基于主軸回轉誤差的控制系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種主軸回轉誤差的控制系統。
【背景技術】
[0002]數控機床和加工中心作為制造業的關鍵設備，隨著工業的發展和科學技術的不斷進步，對數控車床的加工精度要求也越來越高。主軸作為數控車床的“心臟”，其工作精度更是受到人們的關注，例如:1kg重的陀螺轉子，如果其質心偏離其對稱軸線0.5nm，則在射程上會引起10m的誤差和50m左右的偏離軌道的誤差。由此可以看出主軸的精度對工件起著至關重要的作用。目前的數控車床雖然具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優點，能夠在一定的程度上滿足人們加工高精度工件的要求，但如果在此基礎上需要進一步提高其加工精度，達到超精密加工的要求，成本較高、難度較大。
[0003]目前，關于精密軸系的原理、結構、性能、測試以及控制方法的研宄受到了國內外學者的普遍重視與關注。如何滿足不斷增長的高精度要求，經濟合理、技術可行地找到解決的方案，已成為當今急需解決的問題。

【發明內容】

[0004]本發明是為了解決現有數控機床的主軸工作時回轉誤差大，導致的主軸回轉精度低的問題，本發明提供了一種基于主軸回轉誤差的控制系統。
[0005]基于主軸回轉誤差的控制系統，它包括動力系統、高壓供氣系統、主軸系統和控制系統；
[0006]動力系統包括伺服電機和主軸；
[0007]高壓供氣系統包括閥門、過濾器、通氣口和高壓氣源；
[0008]主軸系統包括I號磁軸承、雙向氣體止推軸承、2號磁軸承、I號氣體軸承、2號氣體軸承、I號位移傳感器、2號位移傳感器、3號位移傳感器、4號位移傳感器、5號位移傳感器、6號位移傳感器和光電編碼器；
[0009]控制系統包括濾波器、DSP、D/A轉換器、功率放大器和PC機；
[0010]伺服電機通過皮帶輪帶動主軸轉動，光電編碼器用于檢測主軸在旋轉過程中的偏轉角度，
[0011]I號位移傳感器、5號位移傳感器和6號位移傳感器分別用于檢測主軸一端沿三個方向的徑向位移，其中，I號位移傳感器、5號位移傳感器和6號位移傳感器位于同一平面內，且所述平面垂直于主軸，所述I號位移傳感器、5號位移傳感器和6號位移傳感器均位于以主軸為中心的同一個圓周上，
[0012]I號位移傳感器、5號位移傳感器和6號位移傳感器位于2號氣體軸承的左側，
[0013]2號位移傳感器、3號位移傳感器和4號位移傳感器分別用于檢測主軸的另一端沿三個方向的徑向位移；
[0014]其中，2號位移傳感器、3號位移傳感器和4號位移傳感器位于同一平面內，且所述平面垂直于主軸，2號位移傳感器、3號位移傳感器和4號位移傳感器均位于以主軸為中心的同一個圓周上，
[0015]2號位移傳感器、3號位移傳感器和4號位移傳感器位于I號氣體軸承的右側，
[0016]I號磁軸承、雙向氣體止推軸承、2號磁軸承、I號氣體軸承和2號氣體軸承均嵌在主軸外，雙向氣體止推軸承位于主軸的中間，
[0017]I號磁軸承和2號磁軸承以雙向氣體止推軸承為鏡面呈鏡像對稱設置，2號氣體軸承和I號氣體軸承以雙向氣體止推軸承為鏡面呈鏡像對稱設置，I號磁軸承位于2號氣體軸承和雙向氣體止推軸承之間，
[0018]高壓氣源輸出的氣體依次經通氣口、過濾器、閥門后，同時送至I號氣體軸承和2號氣體軸承，濾波器用于將采集的I號位移傳感器、2號位移傳感器、3號位移傳感器、4號位移傳感器、5號位移傳感器和6號位移傳感器輸出的位移信號，及光電編碼器輸出的偏轉角度進行數字濾波后送至DSP，
[0019]DSP用于對接收的信號進行處理，獲得控制信號，并將該控制信號經D/A轉換器和功率放大器處理后，對I號磁軸承和2號磁軸承進行控制，
[0020]PC機用于通過串行通信方式與DSP進行數據交換。
[0021]所述的DSP 采用 TMS320LF2407A 實現。
[0022]所述的DSP包括A/D轉換模塊、減法器、微分模塊、Fuzzy自調整模塊、PID控制模塊；
[0023]所述的A/D轉換模塊信號輸入端與濾波器的信號輸出端連接，A/D轉換模塊的信號輸出端與減法器的減數信號輸入端連接，減法器的數據信號輸出端同時與微分模塊的信號輸入端和PID控制模塊的I號數據信號輸入端連接，微分模塊的信號輸出端與Fuzzy自調整模塊的信號輸入端連接，Fuzzy自調整模塊的信號輸出端與PID控制模塊的2號數據信號輸入端連接，PID控制模塊的信號輸出端作為DSP的信號輸出端，Fuzzy自調整模塊的信號輸入輸出端與PC機的信號輸入輸出端連接。
[0024]所述的Fuzzy自調整模塊包括Fuzzy推理模塊和參數修正模塊；
[0025]所述的Fuzzy推理模塊的信號輸入端作為Fuzzy自調整模塊的信號輸入端，
[0026]Fuzzy推理模塊的信號輸出端與參數修正模塊的信號輸入端連接，參數修正模塊的信號輸出端作為Fuzzy自調整模塊的信號輸出端；
[0027]Fuzzy推理模塊的信號輸入輸出端和參數修正模塊的信號輸入輸出端均作為Fuzzy自調整模塊的信號輸入輸出端。
[0028]所述的DSP的控制方式采用模糊自整定PID法。
[0029]所述的I號位移傳感器和5號位移傳感器相對設置，且6號位移傳感器垂直于I號位移傳感器與5號位移傳感器形成的直線；
[0030]2號位移傳感器和4號位移傳感器相對設置，且3號位移傳感器垂直于2號位移傳感器與4號位移傳感器形成的直線。
[0031]本發明帶來的有益效果是，本發明基于主軸回轉誤差的控制系統控制效果好，能有效且快速地檢測出工件工作時的誤差，并能針對產生的回轉誤差做出響應，不僅提高了控制速度，而且提高了主軸的精度，使控制精度提高了 5%以上，控制速度提高了 20%以上。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發明所述的基于主軸回轉誤差的控制系統的原理示意圖；
[0033]圖2為【具體實施方式】三所述的DSP內部的原理示意圖；
[0034]圖3為基于主軸回轉誤差的控制系統的控制原理框圖。
【具體實施方式】
[0035]【具體實施方式】一:參見圖1說明本實施方式，本實施方式所述的基于主軸回轉誤差的控制系統，它包括動力系統、高壓供氣系統、主軸系統和控制系統；
[0036]動力系統包括伺服電機I和主軸9 ；
[0037]高壓供氣系統包括閥門10、過濾器11、通氣口 12和高壓氣源13 ；
[0038]主軸系統包括I號磁軸承4、雙向氣體止推軸承5、2號磁軸承6、I號氣體軸承7、2號氣體軸承17、I號位移傳感器3、2號位移傳感器8、3號位移傳感器14、4號位移傳感器15、5號位移傳感器16、6號位移傳感器18和光電編碼器19 ；
[0039]控制系統包括濾波器20-1、DSP20-2、D/A轉換器20_3、功率放大器20_4和PC機20-5 ；
[0040]伺服電機I通過皮帶輪2帶動主軸9轉動，光電編碼器19用于檢測主軸9在旋轉過程中的偏轉角度，
[0041]I號位移傳感器3、5號位移傳感器16和6號位移傳感器18分別用于檢測主軸9一端沿三個方向的徑向位移，其中，I號位移傳感器3、5號位移傳感器16和6號位移傳感器18位于同一平面內，且所述平面垂直于主軸9，所述I號位移傳感器3、5號位移傳感器16和6號位移傳感器18均位于以主軸9為中心的同一個圓周上，
[0042]I號位移傳感器3、5號位移傳感器16和6號位移傳感器18位于2號氣體軸承17的左側，
[0043]2號位移傳感器8、3號位移傳感器14和4號位移傳感器15分別用于檢測主軸9的另一端沿三個方向的徑向位移；
[0044]其中，2號位移傳感器8、3號位移傳感器14和4號位移傳感器15位于同一平面內，且所述平面垂直于主軸9，2號位移傳感器8、3號位移傳感器14和4號位移傳感器15均位于以主軸9為中心的同一個圓周上，
[0045]2號位移傳感器8、3號位移傳感器14和4號位移傳感器15位于I號氣體軸承7的右側，I號磁軸承4、雙向氣體止推軸承5、2號磁軸承6、I號氣體軸承7和2號氣體軸承17均嵌在主軸9外，雙向氣體止推軸承5位于主軸9的中間，
[0046]且I號磁軸承4和2號磁軸承6以雙向氣體止推軸承5為鏡面呈鏡像對稱設置，2號氣體軸承17和I號氣體軸承7以雙向氣體止推軸承5為鏡面呈鏡像對稱設置，I號磁軸承4位于2號氣體軸承17和雙向氣體止推軸承5之間，
[0047]高壓氣源13輸出的氣體依次經通氣口 12、過濾器11、閥門10后，同時送至I號氣體軸承7和2號氣體軸承17，濾波器20-1用于將采集的I號位移傳感器3、2號位移傳感器8、3號位移傳感器14、4號位移傳感器15、5號位移傳感器16和6號位移傳感器18輸出的位移信號，及光電編碼器19輸出的偏轉角度進行數字濾波后送至DSP20-2，
[0048]DSP20-2用于對接收的信號進行處理，獲得控制信號，并將該控制信號經D/A轉換器20-3和功率放大器20-4處理后，對I號磁軸承4和2號磁軸承6進行控制，
[0049]PC機20-5用于通過串行通信方式與DSP20-2進行數據交換。
[0050]本實施方式，PC機20-5用于控制DSP20-2的啟動和停止工作，控制DSP20-2的控制算法程序加載，實現磁軸承系統工作時在線參數的變更。
[0051]通過I號位移傳感器3、5號位移傳感器16和6號位移傳感器18用于分別檢測主軸9的一端沿徑向的移動距離，2號位移傳感器8、3號位移傳感器14和4號位移傳感器15用于分別檢測主軸9的另一端沿徑向的移動距離，獲得主軸9的回轉誤差值，通過DSP20-2對回轉誤差值進行處理及修正，從而對主軸9進行更加精確的控制。
[0052]所述的基于主軸回轉誤差的控制系統，它包括動力系統、高壓供氣系統、主軸系統和控制系統。
[0053]動力系統中采用皮帶輪輸送電機和主軸之間的動力，不僅結構簡單、造價低，而且操作使用方便。
[0054]高壓供氣系統采用高壓形式，保證了氣體軸承的氣源，而且結構中設有過濾裝置，從而保證了氣體的純凈，防止因氣體中含有顆粒狀物質而堵塞了小孔節流器。
[0055]主軸系統由作為主要支承的兩個氣體徑向軸承和作為輔助支承的兩個主動磁軸承、一個雙向氣體止推軸承及6個位移傳感器組成。氣磁軸承的結構采用對稱結構形式。止推軸承位于主軸的中間。
[0056]主軸轉角由LEC型小型光電編碼器在線測量，該編碼器每轉輸出3600個脈沖和I個零位觸發信號，DSP以零位觸發信號為起點，每檢測到I個脈沖就將此時由傳感器檢測到的主軸運動情況減去此時的表面誤差值與由于偏心引起的一次諧波分量，處