主軸驅動係統是數控機床的大功率執行機構，其功能是接受數控係統(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製要求，首先要求在大力矩、強過載能力的基礎上實現寬範圍無級變速，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係統比一般的變頻調速係統或小功率交流伺服係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種控製方式，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(chuan) 感器，配合CNC係統PMC (指數控係統內(nei) 置PLC)的邏輯程序來完成準停速度控製和定位停止;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係統的PMC，配合簡捷的PMC邏輯程序即可完成準停定位控製，且後者的控製精度遠遠高於(yu) 前者。

    本文基於(yu) 主軸伺服驅動係統的原理分析，結合三菱SJ-PF係統交流主軸驅動係統在H400和V400立、臥式2台加工中心上的應用情況，探討如何利用現代智能化驅動係統的高穩定度、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(guan) 參數調整，使主軸驅動係統滿足加工中心的工藝和精度要求。

    一、交流伺服主軸驅動係統工作原理

    交流伺服主軸驅動係統由主軸驅動單元、主軸電動機和檢測主軸速度與(yu) 位置的旋轉編碼器3部分組成，主要完成閉環速度控製，但當主軸準停時則完成閉環位置控製。由於(yu) 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(yu) 主軸電動機做成一個(ge) 整體(ti) ，主軸驅動單元的閉環控製、矢量運算均由內(nei) 部的高速信號處理器及控製係統實現，其原理框圖如圖1所示。圖中CNC係統向主軸驅動單元發出速度指令驅動單元將該指令與(yu) 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(yu) 希望磁鏈矢量再分別與(yu) 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(liang) 相旋轉軸係)的轉矩電流分量和勵磁電流分量換進入兩(liang) 相靜止軸係，最後經2/3矢量變換進入三相靜止軸係，得到變頻裝置的三相定子電流希望值，通過控製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製。

圖1 交流伺服主軸驅動單元的原理框圖

    三菱主軸驅動單元采用電流型矢量控製方式，以高速數字信號處理器DSP為(wei) 核心，以大規模專(zhuan) 用集成電路、高速功率模塊作為(wei) 實現電路，使驅動單元具有體(ti) 積小、重量輕、運算速度高、位置控製定向時間短、易於(yu) 高速準停等諸多優(you) 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，實際上並不接受CNC的速度命令，僅(jin) 僅(jin) 按照預設的準停位置、準停速度等參數完成閉環位置控製。

    二、主軸驅動係統的容量選擇

    以H400立式加工中心主軸驅動係統的容量選擇為(wei) 例，說明主軸驅動係統容量的選擇過程。

    1、選擇條件

    （1）初選三菱SJ-PF係列交流主軸驅動係統，主軸電機最高轉速為(wei) 6000r/min，主軸恒扭矩輸出的最大轉速為(wei) 1500r/min。
    （2）切削參數(最大銑削力狀況)，使用高速鋼端麵銑刀銑削中碳鋼工件時，刀具直徑為(wei) 125mm，最大銑削速度為(wei) 40m/min。

    2、計算主軸主傳(chuan) 動功率

    （1）主軸空載功率。H400型立式加工中心主軸前後支承軸頸的平均直徑為(wei) 70mm，按下式可計算出主軸空載功率，即

    式中：k，c為(wei) 常數;dm為(wei) 主軸前後支承軸頸的平均直徑;n為(wei) 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(wei) 最大銑削力產(chan) 生時，主軸的切削負荷。用高速鋼端麵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(chuan) 動功率為(wei)

    由於(yu) 數控機床的傳(chuan) 動鏈較短，主傳(chuan) 動總效率取較高數值0.85，代入數值可得PE=2.39kW。

    作為(wei) 整套伺服驅動係統，三菱主軸驅動單元與(yu) 主軸電動機容量已作過匹配，依據設計功率大於(yu) 主傳(chuan) 動功率的原則，為(wei) H400型立式加工中心選擇的SJ-PF係列主軸電動機型號為(wei) SJ-PF5.5，驅動單元型號為(wei) MDS-A-SPJA-55，容量為(wei) 5.5kW，對應輸出功率為(wei) 3.7kW，額定速度為(wei) 1500r/min，2台電動機均帶有內(nei) 藏式編碼器及冷卻風扇。

    三、主軸驅動係統與(yu) CNC連接電路

    加工中心采用符合工業(ye) PC標準的INCON-M40F型開放體(ti) 係結構數控係統作為(wei) 主控製器，該數控係統通過1套交流伺服驅動係統完成加工中心的主軸運動控製，3套伺服進給驅動係統完成X，Y，Z 3個(ge) 方向的進給聯動控製，又通過2塊PLC擴展I/O板完成機床動作複雜邏輯控製(包括數控係統工作方式管理、手輪管理、刀庫自動換刀、雙工作台交換、工作台分度定位停止等)，邏輯控製軟件使用C++語言開發，由數控係統的80586CPU實現各子係統的協調管理。以INCON-M40F數控係統為(wei) 核心的加工中心電氣控製係統總體(ti) 結構如圖2所示。

圖2 加工中心電氣控製係統的總體(ti) 結構