摘 要：本文主要介紹臺(tái)達(dá)VE變頻器在數(shù)控加工中心上的使用情況。關(guān)鍵詞：數(shù)控加工中心　定位　VE變頻器　臺(tái)達(dá)　脈沖給定1 引言　　數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵裝備，一個(gè)國(guó)家數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上就代表這個(gè)國(guó)家的制造業(yè)水平和競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與國(guó)外產(chǎn)品比較還有很大差距。高性能加工中心和功能部件大多數(shù)依靠進(jìn)口。加工中心是數(shù)控技術(shù)的集中體現(xiàn)，市場(chǎng)活躍、需求旺盛，成為當(dāng)前和未來(lái)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)爭(zhēng)奪的前沿。　　加工中心是備有刀庫(kù)并能自動(dòng)更換刀具，對(duì)工件進(jìn)行多工序加工的數(shù)字控制機(jī)床。工件經(jīng)一次裝夾后，數(shù)字控制系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序，自動(dòng)選擇和更換刀具，自動(dòng)改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡及其他輔助機(jī)能，依次完成工件幾個(gè)面上多工序的加工。加工中心由于工序的集中和自動(dòng)換刀，減少了工件的裝夾、測(cè)量和機(jī)床調(diào)整等時(shí)間，使機(jī)床的切削時(shí)間達(dá)到機(jī)床開(kāi)動(dòng)時(shí)間的8O％左右(普通機(jī)床僅為15～20％)；同時(shí)也減少了工序之間的工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時(shí)間，縮短了生產(chǎn)周期，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。加工中心適用于零件形狀比較復(fù)雜、精度要求較高、產(chǎn)品更換頻繁的中小批量生產(chǎn)。 第一臺(tái)加工中心是1958年由美國(guó)卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在數(shù)控臥式鏜銑床的基礎(chǔ)上增加了自動(dòng)換刀裝置，從而實(shí)現(xiàn)了工件一次裝夾后即可進(jìn)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(jì)70年代以來(lái)，加工中心得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了可換主軸箱加工中心，它備有多個(gè)可以自動(dòng)更換的裝有刀具的多軸主軸箱，能對(duì)工件同時(shí)進(jìn)行多孔加工。這種多工序集中加工的形式也擴(kuò)展到了其他類(lèi)型數(shù)控機(jī)床，例如車(chē)削中心，它是在數(shù)控車(chē)床上配置多個(gè)自動(dòng)換刀裝置，能控制三個(gè)以上的坐標(biāo)，除車(chē)削外，主軸可以停轉(zhuǎn)或分度，而由刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行銑削、鉆削、鉸孔和攻絲等工序，適于加工復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)體零件。加工中心按主軸的布置方式分為立式和臥式兩類(lèi)。臥式加工中心一般具有分度轉(zhuǎn)臺(tái)或數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，可加工工件的各個(gè)側(cè)面；也可作多個(gè)坐標(biāo)的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，以便加工復(fù)雜的空間曲面。立式加工中心一般不帶轉(zhuǎn)臺(tái)，僅作頂面加工。此外，還有帶立、臥兩個(gè)主軸的復(fù)合式加工中心，和主軸能調(diào)整成臥軸或立軸的立臥可調(diào)式加工中心，它們能對(duì)工件進(jìn)行五個(gè)面的加工。加工中心的自動(dòng)換刀裝置由存放刀具的刀庫(kù)和換刀機(jī)構(gòu)組成。刀庫(kù)種類(lèi)很多，常見(jiàn)的有盤(pán)式和鏈?zhǔn)絻深?lèi)。鏈?zhǔn)降稁?kù)存放刀具的容量較大。換刀機(jī)構(gòu)在機(jī)床主軸與刀庫(kù)之間交換刀具，常見(jiàn)的為機(jī)械手；也有不帶機(jī)械手而由主軸直接與刀庫(kù)交換刀具的，稱(chēng)無(wú)臂式換刀裝置。為了進(jìn)一步縮短非切削時(shí)間，有的加工中心配有兩個(gè)自動(dòng)交換工件的托板。一個(gè)裝著工件在工作臺(tái)上加工，另一個(gè)則在工作臺(tái)外裝卸工件。機(jī)床完成加工循環(huán)后自動(dòng)交換托板，使裝卸工件與切削加工的時(shí)間相重合。2 數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)　　主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的大功率執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其功能是接受數(shù)控系統(tǒng)(CNC)的S碼速度指令及M碼輔助功能指令，驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行切削加工。主軸的驅(qū)動(dòng)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(wú)級(jí)變速但不能準(zhǔn)停，需要另外裝設(shè)主軸位置傳感器，配合CNC系統(tǒng)PMC (指數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置PLC)的邏輯程序來(lái)完成準(zhǔn)停速度控制和定位停止；交流伺服主軸本身即具有準(zhǔn)停功能，其自身的軸控PLC信號(hào)可直接連接至CNC系統(tǒng)的PMC，配合簡(jiǎn)捷的PMC邏輯程序即可完成準(zhǔn)停定位控制，且后者的控制精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者，所以目前大多數(shù)加工中心的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采取交流伺服主軸。參考交流伺服主軸的功能，臺(tái)達(dá)公司開(kāi)發(fā)出新一代的交流變頻驅(qū)動(dòng)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(qiáng)以及價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)多次測(cè)試深得客戶(hù)的認(rèn)可與喜愛(ài)。3 臺(tái)達(dá)VE變頻主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求（1）VE系列變頻器功能和性能的數(shù)控特性。項(xiàng)目客戶(hù)為數(shù)控加工中心知名企業(yè)。結(jié)合客戶(hù)的要求以及加工中心的特性，臺(tái)達(dá)專(zhuān)門(mén)為數(shù)控加工中心開(kāi)發(fā)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(shù)控加工中心上的：•通過(guò)外部I/O點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)快速單點(diǎn)定位，有專(zhuān)門(mén)參數(shù)調(diào)整定位時(shí)的特性曲線(xiàn)以及定位時(shí)間，定為實(shí)現(xiàn)方便；•通過(guò)專(zhuān)用參數(shù)調(diào)整達(dá)到快速加減速的實(shí)現(xiàn)；•全新的PDFF控制，使增益的調(diào)整更加簡(jiǎn)單方便，易于掌握；•接受模擬量信號(hào)和脈沖信號(hào)，對(duì)上位機(jī)的支持更加全面。（2）測(cè)試加工中心配置：•數(shù)控系統(tǒng)：臺(tái)灣新代數(shù)控系統(tǒng)SYNTEC 9401；•主軸規(guī)格：無(wú)錫博華電機(jī)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(guī)格：075V43A-2+EMV-PG01L，軟件版本9.98測(cè)試版，制動(dòng)電阻1500W/75ohm。3.2 主軸變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）變頻器電氣設(shè)計(jì)：參見(jiàn)圖1。
圖1 變頻器配線(xiàn)圖 3.3 變頻器參數(shù)設(shè)計(jì)步驟　?。?）將電機(jī)參數(shù)設(shè)置到變頻器，作電機(jī)動(dòng)態(tài)自整定。要想將VE系列變頻器的高性能發(fā)揮出來(lái)，準(zhǔn)確的電機(jī)參數(shù)是基礎(chǔ)。首先將基本參數(shù)填入到變頻器相關(guān)位置：

Pr. No		MODBUS		Description		Unit		Data
01-01		0101H		Motor1 Fbase		Hz		450.00
01-02		0102H		Max Out-Volt 1		V		380.0
	05-01		0501H		Motor1 Rated A		Amps		21.60
	05-02		0502H		Motro1 Rated P		Kw		8.00
	05-03		0503H		Motor1 Rated		RPM		8900
	05-04		0504H		Motor1 Poles				6
	05-05		0505H		Motor1 No-Load		Amps		5.50
	10-00		0A00H		Encoder pulses				512
	10-01		0A01H		PG input setting				2

　　并且使用以上參數(shù)作VF控制運(yùn)行，具體情況如下表，觀察后符合電機(jī)運(yùn)行特性。

F（HZ）	E（VAC）	A（A）
50	50.7	7.13
100	91.9	6.7
150	133	6.42
200	174.2	6.26
300	256.6	5.99
400	338.8	5.8
450	380	6
500	380	5.75
550	380	5.2

　?。?）解決一個(gè)有趣的工程問(wèn)題。在以上數(shù)據(jù)中，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速05-03是電機(jī)廠(chǎng)家銘牌沒(méi)有提供，詢(xún)問(wèn)電機(jī)廠(chǎng)家也不是很清楚。這種情況下，由于電機(jī)本身帶編碼器，通過(guò)VF控制，將變頻器運(yùn)行到450hz，觀察變頻器中提供的r狀態(tài)，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為8900rpm左右，將測(cè)的數(shù)據(jù)填入到05-03。電機(jī)額定電流25A，075V43A-2變頻器額定電流只有18A，所以只能將電動(dòng)機(jī)額定電流盡可能的調(diào)整到最大（最大為21.6A）填入05-01參數(shù)?！　?shù)5-00=1，然后按面板”RUN”作動(dòng)態(tài)整定。

Pr. No	MODBUS	Description	Unit	Data
05-00	0500H	Auto-Tuning SEL		1

　　整定后電機(jī)參數(shù)為

Pr. No	MODBUS	Description	Unit	Data
05-01	0501H	Motor1 Rated A	Amps	21.60
05-02	0502H	Motro1 Rated P	Kw	8.00
05-03	0503H	Motor1 Rated	RPM	8900
05-04	0504H	Motor1 Poles		6
05-05	0505H	Motor1 No-Load	Amps	5.50
05-06	0506H	Motor1 Rs	ohm	1.183
05-07	0507H	Motor1 Rr	ohm	0.472
05-08	0508H	Motor1 Lm	mH	18.6
05-09	0509H	Motor1 Lx	mH	7.3

　　11-01參數(shù)關(guān)系到編碼器方向的選擇，如果設(shè)置不當(dāng)，則PG閉環(huán)控制會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。11-01設(shè)置是否正確可以通過(guò)在變頻器面板r狀態(tài)的觀察，r如果是正值則表示方向設(shè)置正確，如果是負(fù)值則表示方向設(shè)置相反?！　。?）將控制方式改為foc+pg，并且調(diào)整最大操作頻率以及加減速時(shí)間

Pr. No		MODBUS		Description		Unit		Data
00-10		000AH		Control Method				3
	01-00		0100H		Max Output Freq.		Hz		590.00
	01-12		010CH		1st Accel Time		sec		10.00
	01-13		010DH		1st Decel Time		sec		10.00

　　使用面板運(yùn)行。首先將F=550，運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)不論啟動(dòng)過(guò)程還是停止過(guò)程，當(dāng)輸出頻率到達(dá)450HZ左右時(shí)就不按照加減速時(shí)間來(lái)變化，變化非常緩慢。當(dāng)出現(xiàn)以上現(xiàn)象時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整參數(shù)11-05（M1IdsRef Limit）來(lái)解決，將11-05從出廠(chǎng)值90改為110后加減速過(guò)程正常。
圖2（F=590，11-05=180）加速曲線(xiàn) 　?。?）作慣量估測(cè)以及ASR自動(dòng)調(diào)整。將參數(shù)11-00=2，F(xiàn)=200HZ，01-12=01-13=1，正反轉(zhuǎn)后測(cè)得慣量參數(shù)為49，之后將11-01=1，觀察電機(jī)剛性，并對(duì)相應(yīng)參數(shù)作修改。

Pr. No		MODBUS		Description		Unit		Data
11-00		0B00H		System Control				1
11-01		0B01H		System Jm		PU		49
	11-11		0B0BH		Zero SP Loop BW		Hz		25

　?。?）外部I/O功能的設(shè)置：

Pr. No		MODBUS		Description		Unit		Data
02-00		0200H		2/3 wire Control				0
02-01		0201H		Multi-Fun Input1				35
02-02		0202H		Multi-Fun Input2				8
02-03		0203H		Multi-Fun Input3				37
	02-12		020CH		Multi-Fun RLY2				39
	00-20		0014H		Source of Freq.				5
	00-21		0015H		Source of Oper.				1
	01-12		010CH		1st Accel Time		sec		10.00
	01-13		010DH		1st Decel Time		sec		10.00
	01-14		010EH		2nd Accel Time		sec		0.00
	01-15		010FH		2nd Decel Time		sec		0.00
	10-15		0A0FH		PG Ref Input				3

　　參見(jiàn)圖1，MI1為單點(diǎn)定位，MI2為第一/第二加減速時(shí)間切換，MI3為脈沖位置命令輸入使能做單點(diǎn)定位時(shí)，F(xiàn)WD/MI1閉合，變頻器做定位動(dòng)作。有如下參數(shù)對(duì)定位的靈敏程度以及定位時(shí)停止位置有關(guān)系，調(diào)整位置時(shí)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(tài)值，確定位置正確后將觀察到得G值填入到10-19中；定位過(guò)程的靈敏程度通過(guò)調(diào)整10-21/10-22來(lái)改變，10-21越大，10-22越小，反映越快，定位過(guò)程越短；10-21越小，10-22越大，反映越慢，定位過(guò)程也越長(zhǎng)。

Pr. No	MODBUS	Description	Unit	Data
10-19	0A13H	PG Position Home		789
10-20	0A14H	PG Attained Home		5
10-21	0A15H	Zero SPD Loop Kp		500.0
10-22	0A16H	Zero SPD Loop Ki	sec	0.050
10-24	0A18H	APR Decel Time	sec	0.20

　　目前脈沖控制提供兩種模式：速度模式以及位置模式。當(dāng)工作在速度模式下，只需要將頻率來(lái)源信號(hào)設(shè)置為脈沖給定，并且按照上位機(jī)提供的脈沖信號(hào)設(shè)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(shù)需要設(shè)置外，還需要配合外部端子信號(hào)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(tǒng)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(jù)方向來(lái)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(shí)，還有兩個(gè)參數(shù)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(jì)算公式為轉(zhuǎn)速=脈沖頻率/編碼器的點(diǎn)數(shù)（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(cè)試，首先將保護(hù)功能作適當(dāng)調(diào)整：

Pr. No		MODBUS		Description		Unit		Data
06-01		0601H		OV stall level		V		780.0
06-03		0603H		OCA Level		%		250
06-04		0604H		OCN Level		%		250
	07-00		0700H		SW Braking Level		V		740.0

　　1-12=1，1-13=5，F(xiàn)=590　　從0加速到590hz的加速過(guò)程中實(shí)測(cè)加速時(shí)間為1.4s，加速中最大電流為19.3A，圖形參見(jiàn)圖4。
圖4 加速曲線(xiàn) 　　1-12=5，1-13=5，F(xiàn)=590　　從590hz減速到0hz的減速過(guò)程中實(shí)測(cè)減速時(shí)間為5.1s，減速中最大母線(xiàn)電壓為740VDC，圖形如圖5所示。
圖5 加速以及減速曲線(xiàn) 4 結(jié)束語(yǔ)　　數(shù)控加工中心對(duì)主軸有較高的控制要求，首先要求在大力矩、強(qiáng)過(guò)載能力的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)寬范圍無(wú)級(jí)變速，其次要求在自動(dòng)換刀動(dòng)作中實(shí)現(xiàn)定角度停止(即準(zhǔn)停)，這使加工中心主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比一般的變頻調(diào)速系統(tǒng)或小功率交流伺服系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)整定上具有更大的難度?；谂_(tái)達(dá)VE系列高性能變頻器的數(shù)控主軸變頻驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目加減速特性以及定位功能都完全能夠適應(yīng)加工中心的要求，性?xún)r(jià)比突出。（自動(dòng)化網(wǎng)竹逸編輯）