复合伺服驱动高速进给工作台研究

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关键词:复合伺服 驱动控制 工作台

    高速高精度加工要求现代机床设备的动态同步跟踪响应速度越来越高,加工速度和加工精度要求不断提高,其动态定位响应精度要求也不断提高,大的切削量要求机床设备有更高的刚度。这样就需要增加滚珠丝杠的几何尺寸和伺服电动机的驱动功率,使滚珠丝杠副的磨损情况也更加严重,大大影响了机床设备加工精度的稳定性。为有效改善进给工作台滚珠丝杠副的伺服驱动运行状态,有效保持滚珠丝杠的精度稳定性。本文提出了复合伺服进给工作台的伺服控制方法。

    1 高速复合伺服进给工作台工作原理

      在一般进给速度的滚珠丝杠副驱动工作台驱动系统中,滚珠丝杠副伺服驱动控制系统是起到两个作用:既要完成对进给工作台的精密定位控制,又要完成对进给工作台的加减速驱动控制。进给工作台加减速驱动控制下滚珠丝杠的磨损情况直接影响滚珠丝杠的精密定位精度。但是,在高速进给工作台驱动系统中,对进给工作台滑板的加减速驱动控制,将使滚珠丝杠驱动系统受到很大的动态变化的驱动力,并且,速度变化越大,受到的动态驱动力越大,产生的摩擦力就越大。这一现象造成的直接后果是加速滚珠丝杠定位槽的磨损,从而造成其精密定位精度的下降,进而使进给工作台的进给定位精度下降。并且,工作台质量越大,滚珠丝杠副的磨损越严重。为克服上述问题,本文采用一种新型工作台复合进给驱动控制系统.

      该驱动控制系统主要由进给工作台的机械结构和进给伺服驱动控制两大部分组成。机械结构部分主要由滚珠丝杠主进给伺服驱动装置和液压辅助进给伺服驱动装置两部分组成;进给驱动控制部分主要由滚珠丝杠主驱动控制装置及进给控制器单元和液压缸辅助驱动控制装置及进给控制器两部分组成。滚珠丝杠主驱动装置主要承担进给定位任务,液压辅助驱动装置主要承担进给驱动任务;主辅驱动控制装置主要承担两种驱动方式的控制作用,进给控制器单元主要完成对两种驱动方式的分别同步控制作用。

      为有效地改善高速进给工作台滚珠丝杠恶劣的工作状况,提高进给工作台定位精度保持特性,本文采取将滚珠丝杠副的定位功能与加减速驱动功能部分分离的方法,来改善工作台的整体动态性能。由滚珠丝杠副主要完成精密定位功能,由起辅助驱动作用的液压伺服系统主要承担滑台的加减速驱动功能。液压伺服系统的随动性使辅助驱动作用不会影响滚珠丝杠的精密定位功能,使工作台滚珠丝杠的驱动力矩有效减小,提高了动态驱动刚度。所以,本文认为由滚珠丝杠和液压缸共同组成的复合进给驱动伺服系统将进给定位与驱动伺服分开考虑又协调一致的新思想是一种改变高速进给工作台动态定位驱动控制的方法,液压伺服驱动系统与滚珠丝杠定位系统之间的动态同步协调控制是复合进给伺服驱动系统的关键技术。

    2 进给工作台同步控制

      进给工作台同步控制技术问题决定着整个进给工作台的综合动态响应性能。但与滚珠丝杠驱动系统相比,液压驱动系统的响应会出现滞后和延时,这会严重影响两个伺服驱动系统的同步协调控制。为此,采取了多项措施保证两者的动态同步误差保持在一定允许范围内。

      首先,对液压伺服系统进行快速动态跟踪响应设计,满足动态响应特性要求;其次,为保证两个伺服系统驱动的协调同步,由控制器输出两路有严格同步要求的控制信号,分别提供给两个伺服系统,以满足同步的要求;再者,为克服液压伺服驱动系统本身响应滞后的影响,研究在液压伺服系统控制方法中增加有效控制环节,来满足两者的同步跟踪精度要求问题。

      复合伺服驱动进给工作台同步控制系统由进给工作滑台、滚珠丝杠副、联轴器、伺服电动机、电动机驱动器、工控机、液压驱动控制器、电液比例阀、电磁换向阀、流体压力传感器、溢流阀、油泵、液压缸M1和作用力传感器等组成。

      复合进给伺服驱动系统的工作原理为:当由工控机发出进给工作台快速向前移动指令时,通过接口电路将加速控制信号同时送到伺服电动机驱动器和液压伺服控制器中,伺服电动机通过滚珠丝杠副驱动进给工作台加速移动;同时,液压伺服控制器通过电液比例阀和电磁换向阀驱动液压缸,由液压缸经过作用力传感器驱动工作台进给。通过作用力传感器中信号的大小和方向,能使复合进给伺服系统及时获得两个进给伺服系统的同步运行信号,从而能及时动态地调整伺服系统。伺服电动机的伺服驱动主要起到驱动进给定位控制作用和部分的进给驱动作用,而伺服液压缸的伺服驱动主要起到辅助伺服进给驱动作用,以有效地减小滚珠丝杠副在进给工作台加速过程中承担的驱动力,从而可有效地减小滚珠丝杠副的发热和磨损。由于液压伺服系统的延时、回滞和低通滤波作用,使控制器单元输出的控制信号从液压伺服控制器到电液比例阀和电磁换向阀,再到液压缸将会产生较大的输出失真,使伺服液压缸输出的伺服驱动力的变化特性与交流伺服电动机输出的加减速曲线变化特性不相吻合。因而需要对液压伺服系统采取有效的动态自动矫正措施,使这两种伺服驱动系统之间的不同步误差限定在允许的范围之内,确实能减小滚珠丝杠副在进给工作台加减速过程中承受的驱动力,这也是实现两者协调控制的关键技术之一。

    3 结语

      电液伺服驱动系统的输出响应速度与伺服电动机驱动系统输出响应速度之间有一定的响应误差,但因为滚珠丝杠定位系统的确定性与电液伺服系统的快速响应和定位的不确定性,恰好使后者既能起到有效减小进给工作滑台、滚珠丝杠在加减速过程中承受的实际驱动力,又不干涉滚珠丝杠对滑台移动的准确定位控制。所以只要使两者动态响应定位的不同步性限定在一个小的允许范围内就可以保证两种驱动的一致性。改善高速进给工作台的整体动态性能是有效改善高速进给工作台综合性能的一条可行的实用途径。


    (审核编辑: 智汇张瑜)