机床主轴定位速度控制的研究.pdf机床主轴定位速度控制的研究.pdf

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2008年7月第36卷第7期机床与液压MACHINETOOLHYDRAULICSJUL12008VOL136NO17收稿日期20080401作者简介吴晓1961,男,江苏省南通市人,南通大学电气工程学院副教授,学士,主要从事自动化技术应用,运动控制,机电一体化方面的教学与研究。电话13809081765,EMAILWU1XNTU1EDU1CN。机床主轴定位速度控制的研究吴晓,堵俊,羌予践南通大学电气工程学院,江苏南通226019摘要对采用变频拖动的机床主轴定位的速度控制进行了分析研究,提出了延时减速结合最短减速时间的定位速度控制新方法,并通过一个实例进行了分析计算,结果表明该方法在实际使用中能有效地改善定位的平稳性和准确度,减少辅助工时。关键词主轴定位;速度控制;变频调速;组合机床中图分类号TG65;TP276文献标识码A文章编号10013881200873173STUDYONBEARINGPOSITIONINGSPEEDCONTROLTECHNOLOGYOFMACHINETOOLWUXIAO,DUJUN,QIANGYUJIANSCHOOLOFELECTRICENGINEERING,NANTONGUNIVERSITY,NANTONGJIANGSU226019,CHINAABSTRACTTHEBEARINGPOSITIONINGSPEEDCONTROLTECHNOLOGYOFMACHINETOOLWASSTUDIEDADOPTINGTHEVARIABLE2FREQUENCYDRIVE,ANEWMETHODOFPOSITIONINGSPEEDCONTROL,NAMELYCOMBININGSLOWINGSPEEDBYUSINGOFDELAYTIMEWITHSHORTESTSLOWINGSPEEDTIMEWASPRESENTEDANEXAMPLEWASANALYZEDANDCOMPUTED,THERESULTPROVESTHEMETHODCANIMPROVEPOSITIONINGSTEADINESSANDVERACITYEFFEC2TIVELYANDDECREASEMAN2TIMEKEYWORDSBEARINGPOSITIONING;SPEEDCONTROL;VARIABLE2FREQUENCYADJUSTABLE2SPEED;COMBINEDMACHINETOOL0引言加工工件或加工刀具、夹具在每次加工结束后,必须处于规定的方位上时就要使用主轴定位机构。传统的主轴自动定位机构常采用电气减速机械定位方式,即主轴在加工结束后先制动停止,再设法使主轴慢转让机械设备如定位钩机构来准确定位。主轴制动过程的速度通常处于失控状态且有可能带来较大的电流冲击,其慢转一般工作在“半制动”状态通常为同时通以交、直流电或增加使用定位电机。这样虽然也能实现主轴定位,但使电机工作于较恶劣的情形下或增加了辅助设备1。随着变频调速技术在机械加工设备中的广泛应用,在主轴使用变频调速来实现无级变速的场合,如果主轴具有定位要求则可充分利用变频调速的优势方便地实现主轴定位2。文献3给出了在直线运动定位时对拖动电机的速度采用制动参数延时再制动减速的快速制动定位方法。主轴定位是一种旋转运动,减速过程可能会旋转多圈,本文作者以电气减速机械定位方式中主轴电机速度的控制为研究对象,提出了按旋转圈数分段延时减速结合最短减速时间的定位速度控制新方法,该方法能有效地改善定位的平稳性和准确度,减少了辅助工时。1主轴定位速度控制的思想基于传统定位方法主轴速度控制曲线可用图1表示。当工件加工结束后进入主轴定位,主轴减速旋图1基于传统定位方法的主轴速度转,到达某一爬行速度后慢速转动,定位钩动作,钩端在定位盘圆周表面滑动,直到定位钩落入定位槽,主轴停止转动。在此过程中减速开始点即为加工结束点,减速时间的长短是任意设置的,减速结束点也就任意,导致定位钩等待落入定位槽的时间任意,最长可达慢速转动一周的时间。而且钩端在定位盘圆周上滑动增加了摩擦力,使得爬行速度不能太低,增加了辅助工时和定位时的机械冲击。对主轴速度控制曲线的改进示于图2。图2A在定位盘上增加一个称为减速延时开始计算点的位置监测点,预先根据主轴当前工作转速计算减速延时时间TJS0,工件加工结束后主轴并不马上开始减速,而是检测该点并按TJS0延时,主轴再以最短的减速时间TD减速,并保证定位槽对准定位钩时定位盘减速到爬行速度,随即定位钩动作,正好落入定位槽内。这样,尽管减速延时时间最坏也可能长达主轴转动一周的时间,但这是以快速的工作转速转动一周,较之按爬行慢速转动一周缩短了辅助工时。另外,定位钩一动作即钩入定位槽,减少了在定位盘圆周上的滑动带来的摩擦,可以使爬行速度设置得更低一些,减少了定位带来的机械冲击。图2改进的主轴速度控制曲线对主轴速度控制曲线的进一步改进是考虑到主轴定位是一旋转定位,如果转速为NR时转动一周的时间为TNR,而计算得到的TJS0超过了TNR,即延时过程中主轴将无谓地多转动一周,则可将该转动一周的时间扣除,而只延时剩余的时间TJS图2B。如果最高工作转速下的减速时间TDMAX使主轴旋转多圈,则计算得到的TJS0有可能超过K倍的TNR,即延时过程中主轴将无谓地多转动K圈,则可将转动的K圈时间扣除。即可按旋转圈数K分段计算减速延时时间TJS,这样将大大减少辅助工时。这正是旋转定位不同与直线定位的地方。图2中为了后面研究问题的方便,故意错开了加工结束点,而将减速延时开始计算点对齐并作为坐标原点。2主轴定位速度曲线的设计计算对照图2设计主轴速度控制曲线,实际工作中需要计算和确定的参数有减速延时时间TJS、当前工作转速NR下转动一周所需的时间TNR、最短减速时间TD、爬行速度NMIN等,其中TD、NMIN可离线确定,而TJS、TNR则需在主轴定位时实时计算。211减速延时时间TJS的计算21111基本减速延时时间TJS0的计算首先,计算不考虑按旋转圈数分段计算的减速延时时间TJS0,称为基本减速延时时间。为了计算TJS0,必须确定TJS0与主轴当前的工作转速NR的关系TJS0FNR。显然,为了缩短减速时间,无论在何种情况下主轴都应以最快的速度减速,因此减速的减速度A应该一样,在图2A中表现为两种情形下的速度下降曲线斜率相同;而且,不同工作速度下,自减速延时开始计算点始,减速过程中转过的总圈数角度是一致的,即等于最高工作转速时转过的圈数。利用运动学的基本公式NMAXNMIN2TDMAXNRTJS0NRNMIN2TD式中左边为最高工作转速时转过的圈数;右边为一般情形下转过的圈数,其中TDNRNMINATDMAXNRNMINNMAXNMIN1其中ANMAXNMINTDMAX求出TJS0TJS0TDMAX2NMAXNMINN2MAXNRNR221112考虑按旋转圈数K分段计算减速延时时间TJS根据前面的讨论,当计算得到的TJS0超过了TNR的K倍,则要将此KTNR扣除,设恰好有TJS0KTNR时的NR为NRKK1、2、,则当NRNR1时TJSTJS0当NR≤NR1时TJSTJS0TNR当NR≤NR2时TJSTJS02TNR当NR≤NRK时TJSTJS0KTNR3其中,TNR60/NRS。图3示出了计算模型的曲线。图3减速延时时间TJS的计算模型曲线212最短减速时间TD的计算电机加、减速时间计算的出发点是系统的运动方程式,其计算的要点是加速时将加速电流限制在变频器过电流的容许值内,减速时使回馈制动电压小于变频器的泵升电压动作值。对于恒转矩负载,最短减速时间计算式如下4TDGD2N′RN′MIN375012TMTLMIN其中TM974PNNN式中N′R为对应主轴工作转速的电机转速R/MIN;N′MIN为对应主轴爬行速度的电机转速R/MIN;GD2为折算到电机轴上的飞轮矩KGM2;TM为电机的额定转矩KGM;PN为额定功率KW;NN为额定转速R/MIN;TLMIN为在速度控制范围内,折算到电机轴上的最小负载转矩KGM。必须指出此处计算的减速时间是指从N′R减速到N′MIN所花费的时间,不是在变频器中设置的“减速时间”参数。由于减速度相同,对于不同的工作转速NR不必在线计算不同TD,而只要离线计算NRNMAX时813机床与液压第36卷的减速时间,折算成变频器中的设置参数预先在变频器中设置即可。213爬行速度的确定爬行速度应以电机能带动主轴机构慢速爬行,但又尽量低为要求。变频调速受定子电阻压降及发热等因素影响,低速时带载能力有所下降。因此,实际工作中可通过试验的方式,在保证转动又不发生冲击的情况下,确定爬行转速4。减少爬行时定位钩在定位盘圆周上的摩擦阻碍,是降低爬行速度的有效措施。3主轴定位速度曲线的计算活塞环内外圆同时仿形车、铣组合机床是用于椭圆活塞环加工中内、外圆同时车削与铣开口二道工序加工的组合机床5。在车削工序,主轴夹持并带动活塞环转动,由于是椭圆仿形,所以在仿形车削结束后必须准确定位,保证第二道工序铣开口时被铣削掉的一段始终向上。所以必须实行主轴定位。现以该机床主轴定位为例,计算定位速度曲线。已知主轴电机为PN715KW,NN2945R/MIN,传动减速比为1∶20,按工艺要求,主轴转速NMAX120R/MIN2R/S,即电机最大转速N′MAX2400R/MIN,主轴最低工作转速NRMIN30R/MIN015R/S,经反复试验,确定主轴爬行速度为NMIN3R/MIN0105R/S,即电机最低转速N′MIN60R/MIN,另外有,GD201475KGM2,TLMIN01496KGM。计算两种定位方法最坏情形下主轴定位过程花费的时间,即方式A传统定位方法,且加工结束时定位钩恰好越过定位槽。为此,主轴减速至爬行速度后将还需转一圈。方式B改进定位方法,且加工结束时检测点恰好越过减速延时开始计算点。为此,主轴将还需转一圈,才开始计时。依据前述式14及运动学的基本公式N2MINN2R2AR,计算NR1、NR2等几个点的速度和时间,比较方式A、B下主轴定位的时间如表1所示图3即按表中数据绘制。表1两种定位方法最坏情形下主轴定位时间比较转速/RMIN1转过一圈的时间TNR/S最短减速时间TD/STSJ0/STSJ/S方式A共耗时/S方式B共耗时/SNMAX1200152198800219882022198801521988313979NR19814501612143801610214382022143801612143831048NR2701810184711732116901173220211732018471173221579NRMIN3020169051751175016901612071618972117501694144对其中NRMIN的情形作一说明方式A在减速过程中,主轴转过的圈数为RN2MINN2R2A0105201522016526011896,剩下1011896018104圈,以慢速爬行,耗时20018104161207S,共耗时0169161207161897S;方式B主轴多转一圈花时2S,延时减速1175S,减速0169S,共耗时2117501694144S。由上述分析可见,无论是何种情形,改进后的定位速度控制方法都将大大减少了辅助工时。对于可能频繁起停定位的加工过程而言,其作用不可小觑。4结论使用上述改进后的主轴定位速度控制方法,从实例计算可以看出大大减少了辅助工时,提高了生产效率。同时,定位钩在定位盘上滑动距离大大缩短,减少了摩擦,降低了爬行速度,从而减少了定位时的冲击,提高了定位平稳性。实际系统使用、运行结果表明该方法既满足了生产工艺要求又简化了设备结构及控制过程,方便实用,运行可靠。参考文献【1】大连组合机床研究所组合机床设计第一册机械部分M北京机械工业出版社,1975【2】祁鲲,厉虹异步电动机定位控制技术研究现状及发展展望J北京机械工业学院学报,2001,1631316【3】杜东,黄尚先PLC在准确定位系统中的应用J电气传动,200014749【4】许振茂,赵曜,王俊岳变频调速器使用手册M北京兵器工业出版社,1992141144【5】吴晓,堵俊活塞环仿形车、铣组合机床PLC控制的研究J南通工学院学报,1999,15458上接第316页北工业大学,2005【9】陈昊开关磁阻调速电机系统研究J仪器仪表学报,2001,223【10】宋文超,林永开关磁阻电机调速系统J煤炭科学技术,2001,299【11】陈新,郑洪涛,蒋静坪基于角度控制的开关磁阻电动机模糊控制系统J电力电子技术,20044【12】王向基于模糊控制规则的开关磁阻电机控制系统特性研究J中国科技信息,2006,16913第7期吴晓等机床主轴定位速度控制的研究
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