CN106141864A - 一种双伺服电机开式砂带磨头控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双伺服电机开式砂带磨头控制方法，磨头包括第一伺服电机、第二伺服电机、第一砂带盘、第二砂带盘和运动控制器，运动控制器控制第一伺服电机和第二伺服电机的正转与反转，实现砂带对待磨削件的处理，所述第一伺服电机和第二伺服电机的相对位置根据砂带运动方向进行收卷电机和放卷电机的切换；所述第一砂带盘和第二砂带盘的相对位置根据砂带运动方向进行收卷砂带盘和放卷砂带盘的切换。该方法中，收卷电机和放卷电机的切换方式提高了单次砂带使用长度，从而提高了寿命。

Description

一种双伺服电机开式砂带磨头控制方法

技术领域

本发明涉及砂带磨削技术领域，具体涉及一种双伺服电机开式砂带磨头控制方法。

背景技术

随着航空、航天、汽车，摩托车以及轻工业的不断进步和发展，诸如铝合金、钛合金、不锈钢和结构钢等金属材料的应用及其加工技术已越来越引起国内外制造商和材料专家学者们的普遍关注和高度重视。众所周知，金属材料具有优良的性能，然而其机械加工时，由于其具有的某些机械物理性能特点使其加工工艺性差、加工成本高。由于磨削加工往往是机械加工产品的终极加工工序，其加工效果的好坏直接影响到产品的最终质量和性能，因此面对现代工业发展对金属材料表面加工质量、精度、完整性和成本等提出的更高要求，传统的磨削工艺已难以适应。目前，砂带磨削技术已在材料加工中发挥着越来越大的作用，并已逐渐发展成为金属材料精密和超精密加工的有效方法之一。

砂带磨削的应用方式按照基本结构形式可以分为闭式和开式两大类。闭式砂带磨削方式是应用最为广泛的方式。闭式砂带磨削在高效强力磨削和精密磨削两方面都有广泛的应用，是砂带磨削的主流应用方式。闭式砂带磨削可以进行外圆、内孔、平面和型面等各种表面的加工，应用范围十分广泛。近年来砂带磨削也被广泛应用于航空发动机叶片的磨削。由于航空发动机叶片的曲面扭曲度较大，砂带磨削接触轮直径必须与曲面最小曲率半径相适应。然而由闭式砂带磨削的运行原理可知，其必须通过砂带与张紧轮系直接的摩擦力来与磨削力想抗衡以防止砂带打滑，故闭式砂带磨削必须通过张紧轮使用较大张力强制张紧，该运行方式决定了无法使用小接触轮。

开式砂带磨削多应用于精密和超精密加工。由于开式砂带磨削的砂带是以成卷形式的应用，因此砂带的使用周期较长，可以省去许多换带的时间。然而传统开式砂带磨削通常使用一个普通三相异步电机使用缓慢的速度收带，另一端是一卷未使用的研磨带，并通过较大的张力将其张紧。由于该开式磨削方式无法实现砂带的高速运动，故其基本只能实现轴类，孔类及端面等能实现高速运动的规则零件的材料表面抛光磨削，而无法应用于叶片等复杂零件的加工。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于整体叶盘及叶片的双伺服电机开式砂带磨头的控制方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种双伺服电机开式砂带磨头控制方法，所述磨头包括第一伺服电机、第二伺服电机、第一砂带盘、第二砂带盘和运动控制器，运动控制器控制第一伺服电机和第二伺服电机的正转与反转，实现砂带对待磨削件的处理，所述第一伺服电机和第二伺服电机的相对位置根据砂带运动方向进行收卷电机和放卷电机的切换；所述第一砂带盘和第二砂带盘的相对位置根据砂带运动方向进行收卷砂带盘和放卷砂带盘的切换；

所述控制方法包括以下步骤：

S1、设置运动控制器参数，包括两个砂带盘的初始直径、砂带厚度和两个伺服电机的电机编码器角位置θ，砂带设定线速度v，启动运动控制器；

S2、根据砂带盘初始直径、砂带厚度和伺服电机的电机编码器的角位置计算砂带实时直径D_c，包括收卷砂带盘实时直径D_CS和放卷砂带盘实时直径D_CF；

S3、运动控制器设置收卷电机的速度和/或位置，以及力矩且力矩不限幅，运动控制器设置放卷电机的速度、以及力矩且力矩限幅，所述收卷电机的速度与放卷电机的速度同步；

S4、选择运动控制器控制模式：自动模式、手动模式和对搓模式；如果选择自动模式，则执地步骤S5；如果选择对搓模式，则执行步骤S6；如果选择手动模式，则执行步骤S7；

S5、当砂带实时直径D_c小于放卷盘直径设定值D_set时，运动控制器控制收卷电机和放卷电机立即进行切换，调转磨头运动方向，在切换次数达到设定值时终止运动并提示换带；

S6、运动控制器控制磨头不断对搓同一段砂带直到对搓次数达到设定值，则更新相同长度砂带，对搓过程中实现砂带对待磨削件的处理；

S7、运动控制器根据数控按键控制砂带运动方向，实现对砂带对待磨削件的处理。

收卷电机和放卷电机的切换方式提高了单次砂带使用长度，从而提高了寿命；收卷电机力矩不限幅能保证电机克服磨削阻力和***阻力，放卷电机力矩限幅能实现砂带张力的控制；磨头三种控制模式可以满足不同场合的应用。

进一步的，步骤S2中砂带盘直径计算方法是：

在执行初始化指令后，***根据两个砂带盘初始直径和厚度值t对电机执行相对直接回零，保证砂带盘实时直径D_c与该砂带盘对应的伺服电机的电机编码器角位置θ呈如下比例关系：

通过在初始化后对电机回零，使角位置与直径计算值呈固定的线性函数关系。

进一步的，在所述步骤S3中，还包括设置虚拟轴的步骤，在运动控制器中设置一个虚拟轴，运动控制器控制收卷电机与虚拟轴速度同步或者位置同步且力矩不限幅，控制放卷电机与虚拟轴速度同步且力矩限幅。

添加虚拟轴，将虚拟轴作为中间轴，让放卷电机与收卷电机分别与虚拟轴同步，这种同步方式减小了让放卷电机与收卷电机之间的同步误差。

进一步的，步骤S3中建立虚拟轴时，虚拟轴需满足以下条件：

将虚拟轴与收卷电机的传动比记为i_S，虚拟轴与放卷电机的传动比记为i_F；超速比为i_over；则i_s与i_f应满足超速比i_over为大于1的常数。

放卷电机与虚拟轴的传动比i满足该公式使得放卷电机一直处于超速的状态下，放卷电机的超速状态可以使其速度环迅速饱和，则电机输出的力矩即为力矩限幅值。其中，超速比i_over大于1以保证放卷电机工作于速度环饱和加力矩限幅的模式下。

所述虚拟轴的角位置随时间变化，用函数θ(t)表示，在保证砂带设定线速度v恒定、收卷砂带盘起始直径为D_S0及设定i_s为1的情况下，应满足以下要求：

$\mathrm{\θ}\left(t\right)=2\sqrt{{\mathrm{\π}}^2\frac{D_{S0}^2}{T^2}+\frac{\mathrm{\π}vt}{T}}-\mathrm{\π}\frac{D_{S0}}{T};$

对θ(t)进行求导，得到虚拟轴的转速，所述运动控制器控制收卷电机与放卷电机与虚拟轴同步。

本方法通过快速刷新收卷转速，保证砂带以恒定的速度运动。

进一步的，所述砂带运动切换方法是砂带正向运动时，第一伺服电机为收卷电机、第二伺服电机为放卷电机；砂带反向运动时，第一伺服电机为放卷电机，第二伺服电机为收卷电机，且收卷电机和放卷电机运转方向各自反向。通过在切换电机转向的同时切换工作模式保证在切换砂带运动方向的同时保证***控制模式不变。

进一步的，放卷盘直径设定值D_set根据放卷砂带盘最小内径D_min值设定，D_set>D_min。这能尽可能的提高每卷砂带实际使用长度，提高效率。

优选的，所述运动控制器为simotion运动控制器。采用Simotion运动控制器来实现对该开式砂带磨头的控制，使得控制更加方便。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是双电机开式砂带磨头模型图；

图2是收卷盘电机位置模式下的控制模型图；

图3是放卷盘电机控制模型图；

图4是收卷盘电机速度模式下的控制模型图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种双伺服电机开式砂带磨头控制方法，如图1所示，所述磨头包括第一伺服电机A和第二伺服电机B，第一砂带盘和第二砂带盘和动动控制器(未图示)，所述运动控制器控制第一伺服电机A和第二伺服电机B的正转与反转，实现砂带对待磨削件的处理，所述第一伺服电机A和第二伺服电机B的相对位置根据砂带运动方向进行收卷电机和放卷电机的切换,收卷电机控制砂带线速度并克服磨削阻力，放卷电机控制砂带张力；所述第一砂带盘和第二砂带盘的相对位置根据砂带运动方向进行收卷砂带盘和放卷砂带盘的切换。

所述砂带运动切换方法是砂带正向运动时，第一伺服电机A为收卷电机、第二伺服电机B为放卷电机；砂带反向运动时，第一伺服电机A为放卷电机，第二伺服电机B为收卷电机，且收卷电机和放卷电机运转方向各自反向。

该开式砂带磨头控制方法包括以下步骤：

S1、设置运动控制器参数，包括两个砂带盘的初始直径、砂带厚度和两个伺服电机的电机编码器角位置θ，砂带设定线速度v，启动运动控制器。

S2、根据砂带盘初始直径、砂带厚度和伺服电机的电机编码器的角位置计算砂带实时直径D_c，包括收卷砂带盘实时直径D_CS和放卷砂带盘实时直径D_CF。

S3、运动控制器设置收卷电机的速度和/或位置，以及力矩且力矩不限幅，运动控制器设置放卷电机的速度、以及力矩且力矩限幅，所述收卷电机的速度与放卷电机的速度同步。

S4、选择运动控制器控制模式：自动模式、手动模式和对搓模式；如果选择自动模式，则执地步骤S5；如果选择对搓模式，则执行步骤S6；如果选择手动模式，则执行步骤S7。

S5、当砂带实时直径D_c小于放卷盘直径设定值D_set时，运动控制器控制收卷电机和放卷电机立即进行切换，调转磨头运动方向，在切换次数达到设定值时终止运动并提示换带。

这里放卷盘直径设定值D_set根据放卷砂带盘最小内径D_min值设定，D_set>D_min。

S6、运动控制器控制磨头不断对搓同一段砂带直到对搓次数达到设定值，则更新相同长度砂带，对搓过程中实现砂带对待磨削件的处理。

S7、运动控制器根据数控按键控制砂带运动方向，实现对砂带对待磨削件的处理。

计算砂带盘实时直径时，采用以下方法：

在执行初始化指令后，***根据两个砂带盘初始直径和厚度值t对电机执行相对直接回零，保证砂带盘实时直径D_c与该砂带盘对应的伺服电机的电机编码器角位置θ呈如下比例关系：

即，计算收卷砂带盘实时直径D_CS时，其中θ_s为收卷砂带盘对应的伺服电机，即收卷电机的电机编码器角位置。计算放卷砂带盘实时直径D_CF时，其中θ_f为放卷砂带盘对应的伺服电机，即放卷电机的电机编码器角位置。

作为本实施例的优选方案在所述步骤S3中，还包括设置虚拟轴的步骤，在运动控制器中设置一个虚拟轴，运动控制器控制收卷电机与虚拟轴速度同步或者位置同步且力矩不限幅，控制放卷电机与虚拟轴速度同步且力矩限幅。添加虚拟轴，将虚拟轴作为中间轴，让放卷电机与收卷电机分别与虚拟轴同步，这种同步方式可减小放卷电机与收卷电机之间的同步误差。

在建立虚拟轴时，需满足以下条件：

将虚拟轴与收卷电机的传动比记为i_S，虚拟轴与放卷电机的传动比记为i_F；超速比为i_over；则i_s与i_f应满足超速比i_over为常数，通常超速比i_over大于1。

所述虚拟轴的角位置随时间变化，用函数θ(t)表示，在保证砂带设定线速度v恒定、收卷砂带盘起始直径为D_S0及设定i_s为1的情况下，应满足以下要求：

对函数θ(t)进行求导，即可以得到虚拟轴的速度，运动控制器控制虚拟轴启动，虚拟轴的速度按上述方法进行更新，运动控制器控制收卷电机和放卷电机与虚拟轴同步，从而实现磨头的转动，达到对待磨削件进行磨削的目的。

伺服电机通常有三个控制环，位置环(外环)，速度环(中间环)，电流环(内环，也叫力矩环)。本实施例中，如图2-3所示，当收卷电机与虚拟轴位置同步且力矩不限幅时，收卷电机的转动角度和转动速度都受虚拟轴控制，这个模式下通过运动控制器控制这三个控制环进行控制。如图4所示，当收卷电机与虚拟轴速度同步且力矩不限幅时，收卷电机的转度跟随虚拟轴变化，但转动角度不受虚拟轴的转动角度控制，这个模式下只需通过运动控制器控制速度环和电流环两个控制环进行控制。运动控制器控制三个控制环的方法采用现有已知方法即可。

本文所述的实施例中运动控制器可选用simotion运动控制器。Simotion运动控制器是一个全新的西门子运动控制***，由一个***来完成所有的运动控制任务适用于具有许多运动部件的机器。它是世界上第一款专门为运动控制而设计的控制***，将运动控制、逻辑控制及工艺控制功能集成于一身，为生产机械提供了完整的解决方案。Simotion运动控制器面向的行业主要是包装机械，橡塑机械，锻压机械，纺织机械，以及其他生产机械领域，正是针对复杂运动控制而推出的全新运动控制***。采用Simotion运动控制器来实现对该开式砂带磨头的控制，使得控制更加方便。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种双伺服电机开式砂带磨头控制方法，其特征在于，所述磨头包括第一伺服电机、第二伺服电机、第一砂带盘、第二砂带盘和运动控制器，运动控制器控制第一伺服电机和第二伺服电机的正转与反转，实现砂带对待磨削件的处理，所述第一伺服电机和第二伺服电机的相对位置根据砂带运动方向进行收卷电机和放卷电机的切换；所述第一砂带盘和第二砂带盘的相对位置根据砂带运动方向进行收卷砂带盘和放卷砂带盘的切换；

所述控制方法包括以下步骤：

S1、设置运动参数，包括两个砂带盘的初始直径、砂带厚度和两个伺服电机的电机编码器角位置θ，砂带设定线速度v，启动运动控制器；

S2、根据砂带盘初始直径、砂带厚度和伺服电机的电机编码器的角位置计算砂带实时直径D_c，包括收卷砂带盘实时直径D_CS和放卷砂带盘实时直径D_CF；

S3、运动控制器设置收卷电机的速度和/或位置，以及力矩且力矩不限幅，运动控制器设置放卷电机的速度、以及力矩且力矩限幅，所述收卷电机的速度与放卷电机的速度同步；

S4、选择运动控制器控制模式：自动模式、手动模式和对搓模式；如果选择自动模式，则执地步骤S5；如果选择对搓模式，则执行步骤S6；如果选择手动模式，则执行步骤S7；

S5、当砂带实时直径D_c小于放卷盘直径设定值D_set时，运动控制器控制收卷电机和放卷电机立即进行切换，调转磨头运动方向，在切换次数达到设定值时终止运动并提示换带；

S6、运动控制器控制磨头不断对搓同一段砂带直到对搓次数达到设定值，则更新相同长度砂带，对搓过程中实现砂带对待磨削件的处理；

S7、运动控制器根据数控按键控制砂带运动方向，实现对砂带对待磨削件的处理。

2.根据权利要求1所述的双伺服电机开式砂带磨头控制方法，其特征在于，步骤S2中砂带盘直径计算方法是：

在执行初始化指令后，***根据两个砂带盘初始直径和厚度值t对电机执行相对直接回零，保证砂带盘实时直径D_c与该砂带盘对应的伺服电机的电机编码器角位置θ呈如下比例关系：

3.根据权利要求1所述的双伺服电机开式砂带磨头控制方法，其特征在于，在所述步骤S3中，还包括设置虚拟轴的步骤，在运动控制器中设置一个虚拟轴，运动控制器控制收卷电机与虚拟轴速度同步或者位置同步且力矩不限幅，控制放卷电机与虚拟轴速度同步且力矩限幅。

4.根据权利要求3所述的基于Simotion的双伺服电机开式砂带磨头控制方法，其特征在于，虚拟轴需满足以下条件：

将虚拟轴与收卷电机的传动比记为i_S，虚拟轴与放卷电机的传动比记为i_F；超速比为i_over；则i_s与i_f应满足超速比i_over为大于1的常数。

5.根据权利要求4所述的双伺服电机开式砂带磨头控制方法，其特征在于，所述虚拟轴的角位置随时间变化，用函数θ(t)表示，在保证砂带设定线速度v恒定、收卷砂带盘起始直径为D_S0及设定i_s为1的情况下，应满足以下要求：

$\mathrm{\θ}\left(t\right)=2\sqrt{{\mathrm{\π}}^2\frac{D_{S0}^2}{T^2}+\frac{\mathrm{\π}vt}{T}}-\mathrm{\π}\frac{D_{S0}}{T};$

对θ(t)进行求导，得到虚拟轴的转速，所述运动控制器控制收卷电机与放卷电机与虚拟轴同步。

6.根据权利要求1所述的双伺服电机开式砂带磨头控制方法，其特征在于，所述砂带运动切换方法是砂带正向运动时，第一伺服电机为收卷电机、第二伺服电机为放卷电机；砂带反向运动时，第一伺服电机为放卷电机，第二伺服电机为收卷电机，且收卷电机和放卷电机运转方向各自反向。

7.根据权利要求1所述的双伺服电机开式砂带磨头控制方法，其特征在于，放卷盘直径设定值D_set根据放卷砂带盘最小内径D_min值设定，D_set>D_min。

8.根据权利要求1-7所述的双伺服电机开式砂带磨头控制方法，其特征在于，所述运动控制器为simotion运动控制器。