CN111570938A

CN111570938A - 一种数控滚齿机床工件主轴旋转伺服驱动系统

Info

Publication number: CN111570938A
Application number: CN202010462546.4A
Authority: CN
Inventors: 李宁; 任明乐; 朱晓春; 汪木兰; 左健民; 王保升
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Institute of Technology
Priority date: 2020-05-27
Filing date: 2020-05-27
Publication date: 2020-08-25

Abstract

本发明公开了一种数控滚齿机床工件主轴旋转伺服驱动系统,包括伺服驱动模块、通信接口模块、位置速度传感器，并通过传动机构与机床主机相连，其特征在于：所述机床上设置刀具主轴和工件主轴，刀具主轴沿轴向直线运动称为Y坐标方向运动、绕轴转动称为B坐标方向运动，工件主轴的沿轴向直线运动称为Z坐标方向运动、绕轴转动称为C坐标方向运动，各坐标方向的运动由4台交流伺服电机分别驱动，交流伺服电机连接着对应的伺服驱动模块。本发明的有益效果是：通过将B坐标、Y坐标、Z坐标方向运动的实际速度、位置信号各自乘以相应的系数的线性组合信号作为C坐标方向运动的输入信号，实现各轴间的同步运动，同时在具有反馈控制的基础上采用增量位置控制方法，明显缩短了传动链并且提高了各坐标方向运动的控制精度，降低了成本，最终提高了齿轮加工精度。

Description

一种数控滚齿机床工件主轴旋转伺服驱动系统

技术领域

本发明涉及数控机床系统应用技术领域，具体为一种数控滚齿机床工件主轴旋转伺服驱动系统。

背景技术

齿轮是机器制造领域关键基础部件之一，滚齿是一种应用最广的齿形加工方法，具有生产效率高、精度高等特点。滚齿机床在加工齿轮时必须具备三种传动运动：展成运动、切削运动和垂直进给运动。

传统滚齿机床通常采用机械方式来保持多轴之间的同步协调运动，由于传动链比较长，容易积累大量的误差，影响加工精度。数控滚齿机床通常采用专用的数控系统用电子齿轮箱代替了传统滚齿机床的挂轮装置，但专用滚齿机数控系统不仅结构十分复杂，价格昂贵，而且完全由数控系统中的电子齿轮箱实现展成运动信号，而各个运动坐标的伺服驱动系统之间没有交叉耦合反馈作用，也有累积误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数控滚齿机床工件主轴旋转伺服驱动系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种数控滚齿机床工件主轴旋转伺服驱动系统,包括伺服驱动模块、通信接口模块、位置速度传感器，并通过传动机构与机床主机相连，所述机床上设置刀具主轴和工件主轴，刀具主轴可沿轴向直线运动和绕轴转动，刀具主轴的轴向直线运动称为Y坐标方向运动、绕轴转动称为B坐标方向运动，工件主轴也可沿着轴向直线运动和绕轴转动，工件主轴的沿着轴向直线运动称为Z坐标方向运动、绕轴转动称为C坐标方向运动，上述4个坐标方向的运动由4台交流伺服电机分别驱动，交流伺服电机连接着对应的伺服驱动模块。

所述通信接口模块用于接收上级数控系统给定B坐标、Y坐标和Z坐标运动的速度和位置信号，并对上级数控系统反馈数控滚齿机床各坐标方向运动的运行状态；

所述位置速度传感器用于实时监测B坐标、Y坐标、Z坐标和C坐标运动的转速和位置信号并反馈给各自的伺服驱动模块，伺服驱动模块由控制器部分和驱动器部分组成，每个控制器对应一个驱动器。

优选的，所述B坐标、Y坐标、Z坐标运动对应连接的伺服驱动模块分别用于控制刀具主轴绕轴转动、刀具主轴沿轴向直线运动和工件主轴的沿轴向直线运动，所述C坐标运动连接的另一伺服驱动模块用于控制C坐标运动即工件主轴绕轴转动。

优选的，所述B坐标、Y坐标、Z坐标运动和C坐标运动的伺服电机各自安装一个位置速度传感器，其中，B坐标、Y坐标、Z坐标运动的伺服电机上的位置速度传感器将B坐标、Y坐标、Z坐标运动的速度、位置信号反馈给与控制B坐标、Y坐标、Z坐标运动的各个伺服驱动模块的同时还需将检测到的速度、位置信号发送与控制C坐标运动的伺服驱动模块，所述C坐标运动的伺服驱动模块将此信号作为C坐标运动的速度、位置输入信号并输入。

优选的,所述B坐标、Y坐标、Z坐标运动的伺服驱动模块的控制器用于接收上级数控系统给定B坐标、Y坐标、Z坐标运动的位置速度信号和位置速度传感器的反馈信号，采用前馈补偿的方式达到减小跟随误差提高运动精度的目的。

优选的，以B坐标、Y坐标、Z坐标运动的实际位置增量以及与C坐标运动的比例关系计算C坐标运动的位置增量给定信号，以增量控制的方式，通过伺服驱动模块，控制工件主轴旋转运动(C坐标运动)，同时C坐标运动的伺服驱动模块接收C坐标运动位置速度传感器的反馈信号。

优选的，所述刀具主轴与工件主轴运动比例关系如下：

和

其中，Z_B、Z_C分别为机床刀具齿数和工件齿轮的齿数；m_n为齿轮的法面模数；β和λ是工件螺旋角和刀具安装角。

优选的，根据合成运动关系式ΔD_C＝K_BΔD_B+K_YΔD_Y+K_ZΔD_Z可以得到工件主轴旋转运动(C坐标运动)的给定位置增量信号ΔD_C，然后将其送入C坐标运动的伺服驱动模块中驱动工件主轴旋转运动；其中，ΔD_B、ΔD_Y和ΔD_Z分别为B坐标、Y坐标、Z坐标运动的位置增量信号。

优选的，所述ΔD_B、ΔD_Y和ΔD_Z是在一个控制周期内各个增量式光电脉冲编码器所输出的相应坐标方向上的位置增量，此增量以脉冲个数来计，此增量可以为正值或负值，如果当前沿着相应坐标正方向运动，则相应的位置增量为正值，否则为负值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过将B坐标、Y坐标、Z坐标运动的实际速度、位置信号各自乘以相应的系数，以线性组合的方式作为C坐标运动的增量给定信号，实现各轴间的同步运动，同时在反馈的基础上采用位置增量控制方法，明显缩短了传动链并且提高了各坐标运动的控制精度，降低了成本，提高了齿轮加工精度。

附图说明

图1为采用本发明的滚齿机床的运动坐标示意图；

图2为采用本发明的滚齿机床驱动系统的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种技术方案：一种数控滚齿机床工件主轴旋转伺服驱动系统，包括伺服驱动模块、通信接口模块、位置速度传感器，并通过传动机构与机床主机相连，刀具主轴可沿轴向直线运动和绕轴转动，刀具主轴沿轴向直线运动称为Y坐标方向运动、绕轴转动称为B坐标方向运动，工件主轴也可沿着轴向直线运动和绕轴转动，工件主轴的沿轴向直线运动称为Z坐标方向直线运动、绕轴转动称为C坐标方向运动，上述4个坐标方向的运动由4台交流伺服电机分别驱动，交流伺服电机连接着对应的伺服驱动模块。

如图2所示，是本发明具体实施方式提供的数控滚齿机床工件主轴旋转运动伺服驱动系统，所述数控滚齿机床工件主轴旋转运动伺服驱动系统包括：通信接口模块、位置速度传感器、伺服驱动模块，该驱动系统并通过传动机构与机床主机相连，所述传动机构为现有技术常规传动结构；

所述通信接口模块用于接收上级数控系统给定B坐标、Y坐标、Z坐标运动的转速和位置信号，并对上级数控系统反馈数控滚齿机床各坐标的运行状态；

所述位置速度传感器用于实时监测B坐标、Y坐标、Z坐标运动和C坐标运动的速度和位置信号并反馈给伺服驱动模块，伺服驱动模块内部又分为控制器部分和驱动器部分，每个控制器对应一个驱动器。

值得注意的是，所述B坐标、Y坐标、Z坐标运动对应连接的伺服驱动模块分别用于控制刀具主轴绕轴转动、刀具主轴沿轴向直线运动以及工件主轴的沿轴向直线运动，所述C坐标运动的伺服电机连接的另一伺服驱动模块用于控制C坐标运动即工件主轴绕轴转动。

值得注意的是，所述B坐标、Y坐标、Z坐标和C坐标运动的伺服电机各自安装一个位置速度传感器，其中，B坐标、Y坐标、Z坐标运动的伺服电机上的位置速度传感器将B坐标、Y坐标、Z坐标运动的速度、位置信号反馈给控制B坐标、Y坐标、Z坐标运动的伺服驱动模块的同时还需将检测到的速度、位置信号发送给控制C坐标运动的伺服驱动模块，所述伺服驱动模块将这些信号的线性组合作为C坐标运动的速度、位置输入控制信号。

值得注意的是，所述控制系统采用本发明具体实施方式提供的比例加前馈的复合控制方法，可以达到减小跟随误差，提高系统稳态精度的目的。所述控制方法流程如下：

1)上级数控系统产生各轴位置速度给定信号通过通信接口模块送至B坐标、Y坐标、Z坐标运动的伺服驱动模块，驱动B坐标、Y坐标、Z坐标运动。

2)B坐标、Y坐标、Z坐标运动实际位置速度信号通过位置速度传感器反馈给控制B坐标、Y坐标、Z坐标运动的伺服驱动模块，B坐标、Y坐标、Z坐标运动的伺服驱动模块的控制器通过比较计算B坐标、Y坐标、Z坐标运动的给定位置速度信号和反馈位置速度信号的差值，确定跟随误差，根据跟随误差进行比例加前馈的复合控制运算，用以控制各自坐标上的伺服电机运行。

3)B坐标、Y坐标、Z坐标运动的位置速度传感器实际检测的位置速度信号同时送入控制C坐标运动的伺服驱动模块，控制C坐标运动的伺服驱动模块的控制器根据C坐标运动与B坐标、Y坐标和Z坐标运动的合成运动关系，计算得到C坐标运动与B坐标、Y坐标和Z坐标运动合成运动的比例系数

和

进一步的，根据所述合成运动关系式ΔD_C＝K_BΔD_B+K_YΔD_Y+K_ZΔD_Z可以得到在一个控制周期内的工件主轴旋转运动(C坐标运动)的给定位置增量信号ΔD_C，然后将其送入工件主轴旋转运动(C坐标运动)的伺服驱动模块中，以增量控制的方式，驱动工件主轴旋转运动；其中，ΔD_B、ΔD_Y和ΔD_Z分别为B坐标、Y坐标和Z坐标运动的位置增量信号。

本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种数控滚齿机床工件主轴旋转伺服驱动系统,包括伺服驱动模块、通信接口模块、位置速度传感器，并通过传动机构与机床主机相连，其特征在于：所述机床上设置刀具主轴和工件主轴，刀具主轴可沿轴向直线运动和绕轴转动，刀具主轴的轴向直线运动称为Y坐标方向运动、绕轴转动称为B坐标方向运动，工件主轴也可沿着轴向直线运动和绕轴转动，工件主轴的沿着轴向运动称为Z坐标方向直线运动、绕轴转动称为C坐标方向运动，上述各坐标方向的运动由4台交流伺服电机分别驱动，交流伺服电机连接着对应的伺服驱动模块，B坐标伺服驱动模块、Y坐标伺服驱动模块和Z坐标伺服驱动模块均通过各自的通信接口接收上级数控系统发出的转速和位置信号，并对上级数控系统反馈数控滚齿机床各轴的运行状态，而C坐标伺服驱动模块接收B坐标方向、Y坐标方向和Z坐标方向运动的实际的速度位置反馈信号来控制C坐标交流伺服电机的转动位移和转动速度。

2.根据权利要求1所述的一种数控滚齿机床工件主轴旋转伺服驱动系统，其特征在于：所述B坐标、Y坐标、Z坐标和C坐标的伺服电机各自安装一个位置速度传感器，其中，B坐标、Y坐标、Z坐标伺服电机上的位置速度传感器将的速度、位置信号反馈给各自的伺服驱动模块的同时，还需将各自的速度、位置信号发送到驱动C坐标方向旋转运动的伺服驱动模块。

3.根据权利要求1所述的一种数控滚齿机床工件主轴旋转伺服驱动系统，其特征在于：所述B坐标、Y坐标和Z坐标的伺服驱动模块用于接收上级数控系统给定的位置速度命令信号和位置速度传感器的反馈信号，采用比例控制加前馈补偿的方式达到减小跟随误差提高运动精度的目的。

4.根据权利要求1所述的一种数控滚齿机床工件主轴旋转伺服驱动系统，其特征在于：所述C坐标方向的伺服驱动模块以B坐标、Y坐标和Z坐标伺服电机上的位置速度传感器的实际反馈信号作为输入信号，根据B坐标、Y坐标和Z坐标方向上的位置增量与工件主轴旋转运动(C坐标运动)的位置增量的比例关系，计算C坐标运动的位置增量给定信号，同时接收自己的C坐标伺服电机上的位置速度传感器的信号作为反馈信号。

5.根据权利要求4所述的一种数控滚齿机床工件主轴旋转伺服驱动系统，其特征在于：所述刀具主轴与工件主轴运动比例关系如下：

和

6.根据权利要求4所述的一种数控滚齿机床工件主轴旋转运动(C坐标运动)伺服驱动系统，其特征在于：在一个控制周期中(通常是1毫秒)，根据合成运动关系式ΔD_C＝K_BΔD_B+K_YΔD_Y+K_ZΔD_Z，可以得到在一个控制周期内的工件主轴旋转运动(C坐标运动)的位置增量给定信号ΔD_C，用此信号，以增量控制的方式，控制工件主轴的旋转运动；其中，ΔD_B、ΔD_Y和ΔD_Z分别是在一个控制周期内B坐标、Y坐标和Z坐标方向上的实际位置增量。

7.根据权利要求6所述的一种数控滚齿机床工件主轴旋转伺服驱动系统，其特征在于：B坐标、Y坐标和Z坐标方向传动机构上的位置速度传感器均采用增量式光电脉冲编码器，所述ΔD_B、ΔD_Y和ΔD_Z是在一个控制周期内各个增量式光电脉冲编码器所输出的相应坐标方向上的位置增量，此增量以脉冲个数来计，此增量可以为正值或负值，如果当前沿着相应坐标正方向运动，则相应的位置增量为正值，否则为负值。