三菱交流伺服主轴驱动系统在数控加工中心上的应用概要

1、三菱交流伺服主轴驱动系统在数控加工中心上的应 用摘要：文章将智能化交流伺服主轴驱动系统应用于数控加工中心，分析主轴驱 动系统的原理，给出容量计算及型号选择方法，讨论主轴驱动系统与CNC之间的信号联系与电路连接方法，研究主轴的参数设置，使高性能主轴驱动系统在 加工中心上得到合理使用，以满足数控加工的工艺和精度要求。关键词：数控 系统；智能化；交流主轴驱动；参数整定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 摘要：文章将智能化交流伺服主轴驱动系统应用于数控加工中心，分析主轴驱动系统的原理，给出容量计算及型号选择方法，讨论主轴驱动系统与CNC之

2、间的信号联系与电路连接方法，研究主轴的参数设置，使高性能主轴驱动系 统在加工中心上得到合理使用，以满足数控加工的工艺和精度要求。关键词：数控系统；智能化；交流主轴驱动；参数整定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

3、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SJ-PF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

4、 工艺和精度要求。、交流伺服主轴驱动系统工作原理图1交流伺服主轴驱动单元的原理框图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，其原理框图如图1所示。图中CNC系统向主轴驱动单元发出速度指令驱动单元将该指令与旋转编码器测出的实际速度相比较，经数 字化的速度调节器和磁链函数发生器运算，

5、得到转子当前的希望力矩与希望磁 链矢量再分别与实际力矩、磁链运算结果相比较，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 电流分量和励磁电流分量换进 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，通过控制 SPW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

6、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入，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勺速度命令，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。二、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。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6000r/min,主轴恒扭矩输出的最大转速为 1500r/min。(2) 切削参数(最大铣削力状况

7、)，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40m/min。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 70mm按下式可计算出主轴空载功率，即式中：k，c为常数;dm为主轴前后支承轴颈的平均直径;n为主轴恒扭 矩输出的最大转速。代入数值得P0=0.92kW(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设最大铣削速度v=40m/min,可求出最大切削功率1（3）主轴主传动功率为由于数控机床的传动链较短，主传动总效率取较高数值0

8、.85，代入数值可得PE=2.39kW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SJ-PF系列主轴电动机型号为 SJ-PF55，驱动单元型号为 MDSA-SPJA-55，容 量为5.5kW,对应输出功率为3.7kW,额定速度为1500r/min ， 2台电动机均带 有内藏式编码器及冷却风 扇。三、主轴驱动系统与CNG连接电路加工中心采用符合工业PC标准的INCON-M40I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,

9、 丫，Z 3个方向的进给联动控制，又 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INCON-M40I数控系统为核心的加工中心电气控制系统总体结构如图2所示。图2加工中心电气控制系统的总体结构图3为主轴驱动系统的连接电路。MDS-A-SPJ療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 CN3 9个强电接线端子分别 为：AC 220V三相电源进线R, S, T,交-直-交变频主回路的直流

10、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CN3用于连接CNC系统及PC机，其中SE1, SE2用来接 受数控系统的模拟电压指令（土 10V）, SYA SYA SYB SYB3 SYC与 SYC3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A, 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，正常运行时不必连接。 CN2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

11、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勺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, OSSEN,DINCV, INCCW 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，OSSEN指示主轴准停动作已经到 位，INCV，INCCW，INALM则指示主轴处于正转、反转还是报警中；REDAY SRI，SRN OSS EMGU由数控系统的PM（发向主轴驱动器，传递 CNCM主轴的 控制命令，即REDAY为就绪信号，SRI为正转命令，SRN为

12、反转命令，OSS为准 停命令，EM助紧急停止命令。CN1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。图3主轴驱动系统的连接电路四、主轴驱动系统的参数整定三菱MDS-A-SPJA列主轴驱动单元从 SP001-SP384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 号接线相配合，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1/1

13、6。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 SP007=x /360 ° X 4096。SP017:主轴电机最高速度，设定为 6000。SP019速度设定值的加/减速时间常数，设定为30ms。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, SP04Q S0041:分别指定驱动单元容量、电机型号及能耗制动电阻型SP098 SP099 SP100分别为速度回路增益的 P，I，D项。SP129- SP133按要求范围置数，指定驱动单元

14、接受外部输入信号所使用的输 入线，如通过设置SP129=1,可定义CN1的第19A引脚作为准停命令OSS俞入 端。SP178 SP179用于速度、负载表刻度调整。 SP14仁SP143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SP141=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 SO142=11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0位到第F位，其中第1位与第0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 度实测曲线如图4所示。图4a为主轴加速-稳速（至1000r/min）-减速过程的 动态速度变化曲线，速度上升时间约为 0.2s，超调量小于0.25%;图4b为主轴 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，标志着主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0.5s，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