S-291车床进行控制系统的数控化改造
S-291车床进行控制系统的数控化改造
1 绪论
1.1课题背景
数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基[1]。经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以为企业带来可观的经济效益。
1.2数控技术的发展及现状
数控技术，英文名称：Numerical Control ，即采用电脑程序控制机器的方法，按工作人员事先编好的程式对机械零件进行加工的过程。
数控技术也叫计算机数控技术（Computerized Numerical Control 简称：CNC），它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可以通过计算机软件来完成。数控技术是制造业信息化的重要组成部分[2]。
在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域，以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。
1.3数控机床的国内外发展
1.3.1国内发展状况
我国于1958年研制出第一台数控机床，发展过程大致可分为两大阶段。在1958—1979年间为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情况下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、终因表现欠佳，无法用于生产而停顿。主要存在的问题是盲目性大，缺乏实事求是的科学精神。在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奥、韩国、台湾省共11国家(地区)引进数控机床先进技术和合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展[3]。在20余年间，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、多轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。存在的主要问题包括：缺乏象日本“机电法”、“机信法”那样的指引；严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；元部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力[4]。
1.3.2国外发展状况
数控机床涌现至今的50年,随科技、特别是微电子、盘算机技巧的前进而不断发展。美、德、日三国事当今世上在数控机床科研、设计、制作和应用上,技巧最先进、经验最多的国家。因其社会前提不同,各有特点。美国的特点是,政府器重机床工业,美国国防部等部门不断提出机床的发展方向、科研任务和供给充分的经费,且网罗世界人才,特别讲究“效率”和“创新”,重视基础科研[5]。因而在机床技巧上不断创新,如1952年研制降生界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年开创开放式数控系统等。由於美国起首联合汽车、轴承生产需求,充分发展了大批大批生产主动化所需的主动线,而且电子、盘算机技巧在世界上领先,因此其数控机床的主机设计、制作及数控系统基础扎实,且一贯器重科研和创新,故其高性能数控机床技巧在世界也一直领先。当今美国不仅生产宇航等应用的高性能数控机床,也为中小企业生产便宜实用的数控机床。其存在的教训是,着重於基础科研,疏忽利用技巧,且在上世纪80代政府一度放松了领导,致使数控机床产量增长缓慢,於1982年被落后的日本超过,并大批进口。从90年代起,纠正过去倾向,数控机床技巧上转向实用,产量又逐渐上升[6]。
1.4普通车床的改造现状及意义
1.4.1车床数控化改造的现状
目前我国机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11．34万台，即我国机床数控化率不到3％。2000年以来，我国数控机床年产量为0．6万-0．8万台，年产值约为18亿元，机床年产量数控化率为6％。加工中心我国机床役龄10年以上的占60％以上；10年以下的机床中，自动、半自动机床不到20％，FMC／FMS等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60％以上)。国内传统旧有机床的数控化改造是一个潜力巨大的市场[7]。
对与改造一台普通的车床，我们考虑到的首先是经济效益，如果花资金去购买一台新的数控车床，我们可能需要花掉几十万甚至几百万。并且原有的车床就遭到废弃，显然这是对生产厂家及其不利的，资源的浪费，特别是一些老车床，工人在加工工作过程中花费了大量精力去维护保养，车床的机械部分，有些电机部分都保持的相当完好，此时面对这样的一种情况，我们就想到“废物利用”这一手段，特别是现今数控技术的飞速发展，我们可以很便捷及优惠的购买到数控控制设备，例如法拉克，西门子 ，安川等大牌厂商都生产整套的数控设备来给我们不同的机床来进行配对。甚至再考虑到经济性，国内的数控系统也有华中等来使用，进一步的提高了我们普通车床的数控化改造经济性。例如有许多改造CA6140以及改造CA6136的事例，数控改造的花费只需要4万元左右。而购买一台新的数控车床也需要十万元以上。两者一对比，可想而知普通机床的数控化改造是多么具有前景。不仅仅是经济上，也对资源的充分利用，环境保护都有一定的益处。一箭双雕的事情，我们何乐而不为呢。
1.4.2 车床数控化改造的意义
数控机床比传统机床有突出的优越性，这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的控制能力。
（1)可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。
（2)可以实现加工的自动化、柔性化，从而效率比传统机床提高3-7倍。
（3)加工零件的精度高，尺寸分散度小，装配容易，不再需要“修配”。
（4)可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。
（5)拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，长时间无人看管加工。
1.5本课题的改造要求及主要内容
本课题需要我们改造的是一台由合肥中宝机械制造有限公司委托，改造S1-291数控车床的技术改造，能使得达到和超过原机床的指标，在保持原有效率的情况下，控制的精度由原来的0.005/0.01毫米提高5倍，这相当于购买一台新的价值20余万的CK6140全功能数控车床。
技术内容需使用自行研制的GL2000数控系统进行改造，具体包括以下内容：
（1）引进日本伺服电机和驱动器的安装调试与消化；
（2）GL-2000T数控系统的安装调试与消化；
（3）研究并对机床的机械改造提供方案；对原机床进行电气改造，包括电器柜和布线改造；
（4）负责系统的联机调试；
（5）提供操作使用手册和编程各两套，并提供系统的维护和维修资料；
2 车床数控化改造总体设计
2.1主电路的设计
本次对车床的整体数控化改造实在机床机械部件完好情况下进行的，我们进行改造是对其控制系统进行数控化的改造，车床本体，以及主轴电机保护保养相当完好，在这基础上，我们要对车床的X轴Z轴通过伺服驱动，用数控方式对其进行操作。电气部分也需要进行调整，这包括电气柜和布线改造。选用数控系统对其控制使用。
主轴电机的改造，能够达到无级变速的功能，初步拟定对主轴电机加装变频器来实现主轴电机的变速以及正反转。
冷却电机能够在数控改造过后，在数控系统中可以实现自动的开关使用，直接能在数控系统中得到控制，而并非原来的单按钮是开关操作。
刀架电机改变原有只能正反转的功能，实现自动换刀，总共4个刀位，通过数控改造后，数控系统中可通过编程直接与加工过程同步，在加工过程自动换刀。
供电改造，考虑到需要使用数控系统以及伺服系统，电器柜中需要加装交流伺服变压器来使得三相380v电压变换到220v或者200v（具体情况考虑伺服系统需要的电源而实际进行选择）数控系统需要24v直流电源，则在原有基础上安装交直流转换器来得到24V稳压直流电源。
2.2伺服电路的设计
选用合适的伺服电机和伺服驱动器来对车床的X轴与Z轴的控制。并与电气柜中的交流变压器相配合。
选用合适的数控系统来对整个车床进行控制。与之前选用的伺服系统配合好。对整体车床进行调试，达到数控改造要求。
2.3 输入输出接口的设计
本次课题的设计拟采用自主研发的GL2000数控系统，我们的输入输出接口设计在此基础上而来，GL2000系统采用的是40芯的接口，输入输出分别使用。
我们需要将主轴的输入输出接入接口，冷却电机、刀架电机的正转与反转、伺服系统的输入输出等进行一个合理的安排。
3 主轴的数控化改造
3.1主轴常用调速方法
机床主轴可以说是一台机床的主要部分，没有它根本无法加工任何零件，更别谈什么数控化加工了。我们原有的车床，特别是普通车床是通过齿轮的互相配合来达到主轴的变化变速。人为操作手动杆来调节齿轮配和，来达到不同的主轴转速，这种方法不能够面面俱到，特别是在当今加工精度要求越来越高的时代，有它的局限性，往往主轴的转速变换只能在几个齿轮设定好的值之间变化，不能达到许多精度的转速控制，并且随着年月，齿轮的老化，机械结构的损坏，主轴的速度可能很不稳定。这是我们就引入了多种新型的主轴调速方法：变频器调速、伺服电机调速、双速电机等。
3.2 主轴调速方法及选择
3.2.1变频器调速
变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用[8]。
主轴变频工作原理：变频器通过改变电动机的电压和频率，使电机的速度可以无极调节。
3.2.2主轴伺服驱动器
伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降[9]。
3.2.3双速电机调速
双速电气属于异步电动机变极调速，是通过改变定子绕组的连接方法达到改变定子旋转磁场磁极对数，从而改变电动机的转速。工作原理见图3-1双速电机原理图。
电机的变速采用改变绕组的连接方式，也就是说用改变电机旋转磁场的磁极对数来改变它的转速。
图3-1 双速电机原理图
在定子槽内嵌有两个不同极对数的共有绕组，通过外部控制线路的切换来改变电机定子绕组的接法来实现变更磁极对数；
在定子槽内嵌有两个不同极对数的独立绕组；
在定子槽内嵌有两个不同极对数的独立绕组，而且每个绕组又可以有不同的联接。
双速电机主要用于煤矿、石油天然气、石油化工和化学工业。此外，在纺织、冶金、城市煤气、交通、粮油加工、造纸、医药等部门也被广泛应用。双速电机作为主要的动力设备，通常用于驱动泵、风机、压缩机和其他传动机械[10]。
3.2.4最终对比判断选择
综合三种主轴变速的方法，变频器调节主轴转速，变频器价格较伺服驱动相比，有经济优势，变频器不需对原本主轴电机改造，只需在原有的主轴电机基础上加装，从而得到主轴电机的变速功能，伺服驱动对主轴的转速及精度控制相对于主轴变频器和双速电机相比，其独特的高精度高灵敏度是其他两种不法比拟的。双速电机既没有主轴变频器的便捷优势以及高精度的控制，以及不能实现无级变速，购买也需要花费较多，所以三种方式，首先双速电机被淘汰。
1 绪论
1.1课题背景
数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基[1]。经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以为企业带来可观的经济效益。
1.2数控技术的发展及现状
数控技术，英文名称：Numerical Control ，即采用电脑程序控制机器的方法，按工作人员事先编好的程式对机械零件进行加工的过程。
数控技术也叫计算机数控技术（Computerized Numerical Control 简称：CNC），它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可以通过计算机软件来完成。数控技术是制造业信息化的重要组成部分[2]。
在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域，以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。
1.3数控机床的国内外发展
1.3.1国内发展状况
我国于1958年研制出第一台数控机床，发展过程大致可分为两大阶段。在1958—1979年间为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情况下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、终因表现欠佳，无法用于生产而停顿。主要存在的问题是盲目性大，缺乏实事求是的科学精神。在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奥、韩国、台湾省共11国家(地区)引进数控机床先进技术和合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展[3]。在20余年间，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、多轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。存在的主要问题包括：缺乏象日本“机电法”、“机信法”那样的指引；严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；元部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力[4]。
1.3.2国外发展状况
数控机床涌现至今的50年,随科技、特别是微电子、盘算机技巧的前进而不断发展。美、德、日三国事当今世上在数控机床科研、设计、制作和应用上,技巧最先进、经验最多的国家。因其社会前提不同,各有特点。美国的特点是,政府器重机床工业,美国国防部等部门不断提出机床的发展方向、科研任务和供给充分的经费,且网罗世界人才,特别讲究“效率”和“创新”,重视基础科研[5]。因而在机床技巧上不断创新,如1952年研制降生界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年开创开放式数控系统等。由於美国起首联合汽车、轴承生产需求,充分发展了大批大批生产主动化所需的主动线,而且电子、盘算机技巧在世界上领先,因此其数控机床的主机设计、制作及数控系统基础扎实,且一贯器重科研和创新,故其高性能数控机床技巧在世界也一直领先。当今美国不仅生产宇航等应用的高性能数控机床,也为中小企业生产便宜实用的数控机床。其存在的教训是,着重於基础科研,疏忽利用技巧,且在上世纪80代政府一度放松了领导,致使数控机床产量增长缓慢,於1982年被落后的日本超过,并大批进口。从90年代起,纠正过去倾向,数控机床技巧上转向实用,产量又逐渐上升[6]。
1.4普通车床的改造现状及意义
1.4.1车床数控化改造的现状
目前我国机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11．34万台，即我国机床数控化率不到3％。2000年以来，我国数控机床年产量为0．6万-0．8万台，年产值约为18亿元，机床年产量数控化率为6％。加工中心我国机床役龄10年以上的占60％以上；10年以下的机床中，自动、半自动机床不到20％，FMC／FMS等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60％以上)。国内传统旧有机床的数控化改造是一个潜力巨大的市场[7]。
对与改造一台普通的车床，我们考虑到的首先是经济效益，如果花资金去购买一台新的数控车床，我们可能需要花掉几十万甚至几百万。并且原有的车床就遭到废弃，显然这是对生产厂家及其不利的，资源的浪费，特别是一些老车床，工人在加工工作过程中花费了大量精力去维护保养，车床的机械部分，有些电机部分都保持的相当完好，此时面对这样的一种情况，我们就想到“废物利用”这一手段，特别是现今数控技术的飞速发展，我们可以很便捷及优惠的购买到数控控制设备，例如法拉克，西门子 ，安川等大牌厂商都生产整套的数控设备来给我们不同的机床来进行配对。甚至再考虑到经济性，国内的数控系统也有华中等来使用，进一步的提高了我们普通车床的数控化改造经济性。例如有许多改造CA6140以及改造CA6136的事例，数控改造的花费只需要4万元左右。而购买一台新的数控车床也需要十万元以上。两者一对比，可想而知普通机床的数控化改造是多么具有前景。不仅仅是经济上，也对资源的充分利用，环境保护都有一定的益处。一箭双雕的事情，我们何乐而不为呢。
1.4.2 车床数控化改造的意义
数控机床比传统机床有突出的优越性，这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的控制能力。
（1)可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。
（2)可以实现加工的自动化、柔性化，从而效率比传统机床提高3-7倍。
（3)加工零件的精度高，尺寸分散度小，装配容易，不再需要“修配”。
（4)可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。
（5)拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，长时间无人看管加工。
1.5本课题的改造要求及主要内容
本课题需要我们改造的是一台由合肥中宝机械制造有限公司委托，改造S1-291数控车床的技术改造，能使得达到和超过原机床的指标，在保持原有效率的情况下，控制的精度由原来的0.005/0.01毫米提高5倍，这相当于购买一台新的价值20余万的CK6140全功能数控车床。
技术内容需使用自行研制的GL2000数控系统进行改造，具体包括以下内容：
（1）引进日本伺服电机和驱动器的安装调试与消化；
（2）GL-2000T数控系统的安装调试与消化；
（3）研究并对机床的机械改造提供方案；对原机床进行电气改造，包括电器柜和布线改造；
（4）负责系统的联机调试；
（5）提供操作使用手册和编程各两套，并提供系统的维护和维修资料；
2 车床数控化改造总体设计
2.1主电路的设计
本次对车床的整体数控化改造实在机床机械部件完好情况下进行的，我们进行改造是对其控制系统进行数控化的改造，车床本体，以及主轴电机保护保养相当完好，在这基础上，我们要对车床的X轴Z轴通过伺服驱动，用数控方式对其进行操作。电气部分也需要进行调整，这包括电气柜和布线改造。选用数控系统对其控制使用。
主轴电机的改造，能够达到无级变速的功能，初步拟定对主轴电机加装变频器来实现主轴电机的变速以及正反转。
冷却电机能够在数控改造过后，在数控系统中可以实现自动的开关使用，直接能在数控系统中得到控制，而并非原来的单按钮是开关操作。
刀架电机改变原有只能正反转的功能，实现自动换刀，总共4个刀位，通过数控改造后，数控系统中可通过编程直接与加工过程同步，在加工过程自动换刀。
供电改造，考虑到需要使用数控系统以及伺服系统，电器柜中需要加装交流伺服变压器来使得三相380v电压变换到220v或者200v（具体情况考虑伺服系统需要的电源而实际进行选择）数控系统需要24v直流电源，则在原有基础上安装交直流转换器来得到24V稳压直流电源。
2.2伺服电路的设计
选用合适的伺服电机和伺服驱动器来对车床的X轴与Z轴的控制。并与电气柜中的交流变压器相配合。
选用合适的数控系统来对整个车床进行控制。与之前选用的伺服系统配合好。对整体车床进行调试，达到数控改造要求。
2.3 输入输出接口的设计
本次课题的设计拟采用自主研发的GL2000数控系统，我们的输入输出接口设计在此基础上而来，GL2000系统采用的是40芯的接口，输入输出分别使用。
我们需要将主轴的输入输出接入接口，冷却电机、刀架电机的正转与反转、伺服系统的输入输出等进行一个合理的安排。
3 主轴的数控化改造
3.1主轴常用调速方法
机床主轴可以说是一台机床的主要部分，没有它根本无法加工任何零件，更别谈什么数控化加工了。我们原有的车床，特别是普通车床是通过齿轮的互相配合来达到主轴的变化变速。人为操作手动杆来调节齿轮配和，来达到不同的主轴转速，这种方法不能够面面俱到，特别是在当今加工精度要求越来越高的时代，有它的局限性，往往主轴的转速变换只能在几个齿轮设定好的值之间变化，不能达到许多精度的转速控制，并且随着年月，齿轮的老化，机械结构的损坏，主轴的速度可能很不稳定。这是我们就引入了多种新型的主轴调速方法：变频器调速、伺服电机调速、双速电机等。
3.2 主轴调速方法及选择
3.2.1变频器调速
变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用[8]。
主轴变频工作原理：变频器通过改变电动机的电压和频率，使电机的速度可以无极调节。
3.2.2主轴伺服驱动器
伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降[9]。
3.2.3双速电机调速
双速电气属于异步电动机变极调速，是通过改变定子绕组的连接方法达到改变定子旋转磁场磁极对数，从而改变电动机的转速。工作原理见图3-1双速电机原理图。
电机的变速采用改变绕组的连接方式，也就是说用改变电机旋转磁场的磁极对数来改变它的转速。
图3-1 双速电机原理图
在定子槽内嵌有两个不同极对数的共有绕组，通过外部控制线路的切换来改变电机定子绕组的接法来实现变更磁极对数；
在定子槽内嵌有两个不同极对数的独立绕组；
在定子槽内嵌有两个不同极对数的独立绕组，而且每个绕组又可以有不同的联接。
双速电机主要用于煤矿、石油天然气、石油化工和化学工业。此外，在纺织、冶金、城市煤气、交通、粮油加工、造纸、医药等部门也被广泛应用。双速电机作为主要的动力设备，通常用于驱动泵、风机、压缩机和其他传动机械[10]。
3.2.4最终对比判断选择
综合三种主轴变速的方法，变频器调节主轴转速，变频器价格较伺服驱动相比，有经济优势，变频器不需对原本主轴电机改造，只需在原有的主轴电机基础上加装，从而得到主轴电机的变速功能，伺服驱动对主轴的转速及精度控制相对于主轴变频器和双速电机相比，其独特的高精度高灵敏度是其他两种不法比拟的。双速电机既没有主轴变频器的便捷优势以及高精度的控制，以及不能实现无级变速，购买也需要花费较多，所以三种方式，首先双速电机被淘汰。
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