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

    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。

圖1 交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)單元的原理框圖

    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。

圖2 加工中心電氣控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)