CN110549151B - 一种履带导轨驱动微量进给伺服系统及同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种履带导轨驱动微量进给伺服系统及同步控制方法，包括：工作台伺服电机A及履带导轨伺服电机B；其中，所述工作台伺服电机A带动滚珠丝杠并驱动工作台直线运动，所述履带导轨伺服电机B带动履带式导轨运动，两者运动瞬时速度大小相等，方向相同，保证工作台与履带导轨实现瞬时同步。从根本上消除直线运动的爬行。这种新型进给伺服系统表现出来的优异特性，用于当今数控装备制造业，可以极低的制造成本，获得极高的机床精度和性能。

Description

一种履带导轨驱动微量进给伺服系统及同步控制方法

技术领域

本公开涉及机械技术领域，特别是涉及一种履带导轨驱动微量进给伺服系统及同步控制方法。

背景技术

如何在加工过程中使工作台或刀具得到准确，稳定可靠地微量位移是实现超精密加工的关键技术瓶颈之一。对于大部分精密和超精密加工机床而言，高性能的直线运动系统是必需且关键的，虽然采用适当的预紧方法可以减小乃至消除静态反向间隙，但并不能消除因摩擦力等不确定因素造成的非线性运动，而且直线运动造成的摩擦非线性影响相对旋转部件造成的摩擦非线性影响要大得多，因此在数控机床中工作台相对于导轨的直线运动成了限制进给精度提高的主要因素。

发明人在研究中发现，传统的数控机床大都采用固定式的直线导轨，当工作台微量进给时相对导轨的移动速度非常低，工作台将出现爬行影响定位精度和加工性能，因此如何实现从根本上抑制、消除爬行是超精密加工领域亟待解决的问题。

发明内容

本说明书实施方式的目的是提供一种履带导轨驱动微量进给伺服系统，使工作台与可动导轨相对静止，消除低速进给时摩擦非线性的影响，使系统能够具更低的稳定速度限并实现精确的微进给控制。

本说明书实施方式提供一种履带导轨驱动微量进给伺服系统，通过以下技术方案实现：

包括：工作台伺服电机A及履带导轨伺服电机B；

其中，所述工作台伺服电机A带动滚珠丝杠并驱动工作台直线运动，所述履带导轨伺服电机B带动履带式导轨运动，两者运动瞬时速度大小相等，方向相同，保证工作台与履带导轨实现瞬时同步。

进一步的技术方案，所述工作台伺服电机A通过联轴器和滚珠丝杠连接，驱动滚珠丝杠旋转带动工作台移动，工作台相连的滑块相对履带导轨的速度为零。

进一步的技术方案，所述履带导轨伺服电机B通过同步齿形带和履带导轨连接，通过同步齿形带轮驱动履带导轨产生与工作台同速的移动。

进一步的技术方案，所述滚珠丝杠采用“固定—自由”的支承安装方式，即：滚珠丝杠一端由丝杠固定端安装座固定，所述滚珠丝杠远离工作台伺服电机A的一端由丝杠支撑端安装座进行自由支撑。

进一步的技术方案，所述丝杠固定端安装座内装有一对角接触球轴承，对滚珠丝杠进行径向、轴向约束定位；

所述丝杠支撑端安装座内装有深沟球轴承，只进行径向约束定位，而轴向自由运动，抵消丝杠的热伸长。

进一步的技术方案，所述工作台伺服电机A及履带导轨伺服电机B分别采用三相异步交流电机，所述三相异步交流电机分别与各自对应的速度/位置/电流检测器相连，用于感知电机的旋转速度/位置/电流信息，并反馈给各自的伺服控制系统。

进一步的技术方案，所述运动控制器，根据工作台给定运动要求，下运动的指令给两个伺服驱动系统，通过所述滚珠丝杠和履带导轨两个旋转运动合成，实现工作台的微量进给控制。

进一步的技术方案，两个伺服驱动系统中均包含速度控制电路、位置控制电路、电流控制电路、比较器，根据接收到的速度、位置、电流信息对电机进行控制。

本说明书实施方式提供一种履带导轨驱动微量进给伺服系统的同步控制方法，通过以下技术方案实现：

包括：

根据工作台给定运动要求，使两个伺服电机下运动的指令给两个伺服驱动系统，通过所述滚珠丝杠和履带导轨两个旋转运动合成，实现工作台的微量进给控制；

其中，控制工作台伺服电机A带动滚珠丝杠并驱动工作台直线运动；

控制履带导轨伺服电机B带动履带式导轨运动，两者运动瞬时速度大小相等，方向相同，实现工作台与履带导轨实现瞬时同步。

具体控制时，将工作台、履带导轨的位移检测量作差，然后求导，并将作差得到的差动位移和差动速度以及理论位移、速度信号采用H∞算法进行优化，并最终将优化后的输出信号控制伺服电机。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

本公开通过“一个伺服电机带动滚珠丝杠并驱动工作台直线运动”和一个伺服电机带动新型履带式导轨运动”的两个准相等(瞬时速度大小相等，方向相同)宏观运动叠加，从而避开了因传统机电同服系统结构自身固有属性导致的不可避免的、低速非线性爬行现象的影响，实现高精度微量进给控制，从根本上消除直线运动的爬行。这种新型进给伺服系统表现出来的优异特性，用于当今数控装备制造业，可以极低的制造成本，获得极高的机床精度和性能。

针对提出的“履带”导轨伺服进给系统，研究其微进给特性对发展高端数控装备和超精密尖端科技，具有重大意义及广阔的应用前景。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为新型履带导轨驱动微量进给伺服系统动态性能综合试验平台；

图2为新型履带导轨驱动微量进给伺服系统结构图；

图3为新型履带导轨单驱动系统结构图；

图4为丝杠单驱动进给系统结构图；

图5为新型履带导轨驱动微量进给伺服系统开环传递函数框图；

图6为新型履带导轨驱动微量进给伺服系统全闭环同步耦合控制结构图；

图中：1-机架，2-工作台伺服电机A，3-联轴器，4-丝杠固定端安装座，5-滚珠丝杠，6-螺母，7-螺母座，8-工作台，9-丝杠支撑端安装座，10-履带导轨传动带轮，11-履带导轨，12-滑块，13-履带导轨伺服电机B。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例子一

该实施例公开了一种履带导轨驱动微量进给伺服系统，主要通过对导轨的创新设计及工作方式的改变，使工作台与可动导轨相对静止，消除低速进给时摩擦非线性的影响，使系统能够具更低的稳定速度限并实现精确的微进给控制。具体为：基于工作台爬行机理的研究，对该新型低速微量进给系统进行静、动力学分析，揭示各影响因素对微进给系统固有属性及动力学特性的影响规律；基于H∞算法和同步控制寻求适合本专利中伺服驱动、微量进给的可嵌入数控系统全闭环瞬时同步耦合控制新方法，在所构建的数学模型基础上分别在导轨固定和运动两种工况下分析工作台的低速爬行现象。

参见附图1-4中，在该实施例子中，履带导轨驱动微量进给伺服系统，包括两个伺服电机、滚珠丝杠传动副、履带导轨传动、位移检测装置、位置反馈模块、CNC运动控制器。

位置检测/反馈装置是指光栅尺，检测对象及检测量是工作台的位移，将检测的位移反馈给CNC上位机，与理论位移作差，其差值作为控制参数。

其中一个伺服电机A驱动滚珠丝杠传动副的丝杠旋转，另一个伺服电机B驱动履带式可动导轨与工作台同速移动，且两个伺服电机各自通过一套伺服驱动系统驱动；所述的位置反馈模块将信号反馈到CNC运动控制器中；所述CNC运动控制器，根据工作台给定运动要求，按照一定的算法分配使两个电机宏观下运动的指令给两个伺服驱动系统，通过所述滚珠丝杠和履带导轨两个宏观的旋转运动的合成，实现工作台的微观的微量进给控制。故本发明的核心思想是通过“一个伺服电机带动滚珠丝杠并驱动工作台直线运动”和一个伺服电机带动新型履带式导轨运动”的两个准相等(瞬时速度大小相等，方向相同)宏观运动叠加，实现高精度微量进给控制，从根本上消除直线运动的爬行。

具体实施例中，伺服电机包括工作台伺服电机A2、履带导轨伺服电机B13，伺服电机由至少一个速度/位置/电流检测器和至少一个三相异步交流电机组成；工作台伺服电机A通过联轴器3和滚珠丝杠5连接，滚珠丝杠5旋转产生推力，推动螺母6、螺母座7及工作台8沿丝杠轴线移动；另一个是履带导轨伺服电机B，电机轴与同步齿形带轮10相连，通过同步齿形带轮10驱动履带导轨11产生与工作台同速的移动。

丝杠电机伺服系统和履带导轨电机伺服系统，伺服控制系统包括CNC控制器，根据接收到的所述运动控制器的控制信号、所述位置反馈模块或速度/位置/电流检测器的实时位置反馈信号，采用H∞控制算法或其他控制算法对输入的控制参数产生驱动信号以驱动所述伺服电机；所述运动控制器内置于计算机中，用于控制、协调所述两个伺服电机的运动，并通过“一个伺服电机带动滚珠丝杠并驱动工作台直线运动”和一个伺服电机带动新型履带式导轨运动”的两个准相等(瞬时速度大小相等，方向相同)宏观运动叠加，实现工作台极低速下的高分辨率的微量进给控制。

速度/位置/电流检测器(为一个检测器)可以检测速度/位置/电流，与所述三相交流异步电机连接，用于感知电机的旋转速度/位置/电流信息，并反馈给所述各自的伺服驱动系统。

CNC运动控制器，根据工作台给定运动要求，按照一定的算法分配伺服电机A和伺服电机B的指令，来协调、控制丝杠和履带导轨的各自旋转运动，工作台在伺服电机A9单独驱动下沿X轴的直线运动速度用V1表示；在伺服电机B单独驱动下，履带导轨同样会沿X轴做直线运动，速度用V2表示；最后，在双电机驱动下与工作台8相连的滑块12相对履带导轨11的速度为零，即，ΔV工作台＝V1—V2＝0，从而消除工作台低速运动时的爬行现象，工作台便可获得常规伺服系统驱动难以获得的高分辨率的微量进给运动。

滚珠丝杠5采用“固定—自由”的支承安装方式，即：滚珠丝杠5一端由丝杠固定端安装座4固定，所述丝杠固定端安装座4内装有一对角接触球轴承，对滚珠丝杠进行径向、轴向约束定位；所述滚珠丝杠5远离伺服电机A的一端由丝杠支撑端安装座9进行自由支撑，即：在丝杠支撑端安装座9内装有深沟球轴承，只进行径向约束定位，而轴向自由运动，可抵消丝杠的热伸长。

在图1所述新型履带导轨驱动微量进给伺服系统动态性能综合试验平台中，装有各类传感器：温度传感器、压力传感器、噪声传感器、加速度传感器、位移传感器(光栅尺或激光干涉仪)等，实时监测系统动态，并反馈给CNC控制系统，根据系统参数变化调整并发送插补分配指令，保证工作台与履带导轨实现瞬时同步。

具体实施例子中，温度传感器安装在支撑轴承处，检测轴承温升。压力传感器安装在丝杠螺母处检测驱动力。噪声传感器也安装在丝杠螺母处，检测白噪声。加速度传感器安装在工作台上，检测工作台的振动。

伺服驱动系统包括：丝杠电机伺服驱动系统和履带导轨电机伺服驱动系统、差动位置比较器和位置反馈模块。两个电机伺服驱动系统中均包含速度控制电路、位置控制电路、电流控制电路、比较器；

差动比较器作用就是将理论位移量与实测工作台位移量做差。速度、位置、电流控制器分别控制工作台速度、位移及电机电流，保证各自的参数稳定。比较器就是将两个信号作差。

新型履带导轨驱动微量进给伺服系统，通过“一个伺服电机带动滚珠丝杠并驱动工作台直线运动”和一个伺服电机带动新型履带式导轨运动”的两个准相等(瞬时速度大小相等，方向相同)宏观运动叠加，从而避开了因传统机电同服系统结构自身固有属性导致的不可避免的、低速非线性爬行现象的影响，实现高精度微量进给控制，从根本上消除直线运动的爬行。这种新型进给伺服系统表现出来的优异特性，用于当今数控装备制造业，可以极低的制造成本，获得极高的机床精度和性能。针对提出的“履带”导轨伺服进给系统，研究其微进给特性对发展我国高端数控装备和超精密尖端科技，具有重大意义及广阔的应用前景。

本发明的优势如下：该新型“履带”式可动导轨低速微量进给系统，其具有低速性能好、响应快速、行程范围大、承载能力强、传动刚度大、易于控制等优点，

提出了一种新型“履带式可动导轨，该新型导轨通过伺服电机驱动产生与工作台瞬时同步的运动，使工作台与“履带导轨达到相对静止状态，与传统进给机构相比，能够克服低速时出现的爬行现象和在速度过零时出现的波形畸变。

基于H∞和同步控制开发可嵌入数控系统的全闭环瞬时同步交叉耦合控制新方法，将工作台、履带导轨的位移检测量作差，然后求导，并将作差得到的差动位移和差动速度以及理论位移、速度信号采用H∞算法进行优化，并最终将优化后的输出信号控制伺服电机。

相对两轴事实上的开环控制可以实现更高精度微量进给，对该新型进给系统运行过程中出现的低速爬行现象进行实验研究，根据系统参数揭示该新型进给系统的微动特性。

开环控制状态下新型伺服系统的微进给特性分析：为了验证在未加入同步控制时新型进给机构的微动特性，在两轴形成开环状态下，基于常规PID控制根据所建立的微量进给系统动力学模型，利用传递函数框图表征新型可动导轨微量进给系统的运动关系，如图5所示，通过Simulink仿真及实验分析在工作台低速进给时“履带”导轨不同驱动方式下其输出速度波动的差异。

基于H∞和同步控制开发可嵌入数控系统的全闭环瞬时同步耦合控制新方法。虽然工作台和新型可动导轨这两轴的独立运动均是闭环控制，但是对于本项目的研究对象要求二者在启、停、平稳运行三个阶段均实现位移、速度的同步，然而这二轴事实上是开环的。基于数控系统的同步功能和H∞控制算法，寻求专门适用于该新型微量进给系统的控制方法，拟采取微动全闭环瞬时同步耦合控制策略如图6所示。将工作台位移和履带导轨位移进行交叉耦合，并将耦合量作为控制信号输入到控制系统中。

在另一实施例子中，履带导轨驱动微量进给伺服系统额同步控制方法，本发明的研究内容如下：

(1)伺服进给系统工作台产生爬行的机理研究及建模：

①可动导轨结合部静动态特性研究；

②伺服进给系统工作台在低速进给时的爬行建模及参数辨识；

(2)构建新型履带导轨微量进给伺服系统的机电耦合动力模型：

①新型微量进给伺服系统的运动学分析；

②低速进给时新型传动系统的动力学建模及参数识别；

(3)可嵌入数控系统的瞬时同步耦合控制及微进给特性研究：

①可嵌入数控系统的精确微进给控制方法研究；

②新型传动系统的微动进给特性试验研究。

进行仿真分析和模型修缮，包括如下步骤：

(1)新型微量进给伺服系统设计及导轨结合部爬行机理分析与建模：

①创新性的设计新型“履带”式可动导轨，基于正交试验和有限元法对新型导轨整体结构进行优化；

②根据机床爬行机理的深入分析，建立机床爬行的物理模型及相应的数学模型。

(2)新型微量进给伺服系统低速进给时动力学分析与机电耦合建模：

①利用微分几何原理分析系统的运动状态，建立系统的运动学方程；

②建立考虑轴向、扭转、弯曲变形及电机特性的机电耦合动力学模型并对不同工况下的进给系统进行频响特性分析；

③开环控制状态下新型伺服系统的微进给特性分析。

(3)微动全闭环瞬时同步耦合控制策略、试验研究及理论模型修缮：

①基于H∞算法和同步控制开发可嵌入数控系统的全闭环瞬时同步耦合控制新方法；

②全闭环微动特性试验研究、基于自适应差分进化算法的参数辨识及理论模型修缮。

在CNC控制器的控制下，具有多种工作方式，即具有丝杠单独驱动、导轨单独驱动、丝杠/导轨同步双驱动、丝杠/导轨异步双驱动，且不同驱动工作方式具有不同的工作性能，满足不同场合的工作需求。

可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料的特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种履带导轨驱动微量进给伺服系统，其特征是，包括：工作台伺服电机A及履带导轨伺服电机B；

其中，所述工作台伺服电机A带动滚珠丝杠并驱动工作台直线运动，所述履带导轨伺服电机B带动履带式导轨运动，两者运动瞬时速度大小相等，方向相同，保证工作台与履带导轨实现瞬时同步；

所述工作台伺服电机A通过联轴器和滚珠丝杠连接，驱动滚珠丝杠旋转带动工作台移动，工作台相连的滑块相对履带导轨的速度为零；

所述履带导轨伺服电机B通过同步齿形带和履带导轨连接，通过同步齿形带轮驱动履带导轨产生与工作台同速的移动；

运动控制器，根据工作台给定运动要求，下运动的指令给两个伺服驱动系统，通过所述滚珠丝杠和履带导轨两个旋转运动合成，实现工作台的微量进给控制。

2.如权利要求1所述的一种履带导轨驱动微量进给伺服系统，其特征是，所述滚珠丝杠采用“固定—自由”的支承安装方式，即：滚珠丝杠一端由丝杠固定端安装座固定，所述滚珠丝杠远离工作台伺服电机A的一端由丝杠支撑端安装座进行自由支撑。

3.如权利要求2所述的一种履带导轨驱动微量进给伺服系统，其特征是，所述丝杠固定端安装座内装有一对角接触球轴承，对滚珠丝杠进行径向、轴向约束定位；

所述丝杠支撑端安装座内装有深沟球轴承，只进行径向约束定位，而轴向自由运动，抵消丝杠的热伸长。

4.如权利要求1所述的一种履带导轨驱动微量进给伺服系统，其特征是，所述工作台伺服电机A及履带导轨伺服电机B分别采用三相异步交流电机，所述三相异步交流电机分别与各自对应的速度/位置/电流检测器相连，用于感知电机的旋转速度/位置/电流信息，并反馈给各自的伺服控制系统。

5.如权利要求4所述的一种履带导轨驱动微量进给伺服系统，其特征是，两个伺服驱动系统中均包含速度控制电路、位置控制电路、电流控制电路、比较器，根据接收到的速度、位置、电流信息对电机进行控制。

6.一种履带导轨驱动微量进给伺服系统的同步控制方法，应用如权利要求1-5中任一项所述的一种履带导轨驱动微量进给伺服系统，其特征是，包括：

根据工作台给定运动要求，使两个伺服电机下运动的指令给两个伺服驱动系统，通过所述滚珠丝杠和履带导轨两个旋转运动合成，实现工作台的微量进给控制；

其中，控制工作台伺服电机A带动滚珠丝杠并驱动工作台直线运动；控制履带导轨伺服电机B带动履带式导轨运动，两者运动瞬时速度大小相等，方向相同，实现工作台与履带导轨实现瞬时同步。

7.如权利要求6所述的一种履带导轨驱动微量进给伺服系统的同步控制方法，其特征是，具体控制时，将工作台、履带导轨的位移检测量作差，然后求导，并将作差得到的差动位移和差动速度以及理论位移、速度信号采用H∞算法进行优化，并最终将优化后的输出信号控制伺服电机。

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