1 前言

　　數(shù)控車床是機電一體化的典型產(chǎn)品，是集機床、計算機、電機及其拖動、自動控制、檢測等技術為一身的自動化設備。其中主軸運動是數(shù)控車床的一個重要內(nèi)容，以完成切削任務，其動力約占整臺車床的動力的70%～80%。數(shù)控機床的技術水平依賴于進給和主軸傳動系統(tǒng)的性能，對于主軸傳動來說，主要有下述要求：

　　（1）調(diào)速范圍要寬

　　調(diào)速范圍r是主軸電動機的最高轉速與最低轉速之比，即r=nmax/nmin。為適應不同零件及不同加工工藝方法對主軸參數(shù)的要求，數(shù)控機床的主軸傳動系統(tǒng)應能在很寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)調(diào)速。

　　（2）低速時大轉矩輸出

　　數(shù)控機床切削加工，一般低速時為大切削量（切削深度和寬度），要求主軸傳動系統(tǒng)在低速運行時，要有大的輸出轉矩。

　　（3）速度和功率不斷提高

　　隨著生產(chǎn)力的不斷提高，機床結構的改進，加工范圍的擴大，要求機床主軸的速度和功率也不斷提高，主軸的轉速范圍也不斷的擴大，主軸的恒功率調(diào)速范圍更大，并有自動換刀的主軸準停功能等。

　　本文介紹了采用數(shù)控車床的主軸驅動中變頻控制的系統(tǒng)結構與運行模式，并闡述了歐姆龍3G3RX變頻器的基本應用。

2 數(shù)控車床主軸變頻的系統(tǒng)結構與運行模式

　　（1）主軸變頻器的控制原理

　　數(shù)控車床主軸的基本控制是主軸的正、反轉和停止，同時自動換檔和無級調(diào)速。在目前數(shù)控車床中，主軸控制裝置通常是采用交流變頻器來控制交流主軸電動機。其工作原理如下：

　　由異步電機理論可知，主軸電機的轉速公式為：

　　n=60f/p×（1-s）　｛其中 P—電動機的極對數(shù)，s—轉差率，f-供電電源的頻率，n-電動機的轉速｝

　　從上式可看出，電機轉速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調(diào)節(jié)電機轉速，而對于變頻器而言，其頻率的調(diào)節(jié)范圍是很寬的，可在0～400Hz（甚至更高頻率）之間任意調(diào)節(jié)，因此主軸電機轉速即可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

　　當然，轉速提高后，還應考慮到對其軸承及繞組的影響，防止電機過分磨損及過熱，一般可以通過設定最高頻率來進行限定。

　　（2）數(shù)控車床主軸變頻控制的方式

　　圖2所示為變頻器在數(shù)控車床的應用，其中變頻器與數(shù)控裝置的聯(lián)系通常包括：（1）數(shù)控裝置到變頻器的正反轉信號;（2）數(shù)控裝置到變頻器的速度或頻率信號;（3）變頻器到數(shù)控裝置的故障等狀態(tài)信號。因此所有關于對變頻器的操作和反饋均可在數(shù)控面板進行編程和顯示。

　　圖3是華中HNC-21與主軸變頻器的具體接線圖，HNC-21通過XS9主軸接口中的模擬量輸出可控制主軸轉速，當主軸模擬量的輸出范圍為-10V～+10V，用于雙極性速度指令輸入主軸驅動單元或變頻器，這時采用使能信號控制主軸的啟、停。當主軸模擬量的輸出范圍為0～+10V，用于單極性速度指令輸入的主軸驅動單元或變頻器，這時采用主軸正轉、主軸反轉信號控制主軸的正、反轉。模擬電壓的值由用戶PLC 程序送到相應接口的數(shù)字量決定。

　　（3）主軸變頻控制的系統(tǒng)構成

　　不使用變頻器進行變速傳動的數(shù)控車床一般用時間控制器確認電機轉速到達指令速度開始進刀，而使用變頻器后，機床可按指令信號進刀，這樣一來就提高了效率。如果被加工件呈圖4（1）所示形狀，則由圖中看出，對應于工件的AB段，主軸速度維持在1000RPM，對應于BC段，電機拖動主軸成恒線速度移動，但轉速卻是聯(lián)系變化的，從而實現(xiàn)高精度切削。

　　在本系統(tǒng)中，速度信號的傳遞是通過數(shù)控裝置HNC-21到變頻器的模擬給定通道（電壓或電流），通過變頻器內(nèi)部關于輸入信號與設定頻率的輸入輸出特性曲線的設置，數(shù)控裝置就可以方便而自由地控制主軸的速度。該特性曲線必須涵蓋電壓/電流信號、正/反作用、單/雙極性的不同配置，以滿足數(shù)控車床快速正反轉、自由調(diào)速、變速切削的要求。

3 變頻器3G3RX變頻器的主軸應用

　　（1）主軸變頻器的基本選型

　　目前較為簡單的一類變頻器是V/F控制（簡稱標量控制），它就是一種電壓發(fā)生模式裝置，對調(diào)頻過程中的電壓進行給定變化模式調(diào)節(jié)，常見的有線性V/F控制（用于恒轉矩）和平方V/F控制（用于風機水泵變轉矩）。

　　標量控制的弱點在于低頻轉矩不夠（需要轉矩提升）、速度穩(wěn)定性不好（調(diào)速范圍1：10），因此在車床主軸變頻使用過程中被逐步淘汰，而矢量控制的變頻器正逐步進行推廣。

　　所謂矢量控制，最通俗的講，為使鼠籠式異步機像直流電機那樣具有優(yōu)秀的運行性能及很高的控制性能，通過控制變頻器輸出電流的大小、頻率及其相位，用以維持電機內(nèi)部的磁通為設定值，產(chǎn)生所需要的轉矩。

　　矢量控制相對于標量控制而言，其優(yōu)點有：（1）控制特性非常優(yōu)良，可以直流電機的電樞電流加勵磁電流調(diào)節(jié)相媲美;（2）能適應要求高速響應的場合;（3）調(diào)速范圍大（1：100）;（4）可進行轉矩控制。

　　當然相對于標量控制而言，矢量控制的結構復雜、計算煩瑣，而且必須存貯和頻繁地使用電動機的參數(shù)。矢量控制分無速度傳感器和有速度傳感器兩種方式，區(qū)別在于后者具有更高的速度控制精度（萬分之五），而前者為千分之五，但是在數(shù)控車床中無速度傳感器的矢量變頻器的控制性能已經(jīng)符合控制要求，所以這里推薦并介紹無速度傳感器的矢量變頻器。

　　（2）無速度傳感器的矢量變頻器

　　無速度傳感器的矢量變頻器目前包括歐姆龍、西門子、艾默生、東芝、日立、LG、森蘭等廠家都有成熟的產(chǎn)品推出，總結各自產(chǎn)品的特點，它們都具有以下特點：（1）電機參數(shù)自動辯識和手動輸入相結合;（2）過載能力強，如50%額定輸出電流2分鐘、180%額定輸出電流10秒;（3）低頻高輸出轉矩，如150%額定轉矩/1HZ;（4）各種保護齊全（通俗地講，就是不容易炸模塊）。

　　無速度傳感器的矢量控制變頻器不僅改善了轉矩控制的特性，而且改善了針對各種負載變化產(chǎn)生的不特定環(huán)境下的速度可控性。圖5所示，為3G3RX無速度傳感器變頻器產(chǎn)品在低頻和正常頻段時的轉矩測試數(shù)據(jù)（電機為5.5KW/4極）。從圖5中可知，其在低速范圍時同樣可以產(chǎn)生強大的轉矩。在實驗中，我們同樣將2HZ的矢量變頻控制和V/F控制變頻進行比較發(fā)現(xiàn)，前者具有更強的輸出力矩，切削力幾乎與正常頻段（如30HZ或50HZ）相同。

　　（3）主軸變頻控制中的電機參數(shù)調(diào)整

　　為了確保主軸變頻器在切削過程中能正常運行，應該根據(jù)表1中的要求進行適時調(diào)整。

　　表1 主軸變頻器參數(shù)調(diào)整項目

4 結束語

　　對于數(shù)控車床的主軸電機，使用了3G3RX無速度傳感器的變頻調(diào)速器的矢量控制后，具有以下顯著優(yōu)點：大幅度降低維護費用，甚至是免維護的;可實現(xiàn)高效率的切割和較高的加工精度;實現(xiàn)低速和高速情況下強勁的力矩輸出。