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高速數(shù)控齒輪磨床的一種無噪音磨削主軸
Takashi Emura ，LeiWang， Hisashi Nakamura ， Masashi Yamanaka 和 Yasushi Teshigawara
精密工程和機(jī)械部, Tohoku 大學(xué)
Aoba ， Aramaki ， Aobaks ，仙臺(tái),980-77 日本
摘要
本文作者為汽車工廠發(fā)明了一種高產(chǎn)的NC(數(shù)控型) 齒輪磨床。 這一數(shù)控機(jī)器需要在磨削主軸和運(yùn)轉(zhuǎn)主軸間保持高度同步性。我們必須使用高壓驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)變壓器來滿足高速磨床的規(guī)格。然而, 由于高壓驅(qū)動(dòng)變壓器在PWM(脈沖寬度調(diào)節(jié))頻率上會(huì)引起很大的電波，并產(chǎn)生強(qiáng)烈噪音，所以很難在主軸之間保持穩(wěn)定的同步云運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，作者試著使用二相型PLL制成無噪音高速同步主軸，并試著通過一種電流過濾器來減少電波引起的噪音。本文將描述減少噪音的方法及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1. 介紹
齒輪研磨需要花費(fèi)極多的磨削時(shí)間，而且在齒輪的大批量生產(chǎn)中會(huì)阻礙生產(chǎn)效率的提高。因此，作者為汽車工廠發(fā)明了一種高產(chǎn)的NC齒輪磨床，這正是效率最高的齒輪生產(chǎn)工廠。這種機(jī)器需要二大高壓伺服電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)磨削主軸和運(yùn)轉(zhuǎn)主軸。這兩種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)也必須有高度同步控制且能高速運(yùn)轉(zhuǎn)。作者使用高壓高速伺服電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)主軸。舉例來說, 磨削主軸的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)有額定的功率22kw，額定的輸出量扭矩22N-m，及最大轉(zhuǎn)速10000r/min。運(yùn)轉(zhuǎn)主軸的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)有額定功率16kw，額定輸出量扭矩82N-m ,及最大轉(zhuǎn)速2000r/min。
這些驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)由PWM(脈沖寬度調(diào)節(jié))型變壓驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng),而這種PWM型高壓變壓器會(huì)在PWM頻率的電流中引起很大的電波。由于這種強(qiáng)大電波引發(fā)了強(qiáng)烈噪音，將影響控制系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)高度同步控制。因此，作者試著使用二相型 PLL(分步鎖槽) 制成無噪音高速同步主軸，并試著通過一種電流過濾器來減少電波。目前已做了大量實(shí)驗(yàn)確認(rèn)無噪音系統(tǒng)的功效。本文將通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果來描述減少噪音、制造高速、高度同步性主軸的方法。
2. PWM引起的噪音
磨削主軸的噪音問題比運(yùn)轉(zhuǎn)主軸問題嚴(yán)重，因?yàn)槟ハ髦鬏S的額定電壓比運(yùn)轉(zhuǎn)主軸大。因此下面我們主要來探討磨削主軸的情況。磨削主軸由無刷驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)。由于驅(qū)動(dòng)變壓器的最大輸出電壓最高限于200v，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的額定功率是22kw，所以磁場(chǎng)線圈的電流在波峰必須超過200A。由于這個(gè)強(qiáng)大電流, 磁場(chǎng)線圈的金屬線直徑變大，由于運(yùn)轉(zhuǎn)空間的限制，轉(zhuǎn)動(dòng)次變少。于是磁場(chǎng)線圈的電感僅限于一個(gè)非常小的數(shù)值。一個(gè)階段的電感測(cè)量值約為1kHz有30 pH，在PWM頻率中減少到一個(gè)非常小的數(shù)值，25kH中低于1.5pH。如上所述，因?yàn)榫€圈電感極其小，它的電力時(shí)間系數(shù)非常小。這就意味著我們能很好的控制它。然而，這個(gè)極其小的電力時(shí)間系數(shù)在PMW頻率中引起很大的電波，這個(gè)電波就造成了強(qiáng)烈的噪音。強(qiáng)烈噪音給控制系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的問題。
為了分析電波，我們進(jìn)行電動(dòng)電流的數(shù)字摹擬。圖l(一)是用于模擬的簡化同步電動(dòng)機(jī)模型,其中線圈電感L是1.44pH,線圈電阻R是0.15歐,直流線電壓E是200V。伺服放大器的PMW輸出電壓Eu，Ev，和Ew是由U，V，W三相電的終端來提供。圖1（b）展示了PWM的波形圖，它是通過用頻率為25KHz的三角形波eb來比較和的電壓而得到的。
圖2（a）是一個(gè)模擬結(jié)果的實(shí)例，伺服放大器的輸出頻率為300Hz。如圖2（a）所示，電機(jī)電流與大的噪音交迭。圖2（b）給出了通過比較線圈電流的模擬和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果的詳細(xì)情況。而模擬結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果完全吻合。因而模擬結(jié)果表明了電機(jī)電流在PMW頻率下有很大的電流波動(dòng)。
這個(gè)模擬非常清楚地表明伺服電機(jī)和電壓放大器對(duì)線圈感應(yīng)系數(shù)的減小產(chǎn)生了很強(qiáng)的噪音。由于鐵心的磁場(chǎng)特性，如此大功率的電機(jī)，線圈電感在高的轉(zhuǎn)換頻率下急劇減小。由轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的噪音是這種數(shù)控磨床的一格非常嚴(yán)重的問題。為了達(dá)到高精度同步控制，這也是我們必須克服的問題。
因此，接下來的部分將描述二種不同的方法來克服轉(zhuǎn)換噪音的問題。第部分將介紹二相型PLL的同步控制方法。這種方法可以使系統(tǒng)在強(qiáng)的噪音環(huán)境下獲得高精度和高速同步控制。第部分將給出使用大功率濾波器來抑制轉(zhuǎn)換噪音的討論和試驗(yàn)結(jié)果。
3. 二相型PLL同步系統(tǒng)
這種齒輪磨床需要高度、高速同步控制。通常，我們都使用一種高辨識(shí)率、高速的入碼器來實(shí)現(xiàn)其高度、高速同步控制，因?yàn)檫@種入碼器能輸出二相正弦電波。然而,由于這種二相正弦電波的電壓非常小，在上述強(qiáng)烈噪音環(huán)境中很難檢測(cè)出該電壓是否不存在噪音問題。這就意味著我們不能夠使用傳統(tǒng)的高度同步系統(tǒng)。因此，作者在這里的同步系統(tǒng)中采用了二相型PLL。首次提出使用二相型PLL的是Emura[l]，它消除噪音的能力已經(jīng)得到了認(rèn)證[2]-[4]。
圖3是高速數(shù)控齒輪磨床中磨削主軸與運(yùn)轉(zhuǎn)主軸之間的高速同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)主軸都是由二相型PLL控制的。指令脈沖發(fā)電機(jī)產(chǎn)生二個(gè)脈沖列，它們的頻率比是磨削主軸與運(yùn)轉(zhuǎn)主軸的速度比。二相型PLL的局部控制器就控制主軸精確執(zhí)行每個(gè)指令脈沖。通過使用二相型PLL,高速、高度同步控制得以真正實(shí)現(xiàn)。二相型PLL的二個(gè)內(nèi)插器導(dǎo)入高辨析率的入碼器信號(hào)，齒輪轉(zhuǎn)角內(nèi)導(dǎo)入的輸出脈沖被送到驅(qū)動(dòng)變壓器。
A. 應(yīng)用二相型PLL的內(nèi)插器的扶輪轉(zhuǎn)角高辨析度檢測(cè)
我們這次用的驅(qū)動(dòng)變壓器需要利用一個(gè)二相型矩形信號(hào)來產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)角同步的三相磁場(chǎng)。然而,由于電流感應(yīng)引起的噪音，我們不能使用傳統(tǒng)的比測(cè)儀型內(nèi)插器。于是,作者設(shè)計(jì)出特殊的內(nèi)插器，如圖4所示，使用二相型PLL來檢測(cè)主軸的扶輪轉(zhuǎn)角。這一內(nèi)插器的電路主要依照[3]所描述的樣子來設(shè)計(jì)的,因此一下只對(duì)他們進(jìn)行簡短的描述。
輸入信號(hào)是從入碼器獲得的一個(gè)二相正弦波(sin Bi &,cos Bi)。擺動(dòng)器(VCO)控制的電壓則產(chǎn)生一個(gè)二相正弦波(sin B0 &,cos B0)的追蹤信號(hào)。這個(gè)VCO正是用來追蹤輸入信號(hào)的。輸入信號(hào)與追蹤信號(hào)的相差則由相位檢查器(PD)來計(jì)算。回路濾波器(LF)轉(zhuǎn)移相位檢查器的輸出結(jié)果，輸入到VCO。包含在VCO中的V/F轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生頻率比例的脈沖列，并發(fā)送到輸入電壓。
脈沖序列是用一個(gè)二進(jìn)制的計(jì)數(shù)器來計(jì)數(shù)，這個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出又儲(chǔ)存到一個(gè)ROM
里。這樣二相正弦曲線波以數(shù)字量的形式寫入到ROM，當(dāng)其被訪問時(shí)又從這里輸出。D/A轉(zhuǎn)換器把ROM的輸出轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的電壓量。正弦曲線波是受約束的以至于通過控制相位部位0來追蹤輸入的二相位正弦曲線信號(hào)。這就意味著PLL處于鎖定狀態(tài)。在鎖定狀態(tài)下，從V/F來的脈沖變成以內(nèi)插值替換的脈沖輸入信號(hào)。這是譯碼器的旋轉(zhuǎn)角度。
二相型PLL和傳統(tǒng)意義的PLL的最大的不同點(diǎn)在于我們可以常常通過輸入信號(hào)來獲得真正的二相正弦曲線波。這就意味著它有卓越的噪音抑制特性和寬范圍的輸入頻率。這種電路也可以當(dāng)電機(jī)改變它的旋轉(zhuǎn)方向時(shí)鎖定。
高精度的光傳感器被用于探測(cè)軸的旋轉(zhuǎn)角度。磨削心軸的光學(xué)縫隙的數(shù)量為1800，工作軸的數(shù)量是9000。我們可以從傳感器那里獲得二相正弦曲線波。發(fā)展的內(nèi)插器把他們分成128份，并輸出二相矩形脈沖信號(hào)。因此分別分解成每份和最大頻率上升到38.4MHz。脈沖提供給功率放大器也用于監(jiān)控同步控制。在[3]里。一個(gè)磁性的具有感應(yīng)能力的探頭被用作旋轉(zhuǎn)傳感器。因?yàn)楦袘?yīng)類型的探頭不能在低速的條件下工作，內(nèi)插器也不能在轉(zhuǎn)速低于300r/min的速度下工作。然而，這個(gè)新的組合起來的系統(tǒng)卻可以在任何低于10000r/m的磨削心軸速度，和低于2000r/min的工作主軸下工作。當(dāng)然，我們也可以使軸反轉(zhuǎn)。
一般說來，以如此的高精度和高頻率來監(jiān)測(cè)不可避免的會(huì)受到噪音的影響，而且會(huì)很難達(dá)到穩(wěn)定的控制。然后新的內(nèi)插器可以在沒有任何誤動(dòng)作的情況下測(cè)出回轉(zhuǎn)體的角度。圖5圖解了一個(gè)實(shí)例的試驗(yàn)結(jié)果。在圖5里，輸入信號(hào)就是從傳感器得到的信號(hào)，追蹤信號(hào)就是VCO的正弦曲線波。就如圖5所示，從傳感器獲得的信號(hào)被強(qiáng)的噪音干擾，然而，正弦曲線波卻正好為輸入信號(hào)的軌跡沒有任何失真。因?yàn)樗怯蒝CO而產(chǎn)生的，VCO的輸出波形是無失真的正弦曲線波。我們可以從V/F轉(zhuǎn)換器的輸出脈沖來獲得以內(nèi)插值代換的脈沖。正弦曲線波形是由V/F轉(zhuǎn)換器構(gòu)造的。
B．二相型PLL伺服控制器
伺服控制器也是用二相型PLL方法。示意圖如圖6。