超精密研磨機控制設(shè)計

摘要：本文從研磨機控制系統(tǒng)設(shè)計出發(fā)，按研磨機執(zhí)行元件的控制要求，系統(tǒng)分析了液壓、氣壓和電氣式電機等執(zhí)行元件的選擇方案。以直流伺服電機為核心，系統(tǒng)的設(shè)計了研磨機伺服控制系統(tǒng)，文中特別對伺服電機的功放電路的選擇和設(shè)計進行了詳細的闡述。

關(guān)鍵詞：研磨機  伺服    系統(tǒng)  電機  

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)，才能獲得無加工變質(zhì)層的表面；這一點對很多晶體材料、功能材料的制造是至關(guān)重要的。超精密研磨能實現(xiàn)原子級的材料去處，是一種實現(xiàn)加工極限精度的方法。

一、研磨機的基本尺寸及原理

工作臺：       長×寬   1000×450mm               

研磨頭底座：   長×寬   500×230mm                  

工作臺工作重量：     3000N

工作臺行程    △X1=400~900mm

△X2=230~500mm

△Y=230~450mm

研磨機的執(zhí)行元件主要由三臺功率為0.6kw，轉(zhuǎn)速為1500r/min的直流伺服電動機組成。其中電動機Ⅰ號用來拖動主工作臺的X向主運動，研磨頭X、Y向分別由Ⅱ、Ⅲ號電動機來拖動。其中行程分別由兩個偏心輪結(jié)構(gòu)來進行控制行程控制，偏心輪與電動機之間通過減速器減速后得到要求的低速運動。主工作臺＜20r/min，X、Y向＜10r/min。研磨機在研磨過程中要求無振動，運動平穩(wěn)，轉(zhuǎn)動中無緩沖，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

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械執(zhí)行裝置接點部位的一種能量轉(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）電氣式主要有步進電動機、直流伺服電動機、交流伺服電動機等。

液壓式主要有液壓缸液壓馬達等，其優(yōu)點是輸出功率大，動作平穩(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機。

（2）氣壓式主要有氣缸，氣馬達等，其優(yōu)點是氣源方便，成本低，動作快但輸出功率小，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)，因而在進行伺服系統(tǒng)設(shè)計時，只需根據(jù)需要進行合理的選用即可。在此次研磨機的設(shè)計中選用的執(zhí)行元件為直流伺服電動機，直流伺服電動機具有相應(yīng)迅速，精度和效率高，調(diào)速范圍寬，負載能力大，控制特性優(yōu)良等優(yōu)點

2.伺服系統(tǒng)對執(zhí)行元件的要求

（1）慣性小、動力大為使伺服系統(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）便于計算機控制機電一體化產(chǎn)品多采用計算機控制，因而要求伺服系統(tǒng)及執(zhí)行元件也能夠采用計算機來統(tǒng)一控制。由于這一要求，使得伺服電動機在機電一體化伺服系統(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.直流伺服電動機特性

為了對直流伺服電動機進行恰當(dāng)?shù)目刂疲仨毷紫攘私庵绷魉欧妱訖C的靜態(tài)特性，所謂靜態(tài)特性是指電動機在平穩(wěn)情況下工作時，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，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. 直流伺服電動機選擇

根據(jù)所需要的直流伺服電動機的主要技術(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，選取直流伺服電動機的機型為：130ZY102型直流永磁電動機，生產(chǎn)廠家為山東淄博山弘立微電動機有限公司。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)行機構(gòu)方案的設(shè)計

執(zhí)行機構(gòu)是伺服系統(tǒng)中的被控對象，是實現(xiàn)實際操作的機構(gòu)，一般來講，執(zhí)行機構(gòu)中都包含導(dǎo)向機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)方案的選擇主要是導(dǎo)向機構(gòu)的選擇。導(dǎo)向機構(gòu)即導(dǎo)軌，主要分為滑動和滾動兩大類，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；在工作時一部分固定不動，稱為支撐導(dǎo)軌（或?qū)榆墸硪徊糠窒鄬χ螌?dǎo)軌作直線或回轉(zhuǎn)運動，稱為動導(dǎo)軌（或滑座）。

目前，各種導(dǎo)軌基本實現(xiàn)生產(chǎn)的系列化，由于滾動導(dǎo)軌里有以下的特點：1）承載能力大  2）剛性強  3）壽命長  4）傳動平穩(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)計中考慮到經(jīng)濟性及滾動導(dǎo)軌所具有的自身特點，完全可以實現(xiàn)傳動精度和穩(wěn)定性的要求，故選擇滑動導(dǎo)軌作為執(zhí)行元件。

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

6.伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

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

直流伺服電動機的控制與驅(qū)動

    機電一體化伺服系統(tǒng)中多采用永磁式電動機作為執(zhí)行元件，通過控制電樞電壓來控制輸出轉(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)簡單、功耗低、效率高、工作可靠等優(yōu)點，近年來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)指令信號對脈沖寬度進行調(diào)制，以便用寬度隨指令變化的信號去控制大功率晶體管的導(dǎo)通時間，實現(xiàn)對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UI相加，產(chǎn)生信號UI+UT，然后送入比較器。比較器是一個工作在開環(huán)狀態(tài)下的運算放大器，具有極高的開環(huán)增益及限幅開關(guān)特性。兩個輸入端的信號的微弱變化，會使比較器輸出對應(yīng)的開關(guān)信號。一般情況下，比較器負輸入端接地，信號UI+UT從正端輸入。當(dāng)UI+UT＞0時，比較器輸出滿幅度的正電平；當(dāng)UI+UT＜0時，比較器輸出滿幅度的負電平。

可見，由于比較器的限幅特性，輸出信號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UI=0時，輸出信號US為正負脈沖快讀相等的矩形脈沖。

當(dāng)UI＞0時，US的正脈寬大于負脈寬。

當(dāng)UI＜0時，US的負脈寬大于正脈寬。

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

(2)開關(guān)功率方法器    開關(guān)功率方法器的作用事對電壓-脈寬變換器輸出的信號Us進行放大，輸出具有足夠功率的信號Up，以驅(qū)動直流伺服電動機。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)斷時直流伺服電動機繞組中能量的釋放回路。Us來自于電壓-脈寬變換器的輸出，-Us可通過對Us反向獲得。當(dāng)Us＞0時，VT1和VT4導(dǎo)通，Us＜0時，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)動的直流伺服電動機可有以下4種工作狀態(tài)：

1）當(dāng)UI=0時，Us的正、負脈寬相等，直流分量為零，VT1和VT4的導(dǎo)通時間與VT2和VT3的導(dǎo)通時間相等，流過電樞繞組中的的、平均電流等于零，電動機不轉(zhuǎn)。但在交流分量的作用下，電動機在停止位置處微振，這種微振有動力潤滑作用，可消除電動機啟動時的靜摩擦，減小啟動電壓。

2）當(dāng)UI＞0時，Us的正脈寬大于負脈寬，直流分量大于零，VT1和VT4的導(dǎo)通時間長于VT2和VT3的導(dǎo)通時間，流過繞組中的電流平均值大于零，電動機正轉(zhuǎn)，且隨著UI增加，轉(zhuǎn)速增加。

3）當(dāng)UI＜0時，Us的直流分量小于零，電樞繞組中的電流平均值也小于零，電動機反轉(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，Us為正或負的直流信號，VT1和VT4或VT2和VT3始終導(dǎo)通，電動機在最高速下正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

   7、參考文獻

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