進給伺服系統(tǒng)是以運動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，它是一個很典型的機電一體化系統(tǒng)，主要由位置控制單元、速度控制單元、驅(qū)動元件(電機)、檢測與反饋單元和機械執(zhí)行部件幾個部分組成。本文發(fā)表在《儀表技術(shù)與傳感器》上，文章運用傳統(tǒng)PID算法對所設(shè)計的進給系統(tǒng)進行控制計算,利用MATLAB對系統(tǒng)的動態(tài)性能進行仿真,并確定了伺服機構(gòu)的參數(shù),并以此又給出了避免直線雙驅(qū)動過定位的條件,為大型曲軸加工機床進給系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論依據(jù)，是工程師論文發(fā)表范文。

　　1 雙蝸桿無間隙驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　在加工中,回轉(zhuǎn)工作臺要承受較大的切削力、工件偏心造成方向在時刻變化的慣性力、工件的自重和底座滑臺的驅(qū)動力。

　　工作臺受力平衡方程為：

　　由公式(1)可知,工作臺受力平衡方程式是一個時間函數(shù),這就導(dǎo)致了該機床伺服系統(tǒng)具有特殊性。由于工件形貌呈橢圓狀而且又是偏心裝夾,工件在加工過程中會產(chǎn)生周期性變化的離心力。離心力大小和方向不斷變化,導(dǎo)致單蝸桿傳動機構(gòu)產(chǎn)生傳動間隙,傳動間隙使加工產(chǎn)生一定的空行程,導(dǎo)致較大的切削顫振的發(fā)生,對曲拐的加工精度造成較大影響并嚴重地降低了刀具的壽命,更為嚴重的是可能會導(dǎo)致切削無法進行。為了避免上述現(xiàn)象發(fā)生,這里采用雙蝸桿無間隙驅(qū)動機構(gòu)。設(shè)計的這種大型回轉(zhuǎn)工作臺還設(shè)置有：蝸桿的軸向力液壓伺服平衡機構(gòu),雙蝸桿的同步驅(qū)動機構(gòu),啟動和剎車時的慣性飛輪機構(gòu)等。

　　2 交流伺服雙驅(qū)動進給系統(tǒng)設(shè)計

　　伺服進給系統(tǒng)包括有：伺服電動機、機械傳動裝置和執(zhí)行件、檢測和反饋單元、控制單元等,各種元件在這里都是2套。由于采用雙驅(qū)動進給,設(shè)計中還要重點考慮2個軸的同步轉(zhuǎn)動問題(轉(zhuǎn)動過程中的過定位)及在安裝中調(diào)整與定位基準等問題。雖然是采用交流伺服雙驅(qū)動進給系統(tǒng),但在設(shè)計中還是以研究交流伺服單驅(qū)動進給系統(tǒng)為基礎(chǔ),再加入設(shè)定的條件,以滿足交流伺服雙驅(qū)動進給系統(tǒng)的驅(qū)動要求,解決雙驅(qū)動的過定位問題。

　　2.1 交流伺服進給系統(tǒng)數(shù)學模型

　　(1)交流伺服電動機數(shù)學模型的建立

　　伺服進給系統(tǒng)中,驅(qū)動電動機采用三相永磁交流同步電動機。為了使電動機具有較高的控制性能,采用矢量變換進行線性化解耦合的控制方法。由此,可在dqo坐標系中建立三相永磁同步電動機的電壓ud、uq的平衡方程為

　　3 伺服傳動系統(tǒng)特性仿真

　　3.1 傳動系統(tǒng)的時域特性仿真

　　在仿真時選取電動機為三菱HA-LP系列,MR-J3系列驅(qū)動器,具體參數(shù)：nmax=1200r/min,Tmax=536N•m,Jm=0.187 0kg•m,減速傳動比i=4,工作臺自重10t,工件重量20t,轉(zhuǎn)子直徑65mm,長度780mm。運用經(jīng)典控制理論,取不同的相對阻尼比進行仿真,以此確定適合于本系統(tǒng)的阻尼比。為了在實際控制中能獲取較短的過渡時間,使系統(tǒng)始終處于欠阻尼狀態(tài)下工作,取ζ 在0.4~0.8之間。本文選擇0.6、0.7和0.8三個阻尼比,并用MATLAB進行仿真。不論系統(tǒng)阻尼的大小其響應(yīng)時間都是在0.03s之內(nèi),超調(diào)量不大于20%,說明此時的伺服傳動系統(tǒng)無振蕩產(chǎn)生。但隨著阻尼比的減小,系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能有所提高,而系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性降低,超調(diào)量增大。為了使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性能,這里選擇阻尼比在0.6~0.8范圍內(nèi)。

　　3.2 傳動系統(tǒng)的頻域特性仿真

　　由公式(2)ζω=B/J和ω2=K/J可知,阻尼比與系統(tǒng)的傳動剛度和黏性阻尼系數(shù)、等效轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)。因此,進給系統(tǒng)應(yīng)盡可能增大剛度,減小轉(zhuǎn)動慣量,保證系統(tǒng)在穩(wěn)定基礎(chǔ)上具有較好的快速性。將轉(zhuǎn)動慣量、剛度和阻尼值代入,可得到系統(tǒng)的頻域響應(yīng)。當對數(shù)相頻特性為-H時,對數(shù)幅頻特性小于0.4dB,所以閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。同時通過MATLAB計算得到系統(tǒng)的幅值裕度和相位裕度都為無窮大,所以該傳動系統(tǒng)也是相對穩(wěn)定的。

　　4 直線雙驅(qū)動中的過定位分析

　　在直線雙驅(qū)動技術(shù)帶來了優(yōu)越性的同時也帶來了一個問題,那就是過定位的出現(xiàn)。假設(shè)整個伺服系統(tǒng)穩(wěn)定,那么僅需要保證兩根絲杠在傳遞過程中的扭轉(zhuǎn)角差值在一個合理的范圍內(nèi)就可以實現(xiàn)雙驅(qū)動。在進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中將支撐導(dǎo)軌的間隙保持在±0.02mm范圍內(nèi)可以解決過定位問題。這里所選的光電編碼器為262.144P/r,即：電動機每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)為262.144,因此電動機每轉(zhuǎn)一度發(fā)出的脈沖數(shù)約為728.2,因此當a=0.001320時,兩電動機所發(fā)出的脈沖數(shù)相差個數(shù)N為：

　　N=0.00132° ×728.2=0.961≈1

　　即：當兩臺交流伺服電動機發(fā)出的脈沖數(shù)相差一個脈沖時,就能避免伺服直線雙驅(qū)動中過定位的發(fā)生。

　　5 結(jié) 論

　　曲拐的高速、高精車銑加工機床的設(shè)計不同于傳統(tǒng)的機床設(shè)計;在主運動系統(tǒng)中,要重點考慮在車銑過程中的減振問題,在大型的盤銑刀上采用8個沖擊減振器來消振;在本機床伺服進給系統(tǒng)中的回轉(zhuǎn)工作臺的驅(qū)動采用了雙蝸桿無間隙傳動;為了消除時時變化離心力的影響,直線伺服進給采用了雙驅(qū)動機構(gòu);通過對該進給系統(tǒng)的仿真,證明了其數(shù)學模型具有良好的可靠性;利用MATLAB對系統(tǒng)進行動態(tài)仿真,得到了系統(tǒng)響應(yīng)性能曲線,證明系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)性能;通過修改傳動系統(tǒng)和PID控制器的參數(shù)所得出的仿真結(jié)果,驗證了本系統(tǒng)有較好的響應(yīng)特性和穩(wěn)定特性;通過對直線雙驅(qū)動的過定位的分析,給出了兩臺伺服電動機發(fā)出脈沖的相差值。

　　工程師論文發(fā)表須知：《儀表技術(shù)與傳感器》雜志1964年創(chuàng)刊，月刊，是面向儀器儀表行業(yè)的專業(yè)性科技期刊，是中國儀器儀表行業(yè)最具影響力的期刊之一。本刊主要報導(dǎo)儀器儀表、敏感元件及傳感器、電子元器件、檢測設(shè)備、自動化控制系統(tǒng)以及相關(guān)的工藝技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)等。