來接受數(shù)控系統(tǒng)的模擬電壓指令（±10V），SYA，SYA，SYB，SYB3，SYC與SYC3是從主軸驅動單元送回CNC的當前速度反饋信號線（6根分為A，B兩相各2根，零脈沖Z相2根），TX1，RX1，GND則分別為串行發(fā)送、接收信號線及地線，用于連接PC機的串行口，作主軸驅動單元的運行參數(shù)、準停參數(shù)預設定及主軸狀態(tài)監(jiān)控，正常運行時不必連接。CN2是三菱公司提供的標準電纜，用來傳遞主軸編碼器對主軸驅動單元的速度/位置反饋信號。CN1電纜有40線之多，主要作為主軸的軸控PLC信號，被連接于數(shù)控系統(tǒng)PMC的I/O點，以完成CNC對主軸的狀態(tài)監(jiān)控及動作控制。CN1中有代表性的信號為：FA，F(xiàn)C，OSSEND，INCW，INCCW，INALM由主軸驅動器發(fā)向數(shù)控系統(tǒng)的PMC，傳遞主軸驅 動器的當前狀態(tài)，即FA與FC接通表示主軸報警，OSSEND指示主軸準停動作已經(jīng)到位，INCW，INCCW，INALM則指示主軸處于正轉、反轉還是報警中;REDAY，SRI，SRN，OSS，EMG則由數(shù)控系統(tǒng)的PMC發(fā)向主軸驅動器，傳遞CNC對主軸的控制命令，即REDAY為就緒信號，SRI為正轉命令，SRN為反轉命令，OSS為準停命令，EMG為緊急停止命令。CN1電纜上還有2根線SM0與LM0，可分別與地線G間接入主軸速度表和負載表，用于數(shù)控機床的面板顯示。 [align=center] 圖3　主軸驅動系統(tǒng)的連接電路[/align] 四、主軸驅動系統(tǒng)的參數(shù)整定 三菱MDS-A-SPJA系列主軸驅動單元從SP001-SP384共有384個內(nèi)部參數(shù)，這些參數(shù)需根據(jù)機械傳動情況、電路硬件連接及運行功能要求進行合理調(diào)整。實際調(diào)試時，有的參數(shù)使用初始默認值，有的參數(shù)要與主軸系統(tǒng)的外部信號接線相配合，還有的參數(shù)由主傳動結構及性能要求確定。加工中心主軸調(diào)試中使用的典型參數(shù)示例如下。 SP001：準?；芈吩鲆妫褂媚J值。 SP004：準停在位寬度，設置為1/16。 SP006：準停減速率，使用默認值。 SP007：準停位置數(shù)值，如希望主軸定位停于x°位置，可對應設置SP007=x°/360°×4096。 SP017：主軸電機最高速度，設定為6000。 SP019：速度設定值的加/減速時間常數(shù)，設定為30ms。 SP025：主軸側齒輪齒數(shù)。 SP029：電機側齒輪齒數(shù)，SP029與SP025的比例應按照主傳動實際傳動比設為1∶2。 SP039，SP040，S0041：分別指定驅動單元容量、電機型號及能耗制動電阻型號。 SP098，SP099，SP100：分別為速度回路增益的P，I，D項。 SP129～SP133：按要求范圍置數(shù)，指定驅動單元接受外部輸入信號所使用的輸入線，如通過設置SP129=1，可定義CN1的第19A引腳作為準停命令OSS輸入端。 SP178，SP179：用于速度、負載表刻度調(diào)整。SP141～SP143：按要求范圍置數(shù)，指定驅動單元狀態(tài)輸出所使用的輸出線。如通過設置SP141=0，可定義CN1的第7A引腳作為準停完成信號輸出端：通過設置SO142=11，可定義CN1的第7B引腳作為驅動單元就緒的狀態(tài)監(jiān)控輸出端。 還有些機器數(shù)需要按位設置，如SP097，該參數(shù)按2進制共有16位，從第0位到第F位，其中第1位與第0位的組合表示準停旋轉方向，置01選擇正方向準停;第3位置1表示準停伺服期間主軸鎖定;第5位選擇編碼器檢測極性，置0;如其余位暫置為0，則SP097=0009H。參數(shù)整定后的加工中心主軸速度實測曲線如圖4所示。圖4a為主軸加速-穩(wěn)速（至1000r/min）-減速過程的動態(tài)速度變化曲線，速度上升時間約為0.2s，超調(diào)量小于0.25%;圖4b為主軸從1000r/min的穩(wěn)定速度作定角度停止時的動態(tài)速度變化曲線，曲線中間的恒速段為位置回路控制速度，標志著主軸從速度控制模式變?yōu)槲恢每刂颇Ｊ?，主軸在正常運行速度下從準停命令發(fā)出至準停定位完畢約需要0.5s，過渡過程平穩(wěn)。主軸靜態(tài)性能為調(diào)速范圍達到3000∶10，無靜差。 實踐證明，參數(shù)的合理設定可以發(fā)揮系統(tǒng)的智能化調(diào)諧能力，實現(xiàn)主軸驅動單元、CNC系統(tǒng)與主軸電動機協(xié)調(diào)運行，使主傳動具有穩(wěn)定的靜態(tài)、動態(tài)性能。 [align=center] 圖4　主軸速度實測曲線[/align] 五、結束語 我們在理論計算的指導下，為立式、臥式2臺加工中心選擇了主軸系統(tǒng)容量，完成了CNC主軸驅動系統(tǒng)之間的信號連接，并根據(jù)系統(tǒng)要求分別調(diào)整了2臺主軸驅動器的內(nèi)部參數(shù)，加工中心運行情況證明：主軸系統(tǒng)容量設計合適、信號連接正確、參數(shù)配合適當，發(fā)揮出了三菱主軸驅動系統(tǒng)的智能化優(yōu)勢，整機達到了所預期的機械加工性能要求。