专利名称：基于电气复合的宏微复合运动系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及机电伺服控制领域，具体涉及基于电气复合的宏微复合运动系统及控制方法。
背景技术：
机电一体化技术的发展，促进了机械装备向微小型方向发展，微机械技术便应运而生。其中，微细电火花加工技术具有可控性好、加工单位小、可实施三维加工等特点，使其在微细轴、微小孔加工及微三维结构制作方面显示出了非常大的潜力，已成为微细加工技术的一个重要分支。然而，微细电火花加工中由于放电面积和放电间隙很小，导致其排屑困难，极易造成短路，加工状态不稳定等问题，是制约微细电火花加工发展的一大难题，成为微细电火花加工技术发展的瓶颈。
为解决微细电火花小孔加工中排屑困难的问题，在电火花机床上对工具电极或被加工零件施加振动，有利于排除电蚀产物，提高加工效率。研究表明根据被加工表面的形状以及加工面积、深度和规范的不同，加工效率可提高2至4倍。在进行微细电火花小孔加工过程中，为了及时排出蚀除产物，一般选取粘度偏低的工作液，如纯净水，并采取强迫排屑的冲、吸供液措施来加强工作液的循环。此方法一定程度上解决了排屑难问题，但效率不高，特别针对小孔加工时效果也不佳。现有研究中，微细电火花加工机床中采用步进电机与压电陶瓷的宏微组合式驱动机构，压电陶瓷作为换能元件，可以实现从电能到振动的转换。但由于压电陶瓷驱动电源的性能是决定压电陶瓷驱动器性能的关键之一，不仅要求压电陶瓷驱动电源输出的精度与稳定性，同时需保证其动态响应特性，因此对压电陶瓷驱动电源的设计增加了系统的复杂性，同时增加了成本，在工业应用上有一定的局限性。现有的对微细电火花加工中排屑困难问题的改进，都是从机构复合如通过电极摇摆达到辅助排屑的目的。但其附加了摇摆机构，使得系统结构变的复杂，控制精度也相对下降。
发明内容
通过机构复合虽然能够一定程度上解决微细电火花小孔加工中排屑困难的问题，但同时也使得系统结构变的复杂，增加了系统的成本，并且提高了系统控制的难度。音圈电机是一种特殊形式的直接驱动电机。具有结构简单、推力波动小、高速、高加速、响应快等特性。与旋转电机相比无需中间转换环节即可实现直线运动，精简机构，提高了定位精度。因此音圈机电被广泛运动在精确定位伺服系统中。本发明正是基于音圈电机以上特点，提出一种基于音圈电机的新型电气复合型宏微复合运动模式，取代现有步进电机与压电陶瓷的宏微机械复合式的运动机构，通过高精度低噪声的信号处理器，对运动控制器提供的宏动指令信号和信号发生器提供的微小振动信号进行信号叠加，叠加后的信号通过驱动器驱动音圈电机实现大行程进给加工与高频微振动的一体化。本系统设计不仅精简了现有电火花加工机床的机构，优化系统，节约成本，并对拓宽音圈电机的应用领域，研究复合运动的新形式等具有重要的意义和现实价值。
(一 )要解决的技术问题本发明的主要目的在于提出一种基于电气复合的宏微复合运动系统及控制方法，运用电气复合代替传统的机构复合模式，以克服常规微细电火花小孔加工中排屑困难机构复杂等不足，实现大行程伺服进给加工与高频微振动的一体化，完成自动排屑，进而有效的提高微细电火花小孔加工的效率。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提出一种基于电气复合的宏微复合运动系统及控制方法。该系统包括运动控制器(I)，信号发生器 (2),信号处理器(3),驱动器(4)和音圈电机
(5)；运动控制器(I)产生宏动指令信号，并发送至信号处理器(3)。运动控制器(I)与信号处理器(3)连接，运动控制器(I)产生宏动指令信号，并发送至信号处理器(3)。宏动指令信号为运动控制器(I)提供的大行程伺服进给加工指令信号，该信号作为电气复合的主信号，信号发生器(2)产生微小振动信号，并发送至信号处理器(3)。信号发生器(2)与信号处理器(3)连接。信号发生器(2)产生微小振动信号，并发送至信号处理器(3)。微小振动信号为信号发生器提供的辅助高频微振动信号，用于实现大行程伺服进给加工中的辅助振动，该信号作为电气复合的次信号。信号处理器(3)与驱动器(4)连接，将叠加信号发送至驱动器(4)。叠加信号为通过信号处理器(3)对运动控制器(I)提供的宏动指令信号与信号发生器(2)提供的微小振动信号进行信号叠加，使得叠加信号保持运动控制器(I)提供的宏动指令信号特性的同时辅助高频微振动，实现电气复合，驱动器⑷与音圈电机(5)连接,驱动音圈电机(5)运动。上述方案中，该方法具体包括以下步骤a)运动控制器提供宏动指令信号，b)信号发生器提供微小振动信号，c)信号处理器对步骤a)提供的宏动指令信号与步骤b)提供的微小振动信号进行叠加产生叠加信号，d)步骤c)提供的叠加信号通过驱动器驱动音圈电机进行宏微复合运动。(三)有益效果本发明具有以下有益效果(I)本发明提供的这种基于电气复合的宏微复合运动系统及控制方法，能够克服现有常规系统中机构复杂排屑困难等不足，即以电气复合代替传统的机构复合，实现微细电火花小孔加工中的自动排屑。该发明能够精简机构，优化系统，节约成本，在工业应用上特别是微细电火花小孔加工中具有重要现实意义。(2)本发明利用音圈电机高精度高响应速度的特性取代以往微细电火花小孔加工中步进电机与压电陶瓷的宏微组合式驱动方式，与旋转电机相比无需中间转换环节即可实现直线运动，精简机构，提高了定位精度。在实现自动排屑的同时，拓宽了音圈电机的应用领域。
图I为本发明提出的电气复合技术原理2为本发明的机构简图与传统系统的机构简图对比图3为具体实施例中所选用的信号处理器的原理4为具体实施例中所选用的另一种信号处理器的原理图
具体实施例方式以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进行进一步的详细说明。本发明的核心内容是通过高精度低噪声的信号处理器对运动控制器提供的宏动指令信号及信号发生器提供的微小振动信号进行信号叠加，使叠加后信号能够通过驱动器 驱动音圈电机实现基于电气复合的宏微复合运动。实现电气复合取代传统的机构复合，达到精简机构，优化系统，提闻加工效率的目的。如图I所示，图I为本发明所提出的电气复合原理图。图I中运动控制器采用美国Delta Tau Date System公司生产的可编程多轴运动控制卡II型(PMAC2)，图中a为PMAC2卡提供的宏动指令信号。通过Pewin32RP02软件可以对PMAC2卡进行的在线命令控制，运动程序控制等。该具体实施例中电机的位置、速度和加速度均由PMAC2卡控制，其中最大加速度为lg，最大速度为O. 05m/s。在该具体实施例中使用的宏动指令为使电机运行到10000计数点等待2秒后返回O计数点。该指令完成音圈电机从参考点位置运行至10000计数点位置处停止2秒后返回至参考点的直线运动。此夕卜，还可以根据用户需求编写合适的运动指令来完成相应运动。PMAC2卡提供的宏动指令信号a为大行程伺服进给加工指令信号，该信号作为电气复合的主信号。图I中信号发生器采用正弦波信号发生器，图中b为正弦波发生器的微小振动信号，其中信号频率范围为20hz lOkhz，幅值范围为O 5V。正弦波发生器提供的微小振动信号为辅助高频微振动信号，用于实现大行程伺服进给加工中的辅助振动，该信号作为电气复合的次信号。图I中c为信号处理器。该具体实施例中信号处理器选用反相加法器加反相跟随器的设计。通过该信号处理器对图I中宏动指令信号a与微小振动信号b进行信号叠加，使经叠加后的信号能够分辨出宏动指令信号中的微小振动信号，同时又保持了宏动指令信号的特性，叠加后信号输入到驱动器中，由驱动器驱动音圈电机实现宏微运动复合，达到大行程进给加工与辅助排屑的一体化的目的。如图3所示，图3为本具体实施例中所选用信号处理器的原理图。该实施例中信号处理器选用反相加法器加反相跟随器的设计，其特征包括电阻器R1，电阻器R2，电阻器R3,电阻器R4,电阻器R5,电阻器R6,运算放大器,其中电阻器Rl的阻值为IOOk Ω ,电阻器R2的阻值为IOOkQ，电阻器R3的阻值为33k Ω，电阻器R4的阻值为IOOkQ，电阻器R5的阻值为IOOkQ，电阻器R6的阻值为IOOkQ，运算放大器选用TI公司的TI的低噪精密运算放大器0PA227。如图3所示，运动控制器提供的电气复合主信号与信号发生器提供的电气复合次信号通过反相加法器电路产生反相叠加信号，反相叠加信号通过反相跟随器产生叠加信号，使得经叠加后的信号中能够分辨出宏动指令信号中的微小振动信号，同时保持宏动指令信号的特性，叠加信号输入到驱动器中，驱动音圈电机实现宏微运动复合。此外，信号处理器可以选用同相加法器的设计，如图4所示。图4为本具体实施例中所选用的另一种信号处理器的原理图。该信号处理器选用同相加法器的设计，其特征包括电阻器R7,电阻器R8,电阻器R9,电阻器R10,运算放大器,其中电阻器R7的阻值为IOOkQ，电阻器R8的阻值为IOOk Ω，电阻器R9的阻值为IOOkQ，电阻器RlO的阻值为IOOkQ，运算放大器选用TI公司的TI的低噪精密运算放大器0PA227。如图2所示，图2为本发明的机构简图与传统系统的机构简图对比。其中箭头d代表传统系统中步进电机的大行程伺服进给加工运动，箭头e代表传统系统中由压电陶瓷作换能元件，进行辅助高频微振动运动，箭头f代表经改进后的系统，电气复合代替传统的机构复合，实现大行程伺服进给加工与辅助振动排屑一体化。传统的系统采用步进电机与压电陶瓷的宏微组合式驱动机构。压电陶瓷作为换能元件，可以实现从电能到振动的转换。但由于压电陶瓷驱动电源的性能是决定压电陶瓷驱动器性能的关键之一，不仅要求压电陶瓷驱动电源输出的精度与稳定性，同时需保证其动态响应特性，因此对压电陶瓷驱动电源的设计增加了系统的复杂性，同时增加了成本，在工业应用上有一定的局限性。而本发明通·过电气复合克服了这一缺点，精简了机构，降低成本的同时拓宽了音圈电机的应用领域，在工业应用上具有重要的意义。由上述可见，采用基于电气复合的宏微复合运动系统及控制方法，不仅能在微细电火花小孔加工中实现自动排屑，有效提高加工效率，而且精简机构，优化系统，节约成本的同时拓宽了音圈电机的应用领域。本方法在工业应用上特别是微细电火花小孔加工中具有重要的现实意义。
权利要求
1.基于电气复合的宏微复合运动控制方法，其特征在于包括以下步骤 a)运动控制器提供宏动指令信号， b)信号发生器提供微小振动信号， c)信号处理器对步骤a)提供的宏动指令信号与步骤b)提供的微小振动信号进行信号叠加产生叠加信号， d)步骤c)提供的叠加信号通过驱动器驱动音圈电机进行宏微复合运动。
2.基于电气复合的宏微复合运动系统，其特征在于包括运动控制器(1)，信号发生器(2),信号处理器(3),驱动器⑷和音圈电机(5)； 运动控制器(I)将宏动指令信号发送至信号处理器(3)， 信号发生器(2)将微小振动信号发送至信号处理器(3)， 信号处理器(3)与驱动器(4)连接，将叠加信号发送至驱动器(4)， 驱动器⑷与音圈电机(5)连接,驱动音圈电机(5)运动。
全文摘要
基于电气复合的宏微复合运动系统及控制方法，本发明涉及机电伺服控制领域。它解决了现有工业加工中，特别是微细电火花小孔加工中排屑困难的问题，同时优化了系统，精简了机构，节约了成本。本发明采用电气复合代替传统的机构复合，运动控制器提供的宏动指令信号作为电气复合的主信号，信号发生器提供的微小振动信号作为电气复合的次信号，通过高精度低噪声的信号处理器对宏动指令信号与微小振动信号进行信号叠加。利用音圈电机响应快，高精度，推力波动小等特性，使得叠加信号通过驱动器驱动音圈电机达到大行程伺服进给加工与辅助高频微振动一体化的目的，实现辅助排屑。本发明在工业应用上具有一定的普遍性。
文档编号G05B19/414GK102955451SQ20111024386
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月24日 优先权日2011年8月24日
发明者崔晶, 杨晓文, 王然 申请人:北京工业大学