超精密研磨機(jī)控制設(shè)計(jì)

摘要：本文從研磨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)出發(fā)，按研磨機(jī)執(zhí)行元件的控制要求，系統(tǒng)分析了液壓、氣壓和電氣式電機(jī)等執(zhí)行元件的選擇方案。以直流伺服電機(jī)為核心，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)了研磨機(jī)伺服控制系統(tǒng)，文中特別對(duì)伺服電機(jī)的功放電路的選擇和設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

關(guān)鍵詞：研磨機(jī)  伺服    系統(tǒng)  電機(jī)  

超精密研磨的主要功能，是獲得極高的零件表面質(zhì)量，主要指極低的表面粗糙度（Ra0.01—0.0001μm），極高的面型精度（平面度、平行度、圓度等）和無(wú)加工變質(zhì)層（表面完整性）。只有采用超精密研磨技術(shù)，才能獲得無(wú)加工變質(zhì)層的表面；這一點(diǎn)對(duì)很多晶體材料、功能材料的制造是至關(guān)重要的。超精密研磨能實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的材料去處，是一種實(shí)現(xiàn)加工極限精度的方法。

一、研磨機(jī)的基本尺寸及原理

工作臺(tái)：       長(zhǎng)×寬   1000×450mm               

研磨頭底座：   長(zhǎng)×寬   500×230mm                  

工作臺(tái)工作重量：     3000N

工作臺(tái)行程    △X1=400~900mm

△X2=230~500mm

△Y=230~450mm

研磨機(jī)的執(zhí)行元件主要由三臺(tái)功率為0.6kw，轉(zhuǎn)速為1500r/min的直流伺服電動(dòng)機(jī)組成。其中電動(dòng)機(jī)Ⅰ號(hào)用來(lái)拖動(dòng)主工作臺(tái)的X向主運(yùn)動(dòng)，研磨頭X、Y向分別由Ⅱ、Ⅲ號(hào)電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)。其中行程分別由兩個(gè)偏心輪結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行控制行程控制，偏心輪與電動(dòng)機(jī)之間通過(guò)減速器減速后得到要求的低速運(yùn)動(dòng)。主工作臺(tái)＜20r/min，X、Y向＜10r/min。研磨機(jī)在研磨過(guò)程中要求無(wú)振動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)動(dòng)中無(wú)緩沖，以及環(huán)境溫度都有特別要求（一般為室溫20℃）。

二、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.執(zhí)行元件的選擇

執(zhí)行元件是位于電器控制裝置和機(jī)械執(zhí)行裝置接點(diǎn)部位的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它能在控制裝置的控制下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。

伺服系統(tǒng)中所用的執(zhí)行元件主要有以下幾類：

（1）電氣式主要有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)等。

液壓式主要有液壓缸液壓馬達(dá)等，其優(yōu)點(diǎn)是輸出功率大，動(dòng)作平穩(wěn)，但需要相應(yīng)的液壓源，占地面積大。容易漏油而污染環(huán)境，控制性能不如伺服電動(dòng)機(jī)。

（2）氣壓式主要有氣缸，氣馬達(dá)等，其優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，成本低，動(dòng)作快但輸出功率小，體積大，工作噪聲大，且難于伺服控制。

目前大多數(shù)執(zhí)行元件大都已形成系列產(chǎn)品，又專門的廠家生產(chǎn)，因而在進(jìn)行伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，只需根據(jù)需要進(jìn)行合理的選用即可。在此次研磨機(jī)的設(shè)計(jì)中選用的執(zhí)行元件為直流伺服電動(dòng)機(jī)，直流伺服電動(dòng)機(jī)具有相應(yīng)迅速，精度和效率高，調(diào)速范圍寬，負(fù)載能力大，控制特性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)

2.伺服系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行元件的要求

（1）慣性小、動(dòng)力大為使伺服系統(tǒng)具有良好的快速相應(yīng)性能和足夠的負(fù)載能力，希望執(zhí)行元件具有較小的慣量并輸出較大的功率。

（2）體積小、質(zhì)量輕為使執(zhí)行元件易于安裝及與機(jī)械系統(tǒng)連接，使伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊接，常希望執(zhí)行元件具有較小的體積和較輕的質(zhì)量。

（3）便于計(jì)算機(jī)控制機(jī)電一體化產(chǎn)品多采用計(jì)算機(jī)控制，因而要求伺服系統(tǒng)及執(zhí)行元件也能夠采用計(jì)算機(jī)來(lái)統(tǒng)一控制。由于這一要求，使得伺服電動(dòng)機(jī)在機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

（4）成本低、可靠性好、便于安裝和維修

3.直流伺服電動(dòng)機(jī)特性

為了對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)目刂?，必須首先了解直流伺服電?dòng)機(jī)的靜態(tài)特性，所謂靜態(tài)特性是指電動(dòng)機(jī)在平穩(wěn)情況下工作時(shí)，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，電磁力矩和電樞控制電壓三者之間的關(guān)系。在采用電樞電壓控制時(shí)，磁通φ為一常量，如果電樞電壓Va保持恒定，則靜態(tài)特性方程為：

ω=ω0-kTm

4. 直流伺服電動(dòng)機(jī)選擇

根據(jù)所需要的直流伺服電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)（如：額定功率，額定電壓，額定電流，額定轉(zhuǎn)速，額定轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)矩）等，選取直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)型為：130ZY102型直流永磁電動(dòng)機(jī)，生產(chǎn)廠家為山東淄博山弘立微電動(dòng)機(jī)有限公司。其主要技術(shù)參數(shù)為：電壓 220V、轉(zhuǎn)速 1500r.min-1 、轉(zhuǎn)矩 3822mN.m、電流 3.5A、 功率0.6kw、允許正反轉(zhuǎn)速差150r.min-1。

5.執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是伺服系統(tǒng)中的被控對(duì)象，是實(shí)現(xiàn)實(shí)際操作的機(jī)構(gòu)，一般來(lái)講，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中都包含導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的選擇主要是導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的選擇。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)即導(dǎo)軌，主要分為滑動(dòng)和滾動(dòng)兩大類，每一類按結(jié)構(gòu)型式和承載原理又可分為多種類型。一幅導(dǎo)軌主要有兩部分組成；在工作時(shí)一部分固定不動(dòng)，稱為支撐導(dǎo)軌（或?qū)?dòng)軌），另一部分相對(duì)支撐導(dǎo)軌作直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，稱為動(dòng)導(dǎo)軌（或滑座）。

目前，各種導(dǎo)軌基本實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的系列化，由于滾動(dòng)導(dǎo)軌里有以下的特點(diǎn)：1）承載能力大  2）剛性強(qiáng)  3）壽命長(zhǎng)  4）傳動(dòng)平穩(wěn)可靠  5）具有結(jié)構(gòu)自調(diào)整的能力。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)向作用。

在此次設(shè)計(jì)中考慮到經(jīng)濟(jì)性及滾動(dòng)導(dǎo)軌所具有的自身特點(diǎn)，完全可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)精度和穩(wěn)定性的要求，故選擇滑動(dòng)導(dǎo)軌作為執(zhí)行元件。

本設(shè)計(jì)選用漢江機(jī)床廠的HJG-D系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌， 其中HJG-25型號(hào)的導(dǎo)軌的Ca值為17500N，能滿足5年使用的要求，所以可選用HJG-25型號(hào)的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。

6.伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

   由于選用的執(zhí)行元件為直流伺服電動(dòng)機(jī)，因此控制系統(tǒng)方案的選擇即為直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，

直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)

    機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)中多采用永磁式電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件，通過(guò)控制電樞電壓來(lái)控制輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。功放電路油稱功率放大器，目前有兩種，一種是晶閘管脈沖功率放大器，另一種是晶體管脈沖寬度調(diào)制（PWM）功率放大器。后者與前者比較具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、效率高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了非常廣泛的應(yīng)用。

1. PWM晶體管功率放大器的工作原理

PWM晶體管功率放大器由兩部分組成，一部分時(shí)電壓-脈寬變換器，另一部分是開關(guān)功率放大器其結(jié)構(gòu)如圖2所示：

         圖2 PWM晶體管功率放大器的工作原理

(1).電壓-脈寬變換器  電壓脈寬變換器的作用是根據(jù)指令信號(hào)對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，以便用寬度隨指令變化的信號(hào)去控制大功率晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)電樞繞組兩端電壓的控制。

電壓-脈寬變換器由三角波發(fā)生器、加法器和比較器組成。三角波發(fā)生器用于產(chǎn)生一定額定功率的三角波UT，該三角波經(jīng)加法器與輸入指令信號(hào)UI相加，產(chǎn)生信號(hào)UI+UT，然后送入比較器。比較器是一個(gè)工作在開環(huán)狀態(tài)下的運(yùn)算放大器，具有極高的開環(huán)增益及限幅開關(guān)特性。兩個(gè)輸入端的信號(hào)的微弱變化，會(huì)使比較器輸出對(duì)應(yīng)的開關(guān)信號(hào)。一般情況下，比較器負(fù)輸入端接地，信號(hào)UI+UT從正端輸入。當(dāng)UI+UT＞0時(shí)，比較器輸出滿幅度的正電平；當(dāng)UI+UT＜0時(shí)，比較器輸出滿幅度的負(fù)電平。

可見(jiàn)，由于比較器的限幅特性，輸出信號(hào)US的幅度不變，但脈沖寬度隨UI的變化而變化。US的頻率由三角波的頻率所決定。

當(dāng)指令信號(hào)UI=0時(shí)，輸出信號(hào)US為正負(fù)脈沖快讀相等的矩形脈沖。

當(dāng)UI＞0時(shí)，US的正脈寬大于負(fù)脈寬。

當(dāng)UI＜0時(shí)，US的負(fù)脈寬大于正脈寬。

當(dāng)UI≥UTPP/2（UTPP/2是三角波的峰-峰值）時(shí)，Us為一正直流信號(hào)；當(dāng)UI≤UTPP/2時(shí)，Us為一負(fù)直流信號(hào)。

(2)開關(guān)功率方法器    開關(guān)功率方法器的作用事對(duì)電壓-脈寬變換器輸出的信號(hào)Us進(jìn)行放大，輸出具有足夠功率的信號(hào)Up，以驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)。開關(guān)功率放大器采用大功率晶體管構(gòu)成。根據(jù)各晶體管基極所加的控制電壓波形，可分為單極性輸出，雙極性輸出和有限單極性輸出三種方式。

由于大功率晶體管VT1～VT4組成H型橋式結(jié)構(gòu)的開關(guān)功放電路，由續(xù)流二極管VD1～VD4構(gòu)成在晶體管關(guān)斷時(shí)直流伺服電動(dòng)機(jī)繞組中能量的釋放回路。Us來(lái)自于電壓-脈寬變換器的輸出，-Us可通過(guò)對(duì)Us反向獲得。當(dāng)Us＞0時(shí)，VT1和VT4導(dǎo)通，Us＜0時(shí)，VT2和VT3導(dǎo)通。按照控制指令的不同情況，該功放電路及其所驅(qū)動(dòng)的直流伺服電動(dòng)機(jī)可有以下4種工作狀態(tài)：

1）當(dāng)UI=0時(shí)，Us的正、負(fù)脈寬相等，直流分量為零，VT1和VT4的導(dǎo)通時(shí)間與VT2和VT3的導(dǎo)通時(shí)間相等，流過(guò)電樞繞組中的的、平均電流等于零，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。但在交流分量的作用下，電動(dòng)機(jī)在停止位置處微振，這種微振有動(dòng)力潤(rùn)滑作用，可消除電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的靜摩擦，減小啟動(dòng)電壓。

2）當(dāng)UI＞0時(shí)，Us的正脈寬大于負(fù)脈寬，直流分量大于零，VT1和VT4的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)于VT2和VT3的導(dǎo)通時(shí)間，流過(guò)繞組中的電流平均值大于零，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，且隨著UI增加，轉(zhuǎn)速增加。

3）當(dāng)UI＜0時(shí)，Us的直流分量小于零，電樞繞組中的電流平均值也小于零，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，且反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速隨著UI減小而增加。

4）當(dāng)UI≥UTPP/2或UI≤-UTPP/2時(shí)，Us為正或負(fù)的直流信號(hào)，VT1和VT4或VT2和VT3始終導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)在最高速下正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

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