1 引言
　　 數控機床是現代制(zhì)造業(yè)的(de)關鍵裝備，一個(gè)國家數控機床的(de)産量和(hé)技術(shù)水(shuǐ)平在某種程度上(shàng)就代表這個(gè)國家的(de)制(zhì)造業(yè)水(shuǐ)平和(hé)競争力。我國數控機床的(de)技術(shù)水(shuǐ)平、性能(néng)和(hé)質量與國外産品比較還有(yǒu)很大(dà)差距。高(gāo)性能(néng)加工(gōng)中心和(hé)功能(néng)部件(jiàn)大(dà)多數依靠進口。加工(gōng)中心是數控技術(shù)的(de)集中體現，市場(chǎng)活躍、需求旺盛，成爲當前和(hé)未來數控機床市場(chǎng)争奪的(de)前沿。
　　
　　 加工(gōng)中心是備有(yǒu)刀(dāo)庫并能(néng)自動更換刀(dāo)具，對工(gōng)件(jiàn)進行(xíng)多工(gōng)序加工(gōng)的(de)數字控制(zhì)機床。工(gōng)件(jiàn)經一次裝夾後，數字控制(zhì)系統能(néng)控制(zhì)機床按不同工(gōng)序，自動選擇和(hé)更換刀(dāo)具，自動改變機床主軸轉速、進給量和(hé)刀(dāo)具相(xiàng)對工(gōng)件(jiàn)的(de)運動軌迹及其他(tā)輔助機能(néng)，依次完成工(gōng)件(jiàn)幾個(gè)面上(shàng)多工(gōng)序的(de)加工(gōng)。加工(gōng)中心由于工(gōng)序的(de)集中和(hé)自動換刀(dāo)，減少(shǎo)了工(gōng)件(jiàn)的(de)裝夾、測量和(hé)機床調整等時間，使機床的(de)切削時間達到(dào)機床開(kāi)動時間的(de)8O％左右(普通機床僅爲15～20％)；同時也(yě)減少(shǎo)了工(gōng)序之間的(de)工(gōng)件(jiàn)周轉、搬運和(hé)存放(fàng)時間，縮短了生産周期，具有(yǒu)明(míng)顯的(de)經濟效益。加工(gōng)中心适用(yòng)于零件(jiàn)形狀比較複雜、精度要求較高(gāo)、産品更換頻繁的(de)中小(xiǎo)批量生産。 第一台加工(gōng)中心是1958年由美(měi)國卡尼-特雷克公司首先研制(zhì)成功的(de)。它在數控卧式镗銑床的(de)基礎上(shàng)增加了自動換刀(dāo)裝置，從而實現了工(gōng)件(jiàn)一次裝夾後即可(kě)進行(xíng)銑削、鑽削、镗削、鉸削和(hé)攻絲等多種工(gōng)序的(de)集中加工(gōng)。二十世紀70年代以來，加工(gōng)中心得到(dào)迅速發展，出現了可(kě)換主軸箱加工(gōng)中心，它備有(yǒu)多個(gè)可(kě)以自動更換的(de)裝有(yǒu)刀(dāo)具的(de)多軸主軸箱，能(néng)對工(gōng)件(jiàn)同時進行(xíng)多孔加工(gōng)。這種多工(gōng)序集中加工(gōng)的(de)形式也(yě)擴展到(dào)了其他(tā)類型數控機床，例如(rú)車(chē)削中心，它是在數控車(chē)床上(shàng)配置多個(gè)自動換刀(dāo)裝置，能(néng)控制(zhì)三個(gè)以上(shàng)的(de)坐标，除車(chē)削外，主軸可(kě)以停轉或分(fēn)度，而由刀(dāo)具旋轉進行(xíng)銑削、鑽削、鉸孔和(hé)攻絲等工(gōng)序，适于加工(gōng)複雜的(de)旋轉體零件(jiàn)。加工(gōng)中心按主軸的(de)布置方式分(fēn)爲立式和(hé)卧式兩類。卧式加工(gōng)中心一般具有(yǒu)分(fēn)度轉台或數控轉台，可(kě)加工(gōng)工(gōng)件(jiàn)的(de)各個(gè)側面；也(yě)可(kě)作多個(gè)坐标的(de)聯合運動，以便加工(gōng)複雜的(de)空間曲面。立式加工(gōng)中心一般不帶轉台，僅作頂面加工(gōng)。此外，還有(yǒu)帶立、卧兩個(gè)主軸的(de)複合式加工(gōng)中心，和(hé)主軸能(néng)調整成卧軸或立軸的(de)立卧可(kě)調式加工(gōng)中心，它們能(néng)對工(gōng)件(jiàn)進行(xíng)五個(gè)面的(de)加工(gōng)。加工(gōng)中心的(de)自動換刀(dāo)裝置由存放(fàng)刀(dāo)具的(de)刀(dāo)庫和(hé)換刀(dāo)機構組成。刀(dāo)庫種類很多，常見的(de)有(yǒu)盤式和(hé)鏈式兩類。鏈式刀(dāo)庫存放(fàng)刀(dāo)具的(de)容量較大(dà)。換刀(dāo)機構在機床主軸與刀(dāo)庫之間交換刀(dāo)具，常見的(de)爲機械手；也(yě)有(yǒu)不帶機械手而由主軸直接與刀(dāo)庫交換刀(dāo)具的(de)，稱無臂式換刀(dāo)裝置。爲了進一步縮短非切削時間，有(yǒu)的(de)加工(gōng)中心配有(yǒu)兩個(gè)自動交換工(gōng)件(jiàn)的(de)托闆。一個(gè)裝著(zhe)工(gōng)件(jiàn)在工(gōng)作台上(shàng)加工(gōng)，另一個(gè)則在工(gōng)作台外裝卸工(gōng)件(jiàn)。機床完成加工(gōng)循環後自動交換托闆，使裝卸工(gōng)件(jiàn)與加工(gōng)的(de)時間相(xiàng)重合。
　　
　　 2 數控機床主軸驅動
　　 主軸驅動系統是數控機床的(de)大(dà)功率執行(xíng)機構，其功能(néng)是接受數控系統(CNC)的(de)S碼速度指令及M碼輔助功能(néng)指令，驅動主軸進行(xíng)切削加工(gōng)。主軸的(de)驅動可(kě)以使用(yòng)交流變頻或交流伺服2種控制(zhì)方式，一般的(de)交流變頻主軸能(néng)夠無級變速但(dàn)不能(néng)準停，需要另外裝設主軸位置傳感器(qì)，配合CNC系統PMC (指數控系統内置PLC)的(de)邏輯程序來完成準停速度控制(zhì)和(hé)定位停止；交流伺服主軸本身即具有(yǒu)準停功能(néng)，其自身的(de)軸控PLC信号可(kě)直接連接至CNC系統的(de)PMC，配合簡捷的(de)PMC邏輯程序即可(kě)完成準停定位控制(zhì)，且後者的(de)控制(zhì)精度遠遠高(gāo)于前者，所以目前大(dà)多數加工(gōng)中心的(de)主軸驅動系統采取交流伺服主軸。參考交流伺服主軸的(de)功能(néng)，台達公司開(kāi)發出新一代的(de)交流變頻驅動器(qì)——VE變頻器(qì)，除了功能(néng)和(hé)性能(néng)完全能(néng)夠和(hé)交流伺服媲美(měi)，而且還具有(yǒu)通用(yòng)性強以及價格上(shàng)的(de)優勢，通過多次測試深得客戶的(de)認可(kě)與喜愛。
　　 3 台達VE變頻主軸驅動系統
　　 3.1 系統設計(jì)要求
　　 （1）VE系列變頻器(qì)功能(néng)和(hé)性能(néng)的(de)數控特性。項目客戶爲數控加工(gōng)中心知名企業(yè)。結合客戶的(de)要求以及加工(gōng)中心的(de)特性，台達專門爲數控加工(gōng)中心開(kāi)發的(de)高(gāo)性能(néng)變頻器(qì)----VE系列變頻器(qì)功能(néng)和(hé)性能(néng)是非常适合使用(yòng)在數控加工(gōng)中心上(shàng)的(de)：
　　 •通過外部I/O點能(néng)夠實現快速單點定位，有(yǒu)專門參數調整定位時的(de)特性曲線以及定位時間，定爲實現方便；
　　 •通過專用(yòng)參數調整達到(dào)快速加減速的(de)實現；
　　 •全新的(de)PDFF控制(zhì)，使增益的(de)調整更加簡單方便，易于掌握；
　　 •接受模拟量信号和(hé)脈沖信号，對上(shàng)位機的(de)支持更加全面。
　　 （2）測試加工(gōng)中心配置：
　　 •數控系統：台灣新代數控系統SYNTEC 9401；
　　 •主軸規格：無錫博華電機8kw/最大(dà)頻率600hz-12000rpm/6P/380V/450hz/25A，編碼器(qì)+5V/GND/+A/-A/+B/-B/+Z/-Z/512ppr；
　　 •變頻器(qì)規格：075V43A-2+EMV-PG01L，軟件(jiàn)版本9.98測試版，制(zhì)動電阻1500W/75ohm。
　　
　　 3.2 主軸變頻系統設計(jì)
　　 （1）變頻器(qì)電氣設計(jì)：參見圖1。
　　
圖1 變頻器(qì)配線圖
　　
　　 3.3 變頻器(qì)參數設計(jì)步驟
　　 （1）将電機參數設置到(dào)變頻器(qì)，作電機動态自整定。要想将VE系列變頻器(qì)的(de)高(gāo)性能(néng)發揮出來，準确的(de)電機參數是基礎。首先将基本參數填入到(dào)變頻器(qì)相(xiàng)關位置：
　　
　　 并且使用(yòng)以上(shàng)參數作VF控制(zhì)運行(xíng)，具體情況如(rú)下表，觀察後符合電機運行(xíng)特性。
　　
　　 （2）解決一個(gè)有(yǒu)趣的(de)工(gōng)程問題。在以上(shàng)數據中，電機額定轉速05-03是電機廠(chǎng)家銘牌沒有(yǒu)提供，詢問電機廠(chǎng)家也(yě)不是很清楚。這種情況下，由于電機本身帶編碼器(qì)，通過VF控制(zhì)，将變頻器(qì)運行(xíng)到(dào)450hz，觀察變頻器(qì)中提供的(de)r狀态，電機實際轉速爲8900rpm左右，将測的(de)數據填入到(dào)05-03。電機額定電流25A，075V43A-2變頻器(qì)額定電流隻有(yǒu)18A，所以隻能(néng)将電動機額定電流盡可(kě)能(néng)的(de)調整到(dào)最大(dà)（最大(dà)爲21.6A）填入05-01參數。
　　 将參數5-00=1，然後按面闆”RUN”作動态整定。
　　
　　 整定後電機參數爲
　　
　　 11-01參數關系到(dào)編碼器(qì)方向的(de)選擇，如(rú)果設置不當，則PG閉環控制(zhì)會(huì)出現問題。11-01設置是否正确可(kě)以通過在變頻器(qì)面闆r狀态的(de)觀察，r如(rú)果是正值則表示方向設置正确，如(rú)果是負值則表示方向設置相(xiàng)反。
　　 （3）将控制(zhì)方式改爲foc+pg，并且調整最大(dà)操作頻率以及加減速時間
　　
　　 使用(yòng)面闆運行(xíng)。首先将F=550，運行(xíng)後發現不論啓動過程還是停止過程，當輸出頻率到(dào)達450HZ左右時就不按照(zhào)加減速時間來變化，變化非常緩慢(màn)。當出現以上(shàng)現象時，可(kě)以通過調整參數11-05（M1IdsRef Limit）來解決，将11-05從出廠(chǎng)值90改爲110後加減速過程正常。
　　
圖2（F=590，11-05=180）加速曲線
　　
　　 （4）作慣量估測以及ASR自動調整。将參數11-00=2，F=200HZ，01-12=01-13=1，正反轉後測得慣量參數爲49，之後将11-01=1，觀察電機剛性，并對相(xiàng)應參數作修改。
　　
　　 （5）外部I/O功能(néng)的(de)設置：
　　
　　 參見圖1，MI1爲單點定位，MI2爲第一/第二加減速時間切換，MI3爲脈沖位置命令輸入使能(néng)做單點定位時，FWD/MI1閉合，變頻器(qì)做定位動作。有(yǒu)如(rú)下參數對定位的(de)靈敏程度以及定位時停止位置有(yǒu)關系，調整位置時可(kě)以将主軸停止在需要定位的(de)位置并且觀察面闆上(shàng)的(de)G狀态值，确定位置正确後将觀察到(dào)得G值填入到(dào)10-19中；定位過程的(de)靈敏程度通過調整10-21/10-22來改變，10-21越大(dà)，10-22越小(xiǎo)，反映越快，定位過程越短；10-21越小(xiǎo)，10-22越大(dà)，反映越慢(màn)，定位過程也(yě)越長。
　　
　　 目前脈沖控制(zhì)提供兩種模式：速度模式以及位置模式。當工(gōng)作在速度模式下，隻需要将頻率來源信号設置爲脈沖給定，并且按照(zhào)上(shàng)位機提供的(de)脈沖信号設置給定方式；如(rú)果變頻器(qì)需要工(gōng)作在脈沖位置命令模式，除了速度模式下的(de)參數需要設置外，還需要配合外部端子信号FWD/MI1/MI2/MI3的(de)閉合。
　　
　　 3.4 VE系列變頻器(qì)脈沖輸入控制(zhì)
　　 VE系列變頻器(qì)支持兩種脈沖輸入方式：1.A/B相(xiàng)脈沖輸入；2.脈沖+方向輸入。由于新系統提供脈沖+方向的(de)輸出方式，所以可(kě)以選擇如(rú)圖3中第3種或者第4種方式；然後再根據方向來作出最後正确的(de)選擇。
　　
圖3 接受的(de)脈沖輸入方式
　　
　　 使用(yòng)脈沖控制(zhì)時，還有(yǒu)兩個(gè)參數也(yě)是非常重要的(de)：1.10-17PG電子齒輪A；2.10-18PG電子齒輪B。其計(jì)算公式爲轉速=脈沖頻率/編碼器(qì)的(de)點數（10-00）*電子齒輪A/電子齒輪B。
　　
　　 3.5加減速特性
　　 加減速特性的(de)測試，首先将保護功能(néng)作适當調整：
　　
　　 1-12=1，1-13=5，F=590
　　 從0加速到(dào)590hz的(de)加速過程中實測加速時間爲1.4s，加速中最大(dà)電流爲19.3A，圖形參見圖4。
　　
圖4 加速曲線
　　
　　 1-12=5，1-13=5，F=590
　　 從590hz減速到(dào)0hz的(de)減速過程中實測減速時間爲5.1s，減速中最大(dà)母線電壓爲740VDC，圖形如(rú)圖5所示。
　　
圖5 加速以及減速曲線
　　
　　 4 結束語
　　 數控加工(gōng)中心對主軸有(yǒu)較高(gāo)的(de)控制(zhì)要求，首先要求在大(dà)力矩、強過載能(néng)力的(de)基礎上(shàng)實現寬範圍無級變速，其次要求在自動換刀(dāo)動作中實現定角度停止(即準停)，這使加工(gōng)中心主軸驅動系統比一般的(de)變頻調速系統或小(xiǎo)功率交流伺服系統在電路(lù)設計(jì)和(hé)運行(xíng)參數整定上(shàng)具有(yǒu)更大(dà)的(de)難度。基于台達VE系列高(gāo)性能(néng)變頻器(qì)的(de)數控主軸變頻驅動項目加減速特性以及定位功能(néng)都(dōu)完全能(néng)夠适應加工(gōng)中心的(de)要求，性價比突出。