CN101844317B - 精密数控机床闭环伺服系统传动误差校正装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密数控机床闭环伺服系统传动误差校正装置及方法，通位置检测与反馈单元接收主伺服电机发出的编码器信号及由光栅信号检测系统反馈过来的光栅信号，即接收数控机床工作台的实际位置及速度信号，并与数控机床发出的位置、速度指令值进行比较计算出位置、速度补偿量，然后通过位置补偿器和速度补偿器发出命令驱动辅助伺服电机，带动数控机床工作台进行相应的位置和速度的调整，从而实现位置、速度补偿功能。本发明减小了丝杠反复快速多次小角度旋转造成的磨损加剧现象，不仅提高了丝杠的可靠性及使用寿命，还提高了系统补偿精度，降低了对伺服电机性能的高要求，减少了成本，本发明的装置还可以作为快速进给、减速的辅助装置使用。

Description

精密数控机床闭环伺服系统传动误差校正装置及方法

技术领域

本发明涉及数控机床伺服系统误差校正领域，具体涉及一种精密数控机床闭环伺服系统传动误差校正装置及方法。

背景技术

全闭环伺服系统主要由位置速度比较环节、伺服驱动放大器，进给伺服电动机、机械传动装置和直线位移测量装置组成；对机床运动部件的移动量具有检测与反馈修正功能，采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动部件。采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度的全闭环位置控制系统。系统通过位置检测与反馈，由数控系统比较环节对伺服电机进行位置与速度调节，从而实现高精度的位置与速度控制。系统的直线位移检测器安装在移动部件上，其精度主要取决于位移检测装置的精度和灵敏度，精度比较高。

机械执行机构主要通过伺服电机驱动丝杠旋转，驱动螺母前后运动，工作台与螺母紧固联结，故螺母在运动时不会发生旋转，从而实现驱动工作台运动。工作台位置、速度的控制及补偿都由伺服电机驱动丝杠旋转实现，结构简单，但机械传动装置的刚度、摩擦阻尼特性、反向间隙等各种非线性因素，对系统稳定性有很大影响，使闭环进给伺服系统安装调试比较复杂，因此只是用在高精度和大型数控机床上。

即使安装调试仔细，这种补偿机构，在使用了一段时间后，仍会由于丝杠细长、转动惯量大，反复快速多次小角度旋转进行误差补偿，导致丝杠磨损加剧，引起两端转动副刚性下降，间隙变大，引起丝杠自身的窜动，使得全闭环系统进行误差补偿时，会通过丝杠螺母带动工作台窜动，导致闭环系统误差补偿起反作用，窜动加剧，进一步加快了丝杠振动、磨损，无法保持精度，严重时必须更换丝杠，降低了丝杠可靠性，减少了丝杠使用寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种精密数控机床闭环伺服系统传动误差校正装置及方法，以减小丝杠反复快速多次小角度旋转造成的磨损加剧现象，将丝杠作为单一的驱动件，提高丝杠的可靠性及使用寿命；并单独设置位置、速度补偿装置，来提高系统补偿精度。

本发明技术方案如下：

一种精密数控机床闭环伺服系统传动误差校正装置，由机械执行机构和闭环控制系统组成，所述的机械执行机构包括有沿导轨前后滑动的数控机床工作台，所述数控机床工作台的底端安装有前、后支架，前、后支架的底部分别安装有四点接触球轴承，有丝杠穿过四点接触球轴承轴孔并伸出，且丝杠与四点接触球轴承轴孔之间为转动配合，位于前、后支架之间的丝杠上安装有丝杠螺母，且丝杠螺母与所述的四点接触球轴承之间有间隙，所述丝杠与丝杠螺母之间为螺纹配合，所述丝杠螺母的外表面安装有精密齿轮；还包括有主伺服电机，所述的主伺服电机与所述的丝杠传动连接；所述的闭环控制系统包括有位置控制调节器、速度控制与驱动器、位置检测与反馈单元以及光栅信号检测系统；数控机床依次通过位置控制调节器、速度控制与驱动器与主伺服电机电气连接；其特征在于：所述机械执行机构还包括有竖直连接板，所述竖直连接板固定安装于位于所述四点接触球轴承前方的数控机床工作台的底部，所述竖直连接板的下端固定安装有辅助伺服电机，所述的辅助伺服电机的输出轴上套装有谐波齿轮，所述谐波齿轮与所述的精密齿轮相啮合；所述闭环控制系统还包括有位置补偿器和速度补偿器，数控机床依次通过位置控制调节器、位置补偿器和速度补偿器与辅助伺服电机电气连接，所述位置检测与反馈单元分别与主伺服电机、光栅信号检测系统、位置补偿器和速度补偿器电气连接。

一种精密数控机床闭环伺服系统传动误差校正方法，其特征在于：其方法具体包括以下步骤：

(1)、数控机床发出位置、速度控制指令，依次通过位置控制调节器、速度控制与驱动器处理后输送给主伺服电机，驱动主伺服电机旋转，通过带动丝杠旋转从而驱动数控机床工作台沿导轨前后运动；数控机床同时通过位置控制调节器将位置、速度控制指令分别输送给位置补偿器和速度补偿器，以便进行补偿值运算；

(2)、检测与反馈单元接收主伺服电机发送的脉冲编码器速度信号以及由光栅信号检测系统反馈过来的光栅信号，即接收数控机床工作台实际位置及速度的反馈信号，输送至位置补偿单元及速度补偿单元，并与数控机床发出的位置、速度指令值进行比较，计算出位置、速度补偿量，然后通过位置、速度补偿器对辅助伺服电机发出位置、速度补偿量命令并驱动辅助伺服电机工作；

(3)、辅助伺服电机通过谐波齿轮带动丝杠螺母进行相应角度和速度的旋转，从而改变丝杠实际旋转角度和速度，进而实现数控机床工作台做出相应位置和速度的调整，也就是对数控机床工作台给予位置、速度的误差补偿，从而提高数控机床的精度。

本发明的有益效果：

本发明减小了丝杠反复快速多次小角度旋转造成的磨损加剧现象，将丝杠作为单一的驱动件，提高了丝杠的可靠性及使用寿命；本发明还单独设置了位置、速度补偿装置，不仅提高了丝杠可靠性及寿命，还提高了系统补偿精度，降低了对伺服电机性能的高要求，减少了机床成本，本发明的装置还可以作为快速进给、减速的辅助装置使用。

附图说明

图1为本发明机械执行机构结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为左视图。

图2为本发明闭环控制系统结构示意图。

具体实施方式

参见图1、2，一种精密数控机床闭环伺服系统传动误差校正装置，由机械执行机构和闭环控制系统组成，机械执行机构包括有沿导轨前后滑动的数控机床工作台1，数控机床工作台1的底部安装有前、后支架18、19，前、后支架18、19的底部分别安装有四点接触球轴承2，有丝杠4穿过四点接触球轴承2轴孔并伸出，且丝杠4与四点接触球轴承2轴孔之间为转动配合，并与四点接触球轴承2轴孔转动配合，位于前、后支架18、19之间的丝杠4上安装有丝杠螺母3，且丝杠螺母3与四点接触球轴承2之间有间隙，丝杠4与丝杠螺母3之间为螺纹配合，丝杠螺母3的外表面安装有精密齿轮5；还包括有主伺服电机10，主伺服电机10与丝杠4传动连接；丝杠4在主伺服电机10的带动下旋转，通过螺纹配合，丝杠螺母3沿着丝杠3前后平动，当丝杠螺母3接触到四点接触球轴承2时，推动四点接触球轴承2与前、后支架18、19一起沿着丝杠3前后运动，从而带动前、后支架18、19上端的数控机床工作台1沿着导轨前后滑动；四点接触球轴承2缓冲了丝杠螺母3对前、后支架18、19施加的摩擦作用力，减小了丝杠螺母3与前、后支架18、19之间的磨损；

闭环控制系统包括有位置控制调节器11、速度控制与驱动器12、位置检测与反馈单元13以及光栅信号检测系统14；数控机床17依次通过位置控制调节器11、速度控制与驱动器与主伺服电机电气连接；

机械执行机构还包括有竖直连接板6，竖直连接板6固定安装于位于四点接触球轴承2前方的数控机床工作台1的底部，竖直连接板6的下端固定安装有辅助伺服电机7，辅助伺服电机7的输出轴9上套装有谐波齿轮8，谐波齿轮8与精密齿轮5相啮合；

闭环控制系统还包括有位置补偿器15和速度补偿器16，数控机床17依次通过位置控制调节器11、位置补偿器15和速度补偿器16与辅助伺服电机7电气连接，位置检测与反馈单元13分别与主伺服电机10、光栅信号检测系统14、位置补偿器15和速度补偿器16电气连接。

一种精密数控机床闭环伺服系统传动误差校正方法，具体包括以下步骤：

(1)、数控机床发出位置、速度控制指令，依次通过位置控制调节器、速度控制与驱动器处理后输送给主伺服电机，驱动主伺服电机旋转，通过带动丝杠旋转从而驱动数控机床工作台沿导轨前后运动；数控机床同时通过位置控制调节器将位置、速度控制指令分别输送给位置补偿器和速度补偿器，以便进行补偿值运算；

(2)、检测与反馈单元接收主伺服电机发送的脉冲编码器速度信号以及由光栅信号检测系统反馈过来的光栅信号，即接收数控机床工作台实际位置及速度的反馈信号，输送至位置补偿单元及速度补偿单元，并与数控机床发出的位置、速度指令值进行比较，计算出位置、速度补偿量，然后通过位置、速度补偿器对辅助伺服电机发出位置、速度补偿量命令并驱动辅助伺服电机工作；

(3)、辅助伺服电机通过谐波齿轮带动丝杠螺母进行相应角度和速度的旋转，从而改变丝杠实际旋转角度和速度，进而实现数控机床工作台做出相应位置和速度的调整，也就是对数控机床工作台给予位置、速度的误差补偿，从而提高数控机床的精度。

一些结合闭环伺服系统传动误差校正装置及系统运行效果分析对本发明作进一步说明：

闭环伺服系统传动误差校正装置单独设立，不需要如传统精密数控机床的反馈系统，将信号发给丝杠，驱动丝杠进行一定的角度转动调整，由于丝杠转动惯量大，多次反复变动角度旋转速度，产生很大的角加速度，加快了丝杠磨损及丝杠固定装置的损坏，减小了丝杠传动系统的寿命，同时由于丝杠固定位置的误差加大，进一步恶化了丝杠的误差补偿效果。

闭环伺服系统传动误差校正装置使用谐波传动齿轮系统仅针对螺母进行适当的正反旋转，螺母自身转动惯量小，磨损较小，丝杠可以保持恒定角速度运转，性能稳定，即使谐波传动齿轮系统的固定装置磨损，误差加大，对于误差补偿的影响也是有限的，原因在于谐波齿轮传动比大，降低了谐波齿轮固定装置误差影响，从而提高了系统精度的可靠性和使用寿命。

谐波齿轮传动机构具有传动比大、承载力大、传动效率高、体积小、重量轻、惯量小、可达到零侧间隙误差、传动平稳、安静、热影响小，这使得该系统对于丝杠螺距误差及传动误差有很好的修正效果，现分析如下：

选用单级谐波齿轮，传动比选优化值75，谐波齿轮传递给螺母时中间有一级齿轮传动，传动比为2，此时由辅助伺服电机传递给螺母的传动比达到了150，采用交流伺服电机，带17位编码器，驱动器每接收217＝131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072＝0.002746582度，假设螺母螺距为20mm，则实际辅助伺服电机单脉冲驱动工作台运动距离为：

$\frac{20}{131072\×150}=0.001\mathrm{\μm}---\left(1\right)$

而直接使用主伺服电机驱动丝杠旋转，单脉冲最小运动位移为：

$\frac{20}{131072}=0.15\mathrm{\μm}---\left(2\right)$

可见使用伺服电机结合谐波齿轮的传动机构驱动丝杠螺母附加旋转，可以对精密数控机床工作台传动误差实现很高的修正精度；

当误差补偿装置位移发生变动时，其补偿效果分析如下：

对于闭环伺服系统传动误差校正装置，假设其长时间使用后，因磨损导致谐波齿轮旋转角度误差达到0.01度(径向位置误差、轴向位置误差影响很小，可以忽略，旋转角度误差是此机构的误差敏感方向)，则反映到数控机床工作台运动的误差为：

$\frac{0.01}{360\×150}\×20=0.0037\mathrm{\μm}---\left(3\right)$

此时反馈系统远未达到需要再进行位置补偿量的地步，故闭环伺服系统传动误差校正机构不会发生再补偿导致机构振动现象；

对于传统闭环伺服系统传动误差校正装置，因磨损导致丝杠旋转角度误差达到0.01度，则反映到工作台运动的误差为：

$\frac{0.01}{360}\×20=0.556\mathrm{\μm}---\left(4\right)$

此时反馈系统已经达到需要进行位置再补偿的地步，进行再补偿时，由于受到力的作用，丝杠角度误差会发生相应变化，如果超过最低补偿量要求，必须再次进行补偿，从而引起丝杠传动装置的振动现象；

而丝杠系统如果径向位置、轴向位置发生误差，则直接反映到数控机床工作台的位置误差中，反馈系统必须给予补偿，同时振动加剧，引起窜动现象，数控机床进给系统稳定性恶化，故传统闭环伺服系统传动误差校正装置中的丝杠进给系统误差敏感方向较多。

假设数控机床精度为1μm，数控系统对于需要进行补偿的最低补偿量设置为0.3μm，则对于闭环伺服系统传动误差校正装置，由式(1)可知，可容纳伺服电机的300个脉冲的误差量，而对于传统闭环伺服系统传动误差校正装置，由式(2)知，可容纳伺服电机的2个脉冲的误差量，故闭环伺服系统传动误差校正装置的可靠性更好。

Claims (2)

1.一种精密数控机床闭环伺服系统传动误差校正装置，由机械执行机构和闭环控制系统组成，所述的机械执行机构包括有沿导轨前后滑动的数控机床工作台，所述数控机床工作台的底端安装有前、后支架，前、后支架的底部分别安装有四点接触球轴承，有丝杠穿过四点接触球轴承轴孔并伸出，且丝杠与四点接触球轴承轴孔之间为转动配合，位于前、后支架之间的丝杠上安装有丝杠螺母，且丝杠螺母与所述的四点接触球轴承之间有间隙，所述丝杠与丝杠螺母之间为螺纹配合，所述丝杠螺母的外表面安装有精密齿轮；还包括有主伺服电机，所述的主伺服电机与所述的丝杠传动连接；所述的闭环控制系统包括有位置控制调节器、速度控制与驱动器、位置检测与反馈单元以及光栅信号检测系统；数控机床依次通过位置控制调节器、速度控制与驱动器和主伺服电机电气连接；其特征在于：所述机械执行机构还包括有竖直连接板，所述竖直连接板固定安装于位于所述四点接触球轴承前方的数控机床工作台的底部，所述竖直连接板的下端固定安装有辅助伺服电机，所述的辅助伺服电机的输出轴上套装有谐波齿轮，所述谐波齿轮与所述的精密齿轮相啮合；所述闭环控制系统还包括有位置补偿器和速度补偿器，数控机床依次通过位置控制调节器、位置补偿器和速度补偿器与辅助伺服电机电气连接，所述位置检测与反馈单元分别与主伺服电机、光栅信号检测系统、位置补偿器和速度补偿器电气连接。

2.一种精密数控机床闭环伺服系统传动误差校正方法，其特征在于：其方法具体包括以下步骤：

(1)、数控机床发出位置、速度控制指令，依次通过位置控制调节器、速度控制与驱动器处理后输送给主伺服电机，驱动主伺服电机旋转，通过带动丝杠旋转从而驱动数控机床工作台沿导轨前后运动；数控机床同时通过位置控制调节器将位置控制指令输送给位置补偿器，将速度控制指令输送给速度补偿器，以便进行补偿值运算；

(2)、检测与反馈单元接收主伺服电机发送的脉冲编码器速度信号以及由光栅信号检测系统反馈过来的光栅信号，即接收数控机床工作台实际位置及速度的反馈信号，输送至位置补偿单元及速度补偿单元，并与数控机床发出的位置、速度指令值进行比较，计算出位置、速度补偿量，然后通过位置、速度补偿器对辅助伺服电机发出位置、速度补偿量命令并驱动辅助伺服电机工作；

(3)、辅助伺服电机通过谐波齿轮带动丝杠螺母进行相应角度和速度的旋转，从而改变丝杠实际旋转角度和速度，进而实现数控机床工作台做出相应位置和速度的调整，也就是对数控机床工作台给予位置、速度的误差补偿，从而提高数控机床的精度。

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