超精密研磨机控制设计

摘要：本文从研磨机控制系统设计出发，按研磨机执行元件的控制要求，系统分析了液压、气压和电气式电机等执行元件的选择方案。以直流伺服电机为核心，系统的设计了研磨机伺服控制系统，文中特别对伺服电机的功放电路的选择和设计进行了详细的阐述。

关键词：研磨机  伺服    系统  电机  

超精密研磨的主要功能，是获得极高的零件表面质量，主要指极低的表面粗糙度（Ra0.01—0.0001μm），极高的面型精度（平面度、平行度、圆度等）和无加工变质层（表面完整性）。只有采用超精密研磨技术，才能获得无加工变质层的表面；这一点对很多晶体材料、功能材料的制造是至关重要的。超精密研磨能实现原子级的材料去处，是一种实现加工极限精度的方法。

一、研磨机的基本尺寸及原理

工作台：       长×宽   1000×450mm               

研磨头底座：   长×宽   500×230mm                  

工作台工作重量：     3000N

工作台行程    △X1=400~900mm

△X2=230~500mm

△Y=230~450mm

研磨机的执行元件主要由三台功率为0.6kw，转速为1500r/min的直流伺服电动机组成。其中电动机Ⅰ号用来拖动主工作台的X向主运动，研磨头X、Y向分别由Ⅱ、Ⅲ号电动机来拖动。其中行程分别由两个偏心轮结构来进行控制行程控制，偏心轮与电动机之间通过减速器减速后得到要求的低速运动。主工作台＜20r/min，X、Y向＜10r/min。研磨机在研磨过程中要求无振动，运动平稳，转动中无缓冲，以及环境温度都有特别要求（一般为室温20℃）。

二、控制系统结构设计

1.执行元件的选择

执行元件是位于电器控制装置和机械执行装置接点部位的一种能量转换装置，它能在控制装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换成机械能。

伺服系统中所用的执行元件主要有以下几类：

（1）电气式主要有步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等。

液压式主要有液压缸液压马达等，其优点是输出功率大，动作平稳，但需要相应的液压源，占地面积大。容易漏油而污染环境，控制性能不如伺服电动机。

（2）气压式主要有气缸，气马达等，其优点是气源方便，成本低，动作快但输出功率小，体积大，工作噪声大，且难于伺服控制。

目前大多数执行元件大都已形成系列产品，又专门的厂家生产，因而在进行伺服系统设计时，只需根据需要进行合理的选用即可。在此次研磨机的设计中选用的执行元件为直流伺服电动机，直流伺服电动机具有相应迅速，精度和效率高，调速范围宽，负载能力大，控制特性优良等优点

2.伺服系统对执行元件的要求

（1）惯性小、动力大为使伺服系统具有良好的快速相应性能和足够的负载能力，希望执行元件具有较小的惯量并输出较大的功率。

（2）体积小、质量轻为使执行元件易于安装及与机械系统连接，使伺服系统结构紧接，常希望执行元件具有较小的体积和较轻的质量。

（3）便于计算机控制机电一体化产品多采用计算机控制，因而要求伺服系统及执行元件也能够采用计算机来统一控制。由于这一要求，使得伺服电动机在机电一体化伺服系统中得到了广泛的应用。

（4）成本低、可靠性好、便于安装和维修

3.直流伺服电动机特性

为了对直流伺服电动机进行恰当的控制，必须首先了解直流伺服电动机的静态特性，所谓静态特性是指电动机在平稳情况下工作时，其转子转速，电磁力矩和电枢控制电压三者之间的关系。在采用电枢电压控制时，磁通φ为一常量，如果电枢电压Va保持恒定，则静态特性方程为：

ω=ω0-kTm

4. 直流伺服电动机选择

根据所需要的直流伺服电动机的主要技术参数（如：额定功率，额定电压，额定电流，额定转速，额定转矩，最大转矩）等，选取直流伺服电动机的机型为：130ZY102型直流永磁电动机，生产厂家为山东淄博山弘立微电动机有限公司。其主要技术参数为：电压 220V、转速 1500r.min-1 、转矩 3822mN.m、电流 3.5A、 功率0.6kw、允许正反转速差150r.min-1。

5.执行机构方案的设计

执行机构是伺服系统中的被控对象，是实现实际操作的机构，一般来讲，执行机构中都包含导向机构，执行机构方案的选择主要是导向机构的选择。导向机构即导轨，主要分为滑动和滚动两大类，每一类按结构型式和承载原理又可分为多种类型。一幅导轨主要有两部分组成；在工作时一部分固定不动，称为支撑导轨（或导动轨），另一部分相对支撑导轨作直线或回转运动，称为动导轨（或滑座）。

目前，各种导轨基本实现生产的系列化，由于滚动导轨里有以下的特点：1）承载能力大  2）刚性强  3）寿命长  4）传动平稳可靠  5）具有结构自调整的能力。因此，能够实现导向作用。

在此次设计中考虑到经济性及滚动导轨所具有的自身特点，完全可以实现传动精度和稳定性的要求，故选择滑动导轨作为执行元件。

本设计选用汉江机床厂的HJG-D系列滚动直线导轨， 其中HJG-25型号的导轨的Ca值为17500N，能满足5年使用的要求，所以可选用HJG-25型号的滚动直线导轨。

6.伺服控制系统设计

   由于选用的执行元件为直流伺服电动机，因此控制系统方案的选择即为直流伺服电动机的控制。开环伺服系统结构如图1所示，

直流伺服电动机的控制与驱动

    机电一体化伺服系统中多采用永磁式电动机作为执行元件，通过控制电枢电压来控制输出转速和转矩。功放电路油称功率放大器，目前有两种，一种是晶闸管脉冲功率放大器，另一种是晶体管脉冲宽度调制（PWM）功率放大器。后者与前者比较具有结构简单、功耗低、效率高、工作可靠等优点，近年来得到了非常广泛的应用。

1. PWM晶体管功率放大器的工作原理

PWM晶体管功率放大器由两部分组成，一部分时电压-脉宽变换器，另一部分是开关功率放大器其结构如图2所示：

         图2 PWM晶体管功率放大器的工作原理

(1).电压-脉宽变换器  电压脉宽变换器的作用是根据指令信号对脉冲宽度进行调制，以便用宽度随指令变化的信号去控制大功率晶体管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制。

电压-脉宽变换器由三角波发生器、加法器和比较器组成。三角波发生器用于产生一定额定功率的三角波UT，该三角波经加法器与输入指令信号UI相加，产生信号UI+UT，然后送入比较器。比较器是一个工作在开环状态下的运算放大器，具有极高的开环增益及限幅开关特性。两个输入端的信号的微弱变化，会使比较器输出对应的开关信号。一般情况下，比较器负输入端接地，信号UI+UT从正端输入。当UI+UT＞0时，比较器输出满幅度的正电平；当UI+UT＜0时，比较器输出满幅度的负电平。

可见，由于比较器的限幅特性，输出信号US的幅度不变，但脉冲宽度随UI的变化而变化。US的频率由三角波的频率所决定。

当指令信号UI=0时，输出信号US为正负脉冲快读相等的矩形脉冲。

当UI＞0时，US的正脉宽大于负脉宽。

当UI＜0时，US的负脉宽大于正脉宽。

当UI≥UTPP/2（UTPP/2是三角波的峰-峰值）时，Us为一正直流信号；当UI≤UTPP/2时，Us为一负直流信号。

(2)开关功率方法器    开关功率方法器的作用事对电压-脉宽变换器输出的信号Us进行放大，输出具有足够功率的信号Up，以驱动直流伺服电动机。开关功率放大器采用大功率晶体管构成。根据各晶体管基极所加的控制电压波形，可分为单极性输出，双极性输出和有限单极性输出三种方式。

由于大功率晶体管VT1～VT4组成H型桥式结构的开关功放电路，由续流二极管VD1～VD4构成在晶体管关断时直流伺服电动机绕组中能量的释放回路。Us来自于电压-脉宽变换器的输出，-Us可通过对Us反向获得。当Us＞0时，VT1和VT4导通，Us＜0时，VT2和VT3导通。按照控制指令的不同情况，该功放电路及其所驱动的直流伺服电动机可有以下4种工作状态：

1）当UI=0时，Us的正、负脉宽相等，直流分量为零，VT1和VT4的导通时间与VT2和VT3的导通时间相等，流过电枢绕组中的的、平均电流等于零，电动机不转。但在交流分量的作用下，电动机在停止位置处微振，这种微振有动力润滑作用，可消除电动机启动时的静摩擦，减小启动电压。

2）当UI＞0时，Us的正脉宽大于负脉宽，直流分量大于零，VT1和VT4的导通时间长于VT2和VT3的导通时间，流过绕组中的电流平均值大于零，电动机正转，且随着UI增加，转速增加。

3）当UI＜0时，Us的直流分量小于零，电枢绕组中的电流平均值也小于零，电动机反转，且反转转速随着UI减小而增加。

4）当UI≥UTPP/2或UI≤-UTPP/2时，Us为正或负的直流信号，VT1和VT4或VT2和VT3始终导通，电动机在最高速下正转或反转。

   7、参考文献

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