变频器在数控机床主轴上的应用

数控机床是一种灵活、高效能的自动化机床,它较好地解决了复杂、精密、小批多变的零件加工问题。合理地进行数控机床主轴的控制,对提高机床的加工精度和生产效率都十分重要。数控机床的主轴驱动系统也叫主传动系统,是完成主运动的动力装置部分。主轴驱动系统通过该传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度,配合进给运动,加工出理想的零件。它是零件加工的成型运动之一,它的精度对零件的加工精度有较大的影响。机床的主轴驱动和进给驱动有较大的差别，机床主轴的工作运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杆或者其他直线运动装置作往复运动，数控机床通过主轴的回转与进给实现刀具与工件的相对切削运动。

根据机床主轴传动的工作特点，早期的机床多数采用三相异步电动机加上多级变速箱的结构，随着技术的不断发展，机床机构有了很大改进，从而对主轴系统提出了新的要求，而且因用途而异，在数控机床中，数控车床占42%，数控钻镗铣床占33%，数控磨床、冲床占23%，其他占2%，为了满足量大面广的前两类数控机床的需要，对主轴传动提出了如下要求：主传动电机应有2.2KW~250KW的功率范围；要有大的无级调速范围，如能在1：100~1000范围内进行恒转矩调速和1：10的恒功率调速；要求主传动有四象限的驱动能力；为了满足螺纹车削，要求主轴能与进给实行同步控制。

在目前数控车床中，主轴控制装置通常是采用交流变频器来控制交流主轴电动机。为满足数控车床对主轴驱动的要求，变频器必须有以下性能:（1）宽调速范围，且稳速精度高;（2）低速运行时，有较大力矩输出;（3）加减速时间短;（4）过载能力强;（5）快速响应主轴电机快速正反转以及加减速。

下面是变频器在数控机床主轴上的应用：其中变频器与数控装置的联系通常包括:
（1）数控装置给变频器的正反转信号;
（2）数控装置给变频器的速度或频率信号，可以通过通讯给定或模拟给定；
（3）变频器给数控装置的故障等状态信号。所有关于对变频器的操作和反馈均可在数控面板进行编程和显示。

通过变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置，数控装置就可以方便而自由地控制主轴的速度。该特性曲线必须涵盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置，以满足数控车床快速正反转、自由调速、变速切削的要求。主轴变频器的基本选型应该依据主轴驱动的要求。

目前市场上最为常用的一类变频器为V/F控制方式，采用此控制方式的变频器低频转矩不够大、稳速精度不够高，因此在车床主轴上使用不太适合。另一类型的变频器为矢量型变频器，所谓矢量控制，通俗的讲，就是使鼠笼式异步机像直流电机那样具有优秀的运行性能及很高的控制性能，通过控制变频器输出电流的大小、频率及其相位，用以维持电机内部的磁通为恒定值，产生所需要的转矩，此类变频器具有低频力矩大，稳速精度高，响应速度快，相对伺服系统价格便宜等特点，在数控机床主轴上应用尤为合适，矢量控制的变频器在数控机床主轴驱动上正逐步推广。对于数控车床的主轴电机，使用无速度传感器的变频调速器的矢量控制后，具有以下显著优点:大幅度降低维护费用，甚至免维护;可实现高效率的切割和较高的加工精度;实现低速和高速情况下强劲的力矩输出。