專利名稱：應(yīng)用于磨齒機(jī)的鎖頻鎖相控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種精加工用的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，特別涉及一種應(yīng)用于磨齒機(jī)的鎖頻鎖相控制系統(tǒng)。
技術(shù)背景國內(nèi)現(xiàn)有的同類型磨齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，采用的是標(biāo)準(zhǔn)通用型數(shù)控系統(tǒng)控制機(jī)床，這種數(shù)控系統(tǒng)所采用的軟件算法對磨齒機(jī)運(yùn)動軌跡的控制延時大，響應(yīng)慢，不及硬件電路的實(shí)時性好。并且造成設(shè)備資源利用率低，成本高，并且精度不高。眾所周知，標(biāo)準(zhǔn)通用型數(shù)控系統(tǒng)是由通用部分和專用部分組成。通用部分硬件上以一個CPU為核心，通過總線對其他多個模塊進(jìn)行控制。每一個模塊均可實(shí)現(xiàn)對單個軸的隨動控制，系統(tǒng)集成多個相同的模塊從而實(shí)現(xiàn)對多個軸的控制；專用部分是對不同機(jī)床使用不同的軟件控制算法。對磨齒機(jī)而言，CPU采用的軟件控制算法調(diào)用其內(nèi)部4個硬件功能模塊，從而實(shí)現(xiàn)對4個軸進(jìn)行控制。磨削過程中4個軸之間的隨動關(guān)系，也完全依靠CPU 的軟件算法控制，從而實(shí)現(xiàn)4軸聯(lián)動。雖然，標(biāo)準(zhǔn)通用型數(shù)控系統(tǒng)具備較強(qiáng)的通用性，可針對不同類型的機(jī)床設(shè)計不同的算法，而不需對硬件進(jìn)行大量修改。但由于其采用軟件算法控制延時大、響應(yīng)慢(軟件處理一般在μ s級以上，而硬件處理可達(dá)ns級)，造成其精度不高(磨齒機(jī)的精度一般分為 1 12級，等級值越小，精度越高。標(biāo)準(zhǔn)通用型數(shù)控系統(tǒng)可達(dá)6級，而使用本實(shí)用新型的專用型數(shù)控系統(tǒng)可達(dá)4級)，而且硬件上集成的多個功能模塊并不是全部工作，造成資源的浪費(fèi)
實(shí)用新型內(nèi)容
鑒于上述技術(shù)問題，為了滿足生產(chǎn)者對生產(chǎn)高精度齒輪的需求，本實(shí)用新型針對現(xiàn)有蝸桿砂輪磨齒機(jī)設(shè)備提出了一種專用于磨齒機(jī)的鎖頻鎖相控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用硬件電路來設(shè)計，專用于提高磨齒機(jī)在生產(chǎn)時的資源利用率，有效地降低生產(chǎn)成本。并且由于采用鎖頻鎖相技術(shù)，使得磨齒機(jī)所生產(chǎn)的產(chǎn)品在精度上比其它產(chǎn)品高出2個等級。本實(shí)用新型的具體技術(shù)方案如下應(yīng)用于磨齒機(jī)的鎖頻鎖相控制系統(tǒng)，包括信號接收處理模塊、電子齒輪比模塊、差補(bǔ)模塊、鎖頻鎖相模塊、以及功率驅(qū)動放大模塊；所述信號接收處理模塊接收編碼器信號及I/O信號處理得到系統(tǒng)后級模塊所需的電機(jī)編碼器信號、直線編碼器信號和開關(guān)輸入信號這些脈沖信號；所述電子齒輪比模塊根據(jù)信號接收處理模塊輸出的電機(jī)編碼器信號通過倍頻分頻處理，輸出砂輪反饋信號以及工件反饋信號；所述差補(bǔ)模塊根據(jù)信號接收處理模塊輸出的直線編碼器信號和開關(guān)輸入信號通過誤差檢測以及計算處理，輸出誤差調(diào)節(jié)量和差補(bǔ)脈沖；所述鎖頻鎖相模塊根據(jù)接收到的砂輪反饋信號、工件反饋信號和差補(bǔ)脈沖處理輸
3出主控制量；所述功率驅(qū)動放大模塊根據(jù)接收到的誤差調(diào)節(jié)量和主控制量，通過對系統(tǒng)主控制量進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鲆娣糯?，輸出用以?qū)動工件電機(jī)的參數(shù)信號。上述方案中，所述電機(jī)編碼器信號包括砂輪脈沖信號、工件脈沖信號。上述方案中，所述編碼器信號包括砂輪電機(jī)編碼器信號、工件電機(jī)編碼器信號、Z 軸編碼器信號以及Y軸編碼器信號。上述方案中，所述信號接收處理模塊針對不同編碼器信號，對每種編碼器信號在處理時都依次設(shè)有差分接收、電源隔離、鑒相處理三個子處理模塊。上述方案中，所述電子齒輪比模塊對砂輪脈沖信號、工件脈沖信號乘以各自的電子齒輪比參數(shù)，得到鎖頻鎖相模塊中需要的砂輪反饋信號以及工件反饋信號。上述方案中，所述差補(bǔ)模塊將經(jīng)過各自增益后的差補(bǔ)脈沖通過內(nèi)設(shè)的時鐘同步模塊得到差補(bǔ)總脈沖，再通過內(nèi)設(shè)的鑒相模塊，實(shí)現(xiàn)差補(bǔ)脈沖在相位和頻率上實(shí)現(xiàn)偏移，從而消除誤差。上述方案中，所述鎖頻鎖相模塊主要由鎖頻模塊、鎖相模塊及當(dāng)量合成模塊構(gòu)成； 所述鎖頻模塊包括時鐘同步模塊、鑒頻模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、失步控制模塊；所述鎖頻模塊根據(jù)編碼器的實(shí)時反饋得到反饋同步脈沖，并用反饋脈沖與給定脈沖進(jìn)行頻率比較，從而為工件電機(jī)跟隨砂輪電機(jī)提供主驅(qū)動當(dāng)量；同時為保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行給出失步控制信號，并通知上位機(jī)；所述鎖相模塊包括分齒模塊、鑒相模塊、D/A轉(zhuǎn)換等；所述鎖相模塊根據(jù)上位機(jī)輸入的規(guī)格參數(shù)(砂輪頭數(shù)、工件齒數(shù)等)，對反饋信號與給定信號進(jìn)一步細(xì)分，使得系統(tǒng)的微調(diào)當(dāng)量變?yōu)槠胀ㄦi頻系統(tǒng)的1/Z(Z為齒數(shù))，從而提高系統(tǒng)的精度。上述方案中，所述功率驅(qū)動放大模塊依次包括失步選擇模塊、濾波模塊、一階校準(zhǔn)模塊、大功率管放大模塊。本實(shí)用新型系統(tǒng)主要應(yīng)用于現(xiàn)有的蝸桿砂輪磨齒機(jī)，由于蝸桿砂輪磨齒機(jī)對工件旋轉(zhuǎn)軸(以下簡稱C軸)的控制精度要求非常高，基于這種高精度的要求，為了使C軸更快更精確的跟隨砂輪主軸的運(yùn)動速度，本實(shí)用新型采用了鎖頻鎖相的控制方式，達(dá)到了速度控制系統(tǒng)所需的高精度、快響應(yīng)的控制要求。另外，本實(shí)用新型系統(tǒng)通過高精度測量儀器，采集砂輪給定與工件反饋的轉(zhuǎn)速，并通過一定的算法算出誤差值，將誤差值以頻率與相位的方式體現(xiàn)出來，并經(jīng)過自控系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整，放大后輸出，控制C軸電機(jī)快速的消除誤差，跟隨主軸運(yùn)動。為了保證鎖頻鎖相的精度以及系統(tǒng)需要響應(yīng)快的要求，本實(shí)用新型的鎖頻鎖相系統(tǒng)采用了全硬件電路實(shí)現(xiàn)， 由于硬件的響應(yīng)要比軟件快，不受軟件的CPU主頻、掃描周期等因素的制約，可以完成軟件控制所達(dá)不到的效果，所以本實(shí)用新型系統(tǒng)具備低延時、快響應(yīng)、控制能力大的特點(diǎn)。


以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
來進(jìn)一步說明本實(shí)用新型。圖1為本實(shí)用新型所述鎖頻鎖相系統(tǒng)的主控制原理框圖。圖2為本實(shí)用新型所述系統(tǒng)中信號接收處理模塊的框圖。圖3為本實(shí)用新型所述系統(tǒng)中電子齒輪比模塊的框圖。圖4為本實(shí)用新型所述系統(tǒng)中差補(bǔ)模塊的框圖。[0027]圖5為本實(shí)用新型所述系統(tǒng)中鎖頻鎖相模塊的框圖。圖6為本實(shí)用新型所述系統(tǒng)中鎖頻模塊的框圖。圖7為本實(shí)用新型所述系統(tǒng)中鎖相模塊的框圖。圖8為本實(shí)用新型所述系統(tǒng)中功率驅(qū)動放大模塊的框圖。
具體實(shí)施方式
為了使本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。本實(shí)用新型系統(tǒng)設(shè)計了一套帶差動補(bǔ)償?shù)耐暾惴ǎS動過程中，根據(jù)砂輪電機(jī)、 工件電機(jī)的編碼器反饋信號以及其他誤差檢測反饋信號，系統(tǒng)根據(jù)算法得出工件電機(jī)的實(shí)時調(diào)整量，從而驅(qū)動工件電機(jī)隨動。如圖1所示，系統(tǒng)主要包括信號接收處理模塊、電子齒輪比模塊、差補(bǔ)模塊、鎖頻鎖相模塊、以及功率驅(qū)動放大模塊。如圖2所示，信號接收處理模塊主要對編碼器信號及開關(guān)信號進(jìn)行接收處理。其中開關(guān)信號主要包括校正開關(guān)、系統(tǒng)啟動、系統(tǒng)復(fù)位等信號。頻率低，采樣簡單的電源隔離接收。編碼器信號包括砂輪電機(jī)編碼器、工件電機(jī)編碼器、Z軸編碼器以及Y軸編碼器的反饋信號。各個編碼器信號均經(jīng)過差分接收、電源隔離、鑒相處理三個模塊。以砂輪電機(jī)編碼器為例，輸入為3對差分信號UAl (H、L)、UA2 (H、L)與UAO (H、L)，處理后得到與后級模塊電源相同的3路信號UAl (h)、UA2 (h)與UAO (h)。圖3所示為電子齒輪比模塊。電子齒輪比是由機(jī)械傳動比(機(jī)床使用的實(shí)際傳動參數(shù))和電子傳動比(控制模塊實(shí)現(xiàn)的硬件算法參數(shù))兩部分計算得到。本模塊對實(shí)時的電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器信號進(jìn)行倍頻分頻處理。圖中A = 4*g*a，B = mb ;C = 4*a，D = nb. (g為砂輪頭數(shù)，a/b為電子比，m/n為機(jī)械比)。如圖4所示，差補(bǔ)模塊是對誤差進(jìn)行檢測，經(jīng)過設(shè)計的算法后得到誤差調(diào)節(jié)量直接對實(shí)時的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行微調(diào)，并得到差補(bǔ)脈沖用于鎖頻鎖相控制。本模塊根據(jù)誤差監(jiān)測裝置的反饋，對不同軸不同類型的差補(bǔ)脈沖經(jīng)過各自的增益后，進(jìn)入時鐘同步模塊后得到差補(bǔ)總脈沖，此處鑒相模塊是對差補(bǔ)脈沖的進(jìn)行計數(shù)，以實(shí)現(xiàn)差補(bǔ)脈沖在相位和頻率上實(shí)現(xiàn)偏移，從而得到誤差消除的目的。如圖5所示，鎖頻鎖相模塊主要由鎖頻模塊、鎖相模塊及當(dāng)量合成模塊構(gòu)成。砂輪脈沖、工件脈沖、差補(bǔ)脈沖經(jīng)鎖頻鎖相模塊后得到主當(dāng)量和相位調(diào)整的微調(diào)量，經(jīng)合成后， 作為功率驅(qū)動模塊的輸入量。具體的鎖頻模塊見圖6、鎖相模塊見圖7。如圖6所示，鎖頻模塊包括時鐘同步、鑒頻模塊(頻率同步)、D/A轉(zhuǎn)換、失步控制等模塊。模塊根據(jù)編碼器的實(shí)時反饋得到反饋同步脈沖，并用反饋脈沖與給定脈沖進(jìn)行頻率比較，從而為工件電機(jī)跟隨砂輪電機(jī)提供主驅(qū)動當(dāng)量。同時為保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行給出失步控制信號，此信號是當(dāng)反饋與給定相差較大時給出的警告信號，并通知上位機(jī)。如圖7所示，鎖相模塊主要包括分齒模塊、鑒相模塊、D/A轉(zhuǎn)換等模塊。模塊根據(jù)上位機(jī)輸入的規(guī)格參數(shù)(砂輪頭數(shù)、工件齒數(shù)等)，對反饋信號與給定信號進(jìn)一步細(xì)分，使得系統(tǒng)的微調(diào)當(dāng)量變?yōu)槠胀ㄦi頻系統(tǒng)的1/Z(Z為齒數(shù))，大大提高了系統(tǒng)的精度。[0042]如圖8所示為系統(tǒng)功率驅(qū)動放大模塊，本模塊是為了使得系統(tǒng)參數(shù)與實(shí)際電機(jī)運(yùn)行參數(shù)向匹配。模塊主要包括失步選擇模塊、濾波模塊、一階校準(zhǔn)模塊、大功率管放大模塊。失步選擇模塊是根據(jù)隨動系統(tǒng)反饋與給定之間的誤差情況，判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)是否正常，從而控制系統(tǒng)是否執(zhí)行隨動方式，以達(dá)到保護(hù)機(jī)床的目的。高階濾波模塊是為了濾除機(jī)械振動、電磁干擾等引發(fā)的擾動量。以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理和主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求1.應(yīng)用于磨齒機(jī)的鎖頻鎖相控制系統(tǒng)，包括信號接收處理模塊、電子齒輪比模塊、差補(bǔ)模塊、鎖頻鎖相模塊、以及功率驅(qū)動放大模塊；其特征在于，所述信號接收處理模塊接收編碼器信號及I/O信號處理得到系統(tǒng)后級模塊所需的電機(jī)編碼器信號、直線編碼器信號和開關(guān)輸入信號這些脈沖信號；所述電子齒輪比模塊根據(jù)信號接收處理模塊輸出的電機(jī)編碼器信號通過倍頻分頻處理，輸出砂輪反饋信號以及工件反饋信號；所述差補(bǔ)模塊根據(jù)信號接收處理模塊輸出的直線編碼器信號和開關(guān)輸入信號通過誤差檢測以及計算處理，輸出誤差調(diào)節(jié)量和差補(bǔ)脈沖；所述鎖頻鎖相模塊根據(jù)接收到的砂輪反饋信號、工件反饋信號和差補(bǔ)脈沖處理輸出主控制量；所述功率驅(qū)動放大模塊根據(jù)接收到的誤差調(diào)節(jié)量和主控制量，通過對系統(tǒng)主控制量進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鲆娣糯螅敵鲇靡则?qū)動工件電機(jī)的參數(shù)信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鎖頻鎖相控制系統(tǒng)，其特征在于，所述電機(jī)編碼器信號包括砂輪脈沖信號、工件脈沖信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的鎖頻鎖相控制系統(tǒng)，其特征在于，所述編碼器信號包括砂輪電機(jī)編碼器信號、工件電機(jī)編碼器信號、Z軸編碼器信號以及Y軸編碼器信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的鎖頻鎖相控制系統(tǒng)，其特征在于，所述信號接收處理模塊針對不同編碼器信號，對每種編碼器信號在處理時都依次設(shè)有差分接收、電源隔離、鑒相處理三個子處理模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的鎖頻鎖相控制系統(tǒng)，其特征在于，所述鎖頻鎖相模塊主要由鎖頻模塊、鎖相模塊及當(dāng)量合成模塊構(gòu)成；所述鎖頻模塊包括時鐘同步模塊、鑒頻模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、失步控制模塊；所述鎖頻模塊根據(jù)編碼器的實(shí)時反饋得到反饋同步脈沖，并用反饋脈沖與給定脈沖進(jìn)行頻率比較，從而為工件電機(jī)跟隨砂輪電機(jī)提供主驅(qū)動當(dāng)量；同時為保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行給出失步控制信號，并通知上位機(jī)；所述鎖相模塊包括分齒模塊、鑒相模塊、D/A 轉(zhuǎn)換等；所述鎖相模塊根據(jù)上位機(jī)輸入的砂輪頭數(shù)和工件齒數(shù)這些規(guī)格參數(shù)，對反饋信號與給定信號進(jìn)一步細(xì)分，使得系統(tǒng)的微調(diào)當(dāng)量變?yōu)槠胀ㄦi頻系統(tǒng)的1/Z，從而提高系統(tǒng)的精度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的鎖頻鎖相控制系統(tǒng)，其特征在于，所述功率驅(qū)動放大模塊依次包括失步選擇模塊、濾波模塊、一階校準(zhǔn)模塊、大功率管放大模塊。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種專用于磨齒機(jī)的鎖頻鎖相控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于現(xiàn)有的蝸桿砂輪磨齒機(jī)，其結(jié)構(gòu)包括信號接收處理模塊、電子齒輪比模塊、差補(bǔ)模塊、鎖頻鎖相模塊、以及功率驅(qū)動放大模塊。同時，由于采用硬件電路來設(shè)計，專用于提高磨齒機(jī)在生產(chǎn)時的資源利用率，有效地降低生產(chǎn)成本。并且由于采用鎖頻鎖相技術(shù)，使得磨齒機(jī)所生產(chǎn)的產(chǎn)品在精度上比其它產(chǎn)品高出2個等級。
文檔編號G05B19/18GK202257186SQ20112025443
公開日2012年5月30日 申請日期2011年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月19日
發(fā)明者孫珉 申請人:無錫星月科技有限公司