摘 要：文章將智能化交流伺服主軸驅動系統應用于數控加工中心，分析主軸驅動系統的原理，給出容量計算及型號選擇方法，討論主軸驅動系統與CNC之間的信號聯系與電路連接方法，研究主軸的參數設置，使高性能主軸驅動系統在加工中心上得到合理使用，以滿足數控加工的工藝和精度要求。 關鍵詞：數控系統；智能化；交流主軸驅動；參數整定 主軸驅動系統是數控機床的大功率執行機構，其功能是接受數控系統（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寬范圍無級變速，其次要求在自動換刀動作中實現定角度停止（即準停），這使加工中心主軸驅動系統比一般的變頻調速系統或小功率交流伺服系統在電路設計和運行參數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PMC（指數控系統內置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的原理分析，結合三菱SJ-PF系統交流主軸驅動系統在H400和V400立、臥式2臺加工中心上的應用情況，探討如何利用現代智能化驅動系統的高穩定度、高精度特點及方便的參數調整功能，通過合理的容量選擇、電路連接和相關參數調整，使主軸驅動系統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，主要完成閉環速度控制，但當主軸準停時則完成閉環位置控制。由于數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控制、矢量運算均由內部的高速信號處理器及控制系統實現，其原理框圖如圖1所示。圖中CNC系統向主軸驅動單元發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，經數字化的速度調節器和磁鏈函數發生器運算，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，且經過力矩、磁鏈調節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，以高速數字信號處理器DSP為核心，以大規模專用集成電路、高速功率模塊作為實現電路，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點。該驅動單元能接受數字速度給定，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控和診斷功能，具有通訊功能，準停參數及運行參數設置既可以通過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、準停速度等參數完成閉環位置控制。 二、主軸驅動系統的容量選擇 以H400立式加工中心主軸驅動系統的容量選擇為例，說明主軸驅動系統容量的選擇過程。 1、選擇條件 （1）初選三菱SJ-PF系列交流主軸驅動系統，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（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;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 由于數控機床的傳動鏈較短，主傳動總效率取較高數值0.85，代入數值可得PE=2.39kW。 作為整套伺服驅動系統，三菱主軸驅動單元與主軸電動機容量已作過匹配，依據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臺電動機均帶有內藏式編碼器及冷卻風 扇。 三、主軸驅動系統與CNC連接電路 加工中心采用符合工業PC標準的INCON-M40F型開放體系結構數控系統作為主控制器，該數控系統通過1套交流伺服驅動系統完成加工中心的主軸運動控制，3套伺服進給驅動系統完成X，Y，Z 3個方向的進給聯動控制，又通過2塊PLC擴展I/O板完成機床動作復雜邏輯控制（包括數控系統工作方式管理、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，由數控系統的80586CPU實現各子系統的協調管理。以INCON-M40F數控系統為核心的加工中心電氣控制系統總體結構如圖2所示。 [align=center] 圖2　加工中心電氣控制系統的總體結構[/align] 圖3為主軸驅動系統的連接電路。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系統及PC機，其中SE1，SE2用來接受數控系統的模擬電壓指令（±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、準停參數預設定及主軸狀態監控，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，被連接于數控系統PMC的I/O點，以完成CNC對主軸的狀態監控及動作控制。CN1中有代表性的信號為：FA，FC，OSSEND，INCW，INCCW，INALM由主軸驅動器發向數控系統的PMC，傳遞主軸驅 動器的當前狀態，即FA與FC接通表示主軸報警，OSSEND指示主軸準停動作已經到位，INCW，INCCW，INALM則指示主軸處于正轉、反轉還是報警中;REDAY，SRI，SRN，OSS，EMG則由數控系統的PMC發向主軸驅動器，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，用于數控機床的面板顯示。 [align=center] 圖3　主軸驅動系統的連接電路[/align] 四、主軸驅動系統的參數整定 三菱MDS-A-SPJA系列主軸驅動單元從SP001-SP384共有384個內部參數，這些參數需根據機械傳動情況、電路硬件連接及運行功能要求進行合理調整。實際調試時，有的參數使用初始默認值，有的參數要與主軸系統的外部信號接線相配合，還有的參數由主傳動結構及性能要求確定。加工中心主軸調試中使用的典型參數示例如下。 SP001：準停回路增益，使用默認值。 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，設定為30ms。 SP025：主軸側齒輪齒數。 SP029：電機側齒輪齒數，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，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、負載表刻度調整。SP141～SP143：按要求范圍置數，指定驅動單元狀態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監控輸出端。 還有些機器數需要按位設置，如SP097，該參數按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-穩速（至1000r/min）-減速過程的動態速度變化曲線，速度上升時間約為0.2s，超調量小于0.25%;圖4b為主軸從1000r/min的穩定速度作定角度停止時的動態速度變化曲線，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為位置控制模式，主軸在正常運行速度下從準停命令發出至準停定位完畢約需要0.5s，過渡過程平穩。主軸靜態性能為調速范圍達到3000∶10，無靜差。 實踐證明，參數的合理設定可以發揮系統的智能化調諧能力，實現主軸驅動單元、CNC系統與主軸電動機協調運行，使主傳動具有穩定的靜態、動態性能。 [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容量，完成了CNC主軸驅動系統之間的信號連接，并根據系統要求分別調整了2臺主軸驅動器的內部參數，加工中心運行情況證明：主軸系統容量設計合適、信號連接正確、參數配合適當，發揮出了三菱主軸驅動系統的智能化優勢，整機達到了所預期的機械加工性能要求。