专利名称：智能伺服推杆的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光机电一体化智能伺服推杆机构。
背景技术：
目前，决大多数单台生产机械或生产线上的往复式运动都采用液动缸或气动缸。液动缸可以产生出很大的推力，气动缸可以产生出很快的运动速度。它们的设备组成很相近，一般来说都要包含液压站(气压站)、液压阀、控制伺服阀、管路、滤油器、液压缸或气动缸。附图1画出了三个液压缸的简易液压系统图。附图1中的部件1、2、3是液压缸；部件4是单向节流阀、部件5是操作控制部分、部件6是主动力泵、部件7是油箱。
一般情况下，液压系统的输出力是恒定的。外部阻力的变化将引起速度的波动，这样对某些需要速度恒定的生产工艺，需要实时快速地调节液压缸的压强，对于多台液压缸联动的应用场合，液压系统的控制变得很复杂，而且控制精度也不高。另一方面，同一液压站的压强受到各液压缸工作状况的影响大，增加了控制的难度。最重要的是，如果在一个生产过程或生产线上需要几台或十几液压缸协调运动并且它们彼此距离很远时，例如几百米，现有的液压系统就很难胜任了。液压系统的维护工作量大，环境差、噪音大。尽管如此，由于液压系统的技术成熟、设备可简可繁、价格不高、维护简单的优点，目前它仍被广泛使用，对于某些多工位远距离联动的场合就不适合了。
随着冶金、建材、轻工、汽车等行业生产速度、产品质量的提高，对生产过程自动化的要求越来越高。对各运动部件的运动速度、加速度、定位精度、协调运动关系的要求也越来越高。在集中控制、分散执行的控制方案下必须对单一的运动机构进行运动全方位控制，即运动速度、加速度、定位精度，同时的或分时的控制。分散在生产线的运动执行机构相距几十米或几百米。现有的传动技术存在如下的缺陷或不足1、不适于远距离多运动的集中控制目前的液压传动在一个液压站下仅能供给几台油缸的液压压强，液压缸数量增加时，液压站设备大量增加，几台油缸分别工作时液压压强波动较大，各油缸协调工作能力差，伺服阀难于完成复杂的协调运动控制。同时，在距离较远时液压管路长不便于铺设，投资大。
2、速度、加速度、位移、推力等工作方式不能在同一台设备中随时切换，通常仅有一种或两种工作方式可选。
3、不便于与上位控制机进行通讯。
近十年来，智能运动控制技术、高精度传感器、远距离信号传输技术、伺服驱动技术、有了很大的进步；大推力滚珠丝杠、小体积减速机都已经商品化为本领域的技术改进提供了物质基础。
发明内容
本实用新型的目的是将智能运动控制技术与高精度机械加工设备结合，将控制技术和新型动力装置结合在一起，形成有利于集中控制、分散执行的生产过程的机电一体化产品。
本实用新型所属的一种智能伺服推杆，它包括推杆控制器、参数设置器、推杆执行器、传感器和运动状态显示器；所述推杆控制器包括可编程控制器PLC、模拟信号处理器SP两部分组成，推杆控制器连接有由单片机、显示器构成的参数设置器、运动状态显示器和一组传感器，所述推杆控制器包括通讯接口；其特征在于由所述推杆控制器与多个分散的推杆执行器通过伺服控制器相连接，以设置推杆执行器的运动为速度、位移和推力工作方式；所述推杆执行器包括固定于底托内的伺服电机、底托后端的后支撑板、联接在伺服电机输出轴与联轴器之间的行星减速机、一端固定于联轴器上的滚珠丝杠、套于滚珠丝杠上并固定在工作杆内壁上的螺母、控制工作杆做直线往复运行的滑轨、滚珠丝杆的轴承、工作杆的前部出口处安装的密封套、密封圈和与另一个推杆实现连接的侧支撑轴；由一个推杆和通过侧支撑轴相联接的另一个推杆共同组成输出头完成X-Y平面轨迹运动的推杆控制单元；所述丝杠采用一端轴承固定，另一端自由方式，所述的轴承采用双轴承背对背的安装结构；在所述工作杆前后两端加工有凹槽，护套前后两端加工有圆孔，两个限位开关安装在护套对应圆孔处的外侧。
如上所述的智能伺服推杆，所述滚珠丝杠采用内循环单螺母滚珠丝杠。
如上所述的智能伺服推杆，所述滑轨为三角形上滑轨和矩形下滑轨，所述滑轨为分段结构，两段之间留有空隙。
如上所述的智能伺服推杆，所述伺服驱动单元包括信号处理器DSP、脉宽调制变频电路和三相整流电路组成的交—直转换电源电路；霍尔电流器件IS组成电流检测电路，其输出端接信号处理器DSP的电流检测端；与电机轴同步转动的光电编码器EN的输出端接信号处理器DSP的转速检测端；由大功率电阻和功率开关管组成的串接支路并接在直流电源的输出端，功率开关管栅极接信号处理器DSP的制动信号驱动端；霍尔电压器件Vs组成电压检测电路，其输出端接信号处理器DSP的制动信号调整端；在直流输出端之间接有脉宽调制变频电路，该变频电路由两个串联的功率管及两个串联的二极管并联后构成一相控制单元，其中的功率管栅极均分别接信号处理器DSP的变频驱动端，每相控制单元的两个功率管及两个二极管的连接端均接电机的对应相线上，在制动时，所述二极管构成制动整流电路。
本实用新型与传统的装置相比，具有如下的优点和积极的效果1、有利于集中控制、分散执行的生产过程；2、将传统的输出力单一控制变为可位置控制和速度控制；3、取消了传统的液压控制，改为机电控制，因此不用经常维修；4、增加了通讯功能，可与上位控制机联网。
图1是传统的三液压缸控制系统图。
图2是本实用新型的智能伺服推焊装置的原理组成框图。
图3是本实用新型的推杆控制器组成结构图。
图4是本实用新型的推杆控制器控制流程图。
图5是本实用新型的推杆驱动器电路原理图。
图6是本实用新型的推杆驱动器控制流程图。
图7是本实用新型的推杆执行器结构图。
图8是本实用新型的推杆执行器中滑轨装配图。
具体实施方式
本实用新型属于智能光机电一体化技术领域。可用于冶金设备、化工生产过程、立体仓库、等单台或多台设备中那些需要高定位精度、快速响应、推力、位移、速度、加速度控制频繁切换的场合。本实用新型的系统原理见附图2。由附图2可见本实用新型由四部分组成。第一部分是由图中电路1-1、1-2、1-3、1-4、1-5组成的推杆控制器。第二部分是参数设置器2。第三部分是推杆执行器3-1、3-2、3-3、3-4。第四部分是运动状态显示器4。图中的各类传感器7、8、9、10不属于本实用新型发明的内容。
本实用新型的工作原理是在附图2中，推杆控制器是本实用新型智能控制的核心和动力源。电路1-5是控制单元，它的硬件由通用型可编程控制器PLC、通用型SP组成，见附图3。可编程控制器由PS模块，CPU模块，AI模块、AO模块、DI模块、DO模块、PC模块、COM模块构成。PS模块为其他模块提供电源，CPU模块是中心处理器容纳主流程控制软件。DI、DO、AI、AO模块分别是数字量和开关量的输入输出接口。COM是通讯模块。各模块的信号连接采用通用型的总线模板。
附图4是CPU模块的主流程控制软件，它完成的功能是第一，接收各推杆的设定程序。即它们应完成的工作状态和实时的手动干预状态，包括启动时刻、运动位移量、启动制动时间、各推杆之间的逻辑关系等预定的程序。第二，程序的解算。它将各推杆的设定程序转化为各推杆的速度指令。第三，接受外部传感器的各物理量以便不断修定原输入的程序中的参数。第四，进行推杆系统与上位计算机、推杆系统内部各推杆之间的逻辑运算。第五.是显示功能，它将各推杆的运行状态，故障记录均显示出来。第六是通讯功能。
在附图2中，推杆控制器的另一个单元是由电路1-1、1-2、1-3、1-4组成的伺服驱动器。经控制单元处理后的速度指令加到伺服驱动单元的输入端。伺服驱动单元的主电路，控制电路和控制流程见附图5。在附图5图中，伺服驱动单元的主电路含有由二极管D1，D2，D3，D4，D5，D6组成的三相整流电路；由DSP组成的伺服控制电路；由C1，C2组成的滤波电路；由功率管M1，M2，M3，M4，M5，二极管D11，D12，D13，D14，D15，D16组成的变频电路；由电阻R1，功率管M7组成的制动电路；由霍尔电流器件Is组成的电流检测电路；由霍尔电压器件Vs组成的电压检测电路；由光电编码器En组成的转速检测电路。在附图5中，伺服驱动单元的控制电路含有由信号处理器DSP和外围芯片构成的伺服控制电路。它的控制程序由DSP复位、向量变量复位、CPU初始化、主循环、位置处理、速度环控制、电流环控制、PWM生成、等功能块组成。各功能块的连接如附图5所示。
在附图2中，参数设置器2由8098芯片、软键和显示器构成。完成对控制单元和伺服驱动器的参数设置并显示它们的工作状况。
在附图2中，推杆执行器3-1、3-2、3-3、3-4的结构见附图7，在图7中伺服电动机3经行星减速机4、联轴器5与滚珠丝杠9相连螺母8套于滚珠丝杠上面并固定在工作杆11内壁。
伺服电动机在推杆控制器的驱动下做旋转运动时，工作杆11将沿着三角形滑轨16和矩形滑轨7直线往复运动，输出推力。两个滚珠丝杠专用轴承6，不但可以产生径向的支撑还可以产生轴向的支撑。为解决双向支撑问题，本实用新型采用双轴承背对背的安装方法。为简化结构，本实用新型的滚珠丝杠9相连的另一端不安装轴承。工作杆11的前后两端加工有凹槽，护套15前后两端加工有圆孔将限位开关14、17安装在护套外侧。为解决防止灰尘液体进入，在工作杆11的前部安装了密封套18和密封圈19。侧支撑轴10可安装另一个智能伺服推杆，这样，联动控制下，可以使输出头12完成在X---Y平面任何轨迹的运动。
在高炉布料流程中，采用了本实用新型取代了原有液压油缸，完成无料钟高炉布料功能。在本实例中采用了四台推焊执行机构，分别推动上密封阀、下密封阀、料流调节阀、溜槽倾动。由于他们之间的运动联锁关系，每一个执行机构均有不同的工作方式。上密封阀、下密封阀工作在定速、定点工作方式。料流调节阀工作在位控或推力控制交替工作方式。溜槽倾动工作在精确的位控方式，同时要求快速启动控制。
在本实例中，不但在四台执行机构之间有严格的运动联锁关系，它们还分别与高炉上料部分有着联锁关系。所以，本实例采用了附图2的系统组成。系统组成中，对于框1-5的运动控制单元，采用了德国西门子公司的S7-300系列的PLC控制器。选用了PS模块，CPU模块，AI模块、AO模块、DI模块、DO模块、PC模块、COM模块。各模块的功能是PS模块为其他模块提供电源；CPU模块是中心处理器容纳主流程控制软件；DI、DO、AI、AO模块分别是数字量和开关量的输入输出接口；COM是通讯模块。各模块的连接也是采用了通用型的S7-300总线模板。
由于溜槽倾动和料流调节阀需要精确的位置控制，故在本实施例的运动控制单元，安装了两个位置控制模块PC，它们接受来自绝对编码器的实际位置信号。附图2的操作指令和运动联锁包括自动、手动操作切换，各执行机构的上下极限位置，各机构动作完成状态，上料部分联锁等。总计各开关量82点，这些开关量的选择运算都由运动控制器中的逻辑运算完成的。为此，设置了96点的DI、DO模块。为了与上位控制机进行通讯，本实施例中的运动控制器的通讯接口电路采用了RS485接口。运动控制部分采用了附图4的控制主流程。为处理冷却水的压力、温度、密封氮气压力、温度，本实例的推杆控制单采用了通用型模拟信号处理器SP，如附图3所示。
本实施例对于四个执行器都采用了相同的伺服驱动器。采用了附图5的推焊驱动器结构，在实例中整流部分采用了600V，50A的整流二极管六只，变频电路采用了7封装150A，600V的IPM智能模块。制动电路的制动电阻选用了200W，25Ω的无感电阻，采用了2000μf，600V的滤波电容二只。在控制电路的控制软件中，采用附图5控制流程。它完成了DSP复位、向量变量复位、CPU初始化、主循环、位置处理、速度环控制、电流环控制、PWM生成、等功能。对于(溜槽和料流阀的位置要求放到了运动控制器的PLC中去做，这样使得四台推焊驱动器均采用相同的结构和控制软件)。
在实例中，附图2中的第4部分运动显示器采用了常规的CRT画面显示。第2部分参数设置器由8098芯片、软键和显示器构成。它完成对了对推焊驱动器的工作方式切换，速度指令的斜坡、电流环、速度环的P.I参数进行设置。同时还能记录、显示推焊驱动器运行故障。
附图2中的第7部分是传感器，在本实例中设置了四个传感器，分别检测气密箱氮气的压力、温度以及冷却水的压力和温度，它们的输出量是±10V模拟量。
在本实例中推杆执行器的总装图见附图7。在附图7中，本实例选用的交流伺服电动机其技术数据是额定转矩Tr＝35Nm，额定转矩Ts＝37.3Nm，尖峰最大转矩Tp＝88.3Nm，额定转速Nr＝1500r/m，最高转Tm＝2000r/m。附图7中的螺旋式行星减速机构4，其额定输出扭矩位115Nm，最大输出扭矩345Nm，额定输入速度4000r/m，减速比3∶1。
附图7中的连轴器5，它一端联减速机的输出轴，一端连接滚珠丝杠的输入端。固定滚珠丝杠的精密滚动轴承，采用背对背安装。这种安装方式使推焊的双向推力额定值相同。本实例的推杆行程为0.8米。为简化结构，采用一端轴承固定方式支撑，一端自由方式的丝杠固定方式。本实例中用内循环单螺母滚珠丝杠，其额定动载荷丝杠导程10mm、公称直径40mm、本实施例的推杆工作臂直径80mm长度860mm最大行程600mm。附图7中的护套15其外径110mm在护套的两端开有直径为12mm通孔，通孔外安装了两个极限位置开关。护套内壁相对安装安装了矩形和梯形导轨，安装方法见附图8。为了减少导轨过长引起变形引起的运动阻滞，本实施例采用了两段式结构，并在两段之间留有5mm的空隙。本实施例在推杆工作臂的出口安装了双密封圈和密封套。
本实施例共有四个工作推杆装备在高炉上下密封阀、料流调节阀和布料器的溜槽倾动控制，完成高炉的全自动布料工艺。
权利要求1.一种智能伺服推杆，它包括推杆控制器、参数设置器、推杆执行器、传感器和运动状态显示器；所述推杆控制器包括可编程控制器PLC、模拟信号处理器SP两部分，推杆控制器连接有由单片机、显示器构成的参数设置器、运动状态显示器和一组传感器，所述推杆控制器具有通讯接口；其特征在于由所述推杆控制器与多个分散的推杆执行器通过伺服控制器相连接，以设置推杆执行器的运动为速度、位移和推力工作方式；所述推杆执行器包括固定于底托内的伺服电机、底托后端的后支撑板、联接在伺服电机输出轴与联轴器之间的行星减速机、一端固定于联轴器上的滚珠丝杠、套于滚珠丝杠上并固定在工作杆内壁上的螺母、控制工作杆做直线往复运行的滑轨、滚珠丝杆的轴承、工作杆的前部出口处安装的密封套、密封圈和与另一个推杆实现连接的侧支撑轴；由一个推杆和通过侧支撑轴相联接的另一个推杆共同组成输出头完成X-Y平面轨迹运动的推杆控制单元；所述丝杠采用一端轴承固定，另一端自由方式，所述的轴承采用双轴承背对背的安装结构；在所述工作杆前后两端加工有凹槽，护套前后两端加工有圆孔，两个限位开关安装在护套对应圆孔处的外侧。
2.如权利要求1所述的智能伺服推杆，其特征在于所述滚珠丝杠采用内循环单螺母滚珠丝杠。
3.如权利要求1所述的智能伺服推杆，其特征在于所述滑轨为三角形上滑轨和矩形下滑轨，所述滑轨为分段结构，两段之间留有空隙。
4.如权利要求1所述的智能伺服推杆，其特征在于所述伺服驱动单元包括信号处理器DSP、脉宽调制变频电路和三相整流电路组成的交一直转换电源电路；霍尔电流器件IS组成电流检测电路，其输出端接信号处理器DSP的电流检测端；与电机轴同步转动的光电编码器EN的输出端接信号处理器DSP的转速检测端；由大功率电阻和功率开关管组成的串接支路并接在直流电源的输出端，功率开关管栅极接信号处理器DSP的制动信号驱动端；霍尔电压器件Vs组成电压检测电路，其输出端接信号处理器DSP的制动信号调整端；在直流输出端之间接有脉宽调制变频电路，该变频电路由两个串联的功率管及两个串联的二极管并联后构成一相控制单元，其中的功率管栅极均分别接信号处理器DSP的变频驱动端，每相控制单元的两个功率管及两个二极管的连接端均接电机的对应相线上，在制动时，所述二极管构成制动整流电路。
专利摘要一种智能伺服推杆，它包括推杆控制器、参数设置器、推杆执行器、传感器和运动状态显示器；由所述推杆控制器与多个分散的推杆执行器通过伺服控制器相连接，所述推杆执行器包括伺服电机、联接在伺服电机输出轴与联轴器之间的行星减速机、一端固定于联轴器上的滚珠丝杠、套于滚珠丝杠上并固定在工作杆内壁上的螺母、控制工作杆做直线往复运行的滑轨、滚珠丝杆的轴承和与另一个推杆实现连接的侧支撑轴；由一个推杆和通过侧支撑轴相联接的另一个推杆共同组成输出头完成X－Y平面轨迹运动的推杆控制单元；本装置适用于集中控制、分散执行的生产过程，可以实现位置控制和速度控制，不用经常维修，并且增加了通讯功能，可与上位控制机联网。
文档编号G05B19/05GK2720707SQ20042008419
公开日2005年8月24日 申请日期2004年7月26日 优先权日2004年7月26日
发明者刘云辉, 王伟民, 刘淳, 王忠民 申请人:北京中冶立达伺服技术研究所