CN111113130A - 一种高速电主轴主动平衡控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明中公开了一种高速电主轴主动平衡控制系统，包括电源模块、控制处理模块、振动信号调理模块和转速信号整形模块，所述的电源模块连接到控制处理模块，所述的控制处理模块分别连接到振动信号调理模块和转速信号整形模块。本发明以微控制器为核心，利用传感检测技术，实现了实施检测电主轴的振动和转速信息，依次作为依据通过微控制器分析来控制平衡头、电主轴的转速和转向，有效的实现了电主轴在高速转动状态下对电主轴的主动平衡控制。
Description
技术领域
本发明涉及数控机床零件平衡控制领域；特别涉及一种高速电主轴主动平衡控制系统。
背景技术
电主轴作为数控机床的关键功箍部件之一，它的性能好坏在很大程度上直接决定了高档数控机床的整机性能口。我国机床的技术指标与世界先迸水平的根本差距不是精度、速度等技术参数，雨在于表现机床内在水平的稳定性和可靠性。在《中国制造2025》中明确提出高档数控机床是实现制造强国的九项战略任务之一，也是国家十三五规划中明确指出的重点发展产业吼。由于电主轴系统都存在不可避免的质量不平衡，由此产生与转速的平方成正比的不平衡激励是机床运行过程中的主要激振源。高速高精度机床常处于超临界转速下运转，随着转速的提高，不平衡激振力会成倍于普通转速机床急剧增大，由此对电主轴系统的性能和安全运行会产生严重影响。这不仅会影响数控机床加工零件的质量，还会使机床的寿命大大缩短，不平衡过大的情况下甚至会引起控制系统的崩溃。而这些设备通常价格昂贵，维护费用不菲。由于以上原因，如何抑制不平衡引起的振动己成为影响高速高精度数控机床稳定性及可靠性的关键问题之一。对于工作速度较低的电主轴，通常采用离线的振动平衡方法，也称之为静平衡方法，这种方法需要工人熟练的平衡经验，其工作量大，工作效率低，而且容易受平衡导轨精度、摩擦力及操作者技术水平的影响，平衡精度受到很大的限制。随着电主轴的转速从几十转每分钟提高到几千转甚至上万转每分钟，传动的动平衡检测，需要拆卸出电主轴进行机械动平衡检验，耗费时间打，在拆卸过程中容易造成拆卸损伤，耗费时间和人力，这时候我们就需要用主动平衡技术来解决电主轴的不平衡问题，特此开发了一种高速电主轴主动平衡控制系统。
发明内容
本发明的目的在于解决上述技术中出现的问题，提供一种高速电主轴主动平衡控制系统，该系统以微控制器为核心，利用传感检测技术，实现了实施检测电主轴的振动和转速信息，依次作为依据通过微控制器分析来控制电主轴的转速和转向，有效的实现了在高速转动状态下对电主轴的主动平衡控制。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种高速电主轴主动平衡控制系统，包括电源模块、控制处理模块、振动信号调理模块和转速信号整形模块，所述的电源模块连接到控制处理模块，所述的控制处理模块分别连接到振动信号调理模块和转速信号整形模块；
进一步的，作为优选的技术方案，所述的主控制处理模块包括微控制器，所述微控制器设置有PWM端口，所述PWM端口连接到连接到直流电机驱动模块，所述微控制器的I/O端口连接到电机变频设备用于控制电机转动方向；
进一步的，作为优选的技术方案，所述的微控制器还连接有平衡头所述，所述平衡头设置在电主轴一端。
进一步的，作为优选的技术方案，所述的振动信号调理模块包括依次连接的传感器、传感器恒流供电电路、射极跟随电路、一阶有源滤波电路、运放反馈电路和程控放大电路和电压钳位电路；
进一步的，作为优选的技术方案，所述的传感器为压电式加速度传感器，所述电式加速度传感器的信号线和电源线共用，所述传感器设置在电主轴一端；
进一步的，作为优选的技术方案，所述的转速信号整形模块包括依次连接的转速传感器和脉冲整形电路，所述的转速传感器套设在电主轴中部；
进一步的，作为优选的技术方案，所述的微控制器还设置有JTAG接口和SCI接口，所述的JTAG接口和SCI接口连接上位机；
进一步的，作为优选的技术方案，所述的微控制器的I/O接口还连接有LED显示屏和按键模块。
本发明所具有的有益效果：
本发明以微控制器为核心，利用传感检测技术，实现了实施检测电主轴的振动和转速信息，依次作为依据通过微控制器分析来控制平衡头、电主轴的转速和转向，有效的实现了电主轴在高速转动状态下对电主轴的主动平衡控制。
附图说明
图1为本发明结构方框意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种高速电主轴主动平衡控制系统，包括电源模块、控制处理模块、振动信号调理模块和转速信号整形模块，所述的电源模块连接到控制处理模块，所述的控制处理模块分别连接到振动信号调理模块和转速信号整形模块；
主控制处理模块包括微控制器，所述微控制器设置有PWM端口，所述PWM端口连接到连接到直流电机驱动模块，所述微控制器的I/O端口连接到电机变频设备用于控制电机转动方向，进微控制器还设置有JTAG接口和SCI接口，所述的JTAG接口和SCI接口连接上位机，微控制器的I/O接口还连接有LED显示屏和按键模块。
振动信号调理模块包括依次连接的传感器、传感器恒流供电电路、射极跟随电路、一阶有源滤波电路、运放反馈电路和程控放大电路和电压钳位电路，传感器为压电式加速度传感器，所述压电式加速度传感器的信号线和电源线共用，所述传感器设置在电主轴一端。在工作时，电式加速度传感器检测到主轴的振动信号，并通过上述电路，振动信号通过传感器恒流供电电路将振动信号转换为电信号，通过射极跟随电路提高整个放大电路的带负载能力，通过一阶有源滤波电路进行滤波处理，最后通过微处理器上的信号接收端口将振动信号传输至微处理器。
转速信号整形模块包括依次连接的转速传感器和脉冲整形电路，所述的转速传感器套设在电主轴中部；在工作时，转速传感器套设在高速转动的电主轴上，用于检测电主轴的实时转速，并将转速信号通过脉冲整形电路，对转速信号进行处理，经过处理后的转速信号通过设置在微处理器上的转速信号接收端口传送至微处理器。
在微处理器接收到振动和转速信号了通过与设定的参数对比分析，发出命令控制平衡头和驱动电机对电主轴进行主动平衡控制，衡头主要由两个直流电机、两个平衡质量块、内置转速传感器和减速机构几部分组成。在平衡控制过程中，当只有一个平衡质量块按极坐标方式移动时，只能使得平衡头校正不平衡量的相位改变；当两个平衡质量块都按极坐标式移动时，校正不平衡量合矢量的大小和方位都能得到相应的调整。根据不平衡量的平行四边形合成原理，当两质量块移动到校正不平衡量与转子不否则，转子仍处在不平衡状态。平衡量的大小相等，相位相差180度时，转子达到平衡状态。优选的选用SBS5500平衡头，衡头内部的两个直流电机和转速传感器与平衡头端连接器之间相对应的引脚连接直流电机的驱动电压为+24V，转速传感器的供流电压为+15V。平衡头上设置有A、B、C、D四个脚，分别两个电机正负端引脚，每个直流电机有两个控制引脚，通过控制两个引脚的电压来控制电机转动。这里只以电机M1进行说明，当引脚A的电压为+24V，引脚B的电压为0V时，直流电机正转；当引脚A的电压为0V，引脚B的电压为+24V时，直流电机反转；当引脚A、B电压都为0V时，电机停止转动。E、G、F分别为转速传感器的接地端、电源端和脉冲信号输出端。
在控制系统整体工作时，通过振动传感器和转速传感器获得振动信号和转速信号，以此作为高速电主轴主动平衡控制系统的输入信号和控制反馈信号。通过基微控制器为主控芯片的测量和控制系统提取振动幅值基频分量，最后处理器采用前面所提出的主动平衡控制方法控制平衡头内的两个直流电机，并通过电机的转动来驱动平衡质量块移动，以达到对电主轴进行主动平衡控制的目的。具体步骤如下：振动动传感器采集的高速电主轴系统振动信号首先通过信号调理电路进行初步信号处理，然后由处理器的ADC模块对采集的模拟信号进行采样并转化为数字信号，最后处理器采用第四章所提出的主动平衡控制方法对数字化后的振动信号进行处理；转速传感器采集的高速电主轴系统转速信号通过脉冲整形电路处理之后，将信号输入处理器的CAP捕获模块进行脉冲计数，然后计算出电主轴的转速，并根据相关分析判断电主轴的实时运转情况；主动平衡控制系统首先对采集到的高速电主轴系统振动信号进行分析处理，由本文设计的主动平衡控制策略确定平衡质量块的具体移动方式，然后通过处理器的PWM模块发出PWM信号，再经过电机驱动电路输出电压信号控制平衡头内两个直流电机转动，从而带动平衡质量块移动，最后实现转子主动平衡的目的。
优选的，在主动平衡控制系统中还设置了LCD显示屏、按键、JTAG接口和SCI接口等外设装置用于人机交互和软件调试。
本发明的说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的，在本发明基础上，本领域技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中一些技术特征做出一些替换和变形，均在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种高速电主轴主动平衡控制系统，包括电源模块、控制处理模块、振动信号调理模块和转速信号整形模块，其特征在于，所述的电源模块连接到控制处理模块，所述的控制处理模块分别连接到振动信号调理模块和转速信号整形模块；
2.根据权利要求1所述的一种高速电主轴主动平衡控制系统，其特征在于，所述的主控制处理模块包括微控制器，所述微控制器设置有PWM端口，所述PWM端口连接到连接到直流电机驱动模块，所述微控制器的I/O端口连接到电机变频设备用于控制电机转动方向；
3.根据权利要求1所述的一种高速电主轴主动平衡控制系统，其特征在于，所述的振动信号调理模块包括依次连接的传感器、传感器恒流供电电路、射极跟随电路、一阶有源滤波电路、运放反馈电路和程控放大电路和电压钳位电路；
4.根据权利要求3所述的一种高速电主轴主动平衡控制系统，其特征在于，所述的传感器为压电式加速度传感器，所述电式加速度传感器的信号线和电源线共用，所述传感器设置在电主轴一端；
5.根据权利要求1所述的一种高速电主轴主动平衡控制系统，其特征在于，所述的转速信号整形模块包括依次连接的转速传感器和脉冲整形电路，所述的转速传感器套设在电主轴中部；
6.根据权利要求1所述的一种高速电主轴主动平衡控制系统，其特征在于，所述的微控制器还设置有JTAG接口和SCI接口，所述的JTAG接口和SCI接口连接上位机；
7.根据权利要求1所述的一种高速电主轴主动平衡控制系统，其特征在于，所述的微控制器的I/O接口还连接有LED显示屏和按键模块；
8.根据权利要求1所述的一种高速电主轴主动平衡控制系统，其特征在于，所述的微控制器还连接有平衡头所述，所述平衡头设置在电主轴一端。
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| CN117484261A (zh) * | 2023-12-29 | 2024-02-02 | 四川普什宁江机床有限公司 | 一种用于高速铣车复合加工中心转台的智能预平衡系统 |
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