一种新型高精度微量进给伺服系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械技术领域，属于高精度数控机床及高端机电装备高精度运动控制领域技术，涉及一种适用于大尺度、高精度数控机床的高分辨率微量进给系统及其控制实现方法；可构成单轴、多轴高精度运动控制平台，适用于各行业、各类高精度加工、定位、跟踪及检测场合的高端数控机电装备。
【背景技术】
[0002]高精度运动控制技术是实现现代高精度加工、定位、跟踪检测技术的基础。是现代国防陆海空尖端武器、微电子、光学、生物、医学及遗传工程等领域尖端技术产品开发中不可缺少的关键手段。然而，这种高精度运动控制的关键技术瓶颈之一是如何在加工过程中使工具或工件得到准确、稳定可靠地实现微纳级分辨率的微量进给控制。由于低速爬行现象的影响，常规的机电传动系统已经不再适用，当前实现微纳级分辨率的微量位移控制的策略主要是依据智能材料的物理属性，如磁致伸缩、电致伸缩、热致伸缩以及机械力微量变形等原理获得微纳级的微量位移的。而上述各种方式的根本缺陷在于都存在极强的非线性，且行程范围极小、刚性差，机构与控制复杂，成本高。本发明恰恰克服了这些诸多缺陷，且又实现了高分辨率下的微量进给控制。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是提供一种新型高精度微量进给伺服系统及其控制方法，并由此可构成单轴、多轴高精度运动控制平台，可广泛用于数控车床、数控铣床、数控磨床及各种加工中心等高端精密数控装备和高精度运动控制下的精确定位、跟踪及检测等场。
[0004]本发明采用的技术方案如下:
[0005]一种新型高精度微量进给伺服系统，包括两个伺服电机、滚珠丝杠螺母传动副、位移检测装置、位置反馈模块、CNC运动控制器；
[0006]其中一个伺服电机A驱动滚珠丝杠螺母传动副的丝杠的旋转，另一个伺服电机B驱动滚珠丝杠螺母传动副的滚珠螺母组件旋转，且两个伺服电机各自通过一套伺服驱动系统驱动；在所述的滚珠螺母组件上固定工作台，用于感应工作台位移的位移检测传感器一端与工作台相连，另一端和位置反馈模块相连，将测得的工作台位移信息反馈到所述位置反馈模块；所述的位置反馈模块将信号反馈到CNC运动控制器中；所述CNC运动控制器，根据工作台给定运动要求，按照一定的算法分配使两个电机宏观下运动的指令给两个伺服驱动系统，通过所述滚珠丝杠和滚珠螺母两个宏观的旋转运动的合成，实现工作台的微观的微量进给控制。故本发明的核心思想就是通过宏宏双驱动系统实现微动控制。
[0007]所述滚珠丝杠副螺旋传动机构是螺母驱动型结构，包括丝杠、滚珠、螺母组件；所述伺服电机有两个，一个通过联轴器或同步齿形带传动或一级齿轮传动和丝杠连接，带动丝杠旋转，称为丝杠电机，即伺服电机A ;另一个通过所述同步齿形带或一级齿轮传动和螺母连接，或采用空心伺服电机和螺母直连，称为螺母电机，即伺服电机B。
[0008]所述伺服驱动系统包含丝杠电机伺服系统和螺母电机伺服系统，用于根据接收到的所述运动控制器的控制信号、所述位置反馈模块或速度/位置/电流检测器的实时位置反馈信号，采用PID控制算法或其他控制算法产生驱动信号以驱动所述伺服电机；所述运动控制器内置于计算机中，用于控制、协调所述两个伺服电机的运动，并通过各自机械传动部件分别带动丝杠和螺母的旋转运动，进而通过滚珠丝杠螺旋传动副的“差动”或“和动”合成，实现工作台极低速下的高分辨率的微量进给控制或高于常规单机伺服速度下的倍速快进控制。
[0009]滚珠丝杠螺旋传动副，其螺母组件是由滚珠螺母、复合轴承、法兰套构成，且滚珠螺母、复合轴承与法兰套设计成一体化的结构部件；所述滚珠螺母内表面加工有滚珠螺旋滚道，外表面加工有复合轴承滚道，并作为复合轴承的内环，同时所述滚珠螺母外表面或端面上又有钢球滚珠循环的循环器结构(内循环或端面外循环)，实现滚珠的循环滚动和利用。所述滚珠螺母一端设计有固连传动齿轮或同步带轮的结构；所述法兰套设计有和工作台连接的端部法兰连接紧固机构，同时内孔表面又兼为复合轴承的外环；所述复合轴承由滚珠螺母(内环)、轴承滚珠及法兰套(外环)组成，既可承受一定的轴向力又可承受一定的径向力。所述的滚珠丝杠螺旋传动副这一不同于常规滚珠丝杠螺母副的设计结构，可以使滚珠丝杠副螺旋传动具有多种驱动工作方式，且使得“旋转+直移”的“复合运动”载体都集中在滚珠螺母组件上。
[0010]所述两个伺服电机各自包含一个速度/位置/电流检测器和一三相交流异步电机。
[0011]所述速度/位置/电流检测器可以同时检测速度/位置/电流，与所述三相交流异步电机连接，用于感知电机的旋转速度/位置/电流信息，并反馈给所述各自的伺服驱动系统。
[0012]所述伺服驱动系统包括:丝杠电机伺服驱动系统和螺母电机伺服驱动系统、差动位置比较器和位置反馈模块。两个电机伺服驱动系统中均包含速度控制电路、位置控制电路、电流控制电路、第一比较器、第二比较器和第三比较器；所述CNC运动控制器有两个输出端，各自连接所述两个伺服系统的第一比较器同相输入端，同时两个输出端又和所述差动比较器一个同相输入端和一个反相输入端相连。
[0013]在所述丝杠电机伺服驱动系统中，其第一比较器同相输入端与所述CNC运动控制器一端输出相连接，第一比较器反相输入端与所述速度/位置/电流检测器反相输入端连接，所述第一比较器的输出端与位置控制电路连接，所述第一比较器把输入的位置信息和丝杠电机反馈的位置信息比较求差后输出到所述位置控制电路；所述速度/位置/电流检测器与所述第二比较器的反相输入端连接，所述位置控制电路输出与所述第二比较器的同相输入端连接，所述第二比较器的输出端与所述速度控制电路连接，所述第二比较器把输入的速度信息和反馈回来的速度信息通过比较求差后反馈到所述速度控制电路；所述速度/位置/电流检测器与所述第三比较器的反相输入端连接，所述速度控制电路与所述第三比较器的同相输入端连接，所述第三比较器的输出端与所述速度控制电路连接，所述第三比较器把输入的电流信息与反馈的电流信息进行比较求差后输出到所述电流控制电路，所述电流控制电路把驱动信号传输给丝杠电机装置，用于控制所述滚珠丝杠的运动。
[0014]在所述螺母电机伺服驱动系统中，其所述第一比较器同相输入端与所述CNC运动控制器相连接，所述第一比较器的反相输入端与差动位置比较器的输出端相连接，所述第一比较器把输入的位置信息和差动位置比较器的输出信息比较求差后输出到所述位置控制电路；所述速度/位置/电流检测器与所述第二比较器的反相输入端连接，所述位置控制电路输出与所述第二比较器的同相输入端连接，所述第二比较器把输入的速度信息和反馈回来的速度信息通过比较求差后反馈到所述速度控制电路；所述速度/位置/电流检测器与所述第三比较器的反相输入端连接，所述速度控制电路与所述第三比较器的同相输入端连接，所述第三比较器的输出端与所述速度控制电路连接，所述第三比较器把输入的电流信息与反馈的电流信息进行比较求差后输出到所述电流控制电路，所述电流控制电路把驱动信号传输给螺母电机装置，用于控制所述滚珠螺母的运动。
[0015]所述差动位置比较器具有一个同相输入端、两个反相输入端和一个输出端。其中一个同相输入端和一个反相输入端均和所述CNC运动控制器的两个位控信息输出端相连，并依据微量进给运动要求由CNC运动控制器分配各自位控指令，所述位置反馈模块的输出和所述差动位置比较器的另一反相输入端相连，所述差动位置比较器把将CNC运动控制器分配的两个位置信息求和(倍速进给时)或求差(微量进给时)再同位置反馈模块的输出位置信息比较求差后输出，作为所述螺母电机伺服系统中第一比较器的反相输入。
[0016]所述的新型高精度微量进给伺服系统微量进给的控制方法，包括如下步骤:
[0017]步骤I依据所述宏宏双驱