專利名稱：高頻響大行程高精度微進給裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機床的進給裝置，屬機床的附屬裝置。
微進給裝置是精密加工和動態(tài)誤差補償控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。在當今眾多的微進給裝置中，利用機械傳動機構(gòu)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(yīng)用場合，如中凸變橢圓活塞的數(shù)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(xiàn)有的微進給裝置都難以滿足這一要求。
本發(fā)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(fā)明高頻響、大行程、高精度微進給裝置由執(zhí)行機構(gòu)及控制系統(tǒng)兩部分組成，執(zhí)行機構(gòu)由直線運動機構(gòu)，位置反饋元件所組成；直線運動機構(gòu)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(chǎn)生的磁場內(nèi)，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(chǎn)生直線運動；位置反饋元件為一個直線位移傳感器(激光干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(tǒng)進行位置控制。
當位置反饋元件為激光干涉儀時，控制系統(tǒng)(圖2)由并行接口電路(I)、計算機(II)、譯碼及驅(qū)動電路(III)、D/A轉(zhuǎn)換電路(IV)、放大電路(V)組成，并行接口電路(I)采用并行接口芯片8255，用來接收激光干涉儀輸出的位置信號并輸入計算機，計算機(II)可采用一般的計算機，用來對激光干涉儀的信號進行運算并給出控制信號，譯碼及驅(qū)動電路(III)由三態(tài)收發(fā)器(74LS245)，譯碼器(74LS138)，反相器(74LS04)，與門(74LS21，74LS08)及其外圍電阻組成。三態(tài)收發(fā)器與計算機總線相連，以提高計算機系統(tǒng)總線的驅(qū)動能力，譯碼器及門電路進行地址譯碼，以給出并行接口及D/A轉(zhuǎn)換器的地址，D/A轉(zhuǎn)換電路(IV)由D/A轉(zhuǎn)換芯片(DAC1210)及運放(OP07)組成，用來將計算機輸出的數(shù)字量控制信號轉(zhuǎn)換成模擬量電壓信號，放大電路(V)由運放(L465)，三極管(MJ024，MJ025)及外圍電阻組成，運放(L465)將由D/4轉(zhuǎn)換電路(IV)來的電壓信號進行前置放大，三極管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，并輸出到執(zhí)行機構(gòu)(直線運動機構(gòu))。整個控制系統(tǒng)工作過程如下激光干涉儀檢測運動軸的實際位移，通過并行接口電路送入計算機中，計算機輸出相應(yīng)的控制信號(數(shù)字量)，由D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓，送入放大電路，去驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。
當位置反饋元件為電渦流傳感器時，控制系統(tǒng)(圖3)由A/D轉(zhuǎn)換電路(VI)、計算機(VII)、譯碼及驅(qū)動電路(VIII)、D/A轉(zhuǎn)換電路(IX)、放大電路(X)組成，A/D轉(zhuǎn)換電路(VI)由A/D轉(zhuǎn)換芯片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(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進入鎖存器，再經(jīng)入計算機，計算機(VII)可用一般計算機，譯碼及驅(qū)動電路由三態(tài)收發(fā)器(74LS245)，譯碼器(74LS138)，反相器(74LS04)，與門(74LS21，74LS08)及其外圍電阻組成。三態(tài)收發(fā)器與計算機總線相連，以提高計算機系統(tǒng)總線的驅(qū)動能力，譯碼器及門電路進行地址譯碼，以給出并行接口及D/A轉(zhuǎn)換器的地址，D/A轉(zhuǎn)換電路(IX)由D/A轉(zhuǎn)換芯片(DAC1210)及運放(OP07)組成，用來將計算機輸出的數(shù)字量控制信號轉(zhuǎn)換成模擬量電壓信號，放大電路(X)由運放(L465)，三極管(MJ024，MJ025)及外圍電阻組成，運放(L465)將由D/A轉(zhuǎn)換電路(IX)來的電壓信號進行前置放大，三極管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，并輸出到執(zhí)行機構(gòu)(直線運動機構(gòu))。整個控制系統(tǒng)工作過程如下A/D轉(zhuǎn)換電路接收電渦流傳感器輸出的模擬電壓信號，將它轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，送入計算機中，計算機輸出相應(yīng)的控制信號(數(shù)字量)，由D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓，送入放大電路，經(jīng)功率放大后去驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。
控制系統(tǒng)的作用是接收位置反饋信號，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)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(fā)明的位置控制采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控制器的比例系數(shù)Ki----PID控制器的積分系數(shù)Kd----PID控制器的微分系數(shù)e(n)----第n次采樣所得的偏差信號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(guān)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(xiàn)，其工作流程如下(圖4)計算機根據(jù)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，然后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(shù)字控制電壓值，輸出到D/A轉(zhuǎn)換器，通過D/A轉(zhuǎn)換器變成相應(yīng)的模擬電壓值，并送入控制系統(tǒng)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(jù)給定的位置和位置反饋元件給出的實際位置，通過控制軟件按前述積分分離的PID控制律進行計算得到控制信號(數(shù)字量)，該信號由D/A轉(zhuǎn)換器變成相應(yīng)的模擬電壓信號。該信號經(jīng)控制系統(tǒng)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(xiàn)位置的閉環(huán)控制。
由于運動軸直接作直線運動，無需機械傳動機構(gòu)，且動子質(zhì)量小，因而有利于微進給裝置獲得較高的響應(yīng)頻率和運行速度。
說明附圖如下圖1為本發(fā)明執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明位置反饋元件采用激光干涉儀時的控制系統(tǒng)電路原理圖。
圖3為本發(fā)明位置反饋元件采用電渦流傳感器時的控制系統(tǒng)電路原理圖。
圖4為本發(fā)明控制系統(tǒng)控制軟件流程圖。
圖5為本發(fā)明實施例1結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本發(fā)明實施例2結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為本發(fā)明實施例3結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為本發(fā)明實施例4結(jié)構(gòu)示意圖。
結(jié)合


實施例如下實施例1圖5是本發(fā)明微進給裝置的實施例1結(jié)構(gòu)示意圖。
磁場采用徑向磁化方式，永久磁鐵(8)成瓦狀，沿外軟鐵(9)內(nèi)側(cè)周向布置，永久磁鐵(8)的磁力線方向為徑向。由內(nèi)軟鐵(10)，外軟鐵(9)及磁鐵(8)形成磁閉合回路，產(chǎn)生一磁場。繞在框架(11)上的線圈(12)，當通入由控制系統(tǒng)經(jīng)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(chǎn)生直線運動。運動軸(13)左端采用彈簧(14)支承，右端采用密珠滾動導軌(15)支承。位置反饋元件采用單頻激光干涉儀，其動鏡(16)固定在運動軸(13)的左端，從激光干涉儀輸出的數(shù)字位移信號通過I/O并行接口板傳給計算機。
實施例2圖6是本發(fā)明微進給裝置的實施例2結(jié)構(gòu)示意圖。
磁場采用徑向磁化方式。永久磁鐵(18)成瓦狀，沿外軟鐵(19)內(nèi)側(cè)周向布置，永久磁鐵的磁力線方向為徑向。由內(nèi)軟鐵(20)，外軟鐵(19)及磁鐵(18)形成磁閉合回路，產(chǎn)生一磁場。繞在框架(21)上的線圈(22)，當通入由控制系統(tǒng)經(jīng)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(chǎn)生直線運動。運動軸(23)左端采用彈簧(24)支承，右端采用密珠滾動導軌(25)支承。位置反饋元件采用電渦流位移傳感器(26)，它安裝在運動軸(23)左端后蓋(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(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號被計算機接收。
實施例3圖7是本發(fā)明微進給裝置的實施例3結(jié)構(gòu)示意圖。
磁場采用軸向磁化方式。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(nèi)軟鐵(28)，外軟鐵(29)及磁鐵(27)形成磁閉合回路，產(chǎn)生一磁場。繞在框架(30)上的線圈(31)，當通入由控制系統(tǒng)經(jīng)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(chǎn)生直線運動。運動軸(32)左端采用彈簧(33)支承，右端采用密珠滾動導軌(34)支承。位置反饋元件采用單頻激光干涉儀，其動鏡(35)固定在運動軸(32)的左端，從激光干涉儀輸出的數(shù)字位移信號通過I/O并行接口板傳給計算機。實施例4
圖8是本發(fā)明微進給裝置的實施例4結(jié)構(gòu)示意圖。
磁場采用軸向磁化方式。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(nèi)軟鐵(37)，外軟鐵(38)及磁鐵(36)形成磁閉合回路，產(chǎn)生一磁場。繞在框架(39)上的線圈(40)，當通入由控制系統(tǒng)經(jīng)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(chǎn)生直線運動。運動軸(41)左端采用彈簧(42)支承，右端采用密珠滾動導軌(43)支承。位置反饋元件采用電渦流位移傳感器(44)，它安裝在運動軸(41)左端后蓋(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(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號被計算機接收。
本發(fā)明高頻響、大行程、高精度微進給裝置由于執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，運動軸直接作直線運動，無需機構(gòu)傳動機械，且動子質(zhì)量小，因而有利于微進給裝置獲得較高的響應(yīng)頻率和運動速度；運動軸采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，有利于減少摩擦發(fā)熱，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，且其摩擦特性恒定，因而有利于系統(tǒng)的控制；采用密珠導軌滾動支承和彈簧支承相結(jié)合的支承結(jié)構(gòu)，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(chǔ)上，通過采用適當?shù)目刂品椒?，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(fā)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。使用激光干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(quán)利要求
1.一種高頻響、大行程、高精度微進給裝置，其特征是由執(zhí)行機構(gòu)及控制系統(tǒng)兩部分組成，執(zhí)行機構(gòu)由直線運動機構(gòu)、位置反饋元件所組成，所說的直線運動機構(gòu)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(chǎn)生的磁場內(nèi)、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(tǒng)包括計算機、譯碼及驅(qū)動電路、A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路、并行接口電路、放大電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的高頻響、大行程、高精度微進給裝置，其特征是支承軸承為彈簧及密珠滾動導軌。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所說的高頻響、大行程、高精度微進給裝置，其特征是當位置反饋元件為激光干涉儀時，控制系統(tǒng)由并行接口電路、計算機、譯碼及驅(qū)動電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、放大電路所組成，并行接口電路采用并行接口芯片用來接收激光干涉儀輸出的信號，并將該信號輸入計算機，計算機為一般常用計算機，用來對激光干涉儀的信號進行運算并給出控制信號，譯碼驅(qū)動電路由三態(tài)收發(fā)器、譯碼器、反相器，與門及其外圍電阻組成，三態(tài)收發(fā)器計算機總線相連，譯碼器及門電路進行地址譯碼以給出并行接口及D/A轉(zhuǎn)換器的地址、D/A轉(zhuǎn)換電路由D/A轉(zhuǎn)換芯片及運放組成，用來將計算機輸出的數(shù)字量控制信號轉(zhuǎn)換成模擬量電壓信號，放大電路由運放，三極管及其外圍電阻組成，運放將D/A轉(zhuǎn)換電路來的信號進行前置放大，三極管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，并輸出到執(zhí)行機構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所說的高頻響、大行程、高精度微進給裝置，其特征是當位置反饋元件為電渦流傳感器時，控制系統(tǒng)由A/D轉(zhuǎn)換電路、計算機、譯碼及驅(qū)動電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、放大電路組成，A/D轉(zhuǎn)換電路由A/D轉(zhuǎn)換芯片，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(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進入鎖存器，再經(jīng)入計算機，計算機可用一般計算機，譯碼及驅(qū)動電路由三態(tài)收發(fā)器、譯碼器、反相器，與門及其外圍電阻組成，三態(tài)收發(fā)器與計算機總線相連，譯碼器及門電路進行地址譯碼以給出并行接口及D/A轉(zhuǎn)換器的地址、D/A轉(zhuǎn)換電路由D/A轉(zhuǎn)換芯片及運放組成，用來將計算機輸出的數(shù)字量控制信號轉(zhuǎn)換成模擬量電壓信號，放大電路由運放，三極管及其外圍電阻組成，運放將D/A轉(zhuǎn)換電路來的信號進行前置放大，三極管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，并輸出到執(zhí)行機構(gòu)。
全文摘要
一種高頻響、大行程、高精度微進給裝置屬機床的附屬裝置。本微進給裝置由執(zhí)行機構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分組成；執(zhí)行機構(gòu)由直線運動機構(gòu)、位置反饋元件所組成，直線運動機構(gòu)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(chǎn)生的磁場內(nèi)、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(tǒng)包括計算機、譯碼及驅(qū)動電路、A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路、并行接口電路，放大電路。本微進給裝置結(jié)構(gòu)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(yōu)先權(quán)日1995年7月14日
發(fā)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