一种电火花小孔加工用步进电机驱动主轴伺服控制系统及方法与流程

本发明涉及机加工设备领域，特别涉及一种电火花小孔加工用步进电机驱动主轴伺服控制系统及方法。

背景技术：

伺服主轴（z轴）是电火花小孔加工机床的主要控制轴，其主要作用是实现加工过程中的伺服运动，其次是在人工操作下，带动电极作定速的向上/向下运动，以便于电极的更换、装夹以及加工过程中的电极位置调整等，其伺服性能以及定速运动速度对加工结果和操作的便利性具有直接影响。

目前，用于主轴驱动的执行部件通常采用交流伺服电机、直流伺服电机和步进电机，鉴于新型细分混合式步进电机的价格优势、良好的运动特性以及控制电路的简洁性，混合式细分步进电机在三轴数控以下的电火花小孔加工机床上的应用愈来愈普遍。

一般情况下，加工过程中，在满足最大加工速度相对应的主轴伺服进给速度的情况下，要求伺服控制的步当量要尽量小，以实现放电间隙的微量调整，这样才能使电极的伺服进给速度与工件的蚀除速度相匹配，维持放电加工的持续、稳定。

在手动操作以及一个孔加工结束后主轴需快速回退至上限位情况下，为了缩短空运行时间，要求主轴的上/下运动速度较快，以此提高机床的整体工作效率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能实现小步当量进给且大步当量回退的电火花小孔加工用步进电机驱动主轴伺服控制系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种电火花小孔加工机床用步进电机驱动主轴伺服控制系统，它包括放电加工开关、用于采集放电间隙电压信号的采样电路、输入端与所述采样电路输出电压信号的输出端相连接的pid调节电路、输出端与所述pid调节电路的电压信号输入端相连接的电压给定电路、与所述pid调节电路的输出端相连接的绝对值电路、输入端与所述pid调节电路的输出端相连接的鉴相电路、输入端与所述绝对值电路输出正电压幅值信号的输出端相连接的电压比较电路、输出端与所述电压比较电路的输出端相连接的细分码变换电路以及输入端与所述细分码变换电路的输出端相连接的步进电机驱动器，鉴相电路的输出端分别与所述步进电机驱动器的输入端以及细分码变换电路的输入端相连接，所述放电加工开关的信号输出端与所述细分码变换输入端相连接,所述步进电机驱动器为混合式细分步进电机驱动器。

优化的，所述控制系统还包括手动操作开关、连接于所述pid调节电路与所述绝对值电路之间的选择电路、多个输入端分别与所述绝对值电路输出正电压幅值信号的输出端相连接的压频变换电路、输入端与所述压频变换电路的输出端相连接的电子开关电路、输出端与所述电子开关的输入端相连接的手动主轴回升开关，所述电子开关电路的输出端与所述步进电机驱动器的输入端相连接，所述手动操作开关的输出端分别与所述电子开关电路的输入端以及选择电路相连接，当手动操作开关未动作时，所述选择电路使pid调节电路和绝对值电路接通，当手动操作开关动作时，所述选择电路使手动开关和绝对值电路接通。

优化的，所述电子开关与所述步进电机驱动器之间还连接有用于对压频变换电路输出的脉冲信号进行整形的整形电路。

本发明还提供了一种基于上述伺服控制系统的主轴头进退控制方法，其包括以下步骤：

a.采样电路采集主轴头上的电极与工件之间的放电间隙电压信号并输出至pid调节电路；

b.pid调节电路对放电间隙电压up以及电压给定电路的给定电压ug进行比较并得出差值δu，up-ug=δu，

当δu>0，时鉴相电路输出高电平给驱动器，要求步进电机正转，电极向下运动，继续放电加工，

当δu<0，且∣δu∣≤n%ug时，鉴相电路输出低电平给驱动器，要求电机反转，主轴回退，电极向上运动，鉴相电路输出开放信号给细分码变换电路；电压比较电路的输出维持不变，细分码变换电路还是维持常态编码输出，步进电机的驱动细分数、电机每转的脉冲数和主轴步当量都保持不变，主轴头低速回退；

当δu<0，且∣δu∣＞n%ug时，鉴相电路输出低电平给驱动器，要求电机反转，主轴回退，电极向上运动，鉴相电路输出开放信号给细分码变换电路；同时绝对值电路输出较高的电压幅值信号给电压比较电路，电压比较电路的输出电平由高变低，细分码变换电路输出编码变换，步进电机的驱动细分数由减小，电机每转的脉冲数为降低，主轴步当量增大，主轴头加速回退，

其中0＜n＜100。

本发明还提供了一种基于伺服控制系统的主轴头进退控制方法，其包括以下步骤：

首先设定其中一个所述压频变换电路为默认接入的压频变换电路，在默认接入的压频变换电路工作时，主轴以较低的步进脉冲频率运行，其他压频变换电路为脉冲频率较高的压频变换电路；

然后在主轴在正常放电加工时，以较低的步进脉冲频率运行，当手动操作主轴回退或进给的开关启动时，手动操作开关输出信号至电子开关电路，电子开关电路选择接入与手动操作主轴回退或进给对应的压频变换电路，在绝对值电路输出同样的电压幅值情况下，步进脉冲频率提高至相应的值，步进电机以较高的速度回退或进给。

本发明的有益效果在于：本发明采用双频驱动方式以及调整步进电机细分数的方式，从而使主轴在手动操作模式时实现快速进给或回退，在伺服控制模式时能自动变换步进电机驱动细分数，实现小步当量进给、大步当量回退，满足电火花小孔加工机不同工作状态下对主轴运行的不同需求。

附图说明

附图1为本发明的原理框图；

附图2为本发明的细分数调节电路图；

附图3为本发明的双频驱动电路图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作以下详细描述：

如图1所示，一种电火花小孔加工机床用步进电机驱动主轴伺服控制系统，它包括放电加工开关、用于采集放电间隙电压信号的采样电路、输入端与所述采样电路输出电压信号的输出端相连接的pid调节电路、输出端与所述pid调节电路的电压信号输入端相连接的电压给定电路、与所述pid调节电路的输出端相连接的绝对值电路、输入端与所述pid调节电路的输出端相连接的鉴相电路、输入端与所述绝对值电路输出正电压幅值信号的输出端相连接的电压比较电路、输出端与所述电压比较电路的输出端相连接的细分码变换电路以及输入端与所述细分码变换电路的输出端相连接的步进电机驱动器，鉴相电路的输出端分别与所述步进电机驱动器的输入端以及细分码变换电路的输入端相连接，所述放电加工开关的信号输出端与所述细分码变换输入端相连接,所述步进电机驱动器为混合式细分步进电机驱动器。所述控制系统还包括手动操作开关、连接于所述pid调节电路与所述绝对值电路之间的选择电路、多个输入端分别与所述绝对值电路输出正电压幅值信号的输出端相连接的压频变换电路、输入端与所述压频变换电路的输出端相连接的电子开关电路、输出端与所述电子开关的输入端相连接的手动主轴回升开关，所述电子开关电路的输出端与所述步进电机驱动器的输入端相连接，所述手动操作开关的输出端分别与所述电子开关电路的输入端以及选择电路相连接，当手动操作开关未动作时，所述选择电路使pid调节电路和绝对值电路接通，当手动操作开关动作时，所述选择电路使手动开关和绝对值电路接通。所述电子开关与所述步进电机驱动器之间还连接有用于对压频变换电路输出的脉冲信号进行整形的整形电路。

基于伺服控制系统的主轴头进退控制方法，其包括以下步骤：

a.采样电路采集主轴头上的电极与工件之间的放电间隙电压信号并输出至pid调节电路；

b.pid调节电路对放电间隙电压up以及电压给定电路的给定电压ug进行比较并得出差值δu，up-ug=δu，

当δu>0，时鉴相电路输出高电平给驱动器，要求步进电机正转，电极向下运动，继续放电加工，

当δu<0，且∣δu∣≤n%ug时，鉴相电路输出低电平给驱动器，要求电机反转，主轴回退，电极向上运动，鉴相电路输出开放信号给细分码变换电路；电压比较电路的输出维持不变，细分码变换电路还是维持常态编码输出，步进电机的驱动细分数、电机每转的脉冲数和主轴步当量都保持不变，主轴头低速回退；

当δu<0，且∣δu∣＞n%ug时，鉴相电路输出低电平给驱动器，要求电机反转，主轴回退，电极向上运动，鉴相电路输出开放信号给细分码变换电路；同时绝对值电路输出较高的电压幅值信号给电压比较电路，电压比较电路的输出电平由高变低，细分码变换电路输出编码变换，步进电机的驱动细分数由减小，电机每转的脉冲数为降低，主轴步当量增大，主轴头加速回退，

其中0＜n＜100。

另一种基于伺服控制系统的主轴头进退控制方法，其包括以下步骤：

首先设定其中一个所述压频变换电路为默认接入的压频变换电路，在默认接入的压频变换电路工作时，主轴以较低的步进脉冲频率运行，其他压频变换电路为脉冲频率较高的压频变换电路；

然后在主轴在正常放电加工时，以较低的步进脉冲频率运行，当手动操作主轴回退或进给的开关启动时，手动操作开关输出信号至电子开关电路，电子开关电路选择接入与手动操作主轴回退或进给对应的压频变换电路，在绝对值电路输出同样的电压幅值情况下，步进脉冲频率提高至相应的值，步进电机以较高的速度回退或进给。

上述电路以及方法分别能够实现细分数变换和和多频变换，本实施例中采用双频变换，具体而言：

（一）步进电机驱动细分数的自动变换

电火花小孔机床的主轴头采用混合式细分步进电机作为驱动电机，主轴头下端装夹铜管电极。加工过程中，主轴头根据放电间隙状态带动电极作伺服运动，当间隙电压高于给定电压时，电机正转，主轴头向下进给；当间隙电压低于给定电压时，电机反转，主轴头回退；由于加工过程是连续不断的，所以主轴头始终是动态的，以同一个步当量进给及回退，其运动速度完全依据步进脉冲的频率。

本发明的主轴伺服控制系统中，驱动器根据鉴相电路输出的电平信号（高电平为“1”，低电平为“0”），控制步进电机正转或反转，步进电机带动主轴头回退或进给。绝对值电路输出始终为正的电压幅值信号，经第二电压比较电路和细分码变换电路后形成“01”或“10”的两位码，步进电机驱动器据此变换步进电机驱动的细分数，从而改变电机的每转步进脉冲数，亦即改变了步进电机的步当量，如图2所示。

综合上述，当机床处于加工状态（高频脉冲电源打开）时，分别有以下几种控制方式：

1.放电间隙采样电压up高于给定电压ug，鉴相电路输出高电平给驱动器，要求步进电机正转，电极向下运动，继续放电加工。此时鉴相电路输出“禁止信号”给细分码变换电路，细分码变换电路维持常态编码输出“01”，步进电机的驱动细分数为2，电机每转的脉冲数为400，主轴步当量为0.005mm/脉冲，主轴头以较低的速度进给；

2.放电间隙采样电压up低于给定电压ug，鉴相电路输出低电平给驱动器，要求电机反转，主轴回退，电极向上运动；鉴相电路输出“开放信号”给细分码变换电路。但由于此时放电间隙电压up与给定电压ug的差值δu小于给定电压的20%（∣δu∣≤20%ug）,第一电压比较电路的输出维持不变，细分码变换电路还是维持常态编码输出“01”，步进电机的驱动细分数仍然为2，电机每转的脉冲数为400，主轴步当量为0.005mm/脉冲，主轴头以较低的速度回退；

3.放电间隙采样电压up低于给定电压ug，鉴相电路输出低电平给驱动器，要求电机反转，主轴回退，电极向上运动；鉴相电路输出“开放信号”给细分码变换电路。此时放电间隙电压up与给定电压ug的差值δu大于给定电压的20%（∣δu∣>20%ug），同时放电加工开关接通，此时满足快速回退的加工条件,绝对值电路输出较高的电压幅值信号给第一电压比较电路，第一电压比较电路的输出电平由高变低，细分码变换电路输出编码变换为“10”，步进电机的驱动细分数由2变为1，电机每转的脉冲数为200，主轴步当量为0.01mm/脉冲，主轴头以较快的速度回退；亦可设计电压采样数字比较电路与细分变换电路组合获得多位码，步进电机驱动器据此获得变换步进电机驱动的更多种细分数，从而改变电机的每转步进脉冲数，获得更多的步进电机的步当量。

（二）自动切换步进脉冲频率的双频驱动方法

1.慢速运行

为了保证电极直径φ0.2-3mm范围内的稳定加工，主轴伺服运行的步当量应尽可能小。本发明中，正常放电加工时，选择步进电机驱动的细分数为2，主轴运行的步当量为0.005mm/脉冲。考虑到步进电机的有效矩频特性，压频变换电路输出的最高步进脉冲频率设计为1000hz,此时主轴的最大运行速度为:

s=60×f•ρ=60秒×1000脉冲/秒×0.005mm/脉冲=300mm/min

其中：f为步进脉冲频率

ρ为步当量

2.快速运行

为了尽可能缩短主轴的手动上/下运动及自动快速回退运动时间，本发明在主轴手动操作运行及自动快速回退时的压频变换电路输出的最高步进脉冲频率2000hz,此时主轴的最大空运行速度可达到：

s=60×f•ρ=60秒×2000脉冲/秒×0.005mm/脉冲=600mm/min

其中：f为步进脉冲频率

ρ为步当量

3.步进脉冲频率的自动切换

本发明将压频变换电路的高、低频率变换设计为两个独立单元，分别为压频变换a和压频变换b。机床通电后，伺服控制电路默认压频变换a接入，主轴以较低的步进脉冲频率运行。只有当人工操作“主轴上”、“主轴下”开关及孔加工到预定深度时，电子开关电路动作，电路自动断开压频变换a，将压频变换b接入，从而在绝对值电路输出同样的电压幅值情况下，步进脉冲频率提高至相应的值，步进电机以较高的速度向上或向下运行，如图3所示。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。