CN112792581B - 一种双侧同步驱动的高精度龙门滑台、控制***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双侧同步驱动的高精度龙门滑台、控制***及方法，龙门滑台包括X轴电机1、X轴电机2、Z轴电机1、Z轴电机2、Y轴电机、滑台、滑块、光电编码器、双同步驱动的X轴滚珠丝杆导轨、Y轴滚珠丝杆导轨、双同步驱动的Z轴升降滚珠丝杆导轨、Y轴和Z轴连接支架、刀具主轴。控制***是由三坐标数控***、X轴同步控制单元和Z轴同步控制单元组成，采用CAN总线实现联接。三坐标数控***直接控制Y轴伺服驱动器，且分别通过X轴同步控制单元和Z轴同步控制单元控制X轴和Z轴的伺服驱动器，同步控制单元根据平衡反馈补偿算法实现同一坐标方向双侧平行驱动的伺服电机的速度同步。
Description
技术领域
本发明涉及一种双侧同步驱动的高精度龙门滑台、控制***及方法，属于精密数控加工设备控制技术领域。
背景技术
很多精密数控加工设备采用龙门式滑台结构，这种结构的优点是空间布局合理，加工范围大，运动平稳。龙门式结构的设备，一个坐标方向上有两个平行的导轨。在以往的龙门式结构的设备中，由同一台电机驱动平行的两个导轨中的运动，用同步带或横向传动机构将电机的动力分配传送到两个平行的导轨。然而，这种依靠机械传动机构实现双侧导轨同步运动的方式是有缺陷的，不仅机械传动机构的精度和一致性会直接影响同步运动的精度，传动链较长也使得刚度减低。
如果采用两个伺服电机从龙门滑台的双侧分别驱动两个平行导轨的运动，则可以大大减小机械传动链的长度，显著提高刚度。但是，必须要从控制原理上解决两台伺服电机的速度完全同步的问题，才能实现这一方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双侧同步驱动的高精度龙门滑台、控制***及方法，以解决现有的龙门滑台驱动技术中机械传动链较长、刚度低的问题。
一种双侧同步驱动的高精度龙门滑台及控制***，包括底座台、水平双侧同步驱动的X轴滚珠丝杆导轨、X轴伺服电机1及伺服驱动器、X轴伺服电机2及伺服驱动器、滑台、双侧立柱、双侧同步驱动的Z轴滚珠丝杆导轨，Z轴伺服电机1及伺服驱动器、Z轴伺服电机2及伺服驱动器、横梁、Y轴滚珠丝杆导轨、Y轴伺服电机及伺服驱动器、主轴及刀具、X轴同步控制单元、Z轴同步控制单元、三坐标数控***，所述X轴伺服电机1和X轴伺服电机2从双侧同步驱动滑台沿着X坐标方向运动、所述Z轴伺服电机1和Z轴伺服电机2从双侧同步驱动横梁沿着Z坐标方向运动、所述Y轴滚珠丝杆导轨沿着横梁固定，主轴及刀具连接在Y轴滚珠丝杆导轨的滑块上，Y轴伺服电机驱动主轴及刀具沿着Y坐标方向运动，所述X轴伺服电机1和X轴伺服电机2的输出轴上安装有光电脉冲编码器，X轴伺服电机1和X轴伺服电机2的输出轴上的光电脉冲编码器连接到各自的伺服驱动器的反馈输入端口，同时还连接到X轴同步控制单元的反馈输入口，所述Z轴伺服电机1和Z轴伺服电机2的输出轴上安装有光电脉冲编码器，Z轴伺服电机1和Z轴伺服电机2的输出轴上的光电脉冲编码器连接到各自的伺服驱动器的反馈输入端口，同时还连接到Z轴同步控制单元的反馈输入口，所述Y轴伺服电机的输出轴上安装有光电脉冲编码器，Y轴伺服电机的输出轴上的光电脉冲编码器只连接到Y轴伺服驱动器的反馈输入接口，所述三坐标数控***通过CAN总线与X轴同步控制单元的总线接口、Z轴同步控制单元的总线接口、Y轴伺服驱动器的总线接口相连接，所述X轴同步控制单元分别与X轴伺服电机1的伺服驱动器和X轴伺服电机2的伺服驱动器相连接，所述Z轴同步控制单元分别与Z轴伺服电机1的伺服驱动器和Z轴伺服电机2的伺服驱动器相连接。
优选地，所述控制***是由所述三坐标数控***、X轴同步控制单元和Z轴同步控制单元组成，三坐标数控***完成三坐标的插补运算，通过CAN总线向X轴同步控制单元、Z轴同步控制单元和Y轴伺服驱动单元发出控制信号，X轴同步控制单元向X轴伺服电机1的驱动器和X轴伺服电机2的驱动器发出控制信号，Z轴同步控制单元向Z轴伺服电机1的驱动器和Z轴伺服电机2的驱动器发出控制信号。
优选地，三坐标数控***是基于工控机的开放式数控***。
优选地，所述同步控制单元采用STM32F103为核心处理器，以TJA1050为CAN总线驱动器，通过CAN总线接收三坐标数控***的命令信号，以STM32F103的两个编码器接口，分别接收伺服电机1和伺服电机2轴上的编码器的反馈信号，在STM32F103中进行位置控制和速度同步运算，并将转矩控制命令分别发送到伺服电机1的驱动器和伺服电机2的驱动器。
优选地，所述X轴伺服电机1的伺服驱动器、X轴伺服电机2的伺服驱动器、Z轴伺服电机1的伺服驱动器、Z轴伺服电机2的伺服驱动器都工作于转矩控制模式下，Y轴伺服电机的伺服驱动器工作于位置控制模式下。
一种双侧同步驱动的高精度龙门滑台的控制方法，其特征在于，在X轴和Z轴坐标方向上，均有两台伺服电机从两侧驱动平行的滚珠丝杆，使龙门滑台运动，同一坐标方向的两台伺服电机的伺服驱动器由一个同步控制单元统一控制，所述同步控制单元，接收数控***通过CAN总线发送的位置进给命令，根据位置进给指令和两台伺服电机轴上的光电脉冲编码器的反馈信号，完成双伺服电机的同步控制运算，所述同步控制运算包括以下步骤：
步骤一：接收伺服电机1轴上的光电编码器1和伺服电机1轴上的光电编码器2的反馈信号，输入到平衡反馈补偿模块，得到位置反馈信号Pf，伺服电机1的速度反馈信号Vf1，伺服电机2的速度反馈信号Vf2。
步骤二：接收三坐标数控***发送的进给命令PCMD，并与位置反馈信号Pf相减，得到位置跟随误差，在位置控制器中实现位置控制运算得到速度控制命令VCMD。
步骤三：以速度控制命令VCMD与伺服电机1的速度反馈信号Vf1相减，得到伺服电机1的速度偏差，在速度控制器1中实现速度控制运算，得到伺服电机1的转矩控制命令，发送到伺服驱动器1。
步骤四：以速度控制命令VCMD与伺服电机2的速度反馈信号Vf2相减，得到伺服电机2的速度偏差，在速度控制器2中实现速度控制运算，得到伺服电机2的转矩控制命令，发送到伺服驱动器2。
以上各个步骤中所用到的位置反馈信号Pf以及速度反馈信号Vf1和Vf2，可以在平衡反馈补偿模块中，通过如下计算得到：对伺服电机1的光电编码器的脉冲信号进行计数累加而得到位置反馈信号Pf；对伺服电机1的光电编码器的脉冲信号进行测频而得到信号V1，对伺服电机2的光电编码器的脉冲信号进行测频而得到信号V2。对得到的V1和V2，进行如下计算：
vf1＝(1-k)v1+kv2
vf2＝(1-k)v2+kv1
计算得到的Vf1和Vf2分别用于伺服电机1和伺服电机2的速度反馈，k是反馈平衡系数，0＜k＜1。
进一步地，所述位置控制运算是比例加前馈的运算，所述速度控制运算是比例加积分的运算。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明通过上述的双侧同步驱动的高精度龙门滑台控制***，以实现滑台左右两侧同步平稳运行，有效解决现有技术中心存在的机械传动链长影响同步精度以及刚度低的问题。
附图说明
图1是本发明机构示意图。
图2是本发明控制模块功能示意图。
图3是本发明平衡反馈模块示意图。
图4是本发明伺服驱动装置示意图，
图中：1-1、X轴1号电机；1-2、X轴2号电机；2-1、Z轴1号电机；2-2、Z轴2号电机；3、Y轴电机；4、滑台；5、滑块；6、X轴滚珠丝杆导轨；7、Y轴滚珠丝杆导轨；8、Z轴滚珠丝杆导轨；9、Y轴和Z轴连接支架；10、主轴刀具。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图及具体实施方式，进一步阐述本发明。
如附图1所示，双侧同步驱动的高精度龙门滑台及控制***，包括X轴1号电机1-1；X轴2号电机1-2；Z轴1号电机2-1；Z轴2号电机2-2；Y轴电机3；滑台4；滑块5和主轴刀具10；X轴滚珠丝杆导轨6；Y轴滚珠丝杆导轨7；Z轴滚珠丝杆导轨8；Y轴和Z轴连接支架9。滑台4与X轴两个滚珠丝杆导轨相连，导轨顶端分别装有X轴1号电机1-1和X轴2号电机1-2，可控制滑台沿X轴正负方向进行同步移动，Z轴两个升降滚珠丝杆导轨8通过两个连接支架9与Y轴滚珠丝杆导轨7相连，导轨顶部分别装有Z轴1号电机2-1和Z轴2号电机2-2，可控制连接支架沿Z轴导轨上下方向进行同步移动，Y轴电机3安装于Y轴滚珠丝杆导轨一侧，对导轨上的滑块及主轴刀具5进行控制，其中滑块5与主轴刀具10相连。
如附图4所示，双侧同步驱动的高精度龙门滑台的控制方法包括：
X轴伺服驱动器1和2：工作于转矩控制模式，用于驱动X轴伺服电机1和X轴伺服电机2；X轴同步控制单元：接收来自X轴伺服驱动器1和伺服驱动器2的速度信号，用于控制滑台两侧电机同步运行，Z轴伺服驱动器1和2：工作与转矩控制模式，用于驱动Z轴伺服电机1和Z轴伺服电机2；Z轴同步控制单元：接收来自X轴伺服驱动器1和伺服驱动器2的速度信号，用于控制刀具升降时Y轴和Z轴的两个连接支架同步运行；伺服驱动器：工作于位置控制模式下，用于驱动Y轴伺服电机；三坐标数控***：接收用户加工指令，向X轴同步控制单元发出位置信号，控制滑台同步平稳运行，向伺服驱动器发出位置信号，控制刀具同步平稳运行；根据加工工艺中切削深度的变化，向Z轴伺服驱动模块发出命令，控制Z轴电机运动，改变刀具的进刀深度；三坐标数控***、X轴同步控制单元、Z轴同步控制单元、伺服驱动器等都通过***内部总线连接。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种双侧同步驱动的高精度龙门滑台的控制方法，其特征在于，包括双侧同步驱动的高精度龙门滑台，双侧同步驱动的高精度龙门滑台包括底座台、水平双侧同步驱动的X轴滚珠丝杆导轨(6)、X轴1号电机(1-1)及X轴1号电机(1-1)的伺服驱动器、X轴2号电机(1-2)及X轴2号电机(1-2)的伺服驱动器、龙门滑台、双侧立柱、双侧同步驱动的Z轴滚珠丝杆导轨(8)，Z轴1号电机(2-1)及Z轴1号电机(2-1)的伺服驱动器、Z轴2号电机(2-2)及Z轴2号电机(2-2)的伺服驱动器、横梁、Y轴滚珠丝杆导轨(7)、Y轴伺服电机及Y轴伺服驱动器、主轴及主轴刀具(10)、X轴同步控制单元、Z轴同步控制单元、三坐标数控***，所述X轴1号电机(1-1)和X轴2号电机(1-2)从双侧同步驱动龙门滑台沿着X坐标方向运动、所述Z轴1号电机(2-1)和Z轴2号电机(2-2)从双侧同步驱动横梁沿着Z坐标方向运动、所述Y轴滚珠丝杆导轨(7)沿着横梁固定，主轴及主轴刀具(10)连接在Y轴滚珠丝杆导轨(7)的滑块(5)上，Y轴伺服电机驱动主轴及主轴刀具(10)沿着Y坐标方向运动，所述X轴1号电机(1-1)和X轴2号电机(1-2)的输出轴上安装有光电脉冲编码器，X轴1号电机(1-1)和X轴2号电机(1-2)的输出轴上的光电脉冲编码器连接到各自的伺服驱动器的反馈输入端口，同时还连接到X轴同步控制单元的反馈输入口，所述Z轴1号电机(2-1)和Z轴2号电机(2-2)的输出轴上安装有光电脉冲编码器，Z轴1号电机(2-1)和Z轴2号电机(2-2)的输出轴上的光电脉冲编码器连接到各自的伺服驱动器的反馈输入端口，同时还连接到Z轴同步控制单元的反馈输入口，所述Y轴伺服电机的输出轴上安装有光电脉冲编码器，Y轴伺服电机的输出轴上的光电脉冲编码器只连接到Y轴伺服驱动器的反馈输入接口，所述X轴同步控制单元分别与X轴1号电机(1-1)的伺服驱动器和X轴2号电机(1-2)的伺服驱动器相连接，所述Z轴同步控制单元分别与Z轴1号电机(2-1)的伺服驱动器和Z轴2号电机(2-2)的伺服驱动器相连接，X轴1号电机(1-1)的伺服驱动器和X轴2号电机(1-2)的伺服驱动器均按转矩控制模式工作，由X轴同步控制单元统一控制，X轴同步控制单元包含一个位置控制器和两个速度控制器及一个平衡反馈补偿模块，实现X轴1号电机(1-1)与X轴2号电机(1-2)的速度同步和位置同步，Z轴1号电机(2-1)的伺服驱动器和Z轴2号电机(2-2)的伺服驱动器均按转矩控制模式工作，由Z轴同步控制单元统一控制，Z轴同步控制单元包含一个位置控制器和两个速度控制器及一个平衡反馈补偿模块，实现Z轴1号电机(2-1)与Z轴2号电机(2-2)的速度同步和位置同步；在X轴和Z轴坐标方向上，均有两台伺服电机从两侧驱动平行的滚珠丝杆，使龙门滑台运动，同一坐标方向的两台伺服电机的伺服驱动器由一个同步控制单元统一控制，所述同步控制单元接收数控***通过CAN总线发送的位置进给命令，根据位置进给指令和两台伺服电机轴上的光电脉冲编码器的反馈信号，完成双伺服电机的同步控制运算，所述同步控制运算包括以下步骤：
S1：接收X轴1号电机(1-1)轴上的光电脉冲编码器和X轴2号电机(1-2)轴上的光电脉冲编码器的反馈信号，输入到平衡反馈补偿模块，得到位置反馈信号Pf，X轴1号电机(1-1)的速度反馈信号Vf1，X轴2号电机(1-2)的速度反馈信号Vf2；
S2：接收三坐标数控***发送的进给命令PCMD，并与位置反馈信号Pf相减，得到位置跟随误差，在位置控制器中实现位置控制运算得到速度控制命令VCMD；
S3：以速度控制命令VCMD与X轴1号电机(1-1)的速度反馈信号Vf1相减，得到X轴1号电机(1-1)的速度偏差，在X轴1号电机(1-1)的速度控制器中实现速度控制运算，得到X轴1号电机(1-1)的转矩控制命令，发送到X轴1号电机(1-1)的伺服驱动器；
S4：以速度控制命令VCMD与X轴2号电机(1-2)的速度反馈信号Vf2相减，得到X轴2号电机(1-2)的速度偏差，在X轴2号电机(1-2)的速度控制器中实现速度控制运算，得到X轴2号电机(1-2)的转矩控制命令，发送到X轴2号电机(1-2)的伺服驱动器。
2.根据权利要求1所述的双侧同步驱动的高精度龙门滑台的控制方法，其特征在于，所述Y轴伺服驱动器以位置控制模式工作。
3.根据权利要求1所述的双侧同步驱动的高精度龙门滑台的控制方法，其特征在于，所述三坐标数控***通过CAN总线向X轴同步控制单元、Z轴同步控制单元、Y轴伺服驱动器传送数据。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的双侧同步驱动的高精度龙门滑台的控制方法，其特征在于，所述X轴同步控制单元和Z轴同步控制单元具有相同的结构，所述同步控制单元采用STM32F103为核心处理器，以TJA1050为CAN总线驱动器，通过CAN总线接收三坐标数控***的命令信号，以STM32F103的两个编码器接口，分别接收X轴1号电机(1-1)和X轴2号电机(1-2)轴上的光电脉冲编码器的反馈信号，在STM32F103中进行位置控制和速度同步运算，并将转矩控制命令分别发送到X轴1号电机(1-1)的伺服驱动器和X轴2号电机(1-2)的伺服驱动器；接收Z轴1号电机(2-1)和Z轴2号电机(2-2)轴上的光电脉冲编码器的反馈信号，在STM32F103中进行位置控制和速度同步运算，并将转矩控制命令分别发送到Z轴1号电机(2-1)的伺服驱动器和Z轴2号电机(2-2)的伺服驱动器。
5.根据权利要求4所述的双侧同步驱动的高精度龙门滑台的控制方法，其特征在于，所述平衡反馈补偿模块通过对X轴1号电机(1-1)的光电脉冲编码器的脉冲信号进行计数累加而得到位置反馈信号Pf，通过对X轴1号电机(1-1)的光电脉冲编码器的脉冲信号进行测频而得到信号V1，通过对X轴2号电机(1-2)的光电脉冲编码器的脉冲信号进行测频而得到信号V2，并对得到的V1和V2，进行如下计算：
Vf1＝(1-k)V1+kV2
Vf2＝(1-k)V2+kV1
计算得到的Vf1和Vf2分别用于X轴1号电机(1-1)和X轴2号电机(1-2)的速度反馈，k是反馈平衡系数，0＜k＜1。
6.根据权利要求5所述的双侧同步驱动的高精度龙门滑台的控制方法，其特征在于，所述位置控制运算是比例加前馈的运算，所述速度控制运算是比例加积分的运算。
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