1、引言

     数字控制机床简称数控机床，数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和拥有量的百分比，是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。主轴是车床构成中一个重要的部分，对于提高加工效率，扩大加工材料范围，提升加工质量有着重要的作用。目前，无极变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机。由于主轴电机调速范围广，又可无极调速，使主轴箱的结构大为简化。由于变频器的高性价比，所以变频器在车床上使用非常普遍。日立SJ300高性能矢量变频器以其独特的性能和优越的性价比，在数控机床的应用比较广泛。

2、数控机床对变频技术要求

近几年来，变频器在数控机床上得到了广泛应用，其中对变频器技术要求如下：
（1） 快速加减速
通常数控机床的加减速时间要求比较短，一般在1～2s作用，需要外接制动电阻。
（2） 频率指令和运行指令
一般数控机床控制运行命令来自端子给定，频率给定指令来自模拟量，要求变频器具有较高的模拟量线性度。
（3） 动态响应速度快，稳态精度高
选用矢量型控制变频器，一般动态响应速度较快，同时能够根据负载自动调整速度。
（4） 低频力矩大
要求1～2Hz能够达到150%额定转矩以上。

3、日立SJ300高性能矢量型变频器介绍

     SJ300高性能矢量型变频器驱动装置以其卓越品质满足各种应用场合所需要的高起动转矩，特别是在低速转矩上满足机床主轴的需求，在接近0.5Hz附近时具有200%高转矩，在线自整定功能可实时地获得当前电机运行条件下的电机参数。多功能包含更多应用输入/输出功能，输入和输出端子都应用了智能端子系统。变频器运行时冷却风扇工作，变频器停止时冷却风扇也停止运行，这一特性可以延长冷却风扇的使用寿命而且在变频器空载时消除了风扇噪音。

     SJ300系列变频器能满足数控机床对主传动系统无级变速的需求，其主要特点是：①结构紧凑，接线端子、冷却风扇及DC BUS电容拆卸方便，②低速时转动波动大幅度减小，提高了系统的稳定性和精确度，③在线/离线电机参数自整定，④冷却风扇和DC BUS电容在现场短时间即可进行拆装，⑤可拆卸控制电路端子，⑥操作简单，⑦采用智能化功率模块IPM，使变频器更静音，更可靠，减小了主轴系统的噪音⑧参数自动测试匹配，可以适量控制驱动不同功率电机，⑨CPU控制单元采用先进的DSP数字信号处理器进行高精度计算，这是其他变频器少有的。

     SJ300系列变频器对主轴系统提供标准的直流电压0～10V模拟量接口（0端子电压0-10V，最大频率对应10V电压），另外还提供了直流电压-10V～+10V模拟量和直流电流4～20mA模拟（最大频率对应20mA）量接口，能够与大多数数控系统接口兼容，通用性强；过负载能力强，150%以上额定输出电流超过60s；提供多多功能的输出信号端子，例如零速信号，速度到达信号，故障指示，满足系统对于主轴速度状态的监控；自动转矩补偿，满足机床主轴在低速情况下的加工需求；标配RS485通讯接口；瞬时停电后按原定减速时间停止，有效的避免了电压波动带来的干扰。

4、SJ300变频器在机床主轴上的应用

4.1变频器选型
针对数控机床机械主轴的应用特点，采用SJ300系列变频器，所使用变频器基本上的功率是3.7 kW、5.5 kW、7.5 kW、11 kW、15 kW、18.5 kW。机床机械主轴应用，加减速都要求快速，一定要使用能耗制动功能，SJ300系列15 kW及其以下内置制动单元，无需再外配制动单元，制动电阻可以按照表1选取。（变频器见图1所示）

4.2变频器配线
变频器配线，如图2所示，主要分为主回路和控制电路端子两大部分。
（1）主回路端子
在数控机床主轴上主回路端子使用变频器默认功能，：
R、S、T： 主电源输入端子；
U、V、W：变频器输出端子：
P、RB:外部制动电阻连接端子：
P、N：外部制动单元连接端子；
     ：接地端子。

（2）控制电路端子

     其中1～8端子为智能输入端子，11～15为智能输出端子，该端子可作为急停输入、外部故障复位等命令，FW、CM1外接控制器命令端子，0作为频率给定通道。可编程继电器常作为故障继电器输出给定控制器，在数控机床主轴回路控制电路举例如下：
FW    :正向指令，对于FW信号，ON是正转指令，OFF是停止指令；
1     ：利用智能输入端子，将其设定为反向指令；
CM1   :是FW和智能输入端子的公共端，切勿接地；
11、12：利用智能输出端子，将其设定为需要的主轴零速和主轴速度到达报警信号；
CM2   :接直流0M，作为公共端子；

4.3变频器调试

    变频器调试主要针对以下功能：
（1）频率输出：通过A01及F001设定相应参数检查变频器是否达到设定相应频率；
（2）端子功能测试：通过A02及C001-C007设定检查变频器端子相应功能是否能够输出，包括正反转，频率达到等信号；
（3）基频及最高频率测试：通过A03及A04检查变频器基频及最高频率输出；
（4）瞬停/过电压/欠电压/过电流重启检查：通过设定参数选择发生瞬停/过电压/欠电压/过电流时跳闸或者再启动。
         以上命令均可存储以便进行二次调试，最多可存储12条。

4.4设置参数

4.5调试效果

     本次应用的机床系统采用发那科数控系统，变频器控制参数参照上表，在机床空载（不加工零件时），在额定转速下1500r/min条件下，实际转速波动在1499～1500r/min，在30 r/min转速条件下，时间转速波动28～31r/min。在机床加工零件时（实际转矩相当于60%电机额定转矩），切削动态瞬间转速跌落，经过矢量控制速度后，转速迅速恢复到给定转速附近，在额定转速下，稳态转速在29～32 r/min。速度环参数选为默认参数，适当提高速度环参数，可以保证在切削瞬间转速跌落更小。
4.6调试技巧
（1）由于数控机床对于加减速要求很快，所以需要将过压失速功能关闭，同时需要合理设置制动电压点。
（2）数控机床在停机时刻上一般维持上次模拟量给定，当给出运行命令时，模拟量才变化，所以变频器参数模拟量滤波参数不能大，否则会产生滞后作用。
（3）由于加减速时间短，加减速过程电流较大，所以需要将过流失速功能关闭，否则加减速时速度曲线不能按照给定曲线运行。

5、结束语

     日立SJ300高性能矢量型变频器已经成功应用在数控机床驱动控制领域，其优越的性能（低频转矩大，操作灵活方便，功能保护圈）以及高可靠性得到了充分的验证，完全满足数控机床主轴控制。

参考文献
[1]徐荣正.《制造技术与机床》.机床杂志社，2008年6月
[2]张敏.《变频器世界》，机床杂志社，2008年4月