高頻響大行程高精度微進給裝置的製作方法

2023-05-08 17:10:36

專利名稱：高頻響大行程高精度微進給裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及工具機的進給裝置，屬工具機的附屬裝置。
微進給裝置是精密加工和動態誤差補償控制系統的關鍵技術。在當今眾多的微進給裝置中，利用機械傳動機構的微進給裝置雖然可以具有一定的行程和精度，但其頻響很低；壓電晶體、電致伸縮、磁致伸縮、彈性變形等微進給裝置的頻響和精度都很高但其行程很小，因此，它們都不能兼有高頻響和大行程的特點。在某些應用場合，如中凸變橢圓活塞的數控車削等，要求微進給裝置同時具有高頻響、大行程和高精度的特點，如上所述，現有的微進給裝置都難以滿足這一要求。
本發明的目的是提供一種同時具有高頻響和大行程特性的高精度微進給裝置。
本發明高頻響、大行程、高精度微進給裝置由執行機構及控制系統兩部分組成，執行機構由直線運動機構，位置反饋元件所組成；直線運動機構有一個直線運動軸(1)(見圖1)在運動軸(1)上安裝繞有線圈(2)的框架(3)，該框架(3)處在一個由磁鐵(4)產生的磁場內，運動軸(1)的兩端支承在軸承(5)上，當線圈(2)通過電流時則運動軸(1)即由洛侖茲力的作用而產生直線運動；位置反饋元件為一個直線位移傳感器(雷射幹涉儀或電渦流傳感器)(7)，安裝在運動軸(1)的一端；用來檢測運動軸(1)的實際位移，將位移信號通過接口電路送入控制系統進行位置控制。
當位置反饋元件為雷射幹涉儀時，控制系統(圖2)由並行接口電路(I)、計算機(II)、解碼及驅動電路(III)、D/A轉換電路(IV)、放大電路(V)組成，並行接口電路(I)採用並行接口晶片8255，用來接收雷射幹涉儀輸出的位置信號並輸入計算機，計算機(II)可採用一般的計算機，用來對雷射幹涉儀的信號進行運算並給出控制信號，解碼及驅動電路(III)由三態收發器(74LS245)，解碼器(74LS138)，反相器(74LS04)，與門(74LS21，74LS08)及其外圍電阻組成。三態收發器與計算機總線相連，以提高計算機系統總線的驅動能力，解碼器及門電路進行地址解碼，以給出並行接口及D/A轉換器的地址，D/A轉換電路(IV)由D/A轉換晶片(DAC1210)及運放(OP07)組成，用來將計算機輸出的數字量控制信號轉換成模擬量電壓信號，放大電路(V)由運放(L465)，三極體(MJ024，MJ025)及外圍電阻組成，運放(L465)將由D/4轉換電路(IV)來的電壓信號進行前置放大，三極體及其外圍電阻組成功率放大電路將前置放大的信號再進行放大，並輸出到執行機構(直線運動機構)。整個控制系統工作過程如下雷射幹涉儀檢測運動軸的實際位移，通過並行接口電路送入計算機中，計算機輸出相應的控制信號(數字量)，由D/A轉換電路轉換為相應的電壓，送入放大電路，去驅動執行機構。
當位置反饋元件為電渦流傳感器時，控制系統(圖3)由A/D轉換電路(VI)、計算機(VII)、解碼及驅動電路(VIII)、D/A轉換電路(IX)、放大電路(X)組成，A/D轉換電路(VI)由A/D轉換晶片AD574，鎖存器8212及其外圍電阻組成，從電渦流傳感器輸出的位置信號經A/D轉換後進入鎖存器，再經入計算機，計算機(VII)可用一般計算機，解碼及驅動電路由三態收發器(74LS245)，解碼器(74LS138)，反相器(74LS04)，與門(74LS21，74LS08)及其外圍電阻組成。三態收發器與計算機總線相連，以提高計算機系統總線的驅動能力，解碼器及門電路進行地址解碼，以給出並行接口及D/A轉換器的地址，D/A轉換電路(IX)由D/A轉換晶片(DAC1210)及運放(OP07)組成，用來將計算機輸出的數字量控制信號轉換成模擬量電壓信號，放大電路(X)由運放(L465)，三極體(MJ024，MJ025)及外圍電阻組成，運放(L465)將由D/A轉換電路(IX)來的電壓信號進行前置放大，三極體及其外圍電阻組成功率放大電路，將前置放大的信號再進行放大，並輸出到執行機構(直線運動機構)。整個控制系統工作過程如下A/D轉換電路接收電渦流傳感器輸出的模擬電壓信號，將它轉換為相應的數位訊號，送入計算機中，計算機輸出相應的控制信號(數字量)，由D/A轉換電路轉換為相應的電壓，送入放大電路，經功率放大後去驅動執行機構。
控制系統的作用是接收位置反饋信號，在此基礎上產生控制運動軸運動的控制信號，從而快速、準確地輸出所需的運動。
本發明的位置控制採用積分分離的比例積分微分(PID)控制，其方程為U(n)＝Kp×e(n)＋ΔUi(n)＋Kd×[e(n)－e(n－1)]＋Ui(n－1)＝Kp×e(n)＋K1×Ki×e(n)＋Kd×[e(n)－e(n－1)]＋Ui(n－1)其中Kp----PID控制器的比例係數Ki----PID控制器的積分係數Kd----PID控制器的微分係數e(n)----第n次採樣所得的偏差信號U(n)----第n次PID控制器輸出Ui(n－1)----第n-1次控制的積分分量Ui(n－1)＝K1×Ki×e(n－1)＋Ui(n－2)K1----積分邏輯開關K1＝1，引入積分作用；K1＝0，取消積分作用；位置控制由計算機實現，其工作流程如下(圖4)計算機根據位移的需要得到運動軸要求的位移值，通過接口電路接收位置反饋元件傳來的運動軸實際位移信號，然後比較要求位移和實際位移，得到偏差信號，按照前述PID控制律進行計算，給出數字控制電壓值，輸出到D/A轉換器，通過D/A轉換器變成相應的模擬電壓值，並送入控制系統的放大電路。
整個微進給裝置的工作過程可概括如下計算機根據給定的位置和位置反饋元件給出的實際位置，通過控制軟體按前述積分分離的PID控制律進行計算得到控制信號(數字量)，該信號由D/A轉換器變成相應的模擬電壓信號。該信號經控制系統的放大電路變成控制電流信號。運動軸在控制電流作用下，直接輸出直線運動。該運動的位置由位置反饋元件檢測，送入計算機中，實現位置的閉環控制。
由於運動軸直接作直線運動，無需機械傳動機構，且動子質量小，因而有利於微進給裝置獲得較高的響應頻率和運行速度。
說明附圖如下圖1為本發明執行機構結構示意圖。
圖2為本發明位置反饋元件採用雷射幹涉儀時的控制系統電路原理圖。
圖3為本發明位置反饋元件採用電渦流傳感器時的控制系統電路原理圖。
圖4為本發明控制系統控制軟體流程圖。
圖5為本發明實施例1結構示意圖。
圖6為本發明實施例2結構示意圖。
圖7為本發明實施例3結構示意圖。
圖8為本發明實施例4結構示意圖。
結合


實施例如下實施例1圖5是本發明微進給裝置的實施例1結構示意圖。
磁場採用徑向磁化方式，永久磁鐵(8)成瓦狀，沿外軟鐵(9)內側周向布置，永久磁鐵(8)的磁力線方向為徑向。由內軟鐵(10)，外軟鐵(9)及磁鐵(8)形成磁閉合迴路，產生一磁場。繞在框架(11)上的線圈(12)，當通入由控制系統經放大電路傳來的電流時，在間隙磁場的作用下，受到一個軸向電磁力。這個力通過框架傳給運動軸(13)，使運動軸產生直線運動。運動軸(13)左端採用彈簧(14)支承，右端採用密珠滾動導軌(15)支承。位置反饋元件採用單頻雷射幹涉儀，其動鏡(16)固定在運動軸(13)的左端，從雷射幹涉儀輸出的數字位移信號通過I/O並行接口板傳給計算機。
實施例2圖6是本發明微進給裝置的實施例2結構示意圖。
磁場採用徑向磁化方式。永久磁鐵(18)成瓦狀，沿外軟鐵(19)內側周向布置，永久磁鐵的磁力線方向為徑向。由內軟鐵(20)，外軟鐵(19)及磁鐵(18)形成磁閉合迴路，產生一磁場。繞在框架(21)上的線圈(22)，當通入由控制系統經放大電路傳來的電流時，在間隙磁場的作用下，受到一個軸向電磁力。這個力通過框架(21)傳給運動軸(23)，使運動軸(23)產生直線運動。運動軸(23)左端採用彈簧(24)支承，右端採用密珠滾動導軌(25)支承。位置反饋元件採用電渦流位移傳感器(26)，它安裝在運動軸(23)左端後蓋(17)上，用來檢測運動軸(23)的運動位移，該位移信號通過A/D轉換器變成數位訊號被計算機接收。
實施例3圖7是本發明微進給裝置的實施例3結構示意圖。
磁場採用軸向磁化方式。永久磁鐵(27)為中間空心的圓錐體形，其磁力線方向為軸向。由內軟鐵(28)，外軟鐵(29)及磁鐵(27)形成磁閉合迴路，產生一磁場。繞在框架(30)上的線圈(31)，當通入由控制系統經放大電路傳來的電流時，在間隙磁場的作用下，受到一個軸向電磁力。這個力通過框架(30)傳給運動軸(32)，使運動軸(32)產生直線運動。運動軸(32)左端採用彈簧(33)支承，右端採用密珠滾動導軌(34)支承。位置反饋元件採用單頻雷射幹涉儀，其動鏡(35)固定在運動軸(32)的左端，從雷射幹涉儀輸出的數字位移信號通過I/O並行接口板傳給計算機。實施例4
圖8是本發明微進給裝置的實施例4結構示意圖。
磁場採用軸向磁化方式。永久磁鐵(36)為中間空心的圓錐體形，其磁力線方向為軸向。由內軟鐵(37)，外軟鐵(38)及磁鐵(36)形成磁閉合迴路，產生一磁場。繞在框架(39)上的線圈(40)，當通入由控制系統經放大電路傳來的電流時，在間隙磁場的作用下，受到一個軸向電磁力。這個力通過框架(39)傳給運動軸(41)，使運動軸(41)產生直線運動。運動軸(41)左端採用彈簧(42)支承，右端採用密珠滾動導軌(43)支承。位置反饋元件採用電渦流位移傳感器(44)，它安裝在運動軸(41)左端後蓋(45)上，用來檢測運動軸(41)的運動位移，該位移信號通過A/D轉換器變成數位訊號被計算機接收。
本發明高頻響、大行程、高精度微進給裝置由於執行機構結構簡單，運動軸直接作直線運動，無需機構傳動機械，且動子質量小，因而有利於微進給裝置獲得較高的響應頻率和運動速度；運動軸採用了密珠導軌滾動支承，故運動部件與固定部件之間摩擦阻尼小，有利於減少摩擦發熱，提高系統響應速度，且其摩擦特性恆定，因而有利於系統的控制；採用密珠導軌滾動支承和彈簧支承相結合的支承結構，保證了運動軸運動行程不受支承形式的限制，故具有較大的行程。在位置反饋的基礎上，通過採用適當的控制方法，該微進給裝置可綜合具有高頻響、大行程和高精度的特點。
本發明所提供的微進給裝置能在滿足高精度的條件下，具有高頻響和大行程的特點。使用雷射幹涉儀作位置反饋元件時，性能指標如下頻響200HZ行程2mm定位精度±0.3μm使用電渦流位移傳感器作為位置反饋元件時，性能指標如下頻響200HZ
行程2mm定位精度±2μm
權利要求
1.一種高頻響、大行程、高精度微進給裝置，其特徵是由執行機構及控制系統兩部分組成，執行機構由直線運動機構、位置反饋元件所組成，所說的直線運動機構有一個直線運動軸，在軸上安裝繞有線圈的框架，該框架處在一個由磁鐵產生的磁場內、運動軸的兩端支承在軸承上；位置反饋元件為一個直線位移傳感器，安裝在運動軸的一端；控制系統包括計算機、解碼及驅動電路、A/D、D/A轉換電路、並行接口電路、放大電路。
2.根據權利要求1所說的高頻響、大行程、高精度微進給裝置，其特徵是支承軸承為彈簧及密珠滾動導軌。
3.根據權利要求1、2所說的高頻響、大行程、高精度微進給裝置，其特徵是當位置反饋元件為雷射幹涉儀時，控制系統由並行接口電路、計算機、解碼及驅動電路、D/A轉換電路、放大電路所組成，並行接口電路採用並行接口晶片用來接收雷射幹涉儀輸出的信號，並將該信號輸入計算機，計算機為一般常用計算機，用來對雷射幹涉儀的信號進行運算並給出控制信號，解碼驅動電路由三態收發器、解碼器、反相器，與門及其外圍電阻組成，三態收發器計算機總線相連，解碼器及門電路進行地址解碼以給出並行接口及D/A轉換器的地址、D/A轉換電路由D/A轉換晶片及運放組成，用來將計算機輸出的數字量控制信號轉換成模擬量電壓信號，放大電路由運放，三極體及其外圍電阻組成，運放將D/A轉換電路來的信號進行前置放大，三極體及其外圍電阻組成功率放大電路，將前置放大信號進一步放大，並輸出到執行機構。
4.根據權利要求1、2所說的高頻響、大行程、高精度微進給裝置，其特徵是當位置反饋元件為電渦流傳感器時，控制系統由A/D轉換電路、計算機、解碼及驅動電路、D/A轉換電路、放大電路組成，A/D轉換電路由A/D轉換晶片，鎖存器及其外圍電阻組成，從電渦流傳感器輸出的位置信號經A/D轉換後進入鎖存器，再經入計算機，計算機可用一般計算機，解碼及驅動電路由三態收發器、解碼器、反相器，與門及其外圍電阻組成，三態收發器與計算機總線相連，解碼器及門電路進行地址解碼以給出並行接口及D/A轉換器的地址、D/A轉換電路由D/A轉換晶片及運放組成，用來將計算機輸出的數字量控制信號轉換成模擬量電壓信號，放大電路由運放，三極體及其外圍電阻組成，運放將D/A轉換電路來的信號進行前置放大，三極體及其外圍電阻組成功率放大電路，將前置放大信號進一步放大，並輸出到執行機構。
全文摘要
一種高頻響、大行程、高精度微進給裝置屬工具機的附屬裝置。本微進給裝置由執行機構和控制系統兩部分組成；執行機構由直線運動機構、位置反饋元件所組成，直線運動機構有一個直線運動軸，在軸上安裝繞有線圈的框架，該框架處在一個由磁鐵產生的磁場內、運動軸的兩端支承在軸承上，位置反饋元件為直線位移傳感器，控制系統包括計算機、解碼及驅動電路、A/D、D/A轉換電路、並行接口電路，放大電路。本微進給裝置結構簡單，運動時摩擦阻力少，所以可以達到高頻響和大行程的要求。
文檔編號B23Q5/00GK1116149SQ9510747
公開日1996年2月7日 申請日期1995年7月14日 優先權日1995年7月14日
發明者王先逵, 吳丹, 劉金凌, 馮之敬, 鄧中亮, 劉成穎, 張靜榮 申請人:清華大學