基于主轴回转误差的控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种主轴回转误差的控制系统。
【背景技术】
[0002]数控机床和加工中心作为制造业的关键设备，随着工业的发展和科学技术的不断进步，对数控车床的加工精度要求也越来越高。主轴作为数控车床的“心脏”，其工作精度更是受到人们的关注，例如:1kg重的陀螺转子，如果其质心偏离其对称轴线0.5nm，则在射程上会引起10m的误差和50m左右的偏离轨道的误差。由此可以看出主轴的精度对工件起着至关重要的作用。目前的数控车床虽然具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点，能够在一定的程度上满足人们加工高精度工件的要求，但如果在此基础上需要进一步提高其加工精度，达到超精密加工的要求，成本较高、难度较大。
[0003]目前，关于精密轴系的原理、结构、性能、测试以及控制方法的研宄受到了国内外学者的普遍重视与关注。如何满足不断增长的高精度要求，经济合理、技术可行地找到解决的方案，已成为当今急需解决的问题。
【发明内容】
[0004]本发明是为了解决现有数控机床的主轴工作时回转误差大，导致的主轴回转精度低的问题，本发明提供了一种基于主轴回转误差的控制系统。
[0005]基于主轴回转误差的控制系统，它包括动力系统、高压供气系统、主轴系统和控制系统；
[0006]动力系统包括伺服电机和主轴；
[0007]高压供气系统包括阀门、过滤器、通气口和高压气源；
[0008]主轴系统包括I号磁轴承、双向气体止推轴承、2号磁轴承、I号气体轴承、2号气体轴承、I号位移传感器、2号位移传感器、3号位移传感器、4号位移传感器、5号位移传感器、6号位移传感器和光电编码器；
[0009]控制系统包括滤波器、DSP、D/A转换器、功率放大器和PC机；
[0010]伺服电机通过皮带轮带动主轴转动，光电编码器用于检测主轴在旋转过程中的偏转角度，
[0011]I号位移传感器、5号位移传感器和6号位移传感器分别用于检测主轴一端沿三个方向的径向位移，其中，I号位移传感器、5号位移传感器和6号位移传感器位于同一平面内，且所述平面垂直于主轴，所述I号位移传感器、5号位移传感器和6号位移传感器均位于以主轴为中心的同一个圆周上，
[0012]I号位移传感器、5号位移传感器和6号位移传感器位于2号气体轴承的左侧，
[0013]2号位移传感器、3号位移传感器和4号位移传感器分别用于检测主轴的另一端沿三个方向的径向位移；
[0014]其中，2号位移传感器、3号位移传感器和4号位移传感器位于同一平面内，且所述平面垂直于主轴，2号位移传感器、3号位移传感器和4号位移传感器均位于以主轴为中心的同一个圆周上，
[0015]2号位移传感器、3号位移传感器和4号位移传感器位于I号气体轴承的右侧，
[0016]I号磁轴承、双向气体止推轴承、2号磁轴承、I号气体轴承和2号气体轴承均嵌在主轴外，双向气体止推轴承位于主轴的中间，
[0017]I号磁轴承和2号磁轴承以双向气体止推轴承为镜面呈镜像对称设置，2号气体轴承和I号气体轴承以双向气体止推轴承为镜面呈镜像对称设置，I号磁轴承位于2号气体轴承和双向气体止推轴承之间，
[0018]高压气源输出的气体依次经通气口、过滤器、阀门后，同时送至I号气体轴承和2号气体轴承，滤波器用于将采集的I号位移传感器、2号位移传感器、3号位移传感器、4号位移传感器、5号位移传感器和6号位移传感器输出的位移信号，及光电编码器输出的偏转角度进行数字滤波后送至DSP，
[0019]DSP用于对接收的信号进行处理，获得控制信号，并将该控制信号经D/A转换器和功率放大器处理后，对I号磁轴承和2号磁轴承进行控制，
[0020]PC机用于通过串行通信方式与DSP进行数据交换。
[0021]所述的DSP 采用 TMS320LF2407A 实现。
[0022]所述的DSP包括A/D转换模块、减法器、微分模块、Fuzzy自调整模块、PID控制模块；
[0023]所述的A/D转换模块信号输入端与滤波器的信号输出端连接，A/D转换模块的信号输出端与减法器的减数信号输入端连接，减法器的数据信号输出端同时与微分模块的信号输入端和PID控制模块的I号数据信号输入端连接，微分模块的信号输出端与Fuzzy自调整模块的信号输入端连接，Fuzzy自调整模块的信号输出端与PID控制模块的2号数据信号输入端连接，PID控制模块的信号输出端作为DSP的信号输出端，Fuzzy自调整模块的信号输入输出端与PC机的信号输入输出端连接。
[0024]所述的Fuzzy自调整模块包括Fuzzy推理模块和参数修正模块；
[0025]所述的Fuzzy推理模块的信号输入端作为Fuzzy自调整模块的信号输入端，
[0026]Fuzzy推理模块的信号输出端与参数修正模块的信号输入端连接，参数修正模块的信号输出端作为Fuzzy自调整模块的信号输出端；
[0027]Fuzzy推理模块的信号输入输出端和参数修正模块的信号输入输出端均作为Fuzzy自调整模块的信号输入输出端。
[0028]所述的DSP的控制方式采用模糊自整定PID法。
[0029]所述的I号位移传感器和5号位移传感器相对设置，且6号位移传感器垂直于I号位移传感器与5号位移传感器形成的直线；
[0030]2号位移传感器和4号位移传感器相对设置，且3号位移传感器垂直于2号位移传感器与4号位移传感器形成的直线。
[0031]本发明带来的有益效果是，本发明基于主轴回转误差的控制系统控制效果好，能有效且快速地检测出工件工作时的误差，并能针对产生的回转误差做出响应，不仅提高了控制速度，而且提高了主轴的精度，使控制精度提高了 5%以上，控制速度提高了 20%以上。
【附图说明】
[0032]图1为本发明所述的基于主轴回转误差的控制系统的原理示意图；
[0033]图2为【具体实施方式】三所述的DSP内部的原理示意图；
[0034]图3为基于主轴回转误差的控制系统的控制原理框图。
【具体实施方式】
[0035]【具体实施方式】一:参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于主轴回转误差的控制系统，它包括动力系统、高压供气系统、主轴系统和控制系统；
[0036]动力系统包括伺服电机I和主轴9 ；
[0037]高压供气系统包括阀门10、过滤器11、通气口 12和高压气源13 ；
[0038]主轴系统包括I号磁轴承4、双向气体止推轴承5、2号磁轴承6、I号气体轴承7、2号气体轴承17、I号位移传感器3、2号位移传感器8、3号位移传感器14、4号位移传感器15、5号位移传感器16、6号位移传感器18和光电编码器19 ；
[0039]控制系统包括滤波器20-1、DSP20-2、D/A转换器20_3、功率放大器20_4和PC机20-5 ；
[0040]伺服电机I通过皮带轮2带动主轴9转动，光电编码器19用于检测主轴9在旋转过程中的偏转角度，
[0041]I号位移传感器3、5号位移传感器16和6号位移传感器18分别用于检测主轴9一端沿三个方向的径向位移，其中，I号位移传感器3、5号位移传感器16和6号位移传感器18位于同一平面内，且所述平面垂直于主轴9，所述I号位移传感器3、5号位移传感器16和6号位移传感器18均位于以主轴9为中心的同一个圆周上，
[0042]I号位移传感器3、5号位移传感器16和6号位移传感器18位于2号气体轴承17的左侧，
[0043]2号位移传感器8、3号位移传感器14和4号位移传感器15分别用于检测主轴9的另一端沿三个方向的径向位移；
[0044]其中，2号位移传感器8、3号位移传感器14和4号位移传感器15位于同一平面内，且所述平面垂直于主轴9，2号位移传感器8、3号位移传感器14和4号位移传感器15均位于以主轴9为中心的同一个圆周上，
[0045]2号位移传感器8、3号位移传感器14和4号位移传感器15位于I号气体轴承7的右侧，I号磁轴承4、双向气体止推轴承5、2号磁轴承6、I号气体轴承7和2号气体轴承17均嵌在主轴9外，双向气体止推轴承5位于主轴9的中间，
[0046]且I号磁轴承4和2号磁轴承6以双向气体止推轴承5为镜面呈镜像对称设置，2号气体轴承17和I号气体轴承7以双向气体止推轴承5为镜面呈镜像对称设置，I号磁轴承4位于2号气体轴承17和双向气体止推轴承5之间，
[0047]高压气源13输出的气体依次经通气口 12、过滤器11、阀门10后，同时送至I号气体轴承7和2号气体轴承17，滤波器20-1用于将采集的I号位移传感器3、2号位移传感器8、3号位移传感器14、4号位移传感器15、5号位移传感器16和6号位移传感器18输出的位移信号，及光电编码器19输出的偏转角度进行数字滤波后送至DSP20-2，
[0048]DSP20-2用于对接收的信号进行处理，获得控制信号，并将该控制信号经D/A转换器20-3和功率放大器20-4处理后，对I号磁轴承4和2号磁轴承6进行控制，
[0049]PC机20-5用于通过串行通信方式与DSP20-2进行数据交换。
[0050]本实施方式，PC机20-5用于控制DSP20-2的启动和停止工作，控制DSP20-2的控制算法程序加载，实现磁轴承系统工作时在线参数的变更。
[0051]通过I号位移传感器3、5号位移传感器16和6号位移传感器18用于分别检测主轴9的一端沿径向的移动距离，2号位移传感器8、3号位移传感器14和4号位移传感器15用于分别检测主轴9的另一端沿径向的移动距离，获得主轴9的回转误差值，通过DSP20-2对回转误差值进行处理及修正，从而对主轴9进行更加精确的控制。
[0052]所述的基于主轴回转误差的控制系统，它包括动力系统、高压供气系统、主轴系统和控制系统。
[0053]动力系统中采用皮带轮输送电机和主轴之间的动力，不仅结构简单、造价低，而且操作使用方便。
[0054]高压供气系统采用高压形式，保证了气体轴承的气源，而且结构中设有过滤装置，从而保证了气体的纯净，防止因气体中含有颗粒状物质而堵塞了小孔节流器。
[0055]主轴系统由作为主要支承的两个气体径向轴承和作为辅助支承的两个主动磁轴承、一个双向气体止推轴承及6个位移传感器组成。气磁轴承的结构采用对称结构形式。止推轴承位于主轴的中间。
[0056]主轴转角由LEC型小型光电编码器在线测量，该编码器每转输出3600个脉冲和I个零位触发信号，DSP以零位触发信号为起点，每检测到I个脉冲就将此时由传感器检测到的主轴运动情况减去此时的表面误差值与由于偏心引起的一次谐波分量，处