尚磊 張可菊* 沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院

1 引言

滾珠絲桿是將角位移轉(zhuǎn)化為線位移，或?qū)⒕€位移轉(zhuǎn)化為角位移的理想產(chǎn)品，可以使傳動(dòng)和定位在同一零件上得到實(shí)現(xiàn)。另外，滾珠絲杠不但能作定位，傳動(dòng)零件，還可以起到定位的作用。由于使用滾珠作為其傳遞運(yùn)動(dòng)的媒介，使得滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)變?yōu)闈L動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而大大減少了摩擦作用，提高了傳動(dòng)的效率。滾珠絲杠有效率高、精度高、微給進(jìn)、使用壽命長等特點(diǎn)，因此，它成為了工具機(jī)械和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件。

2 系統(tǒng)工作原理

運(yùn)動(dòng)控制通常是指在復(fù)雜條件下，將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。一般表現(xiàn)為直接對電動(dòng)機(jī)的控制，使其完成位置、速度及加速度等實(shí)時(shí)控制過程，使運(yùn)動(dòng)部件按照預(yù)期的軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)完成相應(yīng)的動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備——電動(dòng)機(jī)作為控制對象，以控制器為核心，以電力電子、功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，對被控機(jī)械實(shí)現(xiàn)精確的位置、速度、加速度、轉(zhuǎn)矩或力控制，以及這些被控量的綜合控制。

基于PMAC2型運(yùn)動(dòng)控制器的滾珠絲桿運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是由三相電源、變壓器、接觸器等電子設(shè)備和上位計(jì)算機(jī)、PMAC2運(yùn)動(dòng)控制卡型控制器、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、滾珠絲桿、編碼器、接近開關(guān)以及光柵尺等機(jī)械器件組成的。三相電源380V經(jīng)過變壓器變壓分別給電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和控制電路供電，接近開關(guān)對工作臺(tái)的行程位置進(jìn)行限位控制；上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)管理、任務(wù)協(xié)調(diào)和人機(jī)交互，運(yùn)動(dòng)控制器的主要任務(wù)是根據(jù)作業(yè)的要求和傳感器件的信號進(jìn)行必要的邏輯／數(shù)學(xué)運(yùn)算，將分析、計(jì)算所得出的運(yùn)動(dòng)命令以數(shù)字脈沖信號或模擬量的形式送到驅(qū)動(dòng)器中，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置提供正確的控制信號。驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功率變換，并驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)按照控制指令轉(zhuǎn)動(dòng)，并且?guī)?dòng)滾珠絲桿以一定的精確度運(yùn)動(dòng)；編碼器和光柵尺主要對滾珠絲桿的速度、位置信息進(jìn)行反饋，讓控制器或者驅(qū)動(dòng)器對反饋的信息進(jìn)行比較并發(fā)出糾正命令，保證滾珠絲桿的精確度，進(jìn)而保證工件的精確度。

基于PMAC2型運(yùn)動(dòng)控制器的滾珠絲桿運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是全閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用編碼器對滾珠絲桿的運(yùn)行速度進(jìn)行反饋，從而驅(qū)動(dòng)器可以隨時(shí)更正命令參數(shù)使運(yùn)動(dòng)達(dá)到指定的精度；采用光柵尺等檢測元件直接對滾珠絲桿進(jìn)行位置檢測，從而可以消除從電動(dòng)機(jī)到被控單元之間整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈中的傳動(dòng)誤差得帶很高的靜態(tài)定位精度。但其缺點(diǎn)是穩(wěn)定性不高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)整也相當(dāng)復(fù)雜。

3 系統(tǒng)電氣圖

電氣控制系統(tǒng)為整個(gè)控制系統(tǒng)提供電源，并對電源進(jìn)行合理分配，以保證控制系統(tǒng)安全可靠地工作，同時(shí)它也是控制系統(tǒng)的執(zhí)行部分。機(jī)床電氣控制部分主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總電源控制、急停、系統(tǒng)冷卻控制、系統(tǒng)潤滑控制、變壓控制、電主軸變頻器開關(guān)控制、伺服電動(dòng)機(jī)上點(diǎn)控制、系統(tǒng)冷卻風(fēng)扇控制、狀態(tài)顯示燈控制、控制方式選擇等功能。主要采用按鈕開關(guān)、斷路器（或空氣開關(guān)）、電磁繼電器、接觸器等機(jī)床電氣元件實(shí)現(xiàn)各種控制功能。電氣控制部分為系統(tǒng)的各部分提供不同的電源，包括24V直流穩(wěn)壓電源用于PLC部分、三相交流220V電壓用于伺服系統(tǒng)、三相交流380V用于電主軸變頻器和冷卻潤滑系統(tǒng)等。系統(tǒng)電氣圖如下圖所示。

QF10為控制電路提供短路和過電流保護(hù)。開機(jī)時(shí)按下開機(jī)按鈕SB2，接觸器KM1線圈通電，主觸點(diǎn)閉合，主電路電源接通。當(dāng)開機(jī)按鈕彈起時(shí)接觸器KM1線圈由自身的輔助觸點(diǎn)保持電路的接通，系統(tǒng)交由軟件控制。關(guān)機(jī)時(shí)按下關(guān)機(jī)按鈕SB1，主電路斷電。軟件控制系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，將中間斷電器KA11線圈使能，其常開觸點(diǎn)閉合，使關(guān)機(jī)按鈕失效，防止由于誤操作關(guān)機(jī)按鈕造成系統(tǒng)突然斷電故障。當(dāng)控制系統(tǒng)可以接受關(guān)機(jī)操作時(shí)，軟件控制系統(tǒng)使中間斷電器KA11線圈禁能，其常開觸點(diǎn)斷開；使關(guān)機(jī)按鈕有效。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)成異常時(shí)，可按下急停按鈕使主電路斷電。在主控制電路中串聯(lián)了兩個(gè)急停按鈕SE1和SE2，將它們分別裝在電控制柜操作面板上和機(jī)床上，以方便操作。

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中，滾珠絲桿起了及其重要的作用。它作為數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)，定位部件，其精度的高低往往直接決定著數(shù)控機(jī)床的加工精度。由于制造工藝和制造手段的限制，滾珠絲杠制造精度的提高已經(jīng)變得十分困難，所以，高精度的滾珠絲杠檢測手段就成為了補(bǔ)償數(shù)控機(jī)床加工誤差，提高機(jī)床加工精度的重要方式。另外，出于滿足滾珠絲杠制造商對其出廠產(chǎn)品檢驗(yàn)的需要，設(shè)計(jì)一種高性能的絲桿檢驗(yàn)設(shè)備也是十分必要的。