摘 要：文章將智能化交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)控加工中心，分析主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理，給出容量計(jì)算及型號(hào)選擇方法，討論主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與CNC之間的信號(hào)聯(lián)系與電路連接方法，研究主軸的參數(shù)設(shè)置，使高性能主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在加工中心上得到合理使用，以滿(mǎn)足數(shù)控加工的工藝和精度要求。 關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng)；智能化；交流主軸驅(qū)動(dòng)；參數(shù)整定 主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的大功率執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行切削加工。數(shù)控加工中心對(duì)主軸有較高的控制要求，首先要求在大力矩、強(qiáng)過(guò)載能力的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)寬范圍無(wú)級(jí)變速，其次要求在自動(dòng)換刀動(dòng)作中實(shí)現(xiàn)定角度停止（即準(zhǔn)停），這使加工中心主軸驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)整定上具有更大的難度。主軸的驅(qū)動(dòng)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(wú)級(jí)變速但不能準(zhǔn)停，需要另外裝設(shè)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(lái)完成準(zhǔn)停速度控制和定位停止;交流伺服主軸本身即具有準(zhǔn)停功能，其自身的軸控PLC信號(hào)可直接連接至CNC系統(tǒng)的PMC，配合簡(jiǎn)捷的PMC邏輯程序即可完成準(zhǔn)停定位控制，且后者的控制精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者。 本文基于主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理分析，結(jié)合三菱SJ-PF系統(tǒng)交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在H400和V400立、臥式2臺(tái)加工中心上的應(yīng)用情況，探討如何利用現(xiàn)代智能化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高穩(wěn)定度、高精度特點(diǎn)及方便的參數(shù)調(diào)整功能，通過(guò)合理的容量選擇、電路連接和相關(guān)參數(shù)調(diào)整，使主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿(mǎn)足加工中心的工藝和精度要求。 一、交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理 [align=center] 圖1　交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)單元的原理框圖[/align] 交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由主軸驅(qū)動(dòng)單元、主軸電動(dòng)機(jī)和檢測(cè)主軸速度與位置的旋轉(zhuǎn)編碼器3部分組成，主要完成閉環(huán)速度控制，但當(dāng)主軸準(zhǔn)停時(shí)則完成閉環(huán)位置控制。由于數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)功率較大，所以主軸電動(dòng)機(jī)采用鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式，旋轉(zhuǎn)編碼器可以在主軸外安裝，也可以與主軸電動(dòng)機(jī)做成一個(gè)整體，主軸驅(qū)動(dòng)單元的閉環(huán)控制、矢量運(yùn)算均由內(nèi)部的高速信號(hào)處理器及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其原理框圖如圖1所示。圖中CNC系統(tǒng)向主軸驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出速度指令驅(qū)動(dòng)單元將該指令與旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)出的實(shí)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(yùn)算，得到轉(zhuǎn)子當(dāng)前的希望力矩與希望磁鏈?zhǔn)噶吭俜謩e與實(shí)際力矩、磁鏈運(yùn)算結(jié)果相比較，且經(jīng)過(guò)力矩、磁鏈調(diào)節(jié)器運(yùn)算得到等效直流電動(dòng)機(jī)（兩相旋轉(zhuǎn)軸系）的轉(zhuǎn)矩電流分量和勵(lì)磁電流分量換進(jìn)入兩相靜止軸系，最后經(jīng)2/3矢量變換進(jìn)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(guò)控制SPWM驅(qū)動(dòng)器及IGBT變頻主回路使負(fù)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(qū)動(dòng)單元采用電流型矢量控制方式，以高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP為核心，以大規(guī)模專(zhuān)用集成電路、高速功率模塊作為實(shí)現(xiàn)電路，使驅(qū)動(dòng)單元具有體積小、重量輕、運(yùn)算速度高、位置控制定向時(shí)間短、易于高速準(zhǔn)停等諸多優(yōu)點(diǎn)。該驅(qū)動(dòng)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(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載、欠壓、過(guò)熱、過(guò)速等多項(xiàng)保護(hù)的監(jiān)控和診斷功能，具有通訊功能，準(zhǔn)停參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)設(shè)置既可以通過(guò)PC機(jī)預(yù)置也可以手動(dòng)輸入，設(shè)計(jì)緊湊，使用方便。該主軸驅(qū)動(dòng)器在準(zhǔn)停定位時(shí)，實(shí)際上并不接受CNC的速度命令，僅僅按照預(yù)設(shè)的準(zhǔn)停位置、準(zhǔn)停速度等參數(shù)完成閉環(huán)位置控制。 二、主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的容量選擇 以H400立式加工中心主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的容量選擇為例，說(shuō)明主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容量的選擇過(guò)程。 1、選擇條件 （1）初選三菱SJ-PF系列交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主軸電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為6000r/min，主軸恒扭矩輸出的最大轉(zhuǎn)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(shí)，刀具直徑為125mm，最大銑削速度為40m/min。 2、計(jì)算主軸主傳動(dòng)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(jì)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(zhuǎn)速。 代入數(shù)值得P0=0.92kW。 （2）主軸最大切削功率。當(dāng)主軸最大切削功率為最大銑削力產(chǎn)生時(shí)，主軸的切削負(fù)荷。用高速鋼端面銑刀銑削中碳鋼工件時(shí)，最大銑削力可用下式計(jì)算 設(shè)最大銑削速度v=40m/min，可求出最大切削功率 （3）主軸主傳動(dòng)功率為 由于數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)鏈較短，主傳動(dòng)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)，三菱主軸驅(qū)動(dòng)單元與主軸電動(dòng)機(jī)容量已作過(guò)匹配，依據(jù)設(shè)計(jì)功率大于主傳動(dòng)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(dòng)機(jī)型號(hào)為SJ-PF5.5，驅(qū)動(dòng)單元型號(hào)為MDS-A-SPJA-55，容量為5.5kW，對(duì)應(yīng)輸出功率為3.7kW，額定速度為1500r/min，2臺(tái)電動(dòng)機(jī)均帶有內(nèi)藏式編碼器及冷卻風(fēng) 扇。 三、主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與CNC連接電路 加工中心采用符合工業(yè)PC標(biāo)準(zhǔn)的INCON-M40F型開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)作為主控制器，該數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)1套交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完成加工中心的主軸運(yùn)動(dòng)控制，3套伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完成X，Y，Z 3個(gè)方向的進(jìn)給聯(lián)動(dòng)控制，又通過(guò)2塊PLC擴(kuò)展I/O板完成機(jī)床動(dòng)作復(fù)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(kù)自動(dòng)換刀、雙工作臺(tái)交換、工作臺(tái)分度定位停止等），邏輯控制軟件使用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，由數(shù)控系統(tǒng)的80586CPU實(shí)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(jié)構(gòu)如圖2所示。 [align=center] 圖2　加工中心電氣控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)[/align] 圖3為主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的連接電路。MDS-A-SPJA系列主軸驅(qū)動(dòng)器上共有9個(gè)強(qiáng)電接線端子和3個(gè)信號(hào)電纜插座CN1，CN2，CN3。9個(gè)強(qiáng)電接線端子分別為：AC 220V三相電源進(jìn)線R，S，T，交-直-交變頻主回路的直流側(cè)能耗制動(dòng)電阻接線端子C，P，向主軸電機(jī)供電的變頻輸出動(dòng)力線端子U，V，W及屏蔽線接線端子PE。信號(hào)電纜CN3用于連接CNC系統(tǒng)及PC機(jī)，其中SE1，SE2用來(lái)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(qū)動(dòng)單元送回CNC的當(dāng)前速度反饋信號(hào)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(hào)線及地線，用于連接PC機(jī)的串行口，作主軸驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)行參數(shù)、準(zhǔn)停參數(shù)預(yù)設(shè)定及主軸狀態(tài)監(jiān)控，正常運(yùn)行時(shí)不必連接。CN2是三菱公司提供的標(biāo)準(zhǔn)電纜，用來(lái)傳遞主軸編碼器對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)單元的速度/位置反饋信號(hào)。CN1電纜有40線之多，主要作為主軸的軸控PLC信號(hào)，被連接于數(shù)控系統(tǒng)PMC的I/O點(diǎn)，以完成CNC對(duì)主軸的狀態(tài)監(jiān)控及動(dòng)作控制。CN1中有代表性的信號(hào)為：FA，F(xiàn)C，OSSEND，INCW，INCCW，INALM由主軸驅(qū)動(dòng)器發(fā)向數(shù)控系統(tǒng)的PMC，傳遞主軸驅(qū) 動(dòng)器的當(dāng)前狀態(tài)，即FA與FC接通表示主軸報(bào)警，OSSEND指示主軸準(zhǔn)停動(dòng)作已經(jīng)到位，INCW，INCCW，INALM則指示主軸處于正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)還是報(bào)警中;REDAY，SRI，SRN，OSS，EMG則由數(shù)控系統(tǒng)的PMC發(fā)向主軸驅(qū)動(dòng)器，傳遞CNC對(duì)主軸的控制命令，即REDAY為就緒信號(hào)，SRI為正轉(zhuǎn)命令，SRN為反轉(zhuǎn)命令，OSS為準(zhǔn)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(fù)載表，用于數(shù)控機(jī)床的面板顯示。 [align=center] 圖3　主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的連接電路[/align] 四、主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)整定 三菱MDS-A-SPJA系列主軸驅(qū)動(dòng)單元從SP001-SP384共有384個(gè)內(nèi)部參數(shù)，這些參數(shù)需根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)情況、電路硬件連接及運(yùn)行功能要求進(jìn)行合理調(diào)整。實(shí)際調(diào)試時(shí)，有的參數(shù)使用初始默認(rèn)值，有的參數(shù)要與主軸系統(tǒng)的外部信號(hào)接線相配合，還有的參數(shù)由主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)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(zhǔn)?；芈吩鲆?，使用默認(rèn)值。 SP004：準(zhǔn)停在位寬度，設(shè)置為1/16。 SP006：準(zhǔn)停減速率，使用默認(rèn)值。 SP007：準(zhǔn)停位置數(shù)值，如希望主軸定位停于x°位置，可對(duì)應(yīng)設(shè)置SP007=x°/360°×4096。 SP017：主軸電機(jī)最高速度，設(shè)定為6000。 SP019：速度設(shè)定值的加/減速時(shí)間常數(shù)，設(shè)定為30ms。 SP025：主軸側(cè)齒輪齒數(shù)。 SP029：電機(jī)側(cè)齒輪齒數(shù)，SP029與SP025的比例應(yīng)按照主傳動(dòng)實(shí)際傳動(dòng)比設(shè)為1∶2。 SP039，SP040，S0041：分別指定驅(qū)動(dòng)單元容量、電機(jī)型號(hào)及能耗制動(dòng)電阻型號(hào)。 SP098，SP099，SP100：分別為速度回路增益的P，I，D項(xiàng)。 SP129～SP133：按要求范圍置數(shù)，指定驅(qū)動(dòng)單元接受外部輸入信號(hào)所使用的輸入線，如通過(guò)設(shè)置SP129=1，可定義CN1的第19A引腳作為準(zhǔn)停命令OSS輸入端。 SP178，SP179：用于速度、負(fù)載表刻度調(diào)整。SP141～SP143：按要求范圍置數(shù)，指定驅(qū)動(dòng)單元狀態(tài)輸出所使用的輸出線。如通過(guò)設(shè)置SP141=0，可定義CN1的第7A引腳作為準(zhǔn)停完成信號(hào)輸出端：通過(guò)設(shè)置SO142=11，可定義CN1的第7B引腳作為驅(qū)動(dòng)單元就緒的狀態(tài)監(jiān)控輸出端。 還有些機(jī)器數(shù)需要按位設(shè)置，如SP097，該參數(shù)按2進(jìn)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(zhǔn)停旋轉(zhuǎn)方向，置01選擇正方向準(zhǔn)停;第3位置1表示準(zhǔn)停伺服期間主軸鎖定;第5位選擇編碼器檢測(cè)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(shí)測(cè)曲線如圖4所示。圖4a為主軸加速-穩(wěn)速（至1000r/min）-減速過(guò)程的動(dòng)態(tài)速度變化曲線，速度上升時(shí)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(shí)的動(dòng)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(biāo)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(yùn)行速度下從準(zhǔn)停命令發(fā)出至準(zhǔn)停定位完畢約需要0.5s，過(guò)渡過(guò)程平穩(wěn)。主軸靜態(tài)性能為調(diào)速范圍達(dá)到3000∶10，無(wú)靜差。 實(shí)踐證明，參數(shù)的合理設(shè)定可以發(fā)揮系統(tǒng)的智能化調(diào)諧能力，實(shí)現(xiàn)主軸驅(qū)動(dòng)單元、CNC系統(tǒng)與主軸電動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行，使主傳動(dòng)具有穩(wěn)定的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。 [align=center] 圖4　主軸速度實(shí)測(cè)曲線[/align] 五、結(jié)束語(yǔ) 我們?cè)诶碚撚?jì)算的指導(dǎo)下，為立式、臥式2臺(tái)加工中心選擇了主軸系統(tǒng)容量，完成了CNC主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的信號(hào)連接，并根據(jù)系統(tǒng)要求分別調(diào)整了2臺(tái)主軸驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部參數(shù)，加工中心運(yùn)行情況證明：主軸系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)合適、信號(hào)連接正確、參數(shù)配合適當(dāng)，發(fā)揮出了三菱主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的智能化優(yōu)勢(shì)，整機(jī)達(dá)到了所預(yù)期的機(jī)械加工性能要求。