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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
數控機床的技術水平高低及其在金屬切削加工機床產量和總擁有量的百分比，是衡量一個國家國民經濟發展和工業制造整體水平的重要標志之一。數控車床是數控機床的主要品種之一，它在數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。經濟型數控車床大多數是不能自動變速的，需要變速時，只能把機床停止，然后手動變速。而全功能數控車床的主傳動系統大多采用無級變速。目前，無級變速系統主要有變頻主軸系統和伺服主軸系統兩種，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越的性價比，在數控機床的應用方面迅速崛起，已經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控機床對主傳動系統無級變速的需求，其主要特點是：體積小，屬于“迷你”型產品，占用控制柜空間較小；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，噪音小；提供標準的0-10V模擬量接口（輸入阻抗47Kohm，輸出阻抗250Kohm），能夠與大多數數控系統接口兼容，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，滿足系統對于主軸速度狀態的監控；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；電機參數自動整定功能，在線識別電機參數，保證系統的穩定性和精確性。

3 車床主軸控制系統
3．1 車床主軸控制系統原理
控制系統接線圖如圖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 控制系統接線圖

變頻器AVI/GND端子給數控系統提供速度模擬量，AVI接數控系統模擬量接口正信號，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，通常由數控系統發出正轉信號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 控制系統參數調試
在參數調整過程中，應當注意：P00參數，選擇主頻率輸入，設置為模擬信號0-10V輸入（1）；P01參數，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范圍內調速，考慮機械減速比，該此參數可設置為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（阻抗），變頻器提供電機參數自整定功能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以外，還能夠檢測出空載電流，這幾個參數可使矢量控制表現出較高的性能，其這個過程會持續十幾秒鐘時間。

4 測試與運行
系統實際測試結果如表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中的應用是成功的。