砂带磨床恒力磨削控制系统中砂带轮收放卷的控制方法与流程

本发明涉及一种砂带轮收/放卷的控制方法，应用在砂带磨床恒力磨削控制系统中。

背景技术：

砂带磨削在先进制造技术领域是一种新型工艺，有着“万能磨削”之称，综观近年来国内外各类机床及工具展览会和国际生产工程学会的学术会议，结合砂带磨削在国内外各行业的应用状况，磨床收/放卷单元采用伺服控制系统正逐渐取代传统的机械传动系统。在此基础上，砂带磨床恒力磨削控制系统砂带轮收/放卷控制主要由高精度数控系统(或高性能型plc)，伺服驱动单元和检测及反馈信号用的传感器部分组成。数控系统上实现卷径测量，速度给定计算，张力调整控制，和力矩动态补偿计算等功能。伺服驱动单元配置为速度控制模式，接收系统发送的速度值(速度给定计算值)和力矩值(张力调整控制值与力矩动态补偿值之和)，分别作为驱动单元的速度给定和转矩限幅值。

张力产生后，砂带轮放卷控制基本要求是保持砂带的张力恒定，砂带能够实现较高线速度运行且较为恒定，磨头能在较短时间内加速到设定速度而砂带不会崩断或跑带。目前，常用的控制办法是在收卷轮电机进行加、减速控制时，对放卷轮电机实施力矩动态补偿；进行匀速控制时，对放卷轮电机实施张力调整控制。

力矩动态补偿公式为：

公式中：t动态电机动态力矩，d砂带卷材直径，d放卷轴空辊直径，ρ砂带材料密度，b砂带材料宽度，jm空辊的转动惯量，dv/dt放卷速度变化率。

张力调整控制公式为：

公式中：t静态张力静态力矩，d砂带卷材直径，f为恒定张力。

电机电流与力矩关系公式为：

公式中：iq电机定子电流分量，t电机力矩，φ恒值系数。

由此可以看出，我国砂带磨削装备不断进入柔性化及自动化，高效磨削的阶段，力矩动态补偿是砂带轮控制的关键技术之一。随着机床和机器人的融合，有关力矩动态补偿技术越来越被引起重视，通用数控系统上进行上述的砂带轮力矩动态补偿控制软件的二次开发具有一定的复杂性，力矩动态补偿技术急需加强研究和完善。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种砂带轮收/放卷的控制方法，方法建立了一种新的力矩动态补偿关系，将张力调整控制与力矩动态补偿在交流伺服驱动单元里实现，伺服驱动单元只需要速度指令和张力静态力矩值。通过本方法，降低在通用数控系统上二次开发软件的难度，缩短开发周期，以及扩宽对数控系统的选择。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：砂带磨床恒力磨削控制系统中砂带轮收放卷的控制方法，包括以下步骤：

将数控系统的转速指令进行指令修调作为转速参考值，与实际转速做差得到偏差信号，经速度控制器和电流控制环路得到控制信号；

同时将转速指令、实际转速进行力矩动态补偿得到补偿信号；

将控制信号和补偿信号叠加后控制电机。

所述指令修调包括以下步骤：

将当前拍转速指令与前一拍转速指令进行异或，得到逻辑值0或1，用于切换状态标识位；状态标识位0、1分别表示收卷和放卷；

逻辑值为0时，状态标识位不变；逻辑值为1时，状态标识位改变；

然后判断状态标识位：

若状态标识位为1，则将当前拍转速指令取反，通过幅值约束后输出值作为转速参考值；若状态标识位为0，则将当前拍转速指令输出作为转速参考值。

将当前拍转速指令取反，通过幅值约束具体为：

将当前拍转速指令中的转速方向取反，取反后的转速值没有超过设定值时，输出设定值，否则输出取反后的转速值。

力矩动态补偿包括以下步骤：

y＝(nref-nback)k1+nbackk2

其中，y为补偿信号，nref为转速指令，nback为实际转速，k1、k2为补偿系数，k1≤k2。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本方法较好的解决了砂带轮在快速启停过程中，砂带断裂或松开的问题。

2.本方法简单，可靠，便于实现；具有一定的通用性，和良好的经济效益。

3.本方法还可以适用于有同样运动要求的机床和机器人融合的场合。

4.本发明通过指令修调功能实现收/放卷控制方式的自动切换；在放卷方式下，建立了一种新的力矩动态补偿关系，进而实现在电机快速加速和减速阶段砂带不崩断或跑带。

附图说明

图1为本方法的砂带轮控制系统原理框图；

图2为伺服驱动单元张力控制模式原理框图；

图3为指令修调模块原理框图；

图4为力矩动态补偿模块原理框图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种砂带轮收/放卷的控制方法，其特征在于：通过指令修调功能实现收/放卷控制方式的自动切换；在放卷方式下，建立了一种新的力矩动态补偿关系，进而实现在电机快速加速和减速阶段砂带不崩断或跑带。

指令修调功能是根据需求首先设置收/放卷标识位初始状态，0表示收卷状态；1表示放卷状态。模块根据对前后两次采集的速度指令值极性的异或处理，触发是否切换标识位状态，前后两次极性相同，异或处理为0，不触发切换；前后两次极性相反，异或处理为1，触发切换，状态由0切换到1，或者由1切换到0。当标识位状态为1时，输入指令得到修调，输出为修调结构；为0时，输入指令直连输出。

将系统发送的速度指令进行指令修调，由修调模块输出后进入速度环控制。修调模块输出类型由收/放卷标识位决定，如果是放卷控制，速度控制器输出限幅值即为系统发送的张力静态力矩值，速度控制器总是处于输出饱和状态，当电机加、减速运行时力矩动态补偿开始起作用。在加速的时候，电流环输出附加动态值；在减速的时候，电流环输出消减动态值。

所述指令修调模块，内部有两种结构，一种是直连结构，输入即为输出；另一种是修调结构，输入需要经过取反，与设定值做判断后再输出。直连结构意味着电机在收卷控制时最大限幅由驱动单元驱动能力决定，而修调结构保证了电机在放卷控制时能够快速进入饱和。

收/放卷标识位，其状态决定修调模块输出结构。标识位为收卷状态，模块直连结构输出；标识位为放卷状态，模块修调结构输出。标识位状态的切换由速度指令极性的变化决定，极性变化了，标识位状态进行切换(收状态切换到放状态，或放状态切换到收状态)；极性不变化，标识位状态保持不变。

力矩动态补偿模块，是两输入一输出模块。两输入分别为速度指令和电机转速，输出的补偿值叠加到电流环控制的输出点上，一同调节驱动器电源功率器件的控制极。其输入输出补偿关系为：

y＝(nref-nback)k1+nbackk2(4)

公式中：y功率器件的控制极补偿分量，nref速度指令，nback电机转速值，k1、k2补偿系数。

本方法在沈阳高精数控技术有限公司的gjs系列交流伺服驱动器上实施，磨头砂带为双卷轮电机控制，当顺时针转动时，1号卷轮做收卷轮，2号卷轮做放卷轮；反转时，2号卷轮做收卷轮，1号卷轮做放卷轮。砂带在运行过程中始终张紧，线速度要较为恒定，至少实现6m/s，并且磨头要能在至少1s内加速到设定值。

图1是砂带轮控制系统原理框图，数控系统通过卷径计算单元，发送张力静态力矩值；通过速度给定计算，发送速度给定指令。本实施例中，系统需要两套伺服驱动单元，分别控制砂带轮1和砂带轮2，电机的位置是绝对的，但收卷、放卷是相对的，根据砂带运动方向进行切换。伺服驱动单元具有张力控制模式，即由速度环和电流环组成，包含指令修调模块和力矩动态补偿模块等功能。另外，本实施例中数控系统与伺服驱动单元的通信通过ssbiii总线实现。

图2是伺服驱动单元张力控制模式原理框图，指令修调模块放在张力控制模式的入口。收/放卷标识位不仅决定指令修调结构，也决定着速度控制器输出限幅形式。收卷状态即表示处于收卷控制下，指令修调结构为直连结构，速度控制器输出限幅不受外部(数控系统)约束，根据实际情况设定，最大值与所选驱动单元驱动能力有关，整个控制过程不会使用力矩动态补偿计算。放卷状态即表示处于放卷控制，指令修调结构为修调结构，速度控制器输出限幅由数控系统提供，速度控制器输出始终处于饱和，保证了张力的恒定；当需要进行加、减速时，力矩动态补偿模块开始起作用，它的输出直接控制器件门极驱动，以补偿加、减速时力矩输出受到的张力静态力矩幅值限制。张力控制模式里面，可以根据速度指令自动切换标识位的状态。

图3是指令修调模块原理框图，根据需求首先设置收/放卷标识位初始状态，0表示收卷状态；1表示放卷状态。模块根据对前后两次采集的速度指令值极性的异或处理，触发是否切换标识位状态，前后两次极性相同，异或处理为0，不触发切换；前后两次极性相反，异或处理为1，触发切换，状态由0切换到1，或者由1切换到0。当标识位状态为1时，输入指令得到修调，首先输入指令乘以-1，即将输入指令极性取反；然后将取反后的数值与设定值判断，如果不超过设定值，取反后的数值修改为设定值，反之保持不变；最后将判断的结果作为修调后的指令送出。设定值推荐为大于40％电机额定转速值。

图4是力矩动态补偿模块原理框图，结构由公式(4)得到。首先确定k2，k2决定稳态时转速与控制量的关系，通常每个类型电机都有固定的常数，根据这个电机特性就可以确定出k2。k1决定动态调整的响应速度，理想的情况k1＝k2，但不能大于k2。k1过大容易引起超调，导致跑带；过小会导致砂带崩断，实施例中需要根据具体情况设定其值的大小。