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

　　1 雙蝸桿無間隙驅動回轉工作臺結構設計

　　在加工中,回轉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,這就導致了該機床伺服系統具有特殊性。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生周期性變化的離心力。離心力大小和方向不斷變化,導致單蝸桿傳動機構產生傳動間隙,傳動間隙使加工產生一定的空行程,導致較大的切削顫振的發生,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致切削無法進行。為了避免上述現象發生,這里采用雙蝸桿無間隙驅動機構。設計的這種大型回轉工作臺還設置有：蝸桿的軸向力液壓伺服平衡機構,雙蝸桿的同步驅動機構,啟動和剎車時的慣性飛輪機構等。

　　2 交流伺服雙驅動進給系統設計

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

　　2.1 交流伺服進給系統數學模型

　　(1)交流伺服電動機數學模型的建立

　　伺服進給系統中,驅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 伺服傳動系統特性仿真

　　3.1 傳動系統的時域特性仿真

　　在仿真時選取電動機為三菱HA-LP系列,MR-J3系列驅動器,具體參數：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,轉子直徑65mm,長度780mm。運用經典控制理論,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,使系統始終處于欠阻尼狀態下工作,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。不論系統阻尼的大小其響應時間都是在0.03s之內,超調量不大于20%,說明此時的伺服傳動系統無振蕩產生。但隨著阻尼比的減小,系統的快速響應性能有所提高,而系統的相對穩定性降低,超調量增大。為了使系統具有較好的穩定性和快速響應性能,這里選擇阻尼比在0.6~0.8范圍內。

　　3.2 傳動系統的頻域特性仿真

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

　　4 直線雙驅動中的過定位分析

　　在直線雙驅動技術帶來了優越性的同時也帶來了一個問題,那就是過定位的出現。假設整個伺服系統穩定,那么僅需要保證兩根絲杠在傳遞過程中的扭轉角差值在一個合理的范圍內就可以實現雙驅動。在進給系統的結構設計中將支撐導軌的間隙保持在±0.02mm范圍內可以解決過定位問題。這里所選的光電編碼器為262.144P/r,即：電動機每轉一轉發出的脈沖數為262.144,因此電動機每轉一度發出的脈沖數約為728.2,因此當a=0.001320時,兩電動機所發出的脈沖數相差個數N為：

　　N=0.00132° ×728.2=0.961≈1

　　即：當兩臺交流伺服電動機發出的脈沖數相差一個脈沖時,就能避免伺服直線雙驅動中過定位的發生。

　　5 結 論

　　曲拐的高速、高精車銑加工機床的設計不同于傳統的機床設計;在主運動系統中,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中的回轉工作臺的驅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動機構;通過對該進給系統的仿真,證明了其數學模型具有良好的可靠性;利用MATLAB對系統進行動態仿真,得到了系統響應性能曲線,證明系統具有良好的響應性能;通過修改傳動系統和PID控制器的參數所得出的仿真結果,驗證了本系統有較好的響應特性和穩定特性;通過對直線雙驅動的過定位的分析,給出了兩臺伺服電動機發出脈沖的相差值。

　　工程師論文發表須知：《儀表技術與傳感器》雜志1964年創刊，月刊，是面向儀器儀表行業的專業性科技期刊，是中國儀器儀表行業最具影響力的期刊之一。本刊主要報導儀器儀表、敏感元件及傳感器、電子元器件、檢測設備、自動化控制系統以及相關的工藝技術、應用技術等。