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摘 要：本文主要介紹臺達VE變頻器在數控加工中心上的使用情況。
關鍵詞：數控加工中心 定位 VE變頻器 臺達 脈沖給定
1 引言
數控機床是現代制造業的關鍵裝備，一個國家數控機床的產量和技術水平在某種程度上就代表這個國家的制造業水平和競爭力。我國數控機床的技術水平、性能和質量與國外產品比較還有很大差距。高性能加工中心和功能部件大多數依靠進口。加工中心是數控技術的集中體現，市場活躍、需求旺盛，成為當前和未來數控機床市場爭奪的前沿。
加工中心是備有刀庫并能自動更換刀具，對工件進行多工序加工的數字控制機床。工件經一次裝夾后，數字控制系統能控制機床按不同工序，自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡及其他輔助機能，依次完成工件幾個面上多工序的加工。加工中心由于工序的集中和自動換刀，減少了工件的裝夾、測量和機床調整等時間，使機床的切削時間達到機床開動時間的8O％左右(普通機床僅為15～20％)；同時也減少了工序之間的工件周轉、搬運和存放時間，縮短了生產周期，具有明顯的經濟效益。加工中心適用于零件形狀比較復雜、精度要求較高、產品更換頻繁的中小批量生產。 第一臺加工中心是1958年由美國卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在數控臥式鏜銑床的基礎上增加了自動換刀裝置，從而實現了工件一次裝夾后即可進行銑削、鉆削、鏜削、鉸削和攻絲等多種工序的集中加工。二十世紀70年代以來，加工中心得到迅速發展，出現了可換主軸箱加工中心，它備有多個可以自動更換的裝有刀具的多軸主軸箱，能對工件同時進行多孔加工。這種多工序集中加工的形式也擴展到了其他類型數控機床，例如車削中心，它是在數控車床上配置多個自動換刀裝置，能控制三個以上的坐標，除車削外，主軸可以停轉或分度，而由刀具旋轉進行銑削、鉆削、鉸孔和攻絲等工序，適于加工復雜的旋轉體零件。加工中心按主軸的布置方式分為立式和臥式兩類。臥式加工中心一般具有分度轉臺或數控轉臺，可加工工件的各個側面；也可作多個坐標的聯合運動，以便加工復雜的空間曲面。立式加工中心一般不帶轉臺，僅作頂面加工。此外，還有帶立、臥兩個主軸的復合式加工中心，和主軸能調整成臥軸或立軸的立臥可調式加工中心，它們能對工件進行五個面的加工。加工中心的自動換刀裝置由存放刀具的刀庫和換刀機構組成。刀庫種類很多，常見的有盤式和鏈式兩類。鏈式刀庫存放刀具的容量較大。換刀機構在機床主軸與刀庫之間交換刀具，常見的為機械手；也有不帶機械手而由主軸直接與刀庫交換刀具的，稱無臂式換刀裝置。為了進一步縮短非切削時間，有的加工中心配有兩個自動交換工件的托板。一個裝著工件在工作臺上加工，另一個則在工作臺外裝卸工件。機床完成加工循環后自動交換托板，使裝卸工件與切削加工的時間相重合。
2 數控機床主軸驅動
主軸驅動系統是數控機床的大功率執行機構，其功能是接受數控系統(CNC)的S碼速度指令及M碼輔助功能指令，驅動主軸進行切削加工。主軸的驅動可以使用交流變頻或交流伺服2種控制方式，一般的交流變頻主軸能夠無級變速但不能準停，需要另外裝設主軸位置傳感器，配合CNC系統PMC (指數控系統內置PLC)的邏輯程序來完成準停速度控制和定位停止；交流伺服主軸本身即具有準停功能，其自身的軸控PLC信號可直接連接至CNC系統的PMC，配合簡捷的PMC邏輯程序即可完成準停定位控制，且后者的控制精度遠遠高于前者，所以目前大多數加工中心的主軸驅動系統采取交流伺服主軸。參考交流伺服主軸的功能，臺達公司開發出新一代的交流變頻驅動器——VE變頻器，除了功能和性能完全能夠和交流伺服媲美，而且還具有通用性強以及價格上的優勢，通過多次測試深得客戶的認可與喜愛。
3 臺達VE變頻主軸驅動系統
3.1 系統設計要求
（1）VE系列變頻器功能和性能的數控特性。項目客戶為數控加工中心知名企業。結合客戶的要求以及加工中心的特性，臺達專門為數控加工中心開發的高性能變頻器----VE系列變頻器功能和性能是非常適合使用在數控加工中心上的：
● 通過外部I/O點能夠實現快速單點定位，有專門參數調整定位時的特性曲線以及定位時間，定為實現方便；
● 通過專用參數調整達到快速加減速的實現；
● 全新的PDFF控制，使增益的調整更加簡單方便，易于掌握；
● 接受模擬量信號和脈沖信號，對上位機的支持更加全面。
（2）測試加工中心配置：
● 數控系統：臺灣新代數控系統SYNTEC 9401；
● 主軸規格：無錫博華電機8kw/最大頻率600hz-12000rpm/6P/380V/450hz/25A，編碼器+5V/GND/+A/-A/+B/-B/+Z/-Z/512ppr；
● 變頻器規格：075V43A-2+EMV-PG01L，軟件版本9.98測試版，制動電阻1500W/75ohm。
3.2 主軸變頻系統設計
（1）變頻器電氣設計：參見圖1。
圖1 變頻器配線圖
3.3 變頻器參數設計步驟
（1）將電機參數設置到變頻器，作電機動態自整定。要想將VE系列變頻器的高性能發揮出來，準確的電機參數是基礎。首先將基本參數填入到變頻器相關位置：
并且使用以上參數作VF控制運行，具體情況如下表，觀察后符合電機運行特性。
（2）解決一個有趣的工程問題。在以上數據中，電機額定轉速05-03是電機廠家銘牌沒有提供，詢問電機廠家也不是很清楚。這種情況下，由于電機本身帶編碼器，通過VF控制，將變頻器運行到450hz，觀察變頻器中提供的r狀態，電機實際轉速為8900rpm左右，將測的數據填入到05-03。電機額定電流25A，075V43A-2變頻器額定電流只有18A，所以只能將電動機額定電流盡可能的調整到最大（最大為21.6A）填入05-01參數。
將參數5-00=1，然后按面板”RUN”作動態整定。
整定后電機參數為
11-01參數關系到編碼器方向的選擇，如果設置不當，則PG閉環控制會出現問題。11-01設置是否正確可以通過在變頻器面板r狀態的觀察，r如果是正值則表示方向設置正確，如果是負值則表示方向設置相反。
（3）將控制方式改為foc+pg，并且調整最大操作頻率以及加減速時間
使用面板運行。首先將F=550，運行后發現不論啟動過程還是停止過程，當輸出頻率到達450HZ左右時就不按照加減速時間來變化，變化非常緩慢。當出現以上現象時，可以通過調整參數11-05（M1IdsRef Limit）來解決，將11-05從出廠值90改為110后加減速過程正常。
圖2（F=590，11-05=180）加速曲線
（4）作慣量估測以及ASR自動調整。將參數11-00=2，F=200HZ，01-12=01-13=1，正反轉后測得慣量參數為49，之后將11-01=1，觀察電機剛性，并對相應參數作修改。
（5）外部I/O功能的設置：
參見圖1，MI1為單點定位，MI2為第一/第二加減速時間切換，MI3為脈沖位置命令輸入使能做單點定位時，FWD/MI1閉合，變頻器做定位動作。有如下參數對定位的靈敏程度以及定位時停止位置有關系，調整位置時可以將主軸停止在需要定位的位置并且觀察面板上的G狀態值，確定位置正確后將觀察到得G值填入到10-19中；定位過程的靈敏程度通過調整10-21/10-22來改變，10-21越大，10-22越小，反映越快，定位過程越短；10-21越小，10-22越大，反映越慢，定位過程也越長。
目前脈沖控制提供兩種模式：速度模式以及位置模式。當工作在速度模式下，只需要將頻率來源信號設置為脈沖給定，并且按照上位機提供的脈沖信號設置給定方式；如果變頻器需要工作在脈沖位置命令模式，除了速度模式下的參數需要設置外，還需要配合外部端子信號FWD/MI1/MI2/MI3的閉合。
3.4 VE系列變頻器脈沖輸入控制
VE系列變頻器支持兩種脈沖輸入方式：1.A/B相脈沖輸入；2.脈沖+方向輸入。由于新系統提供脈沖+方向的輸出方式，所以可以選擇如圖3中第3種或者第4種方式；然后再根據方向來作出最后正確的選擇。
圖3 接受的脈沖輸入方式
使用脈沖控制時，還有兩個參數也是非常重要的：1.10-17PG電子齒輪A；2.10-18PG電子齒輪B。其計算公式為轉速=脈沖頻率/編碼器的點數（10-00）*電子齒輪A/電子齒輪B。
3.5加減速特性
加減速特性的測試，首先將保護功能作適當調整：
從0加速到590hz的加速過程中實測加速時間為1.4s，加速中最大電流為19.3A，圖形參見圖4。
圖4 加速曲線
1-12=5，1-13=5，F=590
從590hz減速到0hz的減速過程中實測減速時間為5.1s，減速中最大母線電壓為740VDC，圖形如圖5所示。
圖5 加速以及減速曲線
4 結束語
數控加工中心對主軸有較高的控制要求，首先要求在大力矩、強過載能力的基礎上實現寬范圍無級變速，其次要求在自動換刀動作中實現定角度停止(即準停)，這使加工中心主軸驅動系統比一般的變頻調速系統或小功率交流伺服系統在電路設計和運行參數整定上具有更大的難度。基于臺達VE系列高性能變頻器的數控主軸變頻驅動項目加減速特性以及定位功能都完全能夠適應加工中心的要求，性價比突出。
作者信息：
王浩 中達電通股份有限公司AMD產品處
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