CN202257186U - 应用于磨齿机的锁频锁相控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种专用于磨齿机的锁频锁相控制系统。该系统主要应用于现有的蜗杆砂轮磨齿机，其结构包括信号接收处理模块、电子齿轮比模块、差补模块、锁频锁相模块、以及功率驱动放大模块。同时，由于采用硬件电路来设计，专用于提高磨齿机在生产时的资源利用率，有效地降低生产成本。并且由于采用锁频锁相技术，使得磨齿机所生产的产品在精度上比其它产品高出2个等级。

Description

应用于磨齿机的锁频锁相控制系统

技术领域：

本实用新型涉及一种精加工用的机床数控系统，特别涉及一种应用于磨齿机的锁频锁相控制系统。

背景技术：

国内现有的同类型磨齿机数控系统，采用的是标准通用型数控系统控制机床，这种数控系统所采用的软件算法对磨齿机运动轨迹的控制延时大，响应慢，不及硬件电路的实时性好。并且造成设备资源利用率低，成本高，并且精度不高。

众所周知，标准通用型数控系统是由通用部分和专用部分组成。通用部分硬件上以一个CPU为核心，通过总线对其他多个模块进行控制。每一个模块均可实现对单个轴的随动控制，系统集成多个相同的模块从而实现对多个轴的控制；专用部分是对不同机床使用不同的软件控制算法。对磨齿机而言，CPU采用的软件控制算法调用其内部4个硬件功能模块，从而实现对4个轴进行控制。磨削过程中4个轴之间的随动关系，也完全依靠CPU的软件算法控制，从而实现4轴联动。

虽然，标准通用型数控系统具备较强的通用性，可针对不同类型的机床设计不同的算法，而不需对硬件进行大量修改。但由于其采用软件算法控制延时大、响应慢(软件处理一般在μs级以上，而硬件处理可达ns级)，造成其精度不高(磨齿机的精度一般分为1～12级，等级值越小，精度越高。标准通用型数控系统可达6级，而使用本实用新型的专用型数控系统可达4级)，而且硬件上集成的多个功能模块并不是全部工作，造成资源的浪费。

实用新型内容：

鉴于上述技术问题，为了满足生产者对生产高精度齿轮的需求，本实用新型针对现有蜗杆砂轮磨齿机设备提出了一种专用于磨齿机的锁频锁相控制系统。该系统采用硬件电路来设计，专用于提高磨齿机在生产时的资源利用率，有效地降低生产成本。并且由于采用锁频锁相技术，使得磨齿机所生产的产品在精度上比其它产品高出2个等级。

本实用新型的具体技术方案如下：

应用于磨齿机的锁频锁相控制系统，包括信号接收处理模块、电子齿轮比模块、差补模块、锁频锁相模块、以及功率驱动放大模块；

所述信号接收处理模块接收编码器信号及I/O信号处理得到系统后级模块所需的电机编码器信号、直线编码器信号和开关输入信号这些脉冲信号；

所述电子齿轮比模块根据信号接收处理模块输出的电机编码器信号通过倍频分频处理，输出砂轮反馈信号以及工件反馈信号；

所述差补模块根据信号接收处理模块输出的直线编码器信号和开关输入信号通过误差检测以及计算处理，输出误差调节量和差补脉冲；

所述锁频锁相模块根据接收到的砂轮反馈信号、工件反馈信号和差补脉冲处理输出主控制量；

所述功率驱动放大模块根据接收到的误差调节量和主控制量，通过对系统主控制量进行适当的增益放大，输出用以驱动工件电机的参数信号。

上述方案中，所述电机编码器信号包括砂轮脉冲信号、工件脉冲信号。

上述方案中，所述编码器信号包括砂轮电机编码器信号、工件电机编码器信号、Z轴编码器信号以及Y轴编码器信号。

上述方案中，所述信号接收处理模块针对不同编码器信号，对每种编码器信号在处理时都依次设有差分接收、电源隔离、鉴相处理三个子处理模块。

上述方案中，所述电子齿轮比模块对砂轮脉冲信号、工件脉冲信号乘以各自的电子齿轮比参数，得到锁频锁相模块中需要的砂轮反馈信号以及工件反馈信号。

上述方案中，所述差补模块将经过各自增益后的差补脉冲通过内设的时钟同步模块得到差补总脉冲，再通过内设的鉴相模块，实现差补脉冲在相位和频率上实现偏移，从而消除误差。

上述方案中，所述锁频锁相模块主要由锁频模块、锁相模块及当量合成模块构成；所述锁频模块包括时钟同步模块、鉴频模块、D/A转换模块、失步控制模块；所述锁频模块根据编码器的实时反馈得到反馈同步脉冲，并用反馈脉冲与给定脉冲进行频率比较，从而为工件电机跟随砂轮电机提供主驱动当量；同时为保护系统运行给出失步控制信号，并通知上位机；所述锁相模块包括分齿模块、鉴相模块、D/A转换等；所述锁相模块根据上位机输入的规格参数(砂轮头数、工件齿数等)，对反馈信号与给定信号进一步细分，使得系统的微调当量变为普通锁频系统的1/Z(Z为齿数)，从而提高系统的精度。

上述方案中，所述功率驱动放大模块依次包括失步选择模块、滤波模块、一阶校准模块、大功率管放大模块。

本实用新型系统主要应用于现有的蜗杆砂轮磨齿机，由于蜗杆砂轮磨齿机对工件旋转轴(以下简称C轴)的控制精度要求非常高，基于这种高精度的要求，为了使C轴更快更精确的跟随砂轮主轴的运动速度，本实用新型采用了锁频锁相的控制方式，达到了速度控制系统所需的高精度、快响应的控制要求。

另外，本实用新型系统通过高精度测量仪器，采集砂轮给定与工件反馈的转速，并通过一定的算法算出误差值，将误差值以频率与相位的方式体现出来，并经过自控系统的参数调整，放大后输出，控制C轴电机快速的消除误差，跟随主轴运动。为了保证锁频锁相的精度以及系统需要响应快的要求，本实用新型的锁频锁相系统采用了全硬件电路实现，由于硬件的响应要比软件快，不受软件的CPU主频、扫描周期等因素的制约，可以完成软件控制所达不到的效果，所以本实用新型系统具备低延时、快响应、控制能力大的特点。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本实用新型。

图1为本实用新型所述锁频锁相系统的主控制原理框图。

图2为本实用新型所述系统中信号接收处理模块的框图。

图3为本实用新型所述系统中电子齿轮比模块的框图。

图4为本实用新型所述系统中差补模块的框图。

图5为本实用新型所述系统中锁频锁相模块的框图。

图6为本实用新型所述系统中锁频模块的框图。

图7为本实用新型所述系统中锁相模块的框图。

图8为本实用新型所述系统中功率驱动放大模块的框图。

具体实施方式：

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

本实用新型系统设计了一套带差动补偿的完整算法，随动过程中，根据砂轮电机、工件电机的编码器反馈信号以及其他误差检测反馈信号，系统根据算法得出工件电机的实时调整量，从而驱动工件电机随动。

如图1所示，系统主要包括信号接收处理模块、电子齿轮比模块、差补模块、锁频锁相模块、以及功率驱动放大模块。

如图2所示，信号接收处理模块主要对编码器信号及开关信号进行接收处理。其中开关信号主要包括校正开关、系统启动、系统复位等信号。频率低，采样简单的电源隔离接收。

编码器信号包括砂轮电机编码器、工件电机编码器、Z轴编码器以及Y轴编码器的反馈信号。各个编码器信号均经过差分接收、电源隔离、鉴相处理三个模块。以砂轮电机编码器为例，输入为3对差分信号UA1(H、L)、UA2(H、L)与UA0(H、L)，处理后得到与后级模块电源相同的3路信号UA1(h)、UA2(h)与UA0(h)。

图3所示为电子齿轮比模块。电子齿轮比是由机械传动比(机床使用的实际传动参数)和电子传动比(控制模块实现的硬件算法参数)两部分计算得到。本模块对实时的电机旋转编码器信号进行倍频分频处理。图中A＝4*g*a，B＝mb；C＝4*a，D＝nb.(g为砂轮头数，a/b为电子比，m/n为机械比)。

如图4所示，差补模块是对误差进行检测，经过设计的算法后得到误差调节量直接对实时的电机转速进行微调，并得到差补脉冲用于锁频锁相控制。

本模块根据误差监测装置的反馈，对不同轴不同类型的差补脉冲经过各自的增益后，进入时钟同步模块后得到差补总脉冲，此处鉴相模块是对差补脉冲的进行计数，以实现差补脉冲在相位和频率上实现偏移，从而得到误差消除的目的。

如图5所示，锁频锁相模块主要由锁频模块、锁相模块及当量合成模块构成。砂轮脉冲、工件脉冲、差补脉冲经锁频锁相模块后得到主当量和相位调整的微调量，经合成后，作为功率驱动模块的输入量。具体的锁频模块见图6、锁相模块见图7。

如图6所示，锁频模块包括时钟同步、鉴频模块(频率同步)、D/A转换、失步控制等模块。模块根据编码器的实时反馈得到反馈同步脉冲，并用反馈脉冲与给定脉冲进行频率比较，从而为工件电机跟随砂轮电机提供主驱动当量。同时为保护系统运行给出失步控制信号，此信号是当反馈与给定相差较大时给出的警告信号，并通知上位机。

如图7所示，锁相模块主要包括分齿模块、鉴相模块、D/A转换等模块。模块根据上位机输入的规格参数(砂轮头数、工件齿数等)，对反馈信号与给定信号进一步细分，使得系统的微调当量变为普通锁频系统的1/Z(Z为齿数)，大大提高了系统的精度。

如图8所示为系统功率驱动放大模块，本模块是为了使得系统参数与实际电机运行参数向匹配。模块主要包括失步选择模块、滤波模块、一阶校准模块、大功率管放大模块。

失步选择模块是根据随动系统反馈与给定之间的误差情况，判断系统运行状态是否正常，从而控制系统是否执行随动方式，以达到保护机床的目的。

高阶滤波模块是为了滤除机械振动、电磁干扰等引发的扰动量。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.应用于磨齿机的锁频锁相控制系统，包括信号接收处理模块、电子齿轮比模块、差补模块、锁频锁相模块、以及功率驱动放大模块；其特征在于，

所述信号接收处理模块接收编码器信号及I/O信号处理得到系统后级模块所需的电机编码器信号、直线编码器信号和开关输入信号这些脉冲信号；

所述电子齿轮比模块根据信号接收处理模块输出的电机编码器信号通过倍频分频处理，输出砂轮反馈信号以及工件反馈信号；

所述差补模块根据信号接收处理模块输出的直线编码器信号和开关输入信号通过误差检测以及计算处理，输出误差调节量和差补脉冲；

所述锁频锁相模块根据接收到的砂轮反馈信号、工件反馈信号和差补脉冲处理输出主控制量；

所述功率驱动放大模块根据接收到的误差调节量和主控制量，通过对系统主控制量进行适当的增益放大，输出用以驱动工件电机的参数信号。

2.根据权利要求1的锁频锁相控制系统，其特征在于，所述电机编码器信号包括砂轮脉冲信号、工件脉冲信号。

3.根据权利要求1的锁频锁相控制系统，其特征在于，所述编码器信号包括砂轮电机编码器信号、工件电机编码器信号、Z轴编码器信号以及Y轴编码器信号。

4.根据权利要求1的锁频锁相控制系统，其特征在于，所述信号接收处理模块针对不同编码器信号，对每种编码器信号在处理时都依次设有差分接收、电源隔离、鉴相处理三个子处理模块。

5.根据权利要求1的锁频锁相控制系统，其特征在于，所述锁频锁相模块主要由锁频模块、锁相模块及当量合成模块构成；所述锁频模块包括时钟同步模块、鉴频模块、D/A转换模块、失步控制模块；所述锁频模块根据编码器的实时反馈得到反馈同步脉冲，并用反馈脉冲与给定脉冲进行频率比较，从而为工件电机跟随砂轮电机提供主驱动当量；同时为保护系统运行给出失步控制信号，并通知上位机；所述锁相模块包括分齿模块、鉴相模块、D/A转换等；所述锁相模块根据上位机输入的砂轮头数和工件齿数这些规格参数，对反馈信号与给定信号进一步细分，使得系统的微调当量变为普通锁频系统的1/Z，从而 提高系统的精度。

6.根据权利要求1的锁频锁相控制系统，其特征在于，所述功率驱动放大模块依次包括失步选择模块、滤波模块、一阶校准模块、大功率管放大模块。 

Images