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1 引言
數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵裝備，一個(gè)國(guó)家數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上就代表這個(gè)國(guó)家的制造業(yè)水平和競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與國(guó)外產(chǎn)品比較還有很大差距。高性能加工中心和功能部件大多數(shù)依靠進(jìn)口。加工中心是數(shù)控技術(shù)的集中體現(xiàn)，市場(chǎng)活躍、需求旺盛，成為當(dāng)前和未來數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)爭(zhēng)奪的前沿。
加工中心是備有刀庫并能自動(dòng)更換刀具，對(duì)工件進(jìn)行多工序加工的數(shù)字控制機(jī)床。工件經(jīng)一次裝夾后，數(shù)字控制系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序，自動(dòng)選擇和更換刀具，自動(dòng)改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡及其他輔助機(jī)能，依次完成工件幾個(gè)面上多工序的加工。加工中心由于工序的集中和自動(dòng)換刀，減少了工件的裝夾、測(cè)量和機(jī)床調(diào)整等時(shí)間，使機(jī)床的切削時(shí)間達(dá)到機(jī)床開動(dòng)時(shí)間的8O％左右(普通機(jī)床僅為15～20％)；同時(shí)也減少了工序之間的工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時(shí)間，縮短了生產(chǎn)周期，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。加工中心適用于零件形狀比較復(fù)雜、精度要求較高、產(chǎn)品更換頻繁的中小批量生產(chǎn)。 第一臺(tái)加工中心是1958年由美國(guó)卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在數(shù)控臥式鏜銑床的基礎(chǔ)上增加了自動(dòng)換刀裝置，從而實(shí)現(xiàn)了工件一次裝夾后即可進(jìn)行銑削、鉆削、鏜削、鉸削和攻絲等多種工序的集中加工。
二十世紀(jì)70年代以來，加工中心得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了可換主軸箱加工中心，它備有多個(gè)可以自動(dòng)更換的裝有刀具的多軸主軸箱，能對(duì)工件同時(shí)進(jìn)行多孔加工。這種多工序集中加工的形式也擴(kuò)展到了其他類型數(shù)控機(jī)床，例如車削中心，它是在數(shù)控車床上配置多個(gè)自動(dòng)換刀裝置，能控制三個(gè)以上的坐標(biāo)，除車削外，主軸可以停轉(zhuǎn)或分度，而由刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行銑削、鉆削、鉸孔和攻絲等工序，適于加工復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)體零件。加工中心按主軸的布置方式分為立式和臥式兩類。臥式加工中心一般具有分度轉(zhuǎn)臺(tái)或數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，可加工工件的各個(gè)側(cè)面；也可作多個(gè)坐標(biāo)的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，以便加工復(fù)雜的空間曲面。立式加工中心一般不帶轉(zhuǎn)臺(tái)，僅作頂面加工。
此外，還有帶立、臥兩個(gè)主軸的復(fù)合式加工中心，和主軸能調(diào)整成臥軸或立軸的立臥可調(diào)式加工中心，它們能對(duì)工件進(jìn)行五個(gè)面的加工。加工中心的自動(dòng)換刀裝置由存放刀具的刀庫和換刀機(jī)構(gòu)組成。刀庫種類很多，常見的有盤式和鏈?zhǔn)絻深悺ｆ準(zhǔn)降稁齑娣诺毒叩娜萘枯^大。換刀機(jī)構(gòu)在機(jī)床主軸與刀庫之間交換刀具，常見的為機(jī)械手；也有不帶機(jī)械手而由主軸直接與刀庫交換刀具的，稱無臂式換刀裝置。為了進(jìn)一步縮短非切削時(shí)間，有的加工中心配有兩個(gè)自動(dòng)交換工件的托板。一個(gè)裝著工件在工作臺(tái)上加工，另一個(gè)則在工作臺(tái)外裝卸工件。機(jī)床完成加工循環(huán)后自動(dòng)交換托板，使裝卸工件與切削加工的時(shí)間相重合。
2 數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)
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。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，一般的交流變頻主軸能夠無級(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，所以目前大多數(shù)加工中心的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采取交流伺服主軸。參考交流伺服主軸的功能，臺(tái)達(dá)公司開發(fā)出新一代的交流變頻驅(qū)動(dòng)器——VE變頻器，除了功能和性能完全能夠和交流伺服媲美，而且還具有通用性強(qiáng)以及價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，通過多次測(cè)試深得客戶的認(rèn)可與喜愛。
3 臺(tái)達(dá)VE變頻主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求
（1）VE系列變頻器功能和性能的數(shù)控特性。項(xiàng)目客戶為數(shù)控加工中心知名企業(yè)。結(jié)合客戶的要求以及加工中心的特性，臺(tái)達(dá)專門為數(shù)控加工中心開發(fā)的高性能變頻器----VE系列變頻器功能和性能是非常適合使用在數(shù)控加工中心上的：
·通過外部I/O點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)快速單點(diǎn)定位，有專門參數(shù)調(diào)整定位時(shí)的特性曲線以及定位時(shí)間，定為實(shí)現(xiàn)方便；
·通過專用參數(shù)調(diào)整達(dá)到快速加減速的實(shí)現(xiàn)；
·全新的PDFF控制，使增益的調(diào)整更加簡(jiǎn)單方便，易于掌握；
·接受模擬量信號(hào)和脈沖信號(hào)，對(duì)上位機(jī)的支持更加全面。
（2）測(cè)試加工中心配置：
·數(shù)控系統(tǒng)：臺(tái)灣新代數(shù)控系統(tǒng)SYNTEC 9401；
·主軸規(guī)格：無錫博華電機(jī)8kw/最大頻率600hz-12000rpm/6P/380V/450hz/25A，編碼器+5V/GND/+A/-A/+B/-B/+Z/-Z/512ppr；
·變頻器規(guī)格：075V43A-2+EMV-PG01L，軟件版本9.98測(cè)試版，制動(dòng)電阻1500W/75ohm。
3.2 主軸變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（1）變頻器電氣設(shè)計(jì)：參見圖1。
圖1 變頻器配線圖
3.3 變頻器參數(shù)設(shè)計(jì)步驟
（1）將電機(jī)參數(shù)設(shè)置到變頻器，作電機(jī)動(dòng)態(tài)自整定。要想將VE系列變頻器的高性能發(fā)揮出來，準(zhǔn)確的電機(jī)參數(shù)是基礎(chǔ)。首先將基本參數(shù)填入到變頻器相關(guān)位置：
并且使用以上參數(shù)作VF控制運(yùn)行，具體情況如下表，觀察后符合電機(jī)運(yùn)行特性。
（2）解決一個(gè)有趣的工程問題。在以上數(shù)據(jù)中，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速05-03是電機(jī)廠家銘牌沒有提供，詢問電機(jī)廠家也不是很清楚。這種情況下，由于電機(jī)本身帶編碼器，通過VF控制，將變頻器運(yùn)行到450hz，觀察變頻器中提供的r狀態(tài)，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為8900rpm左右，將測(cè)的數(shù)據(jù)填入到05-03。電機(jī)額定電流25A，075V43A-2變頻器額定電流只有18A，所以只能將電動(dòng)機(jī)額定電流盡可能的調(diào)整到最大（最大為21.6A）填入05-01參數(shù)。
將參數(shù)5-00=1，然后按面板”RUN”作動(dòng)態(tài)整定。
整定后電機(jī)參數(shù)為
11-01參數(shù)關(guān)系到編碼器方向的選擇，如果設(shè)置不當(dāng)，則PG閉環(huán)控制會(huì)出現(xiàn)問題。11-01設(shè)置是否正確可以通過在變頻器面板r狀態(tài)的觀察，r如果是正值則表示方向設(shè)置正確，如果是負(fù)值則表示方向設(shè)置相反。
（3）將控制方式改為foc+pg，并且調(diào)整最大操作頻率以及加減速時(shí)間
使用面板運(yùn)行。首先將F=550，運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)不論啟動(dòng)過程還是停止過程，當(dāng)輸出頻率到達(dá)450HZ左右時(shí)就不按照加減速時(shí)間來變化，變化非常緩慢。當(dāng)出現(xiàn)以上現(xiàn)象時(shí)，可以通過調(diào)整參數(shù)11-05（M1IdsRef Limit）來解決，將11-05從出廠值90改為110后加減速過程正常。
圖2（F=590，11-05=180）加速曲線
（4）作慣量估測(cè)以及ASR自動(dòng)調(diào)整。將參數(shù)11-00=2，F(xiàn)=200HZ，01-12=01-13=1，正反轉(zhuǎn)后測(cè)得慣量參數(shù)為49，之后將11-01=1，觀察電機(jī)剛性，并對(duì)相應(yīng)參數(shù)作修改。
（5）外部I/O功能的設(shè)置：
參見圖1，MI1為單點(diǎn)定位，MI2為第一/第二加減速時(shí)間切換，MI3為脈沖位置命令輸入使能做單點(diǎn)定位時(shí)，F(xiàn)WD/MI1閉合，變頻器做定位動(dòng)作。有如下參數(shù)對(duì)定位的靈敏程度以及定位時(shí)停止位置有關(guān)系，調(diào)整位置時(shí)可以將主軸停止在需要定位的位置并且觀察面板上的G狀態(tài)值，確定位置正確后將觀察到得G值填入到10-19中；定位過程的靈敏程度通過調(diào)整10-21/10-22來改變，10-21越大，10-22越小，反映越快，定位過程越短；10-21越小，10-22越大，反映越慢，定位過程也越長(zhǎng)。
目前脈沖控制提供兩種模式：速度模式以及位置模式。當(dāng)工作在速度模式下，只需要將頻率來源信號(hào)設(shè)置為脈沖給定，并且按照上位機(jī)提供的脈沖信號(hào)設(shè)置給定方式；如果變頻器需要工作在脈沖位置命令模式，除了速度模式下的參數(shù)需要設(shè)置外，還需要配合外部端子信號(hào)FWD/MI1/MI2/MI3的閉合。
3.4 VE系列變頻器脈沖輸入控制
VE系列變頻器支持兩種脈沖輸入方式：1.A/B相脈沖輸入；2.脈沖+方向輸入。由于新系統(tǒng)提供脈沖+方向的輸出方式，所以可以選擇如圖3中第3種或者第4種方式；然后再根據(jù)方向來作出最后正確的選擇。
圖3 接受的脈沖輸入方式
使用脈沖控制時(shí)，還有兩個(gè)參數(shù)也是非常重要的：1.10-17PG電子齒輪A；2.10-18PG電子齒輪B。其計(jì)算公式為轉(zhuǎn)速=脈沖頻率/編碼器的點(diǎn)數(shù)（10-00）*電子齒輪A/電子齒輪B。
3.5加減速特性
加減速特性的測(cè)試，首先將保護(hù)功能作適當(dāng)調(diào)整：
1-12=1，1-13=5，F(xiàn)=590
從0加速到590hz的加速過程中實(shí)測(cè)加速時(shí)間為1.4s，加速中最大電流為19.3A，圖形參見圖4。
圖4 加速曲線
1-12=5，1-13=5，F(xiàn)=590
從590hz減速到0hz的減速過程中實(shí)測(cè)減速時(shí)間為5.1s，減速中最大母線電壓為740VDC，圖形如圖5所示。
圖5 加速以及減速曲線
4 結(jié)束語
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)過載能力的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)寬范圍無級(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?；谂_(tái)達(dá)VE系列高性能變頻器的數(shù)控主軸變頻驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目加減速特性以及定位功能都完全能夠適應(yīng)加工中心的要求，性價(jià)比突出。 | 
