進(jìn)給伺服系統(tǒng)是以運(yùn)動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，它是一個(gè)很典型的機(jī)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(dòng)元件(電機(jī))、檢測(cè)與反饋單元和機(jī)械執(zhí)行部件幾個(gè)部分組成。本文發(fā)表在《儀表技術(shù)與傳感器》上，文章運(yùn)用傳統(tǒng)PID算法對(duì)所設(shè)計(jì)的進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行控制計(jì)算,利用MATLAB對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿真,并確定了伺服機(jī)構(gòu)的參數(shù),并以此又給出了避免直線雙驅(qū)動(dòng)過(guò)定位的條件,為大型曲軸加工機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，是工程師論文發(fā)表范文。

　　1 雙蝸桿無(wú)間隙驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

　　工作臺(tái)受力平衡方程為：

　　由公式(1)可知,工作臺(tái)受力平衡方程式是一個(gè)時(shí)間函數(shù),這就導(dǎo)致了該機(jī)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(guò)程中會(huì)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(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生傳動(dòng)間隙,傳動(dòng)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(duì)曲拐的加工精度造成較大影響并嚴(yán)重地降低了刀具的壽命,更為嚴(yán)重的是可能會(huì)導(dǎo)致切削無(wú)法進(jìn)行。為了避免上述現(xiàn)象發(fā)生,這里采用雙蝸桿無(wú)間隙驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)的這種大型回轉(zhuǎn)工作臺(tái)還設(shè)置有：蝸桿的軸向力液壓伺服平衡機(jī)構(gòu),雙蝸桿的同步驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),啟動(dòng)和剎車時(shí)的慣性飛輪機(jī)構(gòu)等。

　　2 交流伺服雙驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　伺服進(jìn)給系統(tǒng)包括有：伺服電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置和執(zhí)行件、檢測(cè)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(dòng)進(jìn)給,設(shè)計(jì)中還要重點(diǎn)考慮2個(gè)軸的同步轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題(轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的過(guò)定位)及在安裝中調(diào)整與定位基準(zhǔn)等問(wèn)題。雖然是采用交流伺服雙驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng),但在設(shè)計(jì)中還是以研究交流伺服單驅(qū)動(dòng)進(jìn)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(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)要求,解決雙驅(qū)動(dòng)的過(guò)定位問(wèn)題。

　　2.1 交流伺服進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

　　(1)交流伺服電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立

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

　　3 伺服傳動(dòng)系統(tǒng)特性仿真

　　3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)域特性仿真

　　在仿真時(shí)選取電動(dòng)機(jī)為三菱HA-LP系列,MR-J3系列驅(qū)動(dòng)器,具體參數(shù)：nmax=1200r/min,Tmax=536N•m,Jm=0.187 0kg•m,減速傳動(dòng)比i=4,工作臺(tái)自重10t,工件重量20t,轉(zhuǎn)子直徑65mm,長(zhǎng)度780mm。運(yùn)用經(jīng)典控制理論,取不同的相對(duì)阻尼比進(jìn)行仿真,以此確定適合于本系統(tǒng)的阻尼比。為了在實(shí)際控制中能獲取較短的過(guò)渡時(shí)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(gè)阻尼比,并用MATLAB進(jìn)行仿真。不論系統(tǒng)阻尼的大小其響應(yīng)時(shí)間都是在0.03s之內(nèi),超調(diào)量不大于20%,說(shuō)明此時(shí)的伺服傳動(dòng)系統(tǒng)無(wú)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(duì)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(dòng)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(dòng)剛度和黏性阻尼系數(shù)、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)。因此,進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)盡可能增大剛度,減小轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣量、剛度和阻尼值代入,可得到系統(tǒng)的頻域響應(yīng)。當(dāng)對(duì)數(shù)相頻特性為-H時(shí),對(duì)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(shí)通過(guò)MATLAB計(jì)算得到系統(tǒng)的幅值裕度和相位裕度都為無(wú)窮大,所以該傳動(dòng)系統(tǒng)也是相對(duì)穩(wěn)定的。

　　4 直線雙驅(qū)動(dòng)中的過(guò)定位分析

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

　　N=0.00132° ×728.2=0.961≈1

　　即：當(dāng)兩臺(tái)交流伺服電動(dòng)機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)相差一個(gè)脈沖時(shí),就能避免伺服直線雙驅(qū)動(dòng)中過(guò)定位的發(fā)生。

　　5 結(jié) 論

　　曲拐的高速、高精車銑加工機(jī)床的設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)的機(jī)床設(shè)計(jì);在主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中,要重點(diǎn)考慮在車銑過(guò)程中的減振問(wèn)題,在大型的盤銑刀上采用8個(gè)沖擊減振器來(lái)消振;在本機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)采用了雙蝸桿無(wú)間隙傳動(dòng);為了消除時(shí)時(shí)變化離心力的影響,直線伺服進(jìn)給采用了雙驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);通過(guò)對(duì)該進(jìn)給系統(tǒng)的仿真,證明了其數(shù)學(xué)模型具有良好的可靠性;利用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)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(guò)修改傳動(dòng)系統(tǒng)和PID控制器的參數(shù)所得出的仿真結(jié)果,驗(yàn)證了本系統(tǒng)有較好的響應(yīng)特性和穩(wěn)定特性;通過(guò)對(duì)直線雙驅(qū)動(dòng)的過(guò)定位的分析,給出了兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)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(guó)儀器儀表行業(yè)最具影響力的期刊之一。本刊主要報(bào)導(dǎo)儀器儀表、敏感元件及傳感器、電子元器件、檢測(cè)設(shè)備、自動(dòng)化控制系統(tǒng)以及相關(guān)的工藝技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)等。