主軸驅(qū)動系統(tǒng)是數(shù)控機床的大功率執(zhí)行機構(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(chǔ)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(zhǔn)停)，這使加工中心主軸驅(qū)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(shè)計和運行參數(shù)整定上具有更大的難度。主軸的驅(qū)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(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(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)動系統(tǒng)的原理分析，結(jié)合三菱SJPF系統(tǒng)交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)在H400和V400立、臥式2臺加工中心上的應(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(guān)參數(shù)調(diào)整，使主軸驅(qū)動系統(tǒng)滿足加工中心的工藝和精度要求。

1 交流伺服主軸驅(qū)動系統(tǒng)工作原理

　　交流伺服主軸驅(qū)動系統(tǒng)由主軸驅(qū)動單元、主軸電動機和檢測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)停時則完成閉環(huán)位置控制。由于數(shù)控機床的主軸驅(qū)動功率較大，所以主軸電動機采用鼠籠式感應(yīng)電動機結(jié)構(gòu)形式，旋轉(zhuǎn)編碼器可以在主軸外安裝，也可以與主軸電動機做成一個整體，主軸驅(qū)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。圖中CNC系統(tǒng)向主軸驅(qū)動單元發(fā)出速度指令Uw#，驅(qū)動單元將該指令與旋轉(zhuǎn)編碼器測出的實際速度Uw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(zhuǎn)子當(dāng)前的希望力矩UT與希單磁鏈?zhǔn)噶縐2*。，再分別與實際力矩、磁鏈運算結(jié)果UT，U2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(zhuǎn)軸系)的轉(zhuǎn)矩電流分量Uitl*和勵磁電流分量Uiml*，再經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)矢量變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ia*，ib*，ic*，通過控制SPWM驅(qū)動器及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(qū)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(zhǔn)停等諸多優(yōu)點。該驅(qū)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(zhǔn)停參數(shù)及運行參數(shù)設(shè)置既可以通過PC機預(yù)置也可以手動輸人，設(shè)計緊湊，使用方便。該主軸驅(qū)動器在準(zhǔn)停定位時，實際上并不接受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。

2 主軸驅(qū)動系統(tǒng)的容量選擇

　　以H400立式加工中心主軸驅(qū)動系統(tǒng)的容量選擇為例，說明主軸驅(qū)動系統(tǒng)容量的選擇過程。

　　2.1 選擇條件

　　1)初選三菱sj—PF系列交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)，主軸電機最高轉(zhuǎn)速為6000 r／min，主軸恒扭矩輸出的最大轉(zhuǎn)速為1 500 r／min。

　　2)切削參數(shù)(是大銑削力狀況)，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40 m／min。

　　2.2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70 mm，按下式可計算出主軸空載功率，

　　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，主軸的切削負(fù)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

　　由于數(shù)控機床的傳動鏈較短，主傳動總效率1取較高數(shù)值0.85，代人數(shù)值可得PE=2.39 kw。

　　作為整套伺服驅(qū)動系統(tǒng)，三菱主軸驅(qū)動單元與主軸電動機容量已作過匹配，依據(jù)設(shè)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SJPF系列主軸電動機型號為SJPF5.5，驅(qū)動單元型號為MDSASPJA-55，容量為5.5 kW，對應(yīng)輸出功率為3.7 kw，額定速度為1500 r／min，2臺電動機均帶有內(nèi)藏式編碼器及冷卻風(fēng)扇。

3 主軸驅(qū)動系統(tǒng)與CNC連接電路

　　加工中心采用符合工業(yè)PC標(biāo)準(zhǔn)的INCONM40F型開放體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)作為主控制器，該數(shù)控系統(tǒng)通過1套交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)完成加工中心的主軸運動控制，3套伺服進給驅(qū)動系統(tǒng)完成x，y，z 3個方向的進給聯(lián)動控制，叉通過2塊PLC擴展I／O板完成機床動作復(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INCONM40F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)。

　　主軸驅(qū)動系統(tǒng)的連接電路。MDSASPJA系列主軸驅(qū)動器上共有9個強電接線端子和3個信號電纜插座CN1，CN2，CN 3。9個強電接線端子分別為：AC 220 V三相電源進線R，S，T，交直交變頻主回路的直流側(cè)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CN 3用于連接cNc系統(tǒng)及Pc機，其中sEl，sE2用來接受數(shù)控系統(tǒng)的模擬電壓指令(;10 v)，SYA，SYA*，SYB，SYB*，SYC與SYC*是從主軸驅(qū)動單元送回cNc的當(dāng)前速度反饋信號線(6根分為一，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(qū)動單元的運行參數(shù)、準(zhǔn)停參數(shù)預(yù)設(shè)定及主軸狀態(tài)監(jiān)控，IE常運行時不必連接。CN 2是三菱公司提供的標(biāo)準(zhǔn)電纜，用來傳遞主軸編碼器對主軸驅(qū)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，1NCw，1NCCW，INALM由主軸驅(qū)動器發(fā)向數(shù)控系統(tǒng)的PMc，傳遞主軸驅(qū)動器的當(dāng)前狀態(tài)，即FA與FC接通表示主軸報警，OSSEND指示主軸準(zhǔn)停動作已經(jīng)到位，INcw，INcCW，INAI．M則指示主軸處于正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)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(qū)動器，傳遞cNc對主軸的控制命令，即REDAY為就緒信號，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。CNl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)控機床的面板顯示。

4 主抽驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)整定

　　三菱MDSASPJA系列主軸驅(qū)動單元從SP001SP384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(rèn)值，有的參數(shù)要與主軸系統(tǒng)的外部信號接線相配臺，還有的參數(shù)由主傳動結(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)停回路增益，使用默認(rèn)值。

　　SP004：準(zhǔn)停在位寬度，設(shè)置為1／18。

　　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，可對應(yīng)設(shè)置SP007x°／360°×4096

　　SP01 7：主軸電機最高速度，設(shè)定為6 000。

　　SP019：速度設(shè)定值的加／減速時間常數(shù)，設(shè)定為30m8。

　　SP025：主軸側(cè)齒輪齒數(shù)。

　　SP029：電機側(cè)齒輪齒數(shù)，SP029與SP025的比例應(yīng)按照主傳動實際傳動比設(shè)為1：2。

　　SP039，SP040，S0041：分別指定驅(qū)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～SPl33：按要求范圍置數(shù)，指定驅(qū)動單元接受外部輸入信號所使用的輸入線，如通過設(shè)置SPl291，可定義cNl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～SPl43：按要求范圍置數(shù)，指定驅(qū)動單元狀態(tài)輸出所使用的輸出線。如通過設(shè)置SPl41=0，可定義CN1的第7A引腳作為準(zhǔn)停完成信號輸出端：通過設(shè)置S01 4211，可定義CN1的第7B引腳作為驅(qū)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(shè)置，如sP097，該參數(shù)按2進制共有16位，從第。位到第F位，其中第1位與第。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。圖4a為主軸加速穩(wěn)速(至1 000r／min)一減速過程的動態(tài)速度變化曲線，速度上升時間約為0.2 s，超調(diào)量小于0.25％；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(biāo)志著芏軸從速度控制模式變?yōu)槲恢每刂颇Ｊ剑鬏S在正常運行速度下從準(zhǔn)停命令發(fā)出至準(zhǔn)停定位完畢約需要0.5 s，過渡過程平穩(wěn)。主軸靜態(tài)性能為調(diào)速范圍達(dá)到3000：10，無靜差。實踐證明，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，實現(xiàn)主軸驅(qū)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。

5 結(jié)束語

　　我們在理論計算的指導(dǎo)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(qū)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(qū)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(shè)計合適、信號連接正確、參數(shù)配合適當(dāng)，發(fā)揮出了三菱主軸驅(qū)動系統(tǒng)的智能化優(yōu)勢，整機達(dá)到了所預(yù)期的機械加工性能要求。