數控車床伺服進給系統精度研究

[摘 要] 伺服電機精密定位系統是由控制系統與差動輪系統進行組合而成的一種變速傳動系統。通過伺服電機內部設置傳輸參數，可以實現準確的速度和增大調速范圍，還能夠增加伺服電機的承載能力。所以，伺服電機精密定位系統在一定程度上有著較為廣闊的應用前景。通過對伺服電機精密定位系統的運動學進行分析與研究，推導出了不同組合類型裝置的傳動比、調速范圍等運動學關系式；詳細分析了裝置內功率流流向、是否存在封閉循環功率以及封閉循環功率方向的問題，給出了不同組合類型裝置內部的功率流計算方法；利用嚙合功率法對裝置的傳動效率進行分析，最后推導出裝置的傳動參數和傳動效率之間的關系式。

[關 鍵 詞] 數控車床；系統；精度

[中圖分類號] TP18 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2015）05-0005-05

以往在設計伺服電機時，經常采用變速直流電動機，不但成本高，占地面積大，而且變速范圍往往不能滿足工作需要。因此，本文參照有關資料設計了一種控制式差動伺服電機精密定位技術。試制完成后用變量油泵作為負載，在各種高速和載荷下進行了三小時的現場實驗，除發現皮帶盤連接處漏油及調節手輪在摩擦扭矩作用下有自轉現象外，其他主要性能完全符合設計要求。這種控制式差動伺服電機精密定位技術的主要特點是調速范圍大，可以在運轉狀態下連續從反轉調節到正轉，而且運轉平穩，結構緊湊[1]。

一、數控車床伺服進給系統

伺服電機精密定位系統是通過帶傳動或齒輪傳動系統調節伺服電機，其中，機械伺服電機和皮帶伺服電機應用最為廣泛。皮帶伺服電機又分為平皮帶和V形皮帶伺服電機。其工作原理如圖1所示，當主動輪轉動時，使用機械張力器、錐輪、運動和力之間的摩擦力將動力從主動輪傳遞到從動輪上，通過操縱機構可以改變滑輪、錐形的工作狀態以及改變驅動工作，實現變速半徑。無級變速傳動和定傳動比、有級變速傳動相比，它能夠根據工作需要在一定范圍內連續變換速度，以適應輸出轉速和外界負荷變化的要求，而且功率特性好，因此，在現代機械傳動領域內占有重要地位[2]。

近年來，為了擴大無級變速傳動的調速比（范圍）、傳動功率和過零調速，控制式無級變速傳動——用伺服電機精密定位技術作為封閉二自由度差動輪系的兩個基本構件而組成的單自由度行星伺服電機已成為研究熱點，通常稱之為封閉行星伺服電機。這種系統中大部分功率流經差動輪系，而只有小部分功率流經伺服電機[3]。此外，車用伺服電機和伺服電機的穩速問題也是研究熱點。伺服電機精密定位系統是由基本伺服電機對差動輪系統進行控制，從而構成一種組合式變速傳動系統。電機皮帶經過三角變速齒輪箱，輸出功率得到進一步提高，經過斜齒輪、皮帶和凸輪軸進行規范的流程操作，通過齒輪箱的兩套滑模變齒輪機構的調節，達到變速的效果，通過對輸入軸的轉速控制，變換輸出軸的動力和轉速，將調速過程限制在一個多段變速范圍內，以獲得不同的輸出轉速，然后在凸輪軸實現轉速的變化，以滿足現實生產操作中的各種要求。差動伺服電機行星齒輪傳動齒數分配及定軸齒輪傳動齒數分配是控制式差動變速傳動設計的難點。目前，伺服電機精密定位系統的配齒設計還沒有具體簡便的方法。本文通過對伺服電機精密定位系統的齒數分配方法及計算進行研究，提出了一種實用的配齒計算方法。

伺服電機精密定位系統主要應用如下：

（1）為適應工藝參數多變或輸出轉速連續變化的要求，運轉中需經常地改變速度，但不應在某一固定速度下長期運轉，如機床、卷繞機、車輛和攪拌

機等；

（2）探求最佳工作速度，如試驗機、自動線等；

（3）幾臺機器或一臺機器的幾個部分協調運轉；

（4）緩慢啟動以合理利用動力，通過調速以快速越過共振區；

（5）車輛變速箱，可節省燃料約9%，縮短加速時間，簡化操作。

采用無級變速傳動有利于簡化變速傳動結構、提高生產率和產品質量、合理利用動力和節能、實現遙控及自動控制，同時也減輕了操作人員的勞動強度。伺服電機精密定位系統由機械伺服電機和差動行星齒輪機構組合而成，它具有擴大伺服電機的調速范圍，或者擴大伺服電機的傳遞功率、提高調速精度等優點。

二、數控車床伺服進給系統精度研究與優化

如圖1所示，為了實現電氣控制的需要，本次的系統設計主要包括了如下五個部分：（1）控制面板模塊；（2）姿態傳輸模塊；（3）系統主控模塊；（4）伺服控制模塊；（5）編碼盤計數模塊。詳情如圖1所示：

在系統工作之前，用戶可以通過控制面板來設定系統的初始值，而在開始工作之后，則可以通過以太網接收遠程指令，對天線的姿態進行調整，同時系統還能夠接受碼盤計數信息，這些信息經過計算處

理之后，能夠得出誤差信號，將這些誤差信號轉換形成特定頻率的脈沖信號，從而通過對電機驅動器的

調控，達到控制天線的俯仰角和方位調整的目的。與此同時，當系統在工作的時候，用戶還能夠通過控制面板對整個系統進行控制以及檢測。

用戶通過控制面板能夠實現對系統的實時監控，控制面板與控制器是通過RS485串行通信進行數據的傳輸和指令的交換的，而精密伺服系統信息的傳輸則是依據以太網的遠程傳輸功能，并且通過RS232串行通信實現數據的傳輸。作為系統的核心部分，控制器通過電機驅動器、減速器以及編碼盤對天線的姿態進行調整。

本次設計的系統硬件的核心部分是控制面板和控制器，控制器主要是由系統的主控模塊部分和伺服模塊構成的。而微型處理器則是控制面板以及控制器的核心構成部分，從目前來看，廣泛應用于伺服控制的核心處理器主要包括了單片機、專用的控制芯片以及數字信號處理器，基于成本的考慮，我們選用的是51系列的單片機，將其作為本系統的核心處理器。并且在MedWin環境下對其進行開發，該環境能夠支持C語言編程，而且由于具備窗口風格，開發相對較為便利，我們現在該環境下完成程序編寫，并且進行仿真調試，最后再將程序下載到單片機。系統的具體硬件結構詳見圖2：

控制面板的主要作用體現在充當初始值、系統主要控制方案以及直接對天線進行控制的操作的設置，是重要的人機交互設備；除此之外，借助顯示器可以獲取目標天線角度、狀態以及系統相關信息。

控制面板功能體現為以下幾點：第一，進行固定地理坐標的設置，也就是經緯度；第二，提供手動及自動兩種控制天線轉動的方式，其中，自動控制就是系統的定向控制模式，手動控制對天線正向或反向的調試則需要用戶通過手動方式實現；第三，向系統發出回歸至零位的復位命令。

如圖3所示，硬件主要包括：液晶LCD、中央處理器、鍵盤以及RS485接口，其中后者用于確保與系統控制模塊通信的實現。功能模塊大致包括：

第一，顯示，即所收集到的天線信息以及以太網中的調整信息借助主控制器向液晶顯示模塊進行傳輸，并對該顯示模塊予以一定的控制，使其將接收到的信息通過既定格式展示；第二，操縱輸入，即相關操作者為達到對儀器模式予以控制的目的，在鍵盤輸入相關控制指令的行為，以所輸入的控制指令為主要依據，單片機會實現諸如控制模式或顯示數據等功能。

上述功能的實現是建立在電源模塊的基礎之上的，電源模塊是系統設計的重要內容之一。

（1）液晶模塊

本設計方案選取HG122321-LYH型號的液晶。

從示意圖可知：主、分方式工作分別是SED1520（1）和SED1520（2）；前者時序信號通過OSC2傳出，且OSC1與OSC2跨接電阻；后者通過OSC2將SED1520FOA（1）提供的時鐘輸入。通電一段時間后，兩個芯片的RES即達到高電平狀態，因此主要是對68系列MPU時序進行控制。E1，E2信號決定芯片的選通。

上述幾大模塊在設置方面，ADC選擇為0，占空比為1∶32。

如圖5所示，為液晶模塊與單片機之間的接口。

（2）單片機模塊

本研究用STC12C5404單片機作為顯示控制CPU。作為新一代單時鐘/機器周期（1T）兼容8051內核單片機，STC12C5404對流水線進行了更新，對指令集結構予以了優化，并采用專用的MAX810集成電路。

三、結論

本文研究了控制式差動變速安裝的傳動方案，擴展了伺服電機的調速范圍，解決了伺服電機精密定位系統安裝游移不定的局限性。進行了封鎖輪回的功率比設置，防回流閥，從整體機械效率比封鎖輪回，雖然沒有改變機械回流的效率，但后者具有更大的應用前景。該系統擴展了普通串級節制系統的功用，多模態串級節制具有較強的魯棒性、非線性和時變特征，對于負荷轉變頻頻的對象具有良好的節制結果。擴展速度局限的封鎖輪回，封鎖輪回功率的偏向取決于回流裝置內傳輸連接點的傳達。封鎖輪回將使設備的機械功率損耗、效率大大下降。

參考文獻：

[1]蔣慰孫.過程控制工程[M].北京：中國石油化學工業出版社，1998：45.

[2]金以慧.過程控制[M].北京：清華大學出版社，1993：243.

[3]柏建國.人工智能與控制決策[J].自動化與儀器儀表，1996（03）.