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關鍵詞：車床主軸 變頻器 機電
Key words: Machine tool spindle Inverter Mechatronics

1 引 言
數(shù)控機床的技術水平高低及其在金屬切削加工機床產(chǎn)量和總擁有量的百分比，是衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標志之一。數(shù)控車床是數(shù)控機床的主要品種之一，它在數(shù)控機床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視，并得到了迅速的發(fā)展。主軸是車床構成中一個重要的部分，對于提高加工效率，擴大加工材料范圍，提升加工質量有著重要的作用。經(jīng)濟型數(shù)控車床大多數(shù)是不能自動變速的，需要變速時，只能把機床停止，然后手動變速。而全功能數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)大多采用無級變速。目前，無級變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機。通過帶傳動帶動主軸旋轉，或通過帶傳動和主軸箱內(nèi)的減速齒輪(以獲得更大的轉矩)帶動主軸旋轉。由于主軸電機調速范圍廣，又可無級調速，使主軸箱的結構大為簡化。由于變頻器的高性價比，所以變頻器在車床上使用非常普遍。臺達M系列變頻器以其獨特的性能和優(yōu)越的性價比，在數(shù)控機床的應用方面迅速崛起，已經(jīng)成為目前市場上一支強大的生力軍。

2 臺達M系列變頻器性能簡介
M系列變頻器能滿足數(shù)控機床對主傳動系統(tǒng)無級變速的需求，其主要特點是：體積小，屬于“迷你”型產(chǎn)品，占用控制柜空間較��；控制方式為正弦波SPWM（提供速度反饋矢量控制），控制性能較VF控制方式有很大改善，特別是在低速轉矩上滿足機床主軸的需求，5HZ時起動轉矩能夠達到150%以上；載波頻率范圍0-15kHz，噪音��；提供標準的0-10V模擬量接口（輸入阻抗47Kohm，輸出阻抗250Kohm），能夠與大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)接口兼容，通用性強；過負載能力強，150%以上額定輸出電流超過一分鐘；提供多功能的輸出端子信號，例如零速信號，運轉中信號，速度到達信號，故障指示，滿足系統(tǒng)對于主軸速度狀態(tài)的監(jiān)控；自動轉矩補償，滿足機床主軸在低速情況下的加工需求；提供三組異常紀錄，供維修人員從側面了解機床主軸實際的運行狀況；電機參數(shù)自動整定功能，在線識別電機參數(shù)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。

3 車床主軸控制系統(tǒng)
3．1 車床主軸控制系統(tǒng)原理
控制系統(tǒng)接線圖如圖1所示。選配電機為3.0KW/50Hz/380V，選用變頻器型號為VFD037M43，制動電阻400W/150ohm。

圖1 控制系統(tǒng)接線圖

變頻器AVI/GND端子給數(shù)控系統(tǒng)提供速度模擬量，AVI接數(shù)控系統(tǒng)模擬量接口正信號，GND接負信號，信號為0-10V模擬電壓信號，控制主軸轉速。M0/M1/GND為變頻器的正轉/反轉信號端子，通常由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出正轉信號FWD或者反轉REV來驅動中間繼電器，中間繼電器的常開接點接入變頻器M0/GND或者M1/GND，從而控制車床主軸的正反轉。

3．2 控制系統(tǒng)參數(shù)調試
在參數(shù)調整過程中，應當注意：P00參數(shù)，選擇主頻率輸入，設置為模擬信號0-10V輸入（1）；P01參數(shù)，運轉信號，設置為外部端子信號控制（2）；P03，最高操作頻率選擇，對應于模擬信號10V輸入時變頻器的輸出頻率，由于在0-3500rpm范圍內(nèi)調速，考慮機械減速比，該此參數(shù)可設置為184HZ；P04和P05按照電機銘牌設置，P04=50Hz，P05=380V；P10和P11為加速時間和減速時間，根據(jù)客戶的要求，P10=5S，P11=5S；P105為控制方式的選擇，選擇矢量控制，P105=1。
特別需要注意的是，由于矢量控制需要提供電機參數(shù)（阻抗），變頻器提供電機參數(shù)自整定功能P103，選擇P103=2，通過面板運行鍵，變頻器會自動運行。自動運行過程中，除了計算出電機參數(shù)以外，還能夠檢測出空載電流，這幾個參數(shù)可使矢量控制表現(xiàn)出較高的性能，其這個過程會持續(xù)十幾秒鐘時間。

4 測試與運行
系統(tǒng)實際測試結果如表1和表2所示，

從表1和表2可以看出在恒轉矩輸出的頻率段（0-50Hz），矢量控制的空載電流幾乎只有VF控制的一半，負載時電流也比VF小一些；而且負載切削時，VF控制在初期有很明顯的速度下降，而且空載速度和負載速度有比較大的差值。而相對于矢量控制，主軸轉速初期雖然也會有下降，但是下降值較小，并且速度會很快回升，最終空載速度和負載速度相差不是很明顯。經(jīng)過上面的調試，與VF控制比較，性能有了很大的改善，無論從空載電流，低速力矩，還是速度的變化，效果都是非常明顯的，完全能夠滿足數(shù)控機床的需求。投入運行后，使用效果令人滿意，說明臺達M系列變頻器在車床主軸控制系統(tǒng)中的應用是成功的。