數(shù)控車床伺服進(jìn)給系統(tǒng)精度研究

[摘 要] 伺服電機(jī)精密定位系統(tǒng)是由控制系統(tǒng)與差動(dòng)輪系統(tǒng)進(jìn)行組合而成的一種變速傳動(dòng)系統(tǒng)。通過伺服電機(jī)內(nèi)部設(shè)置傳輸參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的速度和增大調(diào)速范圍，還能夠增加伺服電機(jī)的承載能力。所以，伺服電機(jī)精密定位系統(tǒng)在一定程度上有著較為廣闊的應(yīng)用前景。通過對(duì)伺服電機(jī)精密定位系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析與研究，推導(dǎo)出了不同組合類型裝置的傳動(dòng)比、調(diào)速范圍等運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系式；詳細(xì)分析了裝置內(nèi)功率流流向、是否存在封閉循環(huán)功率以及封閉循環(huán)功率方向的問題，給出了不同組合類型裝置內(nèi)部的功率流計(jì)算方法；利用嚙合功率法對(duì)裝置的傳動(dòng)效率進(jìn)行分析，最后推導(dǎo)出裝置的傳動(dòng)參數(shù)和傳動(dòng)效率之間的關(guān)系式。

[關(guān) 鍵 詞] 數(shù)控車床；系統(tǒng)；精度

[中圖分類號(hào)] TP18 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2015）05-0005-05

以往在設(shè)計(jì)伺服電機(jī)時(shí)，經(jīng)常采用變速直流電動(dòng)機(jī)，不但成本高，占地面積大，而且變速范圍往往不能滿足工作需要。因此，本文參照有關(guān)資料設(shè)計(jì)了一種控制式差動(dòng)伺服電機(jī)精密定位技術(shù)。試制完成后用變量油泵作為負(fù)載，在各種高速和載荷下進(jìn)行了三小時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，除發(fā)現(xiàn)皮帶盤連接處漏油及調(diào)節(jié)手輪在摩擦扭矩作用下有自轉(zhuǎn)現(xiàn)象外，其他主要性能完全符合設(shè)計(jì)要求。這種控制式差動(dòng)伺服電機(jī)精密定位技術(shù)的主要特點(diǎn)是調(diào)速范圍大，可以在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下連續(xù)從反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)到正轉(zhuǎn)，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊[1]。

一、數(shù)控車床伺服進(jìn)給系統(tǒng)

伺服電機(jī)精密定位系統(tǒng)是通過帶傳動(dòng)或齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)，其中，機(jī)械伺服電機(jī)和皮帶伺服電機(jī)應(yīng)用最為廣泛。皮帶伺服電機(jī)又分為平皮帶和V形皮帶伺服電機(jī)。其工作原理如圖1所示，當(dāng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使用機(jī)械張力器、錐輪、運(yùn)動(dòng)和力之間的摩擦力將動(dòng)力從主動(dòng)輪傳遞到從動(dòng)輪上，通過操縱機(jī)構(gòu)可以改變滑輪、錐形的工作狀態(tài)以及改變驅(qū)動(dòng)工作，實(shí)現(xiàn)變速半徑。無級(jí)變速傳動(dòng)和定傳動(dòng)比、有級(jí)變速傳動(dòng)相比，它能夠根據(jù)工作需要在一定范圍內(nèi)連續(xù)變換速度，以適應(yīng)輸出轉(zhuǎn)速和外界負(fù)荷變化的要求，而且功率特性好，因此，在現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)占有重要地位[2]。

近年來，為了擴(kuò)大無級(jí)變速傳動(dòng)的調(diào)速比（范圍）、傳動(dòng)功率和過零調(diào)速，控制式無級(jí)變速傳動(dòng)——用伺服電機(jī)精密定位技術(shù)作為封閉二自由度差動(dòng)輪系的兩個(gè)基本構(gòu)件而組成的單自由度行星伺服電機(jī)已成為研究熱點(diǎn)，通常稱之為封閉行星伺服電機(jī)。這種系統(tǒng)中大部分功率流經(jīng)差動(dòng)輪系，而只有小部分功率流經(jīng)伺服電機(jī)[3]。此外，車用伺服電機(jī)和伺服電機(jī)的穩(wěn)速問題也是研究熱點(diǎn)。伺服電機(jī)精密定位系統(tǒng)是由基本伺服電機(jī)對(duì)差動(dòng)輪系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而構(gòu)成一種組合式變速傳動(dòng)系統(tǒng)。電機(jī)皮帶經(jīng)過三角變速齒輪箱，輸出功率得到進(jìn)一步提高，經(jīng)過斜齒輪、皮帶和凸輪軸進(jìn)行規(guī)范的流程操作，通過齒輪箱的兩套滑模變齒輪機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)，達(dá)到變速的效果，通過對(duì)輸入軸的轉(zhuǎn)速控制，變換輸出軸的動(dòng)力和轉(zhuǎn)速，將調(diào)速過程限制在一個(gè)多段變速范圍內(nèi)，以獲得不同的輸出轉(zhuǎn)速，然后在凸輪軸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的變化，以滿足現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)操作中的各種要求。差動(dòng)伺服電機(jī)行星齒輪傳動(dòng)齒數(shù)分配及定軸齒輪傳動(dòng)齒數(shù)分配是控制式差動(dòng)變速傳動(dòng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。目前，伺服電機(jī)精密定位系統(tǒng)的配齒設(shè)計(jì)還沒有具體簡(jiǎn)便的方法。本文通過對(duì)伺服電機(jī)精密定位系統(tǒng)的齒數(shù)分配方法及計(jì)算進(jìn)行研究，提出了一種實(shí)用的配齒計(jì)算方法。

伺服電機(jī)精密定位系統(tǒng)主要應(yīng)用如下：

（1）為適應(yīng)工藝參數(shù)多變或輸出轉(zhuǎn)速連續(xù)變化的要求，運(yùn)轉(zhuǎn)中需經(jīng)常地改變速度，但不應(yīng)在某一固定速度下長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，如機(jī)床、卷繞機(jī)、車輛和攪拌

機(jī)等；

（2）探求最佳工作速度，如試驗(yàn)機(jī)、自動(dòng)線等；

（3）幾臺(tái)機(jī)器或一臺(tái)機(jī)器的幾個(gè)部分協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)；

（4）緩慢啟動(dòng)以合理利用動(dòng)力，通過調(diào)速以快速越過共振區(qū)；

（5）車輛變速箱，可節(jié)省燃料約9%，縮短加速時(shí)間，簡(jiǎn)化操作。

采用無級(jí)變速傳動(dòng)有利于簡(jiǎn)化變速傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、合理利用動(dòng)力和節(jié)能、實(shí)現(xiàn)遙控及自動(dòng)控制，同時(shí)也減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。伺服電機(jī)精密定位系統(tǒng)由機(jī)械伺服電機(jī)和差動(dòng)行星齒輪機(jī)構(gòu)組合而成，它具有擴(kuò)大伺服電機(jī)的調(diào)速范圍，或者擴(kuò)大伺服電機(jī)的傳遞功率、提高調(diào)速精度等優(yōu)點(diǎn)。

二、數(shù)控車床伺服進(jìn)給系統(tǒng)精度研究與優(yōu)化

如圖1所示，為了實(shí)現(xiàn)電氣控制的需要，本次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括了如下五個(gè)部分：（1）控制面板模塊；（2）姿態(tài)傳輸模塊；（3）系統(tǒng)主控模塊；（4）伺服控制模塊；（5）編碼盤計(jì)數(shù)模塊。詳情如圖1所示：

在系統(tǒng)工作之前，用戶可以通過控制面板來設(shè)定系統(tǒng)的初始值，而在開始工作之后，則可以通過以太網(wǎng)接收遠(yuǎn)程指令，對(duì)天線的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)系統(tǒng)還能夠接受碼盤計(jì)數(shù)信息，這些信息經(jīng)過計(jì)算處

理之后，能夠得出誤差信號(hào)，將這些誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換形成特定頻率的脈沖信號(hào)，從而通過對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的

調(diào)控，達(dá)到控制天線的俯仰角和方位調(diào)整的目的。與此同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)在工作的時(shí)候，用戶還能夠通過控制面板對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制以及檢測(cè)。

用戶通過控制面板能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，控制面板與控制器是通過RS485串行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和指令的交換的，而精密伺服系統(tǒng)信息的傳輸則是依據(jù)以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程傳輸功能，并且通過RS232串行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。作為系統(tǒng)的核心部分，控制器通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、減速器以及編碼盤對(duì)天線的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件的核心部分是控制面板和控制器，控制器主要是由系統(tǒng)的主控模塊部分和伺服模塊構(gòu)成的。而微型處理器則是控制面板以及控制器的核心構(gòu)成部分，從目前來看，廣泛應(yīng)用于伺服控制的核心處理器主要包括了單片機(jī)、專用的控制芯片以及數(shù)字信號(hào)處理器，基于成本的考慮，我們選用的是51系列的單片機(jī)，將其作為本系統(tǒng)的核心處理器。并且在MedWin環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行開發(fā)，該環(huán)境能夠支持C語言編程，而且由于具備窗口風(fēng)格，開發(fā)相對(duì)較為便利，我們現(xiàn)在該環(huán)境下完成程序編寫，并且進(jìn)行仿真調(diào)試，最后再將程序下載到單片機(jī)。系統(tǒng)的具體硬件結(jié)構(gòu)詳見圖2：

控制面板的主要作用體現(xiàn)在充當(dāng)初始值、系統(tǒng)主要控制方案以及直接對(duì)天線進(jìn)行控制的操作的設(shè)置，是重要的人機(jī)交互設(shè)備；除此之外，借助顯示器可以獲取目標(biāo)天線角度、狀態(tài)以及系統(tǒng)相關(guān)信息。

控制面板功能體現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：第一，進(jìn)行固定地理坐標(biāo)的設(shè)置，也就是經(jīng)緯度；第二，提供手動(dòng)及自動(dòng)兩種控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，其中，自動(dòng)控制就是系統(tǒng)的定向控制模式，手動(dòng)控制對(duì)天線正向或反向的調(diào)試則需要用戶通過手動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)；第三，向系統(tǒng)發(fā)出回歸至零位的復(fù)位命令。

如圖3所示，硬件主要包括：液晶LCD、中央處理器、鍵盤以及RS485接口，其中后者用于確保與系統(tǒng)控制模塊通信的實(shí)現(xiàn)。功能模塊大致包括：

第一，顯示，即所收集到的天線信息以及以太網(wǎng)中的調(diào)整信息借助主控制器向液晶顯示模塊進(jìn)行傳輸，并對(duì)該顯示模塊予以一定的控制，使其將接收到的信息通過既定格式展示；第二，操縱輸入，即相關(guān)操作者為達(dá)到對(duì)儀器模式予以控制的目的，在鍵盤輸入相關(guān)控制指令的行為，以所輸入的控制指令為主要依據(jù)，單片機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)諸如控制模式或顯示數(shù)據(jù)等功能。

上述功能的實(shí)現(xiàn)是建立在電源模塊的基礎(chǔ)之上的，電源模塊是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。

（1）液晶模塊

本設(shè)計(jì)方案選取HG122321-LYH型號(hào)的液晶。

從示意圖可知：主、分方式工作分別是SED1520（1）和SED1520（2）；前者時(shí)序信號(hào)通過OSC2傳出，且OSC1與OSC2跨接電阻；后者通過OSC2將SED1520FOA（1）提供的時(shí)鐘輸入。通電一段時(shí)間后，兩個(gè)芯片的RES即達(dá)到高電平狀態(tài)，因此主要是對(duì)68系列MPU時(shí)序進(jìn)行控制。E1，E2信號(hào)決定芯片的選通。

上述幾大模塊在設(shè)置方面，ADC選擇為0，占空比為1∶32。

如圖5所示，為液晶模塊與單片機(jī)之間的接口。

（2）單片機(jī)模塊

本研究用STC12C5404單片機(jī)作為顯示控制CPU。作為新一代單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）兼容8051內(nèi)核單片機(jī)，STC12C5404對(duì)流水線進(jìn)行了更新，對(duì)指令集結(jié)構(gòu)予以了優(yōu)化，并采用專用的MAX810集成電路。

三、結(jié)論

本文研究了控制式差動(dòng)變速安裝的傳動(dòng)方案，擴(kuò)展了伺服電機(jī)的調(diào)速范圍，解決了伺服電機(jī)精密定位系統(tǒng)安裝游移不定的局限性。進(jìn)行了封鎖輪回的功率比設(shè)置，防回流閥，從整體機(jī)械效率比封鎖輪回，雖然沒有改變機(jī)械回流的效率，但后者具有更大的應(yīng)用前景。該系統(tǒng)擴(kuò)展了普通串級(jí)節(jié)制系統(tǒng)的功用，多模態(tài)串級(jí)節(jié)制具有較強(qiáng)的魯棒性、非線性和時(shí)變特征，對(duì)于負(fù)荷轉(zhuǎn)變頻頻的對(duì)象具有良好的節(jié)制結(jié)果。擴(kuò)展速度局限的封鎖輪回，封鎖輪回功率的偏向取決于回流裝置內(nèi)傳輸連接點(diǎn)的傳達(dá)。封鎖輪回將使設(shè)備的機(jī)械功率損耗、效率大大下降。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣慰孫.過程控制工程[M].北京：中國(guó)石油化學(xué)工業(yè)出版社，1998：45.

[2]金以慧.過程控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，1993：243.

[3]柏建國(guó).人工智能與控制決策[J].自動(dòng)化與儀器儀表，1996（03）.