力矩电机的控制系统设计与性能实验论文Word格式文档下载.docx
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1.2.力矩电机的研究状况及发展趋势
力矩电机的成功应用轰动了国际机床界。
许多发达国家及大公司都投入了大量的精力从事研究此项技术,瑞士ETEL公司和美国KOLLMORGEN公司均推出了“无刷环形电机扭矩电机”。
ETEL公司曾为一台天文望远镜提供一台直径达2.5m,而厚度仅为40mm,扭矩达10000Nm的环形扭矩伺服电机。
该公司还在宇航工业用的多轴联动铣床上应用了直径分别为0.5m和1m环形力矩伺服电机来代替蜗轮蜗杆副,加工精度和表面粗糙度均大有改善。
目前除这两家公司外还有MACCON、FANUC等公司可提供一系列尺寸和规格的环形力矩伺服电机。
以ETEL为例,可提供电机外径尺寸范围从120mm至1260mm,扭矩从1Nm到18000Nm定位精度可达0.5″,重复精度达0.01″,最低转速可达0.01r/min。
今年来该项技术获得迅速发展,根据资料整理出如下数据
(1)转矩范围:
10Nm-10KNm;
(2)运动转速范围:
0-300rpm;
(3)控制精度:
±
0.1″。
环形力矩电机的应用十分广泛,可应用于转台上(如图1.2所示),也可应用于摆头上[3](如图1.3
所示)。
图1.2转台力矩电机直接驱动图1.3复合主轴摆头力矩电机直接驱动
下表为国际上几家知名公司的力矩电机参数:
ThetorquemotorParameterofseveralfamouscompanyintheworld.
表1.1几家知名公司的力矩电机参数
公司
型号
电机外径(mm)
内孔径(mm)
电机厚度(mm)
连续工作力矩(Nm)
峰值力矩(Nm)
最高转速(rpm)
CYTEC
410/75
456
250
128.5
800
1300
100
MACCON
410-100
430
290
123
440
440×
3
__
FANUC
D2100/150is
565
400
130
840
2100
150
SIEMENS
190-xxA10-1J
502
342
160
1980
70
ALXION
400STK4M
404
258
183
935
200
其中,CYTEC公司所采用的是永磁外转子结构,电机体积小、转距密度大,其余公司都是内转子,各家公司都采用水冷封装。
力矩电动机在国外已是成熟产品,国内尚处于萌芽状态。
采用力矩电动机的产品目前在国内应用还不是很多,价格是最大的制约因素,其次受制于某些系统参数不开放。
降低价格最好的办法是提高产量;
目前国内已有几家公司在致力于力矩电动机的生产,例如北京勇光高特微电机有限公司,北京伊贝格技术有限公司。
国内对应用于机床进给伺服的力矩电机未见报道,有相关低速大扭矩电机,特别是商用于电梯的电机产品己有相当规模的发展,沈阳蓝光公司、宁波欣达公司、北京华滨自动控制技术公司、山东百斯特电梯有限公司、常熟曳引机厂、北京名正维元公司都在进行永磁同步无齿轮曳引机的研制,一些样机已经进行了实验[4]。
在2005年4月北京国际机床展览会上北京钧义志成公司展出了一台自制力矩电机;
中捷机床厂展出了带回转工作台的加工中心,转台电机扭矩达到190Nm,但该转台只能作分度使用,在金属加工时须处于抱闸状态,无法实现转台边转动边加工,因而,机床无法实现对曲面零件的加工。
力矩电机展品的出现打破了国外产品垄断机床市场的局面,反映出我国机床工业整体水平的进一步提高,对我国机械工业的发展具有非常重要的意义。
但无论是理论研究还是实用技术和新产品开发都与国外水平有很大差距。
传统的间接机械传动机构由于日益增长的对高速、高精度、高效制造设备的需求与要求,已难以适应航空、航天、造船、机械、电子、模具等诸多领域对加工设备提出的高新要求,有被环形伺服力矩电机直接驱动逐渐取代的趋势[6]。
1.3.国内外超精密数控系统中应用PMAC概况
英国RankPneum公司在八十年代末开发了Nanoform300机床。
该机床不仅能够进行切削加工,还可以用金刚石砂轮进行磨削,能加工直径为300mm的非球面金属反射镜,可用PCXT/AT,VME,STD32或PCI总线形式。
16/18位的DAC输出分辨率,10/15MHz编码计数率,高达320MHz的有效输入带宽如图1.4所示。
图1.4Nanoform300数控系统图1.5Nanoform200数控系统
机床的控制系统采用的是美国的DELTATAU公司的可编程多轴运动控制器(PMAC)。
该控制器采用了先进的数字信号处理技术。
每个卡可控制多达8个伺服轴,实现5轴联动加工。
开发式的结构可控制任何型号的电机,具有极强的处理能力和高度的灵活性,适于现今实际应用中的各种总线结构、电机类型,反馈元件和指令数据结构,属于早期的NC嵌入PC式的开发式数控系统,是开放式数控系统在精密加工中的一个较早的成功应用。
美国摩尔公司目前最新的三台机床Nanotech-500FG、Nanotech-350UPL、Nanotechl50AG当中,Nanotech-350UPL、Nanotechl50AG采用的都是开放式数控系统。
图1.6Nanotech350UPL数控系统图1.7Nanotech500FG数控系统
与Nanoform300,Nanoform250相同,Nanotech350UPL和Nanotech500FG采用的都是美国DELTATAU公司的PMAC控制器,该控制器可控制多达16个伺服轴,可执行高速位置锁存。
控制器上所用的是高达33/66MHZ的RISC处理器,其上的i960芯片能在一个时钟周期内执行数条指令,控制器上集成了高达32MB的DRAM,提供了强大的处理能力,同其他开放式数控系统一样,也具有很强的灵活性,提供了丰富的支持软件。
国内也开展了基于PMAC卡的开放式数控系统研究,其中浙江大学开展的数控雕刻机机床数控系统,大连理工大学开发的大型铣床数控系统,哈尔滨工业大学研制的六轴开放式纤维缠绕机数控系统,都是利用PMAC多轴控制器实现的多轴联动加工,性能可靠。
哈尔滨大学研制的超精密车床型号为HCM-1,主轴回转精度≦0.05μm,径向刚度220N/μm,轴向刚度160N/μm,导轨Z向的直线的≦0.2μm/mm,X向直线度≦0.2μm/mm,X,Z向垂直度≦1″,加工工件精度≦0.01μm。
是国内基于PMAC的数控系统在精密加工中的较早的成功应用。
1.4.开放式数控系统
由于传统的数控系统采用专用计算机系统,软硬件对用户都是封闭的,主要存在各数控系统生产厂家的产品软硬件不兼容、系统功能固定、人机界面不灵活等缺点,使其发展受到了限制,为克服传统数控系统的缺点,数控系统正朝着开放式数控系统的方向发展。
对于开放式数控系统,IEEE(国际电气电子工程师协会)是这样定义的:
“一个开放式系统应能使得各种应用系统可以有效地运行于不同供应商提供的不同平台之上;
可以与其它应用系统相互操作,并具有风格一致的用户交互界面”。
[8]。
根据这一定义,开放式数控系统必须是一个全模块化的软件体系结构。
它具备互操作性、可移植性、可缩放性和可互换性的特点,具有定义了标准协议的通讯系统,使得各个功能模块能通过应用程序接口API(ApplicationProgramInterface)来相互交换信息并相互操作;
同时,系统还应具备一个实时的配置系统,使得各个功能模块无论在系统运行之初还是之间都能够被灵活地配置。
关于开放式数控系统的特征通常认为包括硬件系统的开放性和软件系统的开放性,开放的硬件系统由模块化的速度控制单元、位置控制单元和内置的PLC构成;
开放的软件系统是指数控软件系统的设计模块化及模块间的接口标准化。
目前,开放式数控系统有3种实现途径。
1)PC机+数控专用模板。
2)IPC+可编程运动控制器。
3)纯PC机型。
根据开放方式数控系统的发展、成本及其他因素,通常采用“IPC+可编程运动控制器”的形式。
这种基于开放式可编程运动控制器的系统结构以通用工业控制机为平台,以PC标准插件形式的开放式可编程运动控制器为核心。
IPC负责如数控程序编辑、人机界面管理等功能,运动控制器负责机床的运动控制和逻辑控制。
这种运动控制器以运动子程序的方式解释执行数控程序,以PLC子程序方式实现机床逻辑控制,支持用户的开发和扩展,具有上、下两级的开放性。
代表产品有WizdomControls公司的Paradym-31,此产品采用DeltaTau公司的PMAC(ProgrammableMulti.AxisController)可编程多轴运动控制卡嵌入IPC实现运动控制。
优点是:
(1)成本低(采用标准计算机)。
(2)可运行用户自定义的软件。
(3)界面比传统的CNC友好。
1.5.论文的主要内容与任务
本文根据开放式控制系统要求,以教育部数控机床与机械制造装备集成重点实验室的建设项目“零传动实验台”为背景,主要完成力矩电机的控制系统设计及其硬件连线和系统参数的调节,以及电机定位精度及重复定位精度的测量。
本论文将着重完成以下任务:
1.阐明直接驱动技术的发展前景,说明利用力矩电机直接驱动数控转台的现实意义。
2.分析力矩电机及其驱动器的特点。
3.分析PMAC运动控制卡的特点及使用。
4.设计力矩电机的控制系统,完成其硬件连接。
5.完成控制系统的参数调试。
6.对控制系统精度进行检测分析并实现系统基于PMAC的误差补偿。
7.对课题进行总结和展望。
第2章.
伺服驱动单元
2.1.力矩电机
力矩电机是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机。
这种电机轴不是以恒功率输出动力而是以恒力矩输出动力。
力矩电机包括:
直流力矩电机、交流力矩电机、和无刷直流力矩电机。
本次采用的是KOLLMORGEN公司的力矩电机,型号为D063M如图2.1所示。
图2.1KOLLMORGEN力矩电机
2.1.1.力矩电机的主要特点及应用
当负载增加时,电动机的转速能自动的随之降低,而输出力矩增加,保持与负载平衡。
力矩电机的堵转转矩高,堵转电流小,能承受一定时间的堵转运行。
力矩电机的特点是具有软的机械特性,可以堵转。
当负载转矩增大时能自动降低转速,同时加大输出转矩。
当负载转矩为一定值时改变电机端电压便可调速。
伺服力矩电机采用全新电机设计理念和专利结构,使得它的峰值力矩值可以提供10倍连续力矩,能量转换效率可以高达98%。
高精度、大力矩直接驱动电机可以用在不适合加减速机构的场合,从而部分代替电机+减速机的搭配应用,减小了体积,提高了效率,没有背隙,高精度高刚性。
响应快,定位精度可达1arc-second以内。
本系列电机的特性使其适用于卷绕,开卷、堵转和调速等场合及其他用途,被广泛应用于纺织、电线电缆、金属加工、造纸、橡胶、塑料以及印刷机械等工业领域。
2.1.2.KOLLMORGEN力矩电机D063M
KOLLMORGEN力矩电机具有如下优点:
(1)连续转矩5.3-339N-m,应用广泛。
(2)转速高达500RPM,符合大多数的高扭矩、低转速应用要求。
(3)功率高达2040W,符合大多数应用的大功率要求。
(4)可靠的多速旋转变压器反馈,运行精密可靠。
(5)高分辨率正弦编码器反馈装置可提供极高的精度和可重复性。
(6)直接与负载连接,避免了减速箱、皮带或皮带轮的维护。
(7)零背隙和负载顺从性,提高了系统性能。
(8)单轴承和双轴承设计降低了静态摩擦
(9)防护等级IP65和IP67密封,防尘,无低压水锤现象。
(10)内置温控器,过热保护。
(11)消除了耦合部件,减小了机器尺寸。
表2.1D063M的主要参数
系统性能
符号
单位
数值
最大转矩
Tp
Ib-ft
N-m
38.0
51.5
连续转矩正弦编码器40℃
Tc
13.1
17.7
最大工作速度230V单相电
Nmax
rpm
rps
500
8.3
正弦编码器分辨率
重复精度
精确度
—
counts/rev
arc/sec
2,097,152
±
0.62
26
机械性能
重量
Wt
Ib
kg
30.5
13.8
转动惯量
Jm
Ib-ft-sec2
Kg-m2
0.0064
0.0086
最大轴压力
Ibf
4,500
2,040
D063M的工作特性曲线如图2.2所示
图2.2D063M的工作特性曲线
2.2.伺服驱动器
本次采用DanaherMotion公司的CD5系列驱动器,型号CB06550。
(如图2.3所示)。
其基本功能如表2.2所示。
表2.2Danaher驱动器功能
功能
说明
正弦编码器
主控制板支持正弦编码器反馈。
插补点数最高可设置为4096(MSININT)。
正弦编码器校准
正弦编码器信号被校准,以便提高插补精度(SININIT)。
StegmannHiperface接口
支持Hiperface(Stegmann)接口。
SERCOS
实现SEERCOSA级柔性接口。
SERCOSA支持所有串行命令。
编码器仿真输出
通过ENCOUTMOD增加用于编码器仿真输出的脉冲上升/下降模式。
编码器初始化
对于没有绝对位置指示的反馈装置,支持零运动的编码器初始化方法(Wake-no-shake编码器初始化过程)。
软旋转变压器
在系列5产品中,旋转变压器-数字量(RDC)转换是使用软件完成的。
扩展I/O
附加I/O
2.2.1.驱动器的主要端口
(1)C1:
RS232,如图2.4所示。
图2.4C1端口
(2)C2:
编码器反馈,如图2.5所示。
图2.5C2端口
(3)C3:
用户I/O,如图2.6所示。
图2.6C3端口
(4)C4:
编码器等效输出,如图2.7所示。
图2.7C4端口
2.2.2.编码器的引脚及意义
表2.3a编码器各引脚含义
图2.3Danaher驱动器
表2.3b编码器各引脚含义
C1:
通讯连接器
C2:
反馈连接器
引脚号
旋转变压器
编码器
1
屏蔽
SineHigh
A
2
REC(RXD)(RS232)
SineLow
/A
XMIT(TXD)(RS232)
4
保留,不要连接
CosineHigh
B
5
公共
CosineLow
/B
6
TxD+(RS485)
7
TxD-(RS485)
E5V返回
8
RxD+(RS485)
9
RxD-(RS485)
H1B
H1B(/C)(数据)
10
H2B
H2B(/D)(时钟)
C3:
用户I/O连接器
11
H3B
12
模拟信号输出屏蔽
13
热传感器高
模拟量差分输入+(高)
14
模拟量差分输入低-(低)
15
Ref.High(输出)
Index
驱动器逻辑地
16
Ref.Low(输出)
/Index
故障输出继电器触点
17
18
E5V电源
+24V输入(8,9,10,11的返回端)
19
远程使能使能输入
20
可配置输入(参见“IN1”)
21
可配置输入(参见“IN2”)
22
H1A
H1A(数据)
可配置输入(参见“IN3”)
23
H2A
H2A(时钟)
可配置输入(参见“O1”)
24
H3A
可配置模拟量输出(参见“ANOUT”)
25
热传感器低
2.2.3.正弦编码器的反馈
图2.8正弦编码器反馈
2.3.本章总结
本章主要介绍了KOLLMORGEN力矩电机的主要参数
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