CN1544202A - 全数字高频响微进给伺服单元 - Google Patents
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Abstract
全数字高频响微进给伺服单元，属于微进给伺服单元技术领域。为了解决现有装置响应速度低、抗干扰性差等问题，本发明公开了一种全数字高频响微进给伺服单元，包括执行机构和控制系统，执行机构包括输出轴、直线导轨、固连在输出轴上的线圈，以及在线圈处形成闭合回路的永久磁铁、外导磁软铁和内导磁软铁；控制系统包括直线伺服控制器、驱动输出轴的功率放大器，以及用来检测输出轴运动的直线光栅；直线伺服控制器包括作为控制核心的DSP，以及分别与DSP连接的光栅计数接口电路、D/A转换器等外围电路；直线光栅采集的位置信号经光栅计数接口电路送入DSP，DSP发出的控制信号经D/A转换器转化为模拟信号送入功率放大器。
Description
技术领域
本发明属于微进给伺服单元技术领域，本发明可直接用于金属切削加工，在非圆截面零件(如活塞、凸轮轴等)车削方面有广泛应用。
背景技术
非圆截面零件的应用已经非常广泛，数控车削方法是其加工的主要手段，采用非圆数控车削方法不仅可以大大提高非圆截面零件的生产效率，而且可以保证非圆截面零件车削加工的高精度。非圆数控车削加工系统中，最重要的技术是高频响微进给伺服系统的应用，即使用直接驱动技术控制刀具按规定的轨迹往复运动，从而生成非圆截面零件。为了满足非圆截面零件加工的高精度、高生产率的要求，高频响精密微进给伺服系统不但要具有高的频率响应、足够的精度，而且还需要具有足够的推力，以实现零件的切削加工。本发明所述的高频响微进给伺服单元是经实践证明了的解决该问题的有效途径。
经调研目前国内的微进给伺服单元的检测装置均为模拟量元件，主要采用电涡流传感器，其输出需经过A/D转换后进入控制器。这种传感器检测频响高，但行程小，检测精度随着位移量的增加而降低。在实际应用中存在下列问题：
①测量稳定性较差，即刀具在平衡位置(或其它固定位置)时的抖动较大。
②A/D转换时间限制了采样频率的进一步提高。在非圆CNC车削中，主轴转速往往大于1500r/min。设主轴每转的采样点数为m，主轴转速为n(r/min)，则采样周期为：
当m＝1024，n＝2000r/min时，T约等于29μs，而A/D转换的时间为10μs，占用了采样周期的33％，如果转速更高，则A/D转换占用的时间比例就会更大。
③涡流传感器测量的信号是电压信号，通常其分辨率在毫伏(mv)级，经过屏蔽线到控制板后，周围的电磁干扰不可避免，所以常常引起电机产生微小抖动，从而影响系统的精度，严重时会使系统不稳定。
本申请人所研究的微进给伺服单元控制系统的前一代，采用的是8098单片机，对于一般的PID控制，该控制板可以很好地完成控制作用，并能获得稳定的控制结果。但是由于直线伺服系统需要应用于更高要求的环境下(如精密活塞车削)，其频率响应需要大大提高(从80Hz提高到120Hz，每个轨迹点的控制时间要求达到16.28μs)，而且系统的控制精度要求也大大提高，所以控制系统需要采用更复杂的现代控制算法，以便提高系统的控制性能。因此8098单片机(包括80C196系列单片机)无法满足微进给伺服控制的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种数控装置用于实现高频率响应的直线微进给运动，以解决现有装置响应速度低、抗干扰性差等问题。
本发明提供了一种全数字高频响微进给伺服单元，包括执行机构和控制系统，所述执行机构包括输出轴、支承所述输出轴的直线导轨、固连在输出轴上的线圈，以及在所述线圈处形成闭合回路的永久磁铁、外导磁软铁和内导磁软铁；其特征在于：所述控制系统包括直线伺服控制器、驱动所述输出轴的功率放大器，以及用来检测所述输出轴运动的直线光栅；所述直线伺服控制器包括作为控制核心的数字信号处理器(DSP)，以及分别与DSP连接的光栅计数接口电路、数模(D/A)转换器、数据通信接口电路、中断控制接口电路、数字输入输出(I/O)接口电路；所述直线光栅采集的位置信号经所述光栅计数接口电路送入DSP，所述DSP发出的控制信号经所述D/A转换器转化为模拟信号送入所述功率放大器。
本发明的控制系统采用了光栅反馈，使得检测精度高，稳定性好，并且省去了A/D，系统的抗干扰性突出。本发明的直线伺服控制器以DSP为核心处理器，信号、数据处理速度快，可实现复杂控制算法以满足高速、高频率响应以及大行程等运动的要求。本发明可直接应用于金属切削。
附图说明
图1为全数字高频响微进给伺服单元的系统框图。
图2为本发明的执行机构的结构示意图。
图3为本发明的直线伺服控制器的结构框图。
图4为应用微进给伺服单元进行金属切削时刀具的受力示意图。
图5为非圆截面零件加工控制流程框图。
图6为加工非圆截面零件时微进给伺服单元进给模块的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图来具体说明本发明。
如图1所示，虚线框内为本发明所述全数字高频响微进给伺服单元，包括执行机构和控制系统。控制系统包括直线伺服控制器、驱动所述输出轴的功率放大器，以及用来检测所述输出轴运动的直线光栅。所述光栅采用闭式或开式光栅均可，所述微进给伺服单元的DSP可采用TI公司生产的TMS320F240或LF2407电机控制信号处理器。
如图2所示，由输出轴1输出直线运动，其上顺序连接有支承所述输出轴的直线导轨7，线圈3，直线光栅2，作为后支承元件的弹簧9，在输出轴1的一端可以连接刀具8，也可以连接其他执行元件。永久磁铁4、外导磁软铁5和内导磁软铁6在线圈1处形成闭合回路，在线圈3中通以直流电时产生的电磁力推动输出轴1做直线运动。直线光栅2检测输出轴1的位置并将位置信号传送至直线伺服控制器。机械支承结构中的弹簧支承也可采用直线滚动支承以保证光栅测量的精确性，并可与直线光栅的位置对调以便于安装。
为了获得高频响应速度，本发明采用动圈式永磁直线电机，即音圈直线电机，其特点是动子质量小，能获得很高的响应速度，工作频率响应可达100Hz，位移量可达到1～10mm，并能产生较高的推力。音圈直线电机按充磁方式分为径向充磁、轴向充磁和混合充磁三种结构方式，图2所示的是轴向充磁的具体结构。
如图3所示，图中虚线框内为直线伺服控制器，包括作为控制核心的DSP，以及分别与DSP连接的光栅计数接口电路、D/A转换器、数据通信接口电路、中断控制接口电路、I/O通信接口电路。光栅计数接口电路对直线光栅传入的位置信号进行处理，并将结果送至DSP；DSP输出控制信号至D/A转换器，进而送至功率放大器驱动执行机构的输出轴；数据通信接口电路用于与上位机进行数据交换，传递加工参数、加工数据等；在用于活塞车削时，主轴编码器信号送至中断控制接口电路，触发DSP中断进行目标值调整；数字I/O接口电路处理数字I/O信号，用于同其他输入输出装置交换信息，如加工启动、关闭等。
如图2及图4所示，刀具安装在执行机构中输出轴1的端部，由微进给伺服单元的执行机构输出直线运动，从而车削出非圆截面工件10。
微进给伺服单元执行机构中线圈的输出力必须通过适当的支承结构输出。金属切削机床用的微进给伺服单元主要功能是完成金属切削，因此必须安装刀具，刀具所承受的切削力不仅有轴向力，更主要的是主切削力。如图4所示，微进给伺服单元驱动刀具进行切削加工时，所受的切削载荷在X、Y和Z方向的分量分别Fx、Fy和Fz。
具体的支承结构可以选择：滑动支承、滚动支承、气动或磁悬浮支承、弹簧结构支承等。
滑动支承在普通机械结构中最为常用，但摩擦系数大、耐磨性差，不宜在高速环境下使用；滚动支承摩擦系数小、耐磨性和精度保持性均好；气动悬浮和磁悬浮是非接触支承，是理想的支承结构，但需要气动悬浮和磁悬浮设备及控制装置，适合于高精度运动场合；弹簧结构支承适合于小行程、小功率直线运动，其突出优点是基本不提高运动部分的质量，加上弹簧的作用，能提高系统的固有自然频率。考虑到金属切削需要承载较大的切削力，故本发明采用直线滚动支承。
图5为非圆截面零件加工控制流程框图。存储在上位机中的程序首先进行初始化，然后读入非圆截面数据文件，进而将数据送到微进给伺服单元的DSP中。存储在上位机中的程序判断是否准备就绪，若未就绪则等待直至就绪。准备就绪后存储在上位机中的程序执行实时自动加工。存储在上位机的程序判断是否为微进给伺服单元进给指令，若是则存储在微进给伺服单元控制系统的程序执行微进给程序。存储在上位机的程序判断加工是否结束，若结束则恢复初始环境返回；若未结束则继续执行实时自动加工。
图6为加工非圆截面零件时微进给伺服单元进给模块的流程框图。本流程由存储在微进给伺服单元的直线伺服控制器中的程序执行。首先所有计数器清零；然后开始等待主轴编码器脉冲，主轴编码器脉冲到达后计数器记录主轴脉冲数；进而判断是否需要更换工件加工截面数据，若不是则继续，若是则修改；然后改变进给目标值；判断面型是否加工完成，若是则返回主程序，若未完成则继续等待主轴编码器脉冲。
Claims (1)
1.全数字高频响微进给伺服单元，包括执行机构和控制系统，所述执行机构包括输出轴(1)、支承所述输出轴的直线导轨(7)、固连在输出轴(1)上的线圈(3)，以及在所述线圈(3)处形成闭合回路的永久磁铁(4)、外导磁软铁(5)和内导磁软铁(6)；其特征在于：所述控制系统包括直线伺服控制器、驱动所述输出轴(1)的功率放大器，以及用来检测所述输出轴(1)运动的直线光栅(2)；所述直线伺服控制器包括作为控制核心的DSP，以及分别与DSP连接的光栅计数接口电路、D/A转换器、数据通信接口电路、中断控制接口电路、数字I/O接口电路；所述直线光栅(2)采集的位置信号经所述光栅计数接口电路送入DSP，所述DSP发出的控制信号经所述D/A转换器转化为模拟信号送入所述功率放大器。
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2003
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