數(shù)控機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的無速度傳感器的矢量控制分析

李華芳

摘要：傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床已經(jīng)完成了向高速、高精、高效方向的變革，當(dāng)前的主要研究?jī)?nèi)容就是加工誤差補(bǔ)償。對(duì)于數(shù)控機(jī)床來說，傳感器是測(cè)控系統(tǒng)的接口，負(fù)責(zé)感知、獲取和檢測(cè)信息。文章詳盡分析并研究了數(shù)控機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的無速度傳感器的矢量控制。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng);傳感器;控制分析

中圖分類號(hào)：TQ016.5+3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）07-0178-03

數(shù)控機(jī)床檢測(cè)系統(tǒng)的中樞結(jié)構(gòu)為傳感器，傳感器的主要任務(wù)就是想我們傳遞各類信息，隨著科技的發(fā)展，傳感器已經(jīng)成為人類開發(fā)和利用自然必不可少的部分。當(dāng)前，大量的先進(jìn)技術(shù)不斷的被應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床上，其中傳感器技術(shù)就是十分重要的技術(shù)之一。

1 數(shù)控機(jī)床傳感器

1.1溫度傳感器

溫度傳感器是數(shù)控機(jī)床傳感器中較為重要的一種，該傳感器主要負(fù)責(zé)感受溫度，然后將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成為可以輸出的信號(hào)。作為溫度測(cè)量?jī)x表的核心部分，溫度傳感器有很多種，如圖1所示。數(shù)控機(jī)床的正常運(yùn)作需要大量的電氣元件以及電機(jī)的支持，電氣元件在運(yùn)作過程中通常會(huì)產(chǎn)生大量的熱，如果溫度超過一定范圍，就會(huì)燒毀電氣元件。機(jī)床的正常運(yùn)作離不開電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，不管是轉(zhuǎn)動(dòng)還是移動(dòng)，都會(huì)有熱量的產(chǎn)生，也正是因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)使得溫度分布出現(xiàn)一定的不均勻性，繼而產(chǎn)生溫度差，數(shù)控機(jī)床在溫度的影響下就會(huì)發(fā)生變形，最終就會(huì)對(duì)零件加工的精度產(chǎn)生影響。為了解決這類問題，機(jī)床上都會(huì)設(shè)置溫度傳感器，其主要作用就是感應(yīng)數(shù)控機(jī)床的溫度變化，然后將這種溫度差傳遞給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床溫度的監(jiān)視和控制，為后續(xù)的監(jiān)督和調(diào)整提供一定的便利。另外，溫度傳感器還需要設(shè)置在電器柜以及數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部，這些部位的溫度一旦超出一定范圍，立即發(fā)出報(bào)警，避免電氣元件燒毀?？傊?，在數(shù)控機(jī)床內(nèi)部，溫度傳感器的作用不僅是感知溫度，還具有傳遞信息和報(bào)警的作用，其存在對(duì)數(shù)控機(jī)床起到了很好的保護(hù)作用。

1.2壓力傳感器

和溫度傳感器相似，壓力傳感器也是數(shù)控機(jī)床較為重要的組成部分，壓力傳感器的作用是將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，根據(jù)工作原理的不同，壓力傳感器可以分為3種：電阻應(yīng)變式傳感器、壓電式傳感器和壓阻式傳感器。在數(shù)控機(jī)床的內(nèi)部，應(yīng)用壓力傳感器監(jiān)測(cè)工作夾緊力，并且和夾緊力的設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，如果實(shí)際測(cè)得的工作夾緊力小于設(shè)定值，那么工件就會(huì)有松動(dòng)的現(xiàn)象發(fā)生，系統(tǒng)立即發(fā)生警報(bào)，停止走刀;另外壓力傳感器還可以對(duì)刀切削力的變化進(jìn)行檢測(cè)。壓力傳感器通常還會(huì)應(yīng)用到氣壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)中，主要用來檢測(cè)氣路中的壓力，并且和設(shè)定值相比較，如果氣路中的壓力小于設(shè)定值時(shí)，觸點(diǎn)就會(huì)發(fā)出動(dòng)作，將信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)完成控制操作。

1.3光電傳感器

在數(shù)控機(jī)床中，還有一種較為常見的傳感器為光電傳感器通，這類傳感器的主要作用是感知光能量，常見的光能量有紫外線和紅外線，然后光電傳感器會(huì)將光能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光電式傳感器具體的工作原理為：首先測(cè)量光感變化，然后將這種光感變化轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，其內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換元件會(huì)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在日常生活中，如果有一束光照射到一個(gè)物體上的時(shí)候，我們可以看做是一種光能量，直接作用到這個(gè)物體上，而電子能量在光子能量的作用，其形態(tài)就會(huì)發(fā)生一定的變換，繼而產(chǎn)生了電效應(yīng)，我們將這種常見的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。在日常生活的安全防護(hù)和檢驗(yàn)領(lǐng)域，光電傳感器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，而且這種技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，比如紅外線的隱蔽性經(jīng)常被應(yīng)用到銀行等場(chǎng)合，用作防盜警戒之用。另外，生活中常見的紅外線開關(guān)也是應(yīng)用了物體對(duì)紅外線光束到的反射原理。

2 數(shù)控機(jī)床主軸變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式

2.1主軸電機(jī)變頻調(diào)速原理

專家經(jīng)過研究確定了主軸的電機(jī)轉(zhuǎn)速公式通過對(duì)公式進(jìn)行分析可知，如果極對(duì)數(shù)保持不變，那么電源頻率隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。連續(xù)調(diào)整電源頻率，就會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的調(diào)整。相對(duì)來說，變頻器頻率調(diào)節(jié)范圍較寬，這也就代表著主軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的條件范圍也較寬。提高轉(zhuǎn)速后，還應(yīng)該考慮轉(zhuǎn)速對(duì)繞組和軸承的影響，限定高頻率，避免電機(jī)過熱出現(xiàn)磨損。在國(guó)內(nèi)，交一直一交電壓型變頻器被廣泛的應(yīng)用到變頻調(diào)速中，其主要的工作原理就是對(duì)轉(zhuǎn)換交流電為直流電，通過濾波、逆變，直流電會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭奢敵龅娜嘟涣麟姟?/p>

2.2主軸變頻系統(tǒng)構(gòu)成

主軸變頻系統(tǒng)如圖2所示，如果將整個(gè)被加工件分為兩端，那么對(duì)于AB段來說，主軸速度一般為1000r/min;而BC段，在電機(jī)拖動(dòng)的作用下，主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度會(huì)變?yōu)楹憔€速，在連續(xù)變化的轉(zhuǎn)速下，電機(jī)就實(shí)現(xiàn)了高精度切削。在本文介紹的數(shù)控系統(tǒng)中，速度信號(hào)首先會(huì)通過數(shù)控裝置，然后在經(jīng)過變頻器模擬的給定通道，通過設(shè)置輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，滿足數(shù)控機(jī)場(chǎng)各項(xiàng)操作要求。

3 無速度傳感器矢量控制變頻器

3.1主軸變頻器選型

在所有的主軸變頻器中，較為常見的，也是較為簡(jiǎn)單的變頻器為標(biāo)量控制，其實(shí)質(zhì)為一種電壓發(fā)生裝置，主要負(fù)責(zé)調(diào)解調(diào)頻過程中的電壓變化。主軸變頻器較為常見的有2種：線性控制和平方控制。應(yīng)用標(biāo)量控制的過程中，因?yàn)榈皖l轉(zhuǎn)矩不夠，導(dǎo)致變頻器穩(wěn)定性較差，因此，在實(shí)際超過過程中，標(biāo)量控制已經(jīng)逐漸被矢量控制所取代。矢量控制的工作原理是對(duì)一部電機(jī)定子電流矢量進(jìn)行測(cè)定和控制，根據(jù)磁場(chǎng)方向控制轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的有效控制。具體的過程其實(shí)是，分解定子電流矢量，將其分解為產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量和產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量，然后分別對(duì)其進(jìn)行控制，同時(shí)還需要對(duì)這兩個(gè)分量的相位和幅值進(jìn)行控制。矢量控制其實(shí)質(zhì)就是將交流電機(jī)等效為直流電機(jī)，然后分別對(duì)速度和磁場(chǎng)進(jìn)行控制。解耦控制的具體過程就是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，根據(jù)轉(zhuǎn)子磁通對(duì)定子電流進(jìn)行分解，最終得到磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的分量，然后對(duì)其進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。和定量控制相比，矢量控制力矩大，一般更適用于保證力矩的場(chǎng)合，但是就目前國(guó)內(nèi)來看，還不能對(duì)負(fù)載進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整?？刂茟?yīng)用更為廣泛，一般來說設(shè)備出廠時(shí)就會(huì)設(shè)置相應(yīng)的默認(rèn)參數(shù)，常見根據(jù)不同的負(fù)載設(shè)置不同的參數(shù)，一般來說，廠家設(shè)置的自定義參數(shù)可以應(yīng)用到不同的操作場(chǎng)合。矢量控制具有以下特點(diǎn)：較好的控制特性、較廣的調(diào)速范圍，但是矢量變換較為復(fù)雜，實(shí)際控制效果很難達(dá)到理論分析結(jié)果。

3.2無速度傳感器矢量變頻器

在常規(guī)帶速度傳感器的傳動(dòng)控制中常見無速度傳感器控制，該傳感器主要負(fù)責(zé)檢測(cè)定子電壓和電流，然后通過比對(duì)和估計(jì)，實(shí)現(xiàn)速度傳感器所具有的功能。無速度傳感器控制可以更為精準(zhǔn)的獲取轉(zhuǎn)速信息，滿足高精度獲取信息的要求。無速度傳感器控制時(shí)，不需要應(yīng)用檢測(cè)硬件，有效降低了檢測(cè)成本，提高了檢測(cè)的可靠性，另外，無速度傳感器的應(yīng)用有效降低了系統(tǒng)的重量和體積，因此被廣泛的應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)中。提當(dāng)前，國(guó)際上較為常見的無速度傳感器矢量變頻器品牌有西門子、LC等。這些產(chǎn)品普遍具有以下特點(diǎn)：①不僅具有參數(shù)自動(dòng)識(shí)別能力，還具有手動(dòng)輸入能力;②較強(qiáng)的過載能力;③低頻高輸出轉(zhuǎn)矩;④具有多種保護(hù)功能。

3.3電機(jī)參數(shù)辨識(shí)

電機(jī)常規(guī)參數(shù)有額定電流、極數(shù)、額定功率，另外定子電阻、空載電流以及互感抗也是常見的常規(guī)參數(shù)。參數(shù)辨識(shí)分有兩種：靜止辨識(shí)和旋轉(zhuǎn)辨識(shí)，其中靜止辨識(shí)中，變頻器的主要作用是測(cè)定轉(zhuǎn)子和定子的漏感抗和電阻，在旋轉(zhuǎn)辨識(shí)中，變頻器的主要作用是測(cè)定空載電流和互感抗.在設(shè)定辨識(shí)參數(shù)的過程中，必須充分注意以下內(nèi)容：①如果旋轉(zhuǎn)辨識(shí)一旦出現(xiàn)過壓或者過電流，那么應(yīng)該調(diào)整減速時(shí)間;②旋轉(zhuǎn)辨識(shí)只能存在在空載中;③進(jìn)行辨識(shí)之前必須將正確的名牌參數(shù)輸入其中。

4 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展，工件加工的精密度越來越高，社會(huì)對(duì)加床加工的精度要求也越來越高。作為機(jī)床來說，對(duì)其自身零部件的制作精度的難度也越來越大，機(jī)床結(jié)構(gòu)誤差基本不會(huì)影響機(jī)床精度，因此，必須依靠溫度、壓力以及振動(dòng)等產(chǎn)生的誤差對(duì)零件加工誤差進(jìn)行彌補(bǔ)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，必須應(yīng)用相應(yīng)的感應(yīng)器對(duì)壓力、溫度振動(dòng)等進(jìn)行精準(zhǔn)的感應(yīng)，然后通過動(dòng)態(tài)測(cè)量，再利用誤差補(bǔ)償技術(shù)對(duì)機(jī)床零件加工的誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。傳感器的主要工作是對(duì)機(jī)床誤差進(jìn)行精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)和分析，然后分析誤差性質(zhì)以及產(chǎn)生的規(guī)律，最終通過建模和補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)零件加工的誤差補(bǔ)償。