主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构，其功能是接受数控系统(CNC)的s码速度指令及M码辅助功能指令，驱动主轴进行切削加工。数控加工中心对主轴有较高的控制要求，首先要求在大力矩、强过载能力的基础上实现宽范围无级变速，其次要求在自动换刀动作中实现定角度停止(即准停)，这使加工中心主轴驱动系统比一般的变频调速系统或小功率交流伺服系统在电路设计和运行参数整定上具有更大的难度。主轴的驱动可以使用交流变频或交流伺服2种控制方式，交流变频主轴能够无级变速但不能准停，需要另外装设主轴位置传感器，配合CNC系统PMC(指数控系统内置PLC)的逻辑程序来完成准停速度控制和定位停止；交流伺服主轴本身即具有准停功能，其自身的轴控PLC信号可直接连接至CNC系统的PMC，配合简捷的PMC逻辑程序即可完成准停定位控制，且后者的控制精度远远高于前者。
本文基于主轴伺服驱动系统的原理分析，结合三菱SJPF系统交流主轴驱动系统在H400和V400立、卧式2台加工中心上的应用情况，探讨如何利用现代智能化驱动系统的高稳定度、高精度特点及方便的参数调整功能，通过合理的容量选择、电路连接和相关参数调整，使主轴驱动系统满足加工中心的工艺和精度要求。
1 交流伺服主轴驱动系统工作原理
交流伺服主轴驱动系统由主轴驱动单元、主轴电动机和检测主轴速度与位置的旋转编码器3部分组成，主要完成闭环速度控制，但当主轴准停时则完成闭环位置控制。由于数控机床的主轴驱动功率较大，所以主轴电动机采用鼠笼式感应电动机结构形式，旋转编码器可以在主轴外安装，也可以与主轴电动机做成一个整体，主轴驱动单元的闭环控制、矢量运算均由内部的高速信号处理器及控制系统实现，其原理框图。图中CNC系统向主轴驱动单元发出速度指令Uw#，驱动单元将该指令与旋转编码器测出的实际速度Uw相比较，经数字化的速度调节器和磁链函数发生器运算，得到转子当前的希望力矩UT与希单磁链矢量U2*。，再分别与实际力矩、磁链运算结果UT，U2相比较，且经过力矩、磁链调节器运算得到等效直流电动机(两相旋转轴系)的转矩电流分量Uitl*和励磁电流分量Uiml*，再经过反旋转矢量变换进入两相静止轴系，最后经2／3矢量变换进入三相静止轴系，得到变频装置的三相定子电流希望值ia*，ib*，ic*，通过控制SPWM驱动器及IGBT变频主回路使负载三相电流跟随希望值，就可以完成主轴的速度闭环控制。
三菱主轴驱动单元采用电流型矢量控制方式，以高速数字信号处理器DSP为核心，以大规模专用集成电路、高速功率模块作为实现电路，使驱动单元具有体积小、重量轻、运算速度高、位置控制定向时间短、易于高速准停等诸多优点。该驱动单元能接受数字速度给定，也能接受模拟速度给定，具备过流、过压、过载、欠压、过热，过速等多项保护的监控和诊断功能，具有通讯功能，准停参数及运行参数设置既可以通过PC机预置也可以手动输人，设计紧凑，使用方便。该主轴驱动器在准停定位时，实际上并不接受CNC的速度命令，仅仅按照预设的准停位置、准停速度等参数完成闭环位置控制。
2 主轴驱动系统的容量选择
以H400立式加工中心主轴驱动系统的容量选择为例，说明主轴驱动系统容量的选择过程。
2.1 选择条件
1)初选三菱sj—PF系列交流主轴驱动系统，主轴电机最高转速为6000 r／min，主轴恒扭矩输出的最大转速为1 500 r／min。
2)切削参数(是大铣削力状况)，使用高速钢端面铣刀铣削中碳钢工件时，刀具直径为125mm，最大铣削速度为40 m／min。
2.2计算主轴主传动功率
1)主轴空载功率。H400型立式加工中心主轴前后支承轴颈的平均直径为70 mm，按下式可计算出主轴空载功率，
2)主轴最大切削功率。当主轴最大切削功率为最大铣削力产生时，主轴的切削负荷。用高速钢端面铣刀铣削中碳钢工件时，最大铣削力可用下式计算
由于数控机床的传动链较短，主传动总效率1取较高数值0.85，代人数值可得PE=2.39 kw。
作为整套伺服驱动系统，三菱主轴驱动单元与主轴电动机容量已作过匹配，依据设计功率大于主传动功率的原则，为H400型立式加工中心选择的SJPF系列主轴电动机型号为SJPF5.5，驱动单元型号为MDSASPJA-55，容量为5.5 kW，对应输出功率为3.7 kw，额定速度为1500 r／min，2台电动机均带有内藏式编码器及冷却风扇。
3 主轴驱动系统与CNC连接电路
加工中心采用符合工业PC标准的INCONM40F型开放体系结构数控系统作为主控制器，该数控系统通过1套交流伺服驱动系统完成加工中心的主轴运动控制，3套伺服进给驱动系统完成x，y，z 3个方向的进给联动控制，叉通过2块PLC扩展I／O板完成机床动作复杂逻辑控制(包括数控系统工作方式管理、手轮管理、刀库自动换刀、双工作台交换、工作台分度定位停止等)，逻辑控制软件使用c++语言开发，由数控系统的80586CPu实现各子系统的协调管理。以INCONM40F数控系统为核心的加工中心电气控制系统总体结构。
主轴驱动系统的连接电路。MDSASPJA系列主轴驱动器上共有9个强电接线端子和3个信号电缆插座CN1，CN2，CN 3。9个强电接线端子分别为：AC 220 V三相电源进线R，S，T，交直交变频主回路的直流侧能耗制动电阻接线端子C，P，向主轴电机供电的变频输出动力线端子U，V，W及屏蔽线接线端子PE。信号电缆CN 3用于连接cNc系统及Pc机，其中sEl，sE2用来接受数控系统的模拟电压指令(;10 v)，SYA，SYA*，SYB，SYB*，SYC与SYC*是从主轴驱动单元送回cNc的当前速度反馈信号线(6根分为一，B两相各2根，零脉冲Z相2根)，TX1、RX1，GND则分别为串行发送、接收信号线及地线，用于连接PC机的串行口，作主轴驱动单元的运行参数、准停参数预设定及主轴状态监控，IE常运行时不必连接。CN 2是三菱公司提供的标准电缆，用来传递主轴编码器对主轴驱动单元的速度／位置反馈信号。CN1电缆有40线之多，主要作为主轴的轴控PLC信号，被连接于数控系统PMC的I／O点，以完成CNC对主轴的状态监控及动作控制。CN1中有代表性的信号为：FA，FC，OSSEND，1NCw，1NCCW，INALM由主轴驱动器发向数控系统的PMc，传递主轴驱动器的当前状态，即FA与FC接通表示主轴报警，OSSEND指示主轴准停动作已经到位，INcw，INcCW，INAI．M则指示主轴处于正转、反转还是报警中；REDAY，SRI，SRN，OSS，EMG则由数控系统的PMc发向主轴驱动器，传递cNc对主轴的控制命令，即REDAY为就绪信号，SRI为正转命令，SRN为反转命令，OSS为准停命令，EMG为紧急停止命令。CNl电缆上还有2根线SM0与LM0，可分别与地线G间接入主轴速度表和负载表，用于数控机床的面板显示。
4 主抽驱动系统的参数整定
三菱MDSASPJA系列主轴驱动单元从SP001SP384共有384个内部参数，这些参数需根据机械传动情况、电路硬件连接及运行功能要求进行合理调整。实际调试时，有的参数使用初始默认值，有的参数要与主轴系统的外部信号接线相配台，还有的参数由主传动结构及性能要求确定。加工中心主轴调试中使用的典型参数示例如下。
SP001：准停回路增益，使用默认值。
SP004：准停在位宽度，设置为1／18。
SP006：准停减速率，使用默认值。
SP007：准停位置数值，如希望主轴定位停于x°位置，可对应设置SP007x°／360°×4096
SP01 7：主轴电机最高速度，设定为6 000。
SP019：速度设定值的加／减速时间常数，设定为30m8。
SP025：主轴侧齿轮齿数。
SP029：电机侧齿轮齿数，SP029与SP025的比例应按照主传动实际传动比设为1：2。
SP039，SP040，S0041：分别指定驱动单元容量、电机型号及能耗制动电阻型号。
SP098，SP099，SP100：分别为速度回路增益的P，I，D项。
SP129～SPl33：按要求范围置数，指定驱动单元接受外部输入信号所使用的输入线，如通过设置SPl291，可定义cNl的第19A引脚作为准停命令OSS输入端。
SP178，SP179：用于速度、负载表刻度调整。
SP141～SPl43：按要求范围置数，指定驱动单元状态输出所使用的输出线。如通过设置SPl41=0，可定义CN1的第7A引脚作为准停完成信号输出端：通过设置S01 4211，可定义CN1的第7B引脚作为驱动单元就绪的状态监控输出端。
还有些机器数需要按位设置，如sP097，该参数按2进制共有16位，从第。位到第F位，其中第1位与第。位的组合表示准停旋转方向，置01选择正方向准停；第3位置1表示准停伺服期间主轴锁定；第5位选择编码器检测极性，置0；如其余位暂置为0，则SP097-0009H。
参数整定后的加工中心主轴速度实测曲线。图4a为主轴加速稳速(至1 000r／min)一减速过程的动态速度变化曲线，速度上升时间约为0.2 s，超调量小于0.25％；主轴从1000r／min的稳定速度作定角度停止时的动态速度变化曲线，曲线中间的恒速段为位置回路控制速度，标志着芏轴从速度控制模式变为位置控制模式，主轴在正常运行速度下从准停命令发出至准停定位完毕约需要0.5 s，过渡过程平稳。主轴静态性能为调速范围达到3000：10，无静差。实践证明，参数的合理设定可以发挥系统的智能化调谐能力，实现主轴驱动单元、CNC系统与主轴电动机协调运行，使主传动具有稳定的静态、动态性能。
5 结束语
我们在理论计算的指导下，为立式、卧式2台加工中心选择了主轴系统容量，完成了CNc主轴驱动系统之间的信号连接，并根据系统要求分别调整了2台主轴驱动器的内部参数，加工中心运行情况证明：主轴系统容量设计合适、信号连接正确、参数配合适当，发挥出了三菱主轴驱动系统的智能化优势，整机达到了所预期的机械加工性能要求。
(审核编辑: 智汇张瑜)
