高精密模具（精选9篇）
高精密模具 篇1
引言
随着21世纪到来，机床设计制造技术向精密化、智能化、柔性化方向发展，市场的需求向着个性化、多样化方向发展;这造成了对机床的加工能力、加工精度的要求日益增高。因此，将高精密数控卧式机床作为公司的一个主要发展方向，立足于现有加工能力，通过加工精度的提高来带动工厂工艺水平提升，达到了解及界定工厂技术力量水准，了解先进技术，从而为下一步发展做好准备。
1 机床精度
NC4050μ数控高精度卧式机床通过模块化设计，利用普及型数控车床成熟的技术使得整机布局紧凑合理。
机床主要技术参数如下：
床身上最大回转直径：520mm;
最大车削长度：500mm;
最大车削直径：400mm;
电主轴转速范围/主轴功率：30～5000 r/min/15kw;
加工精度可达到IT5级，加工粗糙度≤0.8。
由于国内没有找到专门的数控高精度卧式机床的精度标准，因此，在对设计要求进行分析及对其他厂家相关类型机床进行考证后，根据企业实际加工能力及机床生产经验的基础上，确定了精度指标:
主轴回转精度：0.002mm;
定位精度：0.003mm;
X、Z轴重复定位精度：0.002mm;
其它几何精度在JBT8768《高精度卧式车床精度检验》线轨靠阶。
为确保机床高转速、高精度和高刚性的实现，应用了大量新工艺、新技术，例如：大理石床身及其高精度线轨安装、主轴动静压技术、箱体灌胶定位技术应用、装配中的电主轴转子热装等，机床的设计精度较高，因此，其工艺方案要求更加细致，并有较高的可操作性。
高精密车整体精度要求极高，作为车床生产的专业厂家，45°斜式床身的装配已有常规工艺，其装配工艺、手段非常完善，已经拥有通过装配调试将丝杆、线轨、刀架等部件调整到设计要求的能力，可以保证高精密车整体精度。以下主要介绍机床的关键零件的加工工艺和关键部件的装配工艺。整机装配要求在恒温(22℃)状态下进行。
2 床身及线轨安装
利用大理石制作床身及线轨连接铁的预埋在云南没有企业制作，必须寻找合作者，寻求技术支持。经广泛联系，与山东一家企业签订合约，由对方制作床身，进行线轨安装。由于45°斜式床身体积大，加工面多，如果利用天然大理石制作有较大困难，天然大理石制作费用高，制作周期长，很难保证交货期。考虑到机床试制因素，在与相关制造厂家沟通后决定采用人造花岗岩，降低制作难度。同时线轨连接铁由对方在制作床身时预埋，并配合线轨安装。四条高精度INA线轨安装要求：平行度≤0.002mm。
线轨的安装过程中,现有线导轨安装结构(附图1),现有调试方法虽然能够达到要求,但对零件加工要求高,(要求靠面的直线度3um)，加工设备很难保证。因而装配铲刮工作量大,效率低,对装配工的要求很高。在研究日本DMG及德国道斯公司的线轨安装后,提出以下改进建议：建议参照德国道斯公司线轨安装方式(附图2)，利用塑料垫片做为靠面，在顶丝作用下调节线轨直线度。
主要依据如下:(1)在加工线轨靠阶面时,由于加工中利用侧刃加工,即时磨加工也不能保证整个直线度在3um以内,在安装过程中必须人为的修配此面，同时,在实际使用状态下主要是底面承受力,靠阶面受力情况很少。(2)利用压块调节理论上是面接触,但实际两接触面均是线接触,接触效果并不理想，而顶丝应用简单，在调节直线度时能做到更加精细。(3)加工工序减少，要求降低，加工保证程度增加，生产成本降低。
3 静压主轴技术（主轴、轴瓦及液压调整薄膜板）
静压主轴技术并非是一种新技术，在精密磨床上大量使用的就是静压主轴，但是在车床上静压主轴推广使用就变成一项新的课题，原因是使用在车床上的静压主轴和使用在磨床上的静压主轴工况是有较大的区别。正是因为车床主轴的受载情况比较复杂，车床在加工中冲击载荷、交变载荷等比较普遍，加之传统静压主轴维护保养非常不方便，维护费用也高，使得静压主轴不易在车床上推广使用。但静压主轴的优点一直是精密车削加工的首选。开发适用于常规数控车床的静压主轴，并能最大限度解决传统静压主轴在车床上使用的局限性。以下是静压主轴技术关键零件加工的关键因数及要求。
3.1 机床精度主要体现在主轴精度上，而高精密车的主轴
充分体现了这一点(图3)，因此主轴的加工工艺直接影响到主轴的精度。
主轴加工工艺如下：
锻造—正火—划线—粗车—正火—精车—粗磨—镗孔—热处理(S1.3)—正火—钻—粗磨—油煮定性—半精磨—油煮定性—精磨
纵观整个主轴精度要求，可以发现以下问题是加工难点：
a、尺寸公差不难保证，但形位公差要求太高。主轴前段(箱体内部分)同轴度◎要求1um;大端面两侧跳动↙1um，内锥孔、1:4锥、1:12锥面要求在1.2～3um之间，考虑到精加工无法一次装夹完成加工，主轴在再次装夹过程中的找正将是影响主轴精度的关键因数，这对磨工提出了极高的要求，加工的难度极大。根据以上分析,加工工艺的制定也就是围绕保证相关形位公差来制定及实施。
b、材料：高精密车主轴材料选用的是12Cr2Ni4A，首次使用这样的材料对我们制定工艺方案也是一个考验。由于渗碳炉炉膛高度不够，因此，采用固体渗碳解决，在实际加工中渗碳层深达到1.5～1.8mm，满足工艺要求。在主轴加工工艺中，有两次正火工序，第一次是预先热处理，第二次是为了细化渗碳后晶粒，降低主轴硬度采取的。但对于渗碳———正火后主轴变形量，尤其是锥孔的变形估计不足，主轴半精加工留磨量(0.8mm)因此非常紧张，这给随后的磨削加工造成很大困难。在渗碳层深度达到要求的情况下，主轴半精加工留磨量可以考虑达到1.0mm。
c、内孔加工有难度，尤其后段电主轴部分，ф26孔径，孔深440mm，造成镗刀刀杆选择余地小，刚性差，加工中出现让刀现象将直接影响内孔光洁度，甚至对主轴动平衡产生很大的影响。因此，设计专用镗杆进行加工(图4)。由于前端轴细,直径仅ф20,因此,刀头仅能采用合金刀片焊接而成,要求工艺转速55r/min,进给0.1mm,吃刀深度0.1mm。
d、设备选择:由于设备限制,综合分析后选用了一台MG1432/3000作为加工设备;设备精度圆度0.5/2um,加工精度能满足基本要求.由于零件精度要求高,因此对磨工提出很高的要求。
主轴整个加工过程恒温加工在现有状态下无法完全保证，但最后精磨及装配必须保证恒温。
3.2 轴瓦：
前、后轴瓦材料使用H62，要求压铸成型后组织致密，无砂眼、气孔。主轴静压主要要求体现在前、后轴瓦的静压腔上，利用油压在腔内形成油膜将主轴浮起。这种技术在磨床(磨头)上被大量使用，其加工工艺基本成型;但车床用的轴瓦体积远远大于普通磨头。因此，在借鉴磨头轴瓦加工工艺的基础上制定了按以下要求加工静压腔：使用三面刃铣刀，在坐标镗上走坐标的方式或立式加工心编程加工(优先选择)，加工完成后钳工修刮腔体表面。
3.3 液压调整薄膜板：
材料60Si2Mn,板厚1.5mm，要求两面表面光洁度0.8,平行度5um.这是典型的薄形零件,装夹加工变形大,在电磁吸盘工作台上采用平板工装固定零件后磨削。
4 箱体灌胶定位技术
4.1 主传动系统是车床的关键部件，主轴箱的加工是主传动系统部件加工中的重点，也是难点。
箱体前、后轴瓦的装配是关键中的关键(同轴度◎要求1um)。由于高精密数控卧式机床主传动系统采用了静压主轴技术，我们应用箱体灌胶定位技术，箱体主轴孔前后端的同轴度不再用传统方式依靠设备的回转精度来保证;因此，其精度要求在加工中心即能够满足，降低对加工设备的依赖了。
例如：φ195H9孔与端面⊥0.02F
φ235H9孔与端面⊥0.02F
具体工艺措施是，利用中间芯棒(1:3000)将轴瓦粗步固定在箱体内，采用工程胶粘剂(定位胶)灌入箱体前端，粘合箱体和前轴瓦。在粘胶过程中，对后轴瓦进行微调，确保前后轴瓦获得要求的形位公差的，确保装配质量。
4.2 为保证主轴在静压腔内均匀的浮起，需要通过调整液压阀，控制中间薄模板凸凹以调节油压，要求在主轴浮起状态下保证其装配精度达到:
a)主轴的轴向窜动;0.0015
b)主轴轴肩支承面的跳动0.0025
c)主轴定心轴颈的径向跳动0.0015
d)主轴顶尖的径向跳动0.0015
因此,必须严格控制上下节流板中槽深,除图纸要求外,两个槽深差距必须小于0.015mm,底部光洁度3.2以上,要求用车床加工.同时,一组节流板槽深差距不小0.02mm,以保证通过薄模板调节后各个油路油压均匀。
在车头箱装配完成后实际调节油压过程中,由于对油压情况无资料查询.所以,要求必须在每一条管路中加入压力表,建立检测表格,监控每次调节后实际油压值.通过对此数据的分析、整理，为后面进一步改进提供支持。
5 结束语
高精密数控车床采用45°斜式非金属材料床身在国内属于首次，同时将流体静压式电主轴开发并运用到车床行业，在国内也仅有沈阳第一机床厂、北京机床研究所等少数几家企业处在研发、设计、制造过程中，而样机仅沈阳制作完成。因此高精密数控车床的研发成功也验证了该机床的零件加工工艺和装配工艺是可行的，是成功的。
高精密车床利用了多种新技术，经过一年的时间完成了首台样机的试制，其中关键精度测试结果如下：
主轴回转精度：0.0015mm;
X/Z轴定位精度：0.0032/0.003mm;
X/Z轴重复定位精度：0.0026/0.0065mm。
加工实际测试结果如下：
圆度：0.005mm;
柱度：0.007mm;
平面度：0.008mm;
粗糙度：0.8Ra。
产品性能基本达到预期要求，属于国内领先，填补国内机床行业空白，同时产品相关技术正在申报国家专利。
摘要：介绍了一种高精密数控卧式车床工艺,其内容包括大理石床身及高精度线轨安装的精度保证方法,高精密主轴的加工工艺,静压主轴部件装配中静压主轴系的装配技术和液压调整方法,主轴箱体灌胶定位等先进的新工艺技术。
关键词：密数控卧式车床,线轨安装,主轴的工艺,静压主轴,灌胶定位
参考文献
[1]袁卫华.薄形工件的磨削方法探讨.[M]制造技术与机床,2007.(5);69～70.
[2]杜志勇.多台阶精密深孔的车削.[M].金属加工,2008.(6);35～36.
[3]《热处理手册》编辑会.主轴的热处理.[M]机械工业出版社,1986年.
高精密模具 篇2
摘要：研究并设计了应用于母盘刻录机的高精密工作台伺服驱动环节。在基于DSP数字闭环控制器的基础上，通过理论建模、程序仿真和实验验证，对驱动环节进行了优化设计。在驱动环节中采用了模拟速度环、PI校正环节和线性功放，使工作台在低速下有较快的响应和较小的稳态误差。实验结果表明，使用驱动环节后的伺服控制系统有利于提高母盘的刻录精度。
关键词：母盘刻录 精密工作台 驱动环节 速度环 PI校正
随着社会的发展，信息的存储量越来越大，光盘信息存储技术也在不断飞速发展，因而对母盘制造精度提出了更高的要求。
(本网网收集整理)
目前，光盘国家工程研究中心利用高速数字信号处理器(DSP)，采用数字闭环控制原理和传统伺服电机驱动方式，实现了高精度工作台的连续大行程运动。其微位移定位精度为±50nm，宏位移定位精度优于±150nm，可以满足母盘刻录直线进给工作台的连续变速和±50nm控制精度的要求。
在此基础上，本文研究并设计了工作台的模拟驱动环节，以提高控制系统低速响应的稳定性和快速性。
1 系统总体结构
母盘刻录系统直线进给工作台的底座固定在隔振大理石台上，底座上安装了带高精度滚珠的V型槽作为运动导轨。工作台经蜗轮蜗杆和小螺距精密丝杠两级减速，通过直流伺服电机进行驱动。
母盘刻录系统采用恒线速刻录方式，聚焦光斑相对于母盘的理想运动是沿着以母盘圆心为中心的等线距阿基米德螺旋线以恒定线速度由内向外运动的，该运动由母盘的高速转动和刻录光学头的径向直线进给合成得到。
该精密工作台用于母盘刻录的正常工作速度约为30μm/s，采用上述大减速比的机械传动系统不可避免地存在传动误差。因此要实现精密定位，必须采用全闭环控制系统，直接检测工作台位置并针对位置误差进行伺服控制。工作台的控制系统总体结构如图1所示。
2 模拟驱动环节的建模
2.1 直流电机模型
工作台驱动电机采用上海电机厂生产的直流力矩测速电机组45L-CZ001。
若忽略电枢电感和粘性阻尼系数，则以电枢电压Ua(s)为输入、转速Ω(s)为输出的直流电机的传递函数为：
F(s)=Ω(s)/Ua(s)=(1/Ke)/[(Tms+1)(Tes+1)]≈(1/Ke)/Tms+1
其中，Ke为电动机反电动势系数，其单位为V・s;Tm为电机的机械时间常数;Te为电机的电气时间常数，其值很小可忽略，因此直流电机可以被简化为一阶系统。
图5 实际PI校正环节
电机机械时间常数的测定可以通过给电机加一个7V阶跃电压，然后用示波器测定响应到达稳定值0.632时所用的时间而近似得到，如图2所示。得机械时间常数Tm=0.06s。
开环情况下，输入电压经过线性功放后直接驱动电机，用转速表HT-331测量对应转速，可以得到放大倍数。测得的数据列于表1中。
表1 测得的数据表
电压/V0.51.01.52.02.5转速/rpm070302520750电压/V3.03.54.04.55.0转速/rpm9931195144816861930
数据经过直线拟合后，得到放大倍数为463.25。
电气时间常数很小，近似取Te=0.0012，可以得到经过功放后的直流电机模型的传递函数为：
F(s)=Ω(s)/Ua(s)=463.25/[(0.06s+)(0.0012s+1)]
2.2 驱动电路设计
为了提高系统在低速时响应的快速性、稳定性和带负载能力，要对模拟驱动电路进行设计，由测速机引入速度负反馈，电压差值经过PI校正环节和线性功率放大器放大后驱动直流伺服电机运动。驱动环节方案如图3所示。
PI校正环节的设计对驱动环节的性能有重要的影响，原理图如图4所示。其传递函数为：
V0/Vin=Ki(1/T0is+1)(Tjs+1/Tis)
其中，Ki=Ri/R0为校正器的比例放大系数，τi=RiCi为校正器时间常数，T0i=R0C0i/4为滤波时间常数，一般取值较小，用于过滤高频噪声干扰。为了能够将速度环设计成典型二阶环节，必须保证校正器零点的选择能够消掉调节时间大的时间常数，即τi=Tm。若取滤波时间常数T0i=0.25ms，R0=100kΩ，则滤波电容C0i=0.01μF。取比例放大倍数为Ki=3，得Ri=KiR0=300kΩ，于是得Ci=0.2μF。
为了保证PI校正环节在达到稳态时放大器不致因开环而饱和，故在PI反馈线路上并联一个反馈大电阻R1=1MΩ。此外，为了便于调节，将PI校正器增加比例系数功能，但又为防止调整时对时间常数产生太大影响，于是要保证Ri》R1，取R1=10kΩ，R2=1kΩ。实际采用的电路图如图5所示。
下面测定测速反馈系数，数据列于表2中。
表2 测速反馈系数表
转速/rpm070302520750电压/V00.965.7511.016.0转速/rpm9931195144816861930电压/V21.126.531.536.841.8
将数据进行直线拟合后得到反馈系数为:
H(s)=0.022
忽略PI校正环节滤波时间常数T0i，最终可得到速度。环开环传递函数为：
G(s)H(s)=3(0.06s+/0.06s)(463.25×0.022)/(0.06s+1)(0.0012s+1)
=509.6/[(s0.0012s+1)]
3 驱动电路仿真
选用的仿真环境是Matlab6.1及其下的Simulink工具箱。
3.1 速度环开环伯德图
速度环开环传递函数为：
G(s)H(s)=509.6/[(s0.0012s+1)]
用Matlab6.1绘制伯德图，得到图6。
剪切频率：416Hz 相角裕量：65度
系统有充分的相角裕量，可知系统稳定。
3.2 速度环闭环阶跃响应仿真
用Matlab6.1下的Simulink工具箱搭建速度环闭环系统结构图，如图7所示。加以0.2V的阶跃信号，取反馈系数为0.022，仿真结果如图8所示。
从响应曲线图上可以看出，系统阶跃响应的上升时间为5ms，超调量为6%，转速稳定值为10rpm/s，系统性能良好。
4 实验数据处理与分析
经过理论建模和程序仿真后，设计及调试用于精密伺服工作台的模拟驱动环节，并进行时域分析，比较实验结果。
4.1 不加模拟驱动环节
首先不加模拟驱动环节，用DSP数字控制器的输出信号(经过线性功放)直接驱动直流力矩电机运动。
4.1.1 DSP开环实验
在DSP数字控制器开环情况下加一个输入电压，测试所加电压和工作台速度的关系，工作台速度由采集的`直线位置光栅信号经过VC++程序处理得到。所得数据列于表3中。
表3 输入电压与工作台速度关系表
电压/V1.01.11.21.31.4速度/μms-100～55～1010～1515～20
由表中数据可见，DSP开环的速度稳定性差，死区电压为1.1V，系统灵敏度有待提高。
4.1.2 DSP闭环实验
DSP数字控制器闭环时，指定工作台以20μm/s的低速运动。图9中，(a)为速度响应曲线，(b)为位移响应曲线，(c)为位移响应曲线局部放大图。
由图9(a)和图9(c)可以看出系统有近40ms的延迟时间，其中20ms为死区时间(系统无响应)。系统产生延迟主要有下面两个原因：机械传动系统存在齿隙、回程等误差;电机机械响应存在延迟。
由图9可以得到不加模拟驱动环节时系统阶跃输入的时域响应指标如下：
延迟时间：40ms 上升时间：60ms
峰值时间：100ms 超调量：25%
稳态误差：15%
可见，在不加模拟驱动环节、直接用DSP闭环控制时，精密工作台的低速响应已经达到了一定的快速性和稳定性。但是用于母盘刻录时，工作台的稳定性则需进一步提高。
4.2 加模拟驱动环节
在工作台控制系统中采用带有速度环、PI校正和线性功放的模拟驱动环节驱动电机运动，进行DSP数字控制器开环及闭环实验。
4.2.1 DSP开环实验
使用模拟驱动环节后，实验测得在DSP数字控制器开环时，系统在0.2V电压下已经能够产生较连续的响应了，如图10所示。可见系统灵敏性有所提高。
4.2.2 DSP闭环实验
加上该模拟驱动环节后，对系统进行DSP数字控制器的闭环实验，仍然指定工作台以20μm/s的低速运动。图11中，(a)为速度响应曲线，(b)为位移响应曲线，(c)为位移响应曲线局部放大图。
由图11(a)和图11(c)可知，系统的延迟时间为20ms，其中10ms为死区时间。可见加上该模拟驱动环节后系统的延时减少。
由图11可以得到加模拟驱动环节后的系统阶跃输入的时域响应指标如下：
延迟时间：20ms 上升时间：30ms
峰值时间：60ms 超调量：7.5%
稳态误差：7.5%
图11 加驱动环工作台闭环阶跃响应
比较实验结果可以看出，加模拟驱动环节后，精密工作台系统的灵敏度大幅提高，且系统的低速稳定性能提高一倍。但速度曲线仍存在波动，这主要有两方面的原因：一是机械传动系统精度影响了工作台的稳速精度;二是工作台位移检测光栅分辨率有限，直接影响了采样点之间位移增量的测量精度。
高精密模具 篇3
从财务数据来看，春兴精工近几年业绩表现优秀。数据显示，公司2007-2009年度的净利润分别为2872.81万元、4886.87万元、6968.70万元，年均增长率接近60%，呈现快速、稳定的发展趋势。公司本次进入资本市场，是为募资投入扩产及技改项目，提高综合竞争力。
上下游双向拉动 行业前景可期
春兴精工主要产品为各类精密铝合金结构件，产品广泛应用于通信设备、汽车零部件、航空器材等对结构件的加工精度和产品质量精度有严格要求的高精尖领域。
随着全球对通讯、汽车等的需求不断增强，精密铝合金结构件的市场需求不断激增。尤其铝合金结构件在轻质化、清洁生产、精密度高、性能稳定等方面具有其它金属制造不可比拟的优点，将逐渐成为金属结构制造的主流产品，市场潜力非常大。
中国是精密铝合金结构件的制造大国，精密铝合金结构制造行业产能正在向中国转移。我国充足的铝材产能、先进的铝材生产工艺和装机水平为行业的发展提供了充沛质优的原材料和坚强的基础动力。中国还是全球铝消费量最大的国家，未来我国汽车消费的持续增长、通讯设备的更新换代、高速铁路的大规模建设、大飞机项目的实施等都将对精密铝合金结构件的需求量形成巨大拉动效应。
在上游推动力及下游拉动力的双重力量下，我国精密铝合金结构制造行业前景可期。市场人士分析，春兴精工处于一个生机勃发的行业，公司拥有广阔的发展空间。
依托重点客户 铸造品牌优势
精密铝合金结构制造为了保证产品的质量精度和加工精度，对于技术工艺、设备条件、工作环境、技术工人技术熟练度等均有很高的要求。对于精密铝合金结构件生产商来说，这些条件就形成了行业竞争的高壁垒。
春兴精工是一家高新技术企业，公司拥有国内精密铝合金结构制造行业内为数不多的市级企业技术中心，是我国精密铝合金结构制造行业的技术领导者之一。公司在产品的前瞻性研究、客户同步共同研发、产品工艺改进研发等方面均处于业内领先水平。
由于精密铝合金结构制造行业的下游通讯、汽车等领域的客户均为技术含量较高的企业，因而对其供应商要求颇为苛刻。春兴精工凭借产品技术研发优势，获得了下游客户的充分认可，并形成了长期稳定的良好合作关系。公司服务的重点客户包括：诺基亚、西门子、阿尔卡、特朗讯等知名通讯设备系统集成商；波尔威、安德鲁等知名专业通讯设备制造商；德国贝洱、德国博世、日本电产、美国江森自控等全球排名前列的汽车零部件及设备制造商。
经过多年耕作，公司不仅获得了众多的客户资源，而且获得客户高度认可，建立了“春兴制造”的品牌。“春兴制造”的品牌价值随着客户产品在全球的应用和推广，从而在供应链各个环节得到了全面的提升。春兴精工成为行业内为数不多的具备品牌优势的企业。
突破产能瓶颈 大幅提升竞争力
春兴精工的产品近年来一直处于供不应求的状态。自2007年以来，公司年均产能利用率超过100%，如要实现新一轮的大发展，必须扩大产能。公司本次进入资本市场，正是为募集资金建项，以突破产能瓶颈，提升产品市场占有率。
高精密程控电压源设计与实现 篇4
在自动测试领域,为了检测电压型精密传感器的配套系统,需要可调精密电压源,其输入范围为0~50 mV,精度为10 μV,稳定性要求非常高。传统的精密电压源一般采用精密电位器调节生成,需要高的D/A分辨率和抗干扰能力。这种电压源操作不方便,而且随着温度等外界条件的变化而变化,其波动范围很难控制在10 μV内。本文提出一种新的实现方案,采用闭环反馈控制方式,实时监控电压输出端并根据实际情况进行调整;对配置电压值和多组实际测试结果进行最小二乘拟合,得到配置电压值与理想输出值之间的函数关系,并通过软件修正了系统的非线性引起的误差,输出精度达到了±1.5 μV,提高了输出电压的稳定性。
2 硬件设计
2.1 工作原理
该系统硬件由高性能单片机、数/模转换器、高精密电阻衰减网络、仪用放大器和A/D转换器组成,其系统硬件结构如图1所示。
利用PC机输入一个设定值,通过串口将数据送到单片机;单片机根据PC机与单片机的通信协议解析串口数据,当检测接收到有效数据后,启动D/A转换器配置部分的软件,将设定值转化为数字量输出到D/A转换器;D/A转换器将单片机输出的数字量转化为模拟量输出到精密电阻衰减网络[1],衰减系数可通过可调电位器调整,衰减后的信号通过仪用放大器INA114稳压输出;同时A/D转换器开始工作,连续采集运放输出端的电压值,以串行方式送到单片机中,单片机根据A/D转换器采集的数据实时控制D/A转换器的数字输入端,修正环境温度等外界因素引起的误差,确保输出电压值满足设计要求。
2.2 单片机模块
单片机是系统的核心部分:通过RS 232串口和自拟的通信协议完成远程控制[2]、控制系统工作流程、初始化D/A和A/D并驱动、检测输出电压质量并根据实时采样值进行修正。单片机采用程控高精密电压源的核心。它通过软件的运行控制整个仪器的工作,从而完成设定的功能。
本设计中采用Atmel公司的低电压、高性能8位CMOS单片机AT89C52。通过异步串口与主控计算机联机通信,检测并接收配置信息,并对信息进行处理,转换成串行信号通过I/O模拟串口控制D/A的CS,Clock和Data引脚,将数据写入到D/A,同时接收A/D采样数据检测运放输出端电压值,当电压值因环境或温度等外界条件影响而偏离误差允许的范围时,系统会自动调节电压值,使之满足输出要求。
2.3 D/A转换和精密电阻衰减网络
D/A转换电路以美国A/D公司的数/模转换芯片AD5551为核心构成,AD5551是单极电源、14位分辨率、串行输入、电压输出的高精度低温漂的D/A转换器,它们采用多功能3线接口技术,能与SPI,QSPI,MICROWIRE和DSP接口兼容。
该D/A的无缓冲输出减少了输出缓冲所引起的功耗和偏离误差。D/A参考电压采用外部参考电压模式,参考电压为2.5 V,则D/A转换器的输出范围为0~2.5 V,其1个LSB为
通过精密电阻衰减网络把D/A转换器输出的电压值衰减了150倍,则衰减后的信号范围在0~50 mV,精度为
2.4 A/D转换电路
考虑到外界环境因素和元器件自身的的温漂和非线性,采用A/D转换电路实时监测D/A输出端电压值,并传送到单片机中,形成一个闭环系统[3]。A/D转换器使用美国A/D公司24 b低功耗、高精度的Σ-Δ模/数转换器AD7791。AD7791的电压噪声有效值仅1.5 μV,利用片内的时钟电路工作。通过单片机I/O口模拟片选信号、串行时钟信号和数据信号与AD7791通信,配置各个寄存器以适应相应的工作模式和状态。
当环境温度等外界条件发生改变时,电路参数随之改变,对于高精密输出端电压值会有十分明显的影响。A/DC用来监测D/A经运放的输出电压值,并将采集的数据实时送到MCU。MCU取8次A/D采样值平均后,根据实际情况做出相应的调整和修正,很好地补偿了系统的非线性误差。
3 软件设计
系统程序软件使用C语言设计,在Keil C51环境下编译调试,采用模块化结构,完成电压输出、电压检测、电压补偿和校准的闭环控制,其流程图如图2所示。
4 结 语
本文介绍的高精度程控电压源结构紧凑、可控性高、成本较低,已成功应用于某机型发动机地面综合检测设备。
其在实际应用中取得了很好的效果,取代了传统的模拟电路构建的高精密电压源,降低了成本,提高了精密电压输出精度,体现了程控的灵活性。
参考文献
[1]赵少波.用低成本D/A转换器实现精密电压输出[J].电子技术,2002(10):59-61.
[2]何立民.单片机应用技术选编[M].北京:北京航空航天大学出版社,1993.
高精密模具 篇5
关键词：电火花成型机床,机床结构,优化设计
精密数控电火花成型加工机床是精密特种加工技术的重要设备之一, 对精密机械、汽车、微电子、家电产品以及航空航天的精密零件和精密工模具制造具有重要意义[1]。当前, 市场上高精密数控电火花成型机床主要是以国外知名品牌为主, 国内品牌的电火花成型机床与之相比无论在机床性能、精度, 还是稳定性方面都存在着较大的差距。面向巨大的市场需求, 结合精密零件和工模具技术发展的要求, 笔者公司引进德国欧吉索先进技术, 成功研制出技术领先、性能优越、价格适中的中小型龙门式高精密数控电火花成型机床G450C。
1 数控电火花成型机床结构运动特点及其存在问题分析
1.1 数控电火花成型机床的结构形式及运动特点
数控电火花成型机床通常是由机械运动系统、脉冲电源系统、数控系统和工作液循环过滤系统及附件等组成。机械运动系统主要由运动部件、运动机构、主轴、工作台和工作液槽等组成。根据不同的机械结构形式, 主要分为立柱式 (C型) 结构、滑枕式 (牛头式) 结构、龙门式结构数控电火花成型机床。各种机械结构运动特点不一样, 分别适用于不同性能要求的机床。
立柱式 (C型) 结构数控电火花成型机床的运动特点是:床身和立柱固定不动, 滑板通过运动机构带动工作台相对底座床身实现横向伺服进给运动, 工作台通过运动机构相对滑板实现纵向伺服进给运动, 主轴头通过运动机构相对立柱实现上下伺服进给运动, 如图1所示。底座和立柱连成一体呈楔形对称结构, 刚性和精度较好。因采用三面开放式设计, 操作者容易进入工作区域, 装夹工件比较方便。由于此结构是靠工作台支承和装夹工件并实现纵横向运动, 因此工件的尺寸和重量不能太大, 通常应用于中、小型数控电火花成型机床。
滑枕式 (牛头式) 结构数控电火花成型机床的运动特点是:工作台固定不动, 滑板通过运动机构带动滑枕和主轴头相对底座床身实现横向伺服进给运动, 滑枕通过运动机构带动主轴头相对滑板实现纵向伺服进给运动, 主轴头通过运动机构相对滑枕实现上下伺服进给运动, 如图2所示。该结构沿用三面开放式设计, 操作者容易进入工作区域, 装夹工件比较方便, 也为设计、安装可升降式工作液槽提供方便。该结构三个运动轴相互关联, 制造比较困难。滑枕式结构在大、中、小型机床中均有采用, 比较适合数控化程度较高的机床。
龙门式结构数控电火花成型机床的运动特点是:工作台一般固定在床身上, 龙门架通过运动机构带动滑板和主轴头相对底座床身实现纵向伺服进给运动, 滑板通过运动机构带动主轴头相对龙门架实现横向伺服进给运动, 主轴头通过运动机构相对滑板实现上下伺服进给运动, 如图3所示。这种机床刚性好, 精度高, 稳定性好。但由于龙门结构较为复杂, 制造比较困难。龙门式结构适合大、中型电火花成型机床采用。
1.2 电火花成型机床常见机床结构内在问题分析
滑枕式结构具有承载能力强、工件安装稳定性好、滑枕移动便捷, 且加工精度不受工作台负荷影响等结构优势, 但滑枕式的结构使得其主轴相关部件的精度受重力的影响较大, 图4给出了滑枕式机床主轴相关部件及其变形示意图。由图可知, 平滑枕以及与其相连接的立轴底座、立滑枕受重力的作用而发生变形, 随着它们沿十字马鞍向+Y方向的移动, 变形量还会不断增大, 刚性也随着变差[2]。
对于滑枕式结构, 因为工作头的位置随滑枕的移动引起各部件受力的变化, 长期精度不稳定, 如图5所示。同时, 由于平滑枕悬伸过长刚性变差导致轴的行程也受到限制, 导轨平行度误差也随着悬伸量 (变形量) 的增大而得到放大;该结构的设计要求床身重、工作头轻, 这会导致床身受温度的变化较缓慢, 而工作头受温度的变化较为敏感, 这种受热不均结构会导致机床的精度受温度的变化而变化, 热稳定性较差。
立柱式电火花机床依靠工作台的移动来实现X/Y轴的运动, 因而这两条轴的精度与工件的重量密切相关, 其动态精度和刚性都会受之影响。同时, X/Y轴的行程因工作台需在狭小有限的空间内移动而受到限制, 如果要设计加工稍大一点的工件, 则机床的底座和立柱会更显大型化, 相对于机床尺寸来说, 可加工区域明显偏小, 而刚性也会随着立柱横梁悬伸加长而变差。此结构不宜设计、安装可升降式工作液槽, 工作液容易随着工作台的不断平动而溅出。
以上两种国内常见电火花成型机床结构由于机械结构本身内在的问题, 导致在实际的使用中直接影响到零件或模具的加工精度和表面质量, 因此必须通过机床结构正确选型和优化设计, 特别是针对这两种结构存在的问题来寻求相对应的解决方案。
2 高精密数控电火花成型机床结构选型及优化设计方案
2.1 结构选型基本思路
通过对国内常用的两种电火花成型机床机构内在问题点的比较及分析研究, 从中得到结论:虽然通过改良部分零件的设计和采用性能更加好的功能部件如导轨和丝杆等, 可以改善国内两种常见结构机床的刚性和精度, 但要避免因结构本身带来的各种问题, 因此需要对机床的结构进行合理选型和优化设计, 力求结构简洁、性能可靠, 以达到高精密数控电火花成型机床在性能、精度和稳定性等方面的要求。
相对于滑枕式结构, 龙门式结构因为工作头悬挂在龙门架上, 受力情况不会随主轴头的位置而变化, 长期精度可以保持稳定, 主轴头可以到达工作台面任意一个角落, 且受力情况都是一致的, 如图6所示。同时, 由于工作头悬伸短且固定不变, 刚性好, 受外力影响较小, 平行度误差也最小化;该结构的床身、工作液和龙门架可以实现整体温度控制, 从而实现机床的高精度和热稳定性。
相对于立柱式结构, 龙门式结构 (动龙门式) 因机床工作台固定不动, 各条轴的运动与工件的重量和工作液无关, 其动态精度和刚性不会受之影响。此结构便于设计、安装可升降式工作液槽, 油槽可装满工作液时移动, 随放电成型加工的位置自动升降, 省去冲放时间。
通过以上比较可以看出, 龙门式结构除了能够避免滑枕式结构和立柱式结构的内在结构问题, 而且本身很多优点也正好能够满足高精密电火花成型机床的各种要求, 因此龙门式结构是设计高精密数控电火花成型机床的首选机械结构。
2.2 方案
G450C龙门式高精密数控电火花机床是巨轮股份专门为中小型高精密零件和工模具市场开发的新机型, 该机型针对常见龙门式结构电火花成型机床制造成本高, 操作不太方便, 占地面积大, 只适合大、中型电火花成型机床等问题点, 从结构适用及加工工艺性好的设计原则方面考虑对龙门式结构进行优化设计。
与常见的龙门式电火花机床一样, 结构优化后的G450C机床主体机械结构仍然由床身、龙门架、滑枕、主轴箱和工作液槽组成, 整体结构没改变, 只是将一些主要零部件的结构进行改进和优化。
优化后的龙门式电火花成型机床结构跟原来的机械结构存在如下不同点。
传统的龙门式机床采用动龙门结构, 因为需要有足够大的“门”结构空间悬挂滑枕和主轴头, 因此只适合大中型电火花成型机床设计使用。为了兼容床身和工作液槽, 通常床身是由钢板焊接而成。为保证主轴头的悬伸刚性, 滑枕和主轴箱在满足刚性和使用尺寸的情况下, 采用了紧凑的设计原则。如图3所示。
而优化后的龙门结构则是针对G450C机床适用零件的特点, 对机械部分的几大部件进行改进和优化。主要体现在:龙门架采用三角横梁设计, 既能保持龙门结构的特点, 又加强了龙门架的刚性 (对比门式龙门架) ;床身为了配合龙门架的三角横梁设计, 将原来长方体的结构改进优化成L型箱体结构, 使得三角龙门架可以在L型箱体上部实现前后运动;为了确保X/Y轴的行程和刚性, 滑枕和主轴箱由原来的紧凑设计改成仿生箱体设计。如图7所示。
相对于传统的龙门式电火花成型机床结构, 优化后的G450C机床结构具有如下优点:
(1) 整机结构沿用经仿生优化设计的龙门式结构, 结构紧凑且行程大, 刚性大且可保持长期高精度, 静态和动态性能俱佳;
(2) 采用高性能铸铁结构, 确保机床的机械稳定性和精度, 不受工件重量或工作液重量的影响;
(3) 机床设计符合人机工程学原理, 提供了机床占地面积和加工面积的最佳比例, 工作台采用3方向的全开放式设计, 高度根据东方人的身高特点而设计;
(4) ATC采用独创的内藏式和悬挂导轨伸缩设计, 充分利用有限空间, 电极容量大且不干涉主轴的移动, 没有运动死角;
(5) 采用黄金侵害比例设计的外观造型, 整机简洁、匀称、色彩搭配协调, 巧妙的主轴伸缩防护设计确保了机床操作的安全性。
3 结束语
高精密数控电火花成型机床的制造首先应该有合理的结构设计, G450C通过对龙门电火花成型机床的结构进行仿生优化设计, 既吸取了立柱式和滑枕式机床结构的优点, 也保持了龙门式机床结构的优点, 这样的机械结构能有效地保证机床的高精度和高性能, 是高精密数控电火花成型机床结构设计的正确方向。
参考文献
[1]杨大勇, 付伟, 伏金娟, 等.A型精密数控电火花成形加工机床及其应用[J].航空制造技术, 2009 (05) :57-60.
高精密模具 篇6
1 DDS及AD9854简介
1971年, 美国学者J.Tierney等人在其撰写的《A Digital Frequency Synthesizer》一文中首次提到了直接数字频率合成 (DDS) 的概念[1]。但是, 限于当时的技术和器件水平, 其性能指标尚不能与已有的技术相比, 故未受到重视。近年来, 随着微电子技术的迅速发展, 直接数字频率合成技术得到了飞速的发展, 以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点, 广泛应用于现代频率合成技术中。其优点和特点具体体现在相对带宽大、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面, 并具有较高的性价比。DDS技术现已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。
DDS是根据正弦函数的产生, 从相位出发, 由不同的相位给出不同的电压幅度, 即相位-正弦幅度变换, 最后滤波, 平滑输出所需要的频率。其基本结构如图1所示。
相位累加器在每一个时钟脉冲内, 与频率控制字累加一次, 相位累加器输出的数据就是合成信号的相位, 相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。用相位累加器输出的数据作为波形存储器 (ROM) 的相位取样地址, 就可以把存储在波形存储器内的波形抽样值经查找表查出, 完成相位到幅值转换[2]。波形存储器的输出送到D/A转换器, D/A转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量, 以输出频谱纯净的波形。输出频率f0表示为
其中, K为频率控制字;fc为系统时钟, 由外部参考时钟经过内部倍频后得到。最终的输出频率是由频率控制字、时钟和相位累加器位数共同决定的。
AD9854是ADI公司推出的一款DDS芯片。它采用先进的DDS技术, 片内整合了两路高速、高性能正交D/A转换器通过数字化编程可以输出I、Q两路合成信号[3]。AD9854[4]的DDS核具有48位的频率分辨率, 在300 MHz系统时钟下, 由式 (1) 可以得出其频率分辨率可达1μHz;由奈奎斯特采样定理得, 允许输出的最高频率为150 MHz。
2 系统总体结构设计
系统由单片机ATmega32、AD9854、串口通讯电路、上位机以及低通滤波器组成。单片机通过串行方式与AD9854连接, 同时通过MAX232串行通信接口接上位机。由上位机软件设置波形参数, 并将信息发送给单片机, 单片机根据接收到的信息, 控制AD9854输出相应的波形。由于AD9854内部不含低通滤波器, 因此需要在其末端加上低通滤波器, 滤除高频分量。系统整体结构如图2所示。
3 系统硬件设计
3.1 串口通讯电路设计
RS-232是目前常用的串行接口标准, 用于计算机与计算机之间, 计算机与外设之间的数据通信。由于RS-232电路电平与TTL电平不同, 因此RS232驱动器与TTL电平连接时必须经过电平转换, 系统采用Maxim公司的MAX232来完成这一功能。MAX232芯片包含两路接收器和驱动器, 内部有一个电源电压转换器, 可以把输入的+5 V电压变换为RS-232输出电平所需的-10~+10 V电压。因此, 采用此芯片接口, 串行通信系统只需单一的+5 V电源即可。串口通讯接口电路连接如图3所示。
ATmega32有一个全双工的串行通讯口, 可以通过MAX232与PC进行交互。采用三线制连接串口, 即9针串口只连接其中的3根线:第2脚的IN与MAX232的T1OUT (PIN14) 连接, 第3脚的OUT与MAX232的R1IN (PIN13) 连接, 第5脚的GND接地。MAX232的T1IN引脚 (PIN11) 和单片机ATmega32的TXD引脚 (PIN15) 连接。R1OUT引脚 (PIN12) 和ATmega32的RXD引脚 (PIN14) 连接。MAX232的其它引脚连接法如下:V-引脚 (PIN6) 与GND引脚 (PIN15) 接地, V+引脚 (PIN2) 与VCC引脚 (PIN16) 接+5 V电源, 其中VCC, V+, V-对地加0.1μF的去耦电容, 目的是提高抗干扰能力。
3.2 单片机与AD9854接口电路
ATmega32是具有32 k B系统内可编程Flash的8位AVR微控制器, 采用先进的RISC结构, 具有32个可编程I/O口。文中采用串行方式与AD9854通信, 完成对AD9854的控制。接口电路如图4所示。
串行传输时, AD9854主要引脚定义如下:MASTER RESET为芯片复位端;I/O RESET为串行通信的复位端;SDO为串行数据输出口 (3线模式) ;SDIO为串行数据输入口 (3线模式) ;I/O UD为频率更新端口;WRB/SCLK为串行模式时钟信号输入端;RDB/CSB作为串行模式片选端;FSK/BPSK/HOLD为多功能复用引脚, 用来选择芯片的工作模式;OSK在编程操作时可用来控制幅度与时间斜率;REFCLK为单端时钟信号输入端。
3.3 滤波器的设计
因为AD9854内部不含低通滤波器, 所以在信号输出端需要增加一个滤波器。考虑到AD9854的输出信号受参考时钟及器件本身噪声等因素的影响, 高端散杂噪声干扰较大, 而椭圆函数低通滤波器具有较窄的过渡带特性, 且7阶滤波具有更高下降速度的过滤带, 可以有效地滤除高频干扰, 因此, 设计选用7阶椭圆函数滤波器作为低通滤波器。电路如图5所示。
4系统软件设计
软件设计包括Windows系统下的上位机控制台软件设计和单片机程序设计两部分。控制台软件使用VB语言编写, 控制台软件AD9854 Contror_Softwear的操作界面如图6所示。
单片机程序主要包括主程序、定时器中断处理子程序和串行中断处理子程序。串行中断处理子程序完成控制命令的接收;主程序完成器件的初始化、处理控制命令、控制DDS芯片工作等功能[5,6]。主程序流程图如图7所示。
5 实际测试结果
为测试信号发生器的性能, 借助示波器对其输出波形进行了测试, 测试结果如图8~图10所示。
6 结束语
本系统是一个基于DDS技术的信号发生器, DDS技术的应用大幅提高了信号发生器的性能。实验结果表明, 该系统具有频率分辨率高、频率转换速度快、输出频率高、可输出多种波形等特点, 并且具有可编程性好、性价比高、运行稳定可靠等优点。
参考文献
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高精密模具 篇7
宏微两级精密定位平台技术采用宏、微两级运动相结合的控制方式, 具有行程长、响应快、定位精度高等优势, 是上述问题的有效解决方案;定位过程的大行程宏运动一般采用旋转伺服电机结合精密滚珠丝杠或直线电机直接驱动实现, 精度可达微米级;微行程的高分辨位移多通过压电陶瓷驱动的微定位平台完成, 定位精度能够达到十几乃至几个纳米, 行程可达100~200μm。
针对上述状况, 本文采用宏微运动结合的控制方案, 利用国内固高科技的3轴交流伺服运动平台实现宏运动, 德国派公司的压电致动器实现微位移, 研制宏微两级精密定位平台的PC结合嵌入式控制器的多处理器控制系统, 实现精密定位。
系统控制原理
控制结构
图1所示为本文精密定位控制系统的原理性结构, 系统由实现宏运动的交流伺服平台与实现微运动的微位移平台构成, 采用上下位机的控制结构。图中的工业PC用作上位处理器, 提供基本的支撑硬件、操作系统、人机接口与图形界面支持。同时, 工业PC执行定位需要的数据处理, 调用相关驱动程序, 将宏运动指令通过PCI总线送入交流伺服控制系统, 驱动联动控制电路, 带动三轴电机, 实现宏运动。交流伺服控制系统通过PCI总线将下位的宏运动运行状态上送工业PC。
微动控制系统通过标准串口接收工业PC发出的指令位移, 通过功放与采集电路获得微动平台状态信息。执行微运动时, 微动控制系统根据指令位移与平台位移状态执行位移控制算法, 将运算结果通过支撑硬件、驱动与放大电路处理产生标准驱动信号, 最后通过功放与采集电路放大标准信号, 得到实际被控对象的驱动电压, 实现微位移。
微动机构控制策略
精密定位平台的微量位移通过德国派的压电致动器PST 150/7/60 VS12实现, 图2为其位移特性与控制策略。致动器驱动电压范围直流0~150V, 输出位移0~60μm。图2a) 所示为直流75V电压下压电致动器的输出位移动态响应。曲线表明, 75V阶跃电压作用下, 致动器输出位移存在约0.3ms的延迟, 之后迅速增加, 经过0.8~1.2ms基本稳定。实验表明, 压电致动器的输出位移变化在1.2ms之后进入蠕变过程, 继续缓慢变化。
微动机构的控制规约采用图2b) , 结合压电陶瓷的输出位移特性, 系统的采样时间选取0.5ms, 前馈控制环节系数Kf、反馈控制环节系数KP、Ki分别选取2、2与200。仿真实验表明, 该系统稳态误差为0, 稳定时间约为3ms, 具备较好的控制性能
控制实现
宏运动电机的控制
宏运动通过固高的三轴交流伺服平台实现, 平台采用DSP结合专用集成电路FPGA的PC插卡式硬件结构。DSP执行调度程序、采集平台的信息状态, 响应PCI总线请求将相关状态送入上位的工业PC机;同时, DSP通过PCI协议获取上位机的三轴宏运动指令, 获取指令参数并写入FPGA, 由FPGA驱动三轴交流伺服电机, 完成指令要求的三维运动。图3为PC端的宏运动指令的实现流程。
执行宏运动指令时, 上位的工业PC通过PCI检查上下位机通信状况与伺服平台忙闲状态。若通信正常且系统空闲, 工业PC发指令打开并复位运动控制器、设定控制周期指令, 初始化控制卡;PC机接着发指令设置限位等开关的工作模式 (常开或常闭) ;然后, PC发指令清除各轴状态、设置脉冲+方向的运动轴工作模式, 打开运动轴, 实现各运动轴初始化, 同时完成控制系统的初始化。
而后, PC机发指令设置运动的歩当量、运动轴与轴号的对应关系以及运动速度与加速度, 完成运动的初始化。最后, PC调用三维运动库函数, 向下位DSP发出运动指令实现三维运动。
微位移控制电路
图4所示为系统的微动控制系统硬件结构, 系统硬件构成包括嵌入式处理器STM32及及外围电路、数模转换与放大、模数转换及支撑电路、采集驱动电路 (X501) 与压电致动器。其中, 采集驱动电路为商用压电陶瓷功放与位移采集模块, 可将0~10V的标准直流信号转化为0~150V的压电陶瓷驱动电压, 同时将压电陶瓷输出位移转换为0~10V的标准输出信号, 对应0~60μm的输出位移。
图中的数模转换及放大电路通过AD5024获得0~5V的直流电源, 而后经一级同相放大产生0~10v的标准控制电压。为增强信号系统驱动能力, 同相放大之后增加了一级电压跟随电路。模数转换及支撑电路通过MAX196采样X501模块 (采集驱动电路) 的输出电压, 执行AD转换后送入下位嵌入式处理器STM32, 计算压电致动器输出位移。STM32与AD5024、MAX196分别通过SPI总线、并行接口实现数据交换。
微位移控制的程序实现
图5所示为微位移控制程序的流程。根据压电致动器的位移特性, 微动控制系统下位机设置0.5ms的软件基准时钟;执行微运动时, 下位的STM32通过串口接收上位工业PC的位移指令, 更新目标位移;基准时钟到, STM32启动模数转换MAX196, 获取致动器的输出位移与位移偏差E;E大于容许偏差, 置位位控状态位, 系统按照图2中的控制策略, 利用仿真实验获得的系统参数Kf、KP、Ki, 计算控制量U并送入数模转换及放大电路, 得到0~10V的标准驱动信号;最后, 采集驱动电路X501放大标准驱动信号, 驱动致动器实现微动控制;E小于容许偏差, 微运动指令结束。
精密定位过程中, 每次基准时钟来到, 控制系统都会执行位移采集、偏差计算, 偏差E超过容许值即启动位移调节, 从而消除蠕变带来的位移偏差。上述过程中, 通过RS232, 微动控制系统向上位PC机定时发送当前位移信息, 供PC刷新实时位移信息或绘制致动器的位移响应曲线。
定位控制实验
按照上述控制策略、系统结构与软硬件实现方法, 设计电路并编制程序, 验证宏微两级精密定位方法, 图6为本文的宏微两级精密定位控制平台, 图7为所研制的微动控制系统控制板。宏动机构采用固高科技的三坐标精密定位平台, 驱动为200W松下交流伺服系统。Z轴附加PST 150/7/60 VS12压电致动器, 位移分辨率小于50nm。图6中的压电驱动器采用芯明天科技的商品化采集与驱动电路X501。
系统运行中上位的工业PC机控制界面如图8。执行精密定位时, 工业PC根据图中设定的XYZ轴坐标, 调用运动控制函数实现宏运动。而后, PC通过串口将微动位移送入下位STM32, 驱动压电致动器实现微量位移。图中的5.00V电压值为检测电压设定值, 即设置致动器输出位移为30μm。实际的输出波形为实际输出位移曲线, 纵轴为位移轴, 每格10μm, 位移稳定值30μm;横轴为时间轴, 每格3.2ms, 调节时间小于3ms。
结语
高精密模具 篇8
总体来说,电子秤的发展呈现出小型化、智能化和模块化的特点。根据市场需求,笔者以高精度、小型化和智能化为目的,以高性能16位凌阳单片机SPCE061A为核心,研发了一款最大称重为600g,最小分度为0.01g,称重精度为0.001 6%(六万分之一)的工业用高精度电子秤。该产品包含当前台式电子秤所有的功能且用户界面友好。
1 系统整体方案设计
电子秤的工作原理是将作用在承载器上的质量或力的大小,通过称重传感器转换为与之成正比的电信号,并且以模拟或数字量的形式在称重仪表上显示出来。电子秤由称重传感器、弱信号放大和滤波、高数位A/D转换器、MCU和显示器组成。系统组成框图如图1所示。
本系统采用性能优异的电阻应变式桥式称重传感器,其基本原理为所称重量引起的电阻变化可产生一个叠加在共模电压之上的差分电压。该传感器的电灵敏度为2m V/V,当使用5V激励电压时,其满度输出电压为10m V,在60 000分刻度下,每分刻度的输出电压为微伏级。因此微弱信号的采集是本系统设计的第一难点。另一难点则是系统的实时反应速度。由于本设计面向商用,要求系统能够对称重物体作出快速反应,在稳定与不稳定状态间反应灵敏,并且判断准确。最后,作为智能化、便携式的电子称重仪器,友好的用户界面和低功耗设计也是必需的。
根据上述技术难点的分析和系统指标要求,选取凌阳16位单片机SPCE061A为核心控制器件。SPCE061A最高工作频率可以达到49.512MHz,内置2KB静态内存,32KB Flash,32个通用I/O口。由于采集到的微弱信号极易受到干扰,受干扰的信号必须进行数字滤波才能使系统性能得到提升。SPCE061A的16位字长和大存储容量为数字滤波提供了有力的支持;数字信号处理速度和系统的快速反应依赖于主控制器的工作频率,SPCE061A单片机49.512MHz的工作频率能够很好地满足要求;32个通用I/O口和各种外设资源使系统在扩展按键、LCD显示、实时时钟RTC、存储器EEPROM和上位机接口上提供了便利。
根据指标要求,电子秤的称重计数分辨率为60 000,要确保外部计数精度,通常内部分辨率必须高于外部分辨率一个数量级,因此内部计数必须精确到600 000,这需要20bit的ADC才能满足此要求。系统的A/D转换器选取24位∑-△ADC芯片CS5460A。CS5460A包含两个Σ-Δ模-数转换器(ADC)和一个串行接口的高度集成Σ-Δ模-数转换器,两个通道都包含可编程增益放大器和片内高速滤波器,共模抑制比大于80d B。高位数和高共模抑制比可保证微弱信号的数字采集准确。
系统硬件框图如图2所示。与上位机的通信可以根据需求选配USB接口或RS232接口。
在软件设计上,系统主要完成用户功能的响应、称重数据的采集与处理、软件滤波、数据校正和称重显示等功能。用户通过按键录入、软件查询的方法得到键值后,根据键值完成相应的功能;为了保证用户界面的简捷,采用组合键录入。根据用户需求,称重数据可以为毛重、净重或采样值。系统软件流程图如图3所示。
2 硬件抗干扰设计
2.1 前置放大和滤波
称重传感器的输出为微弱的低频差分信号,其电压幅度为微伏级。虽然A/D内部自带有50倍增益放大器,但还不足以将信号放大到与A/D参考电压相匹配的程度,所以必须加一级前置放大器来提高放大倍数。前置放大采用差分放大输入,这既提高了输入阻抗,又能有效抑制共模噪声。但是如果两臂的信号出现不平衡,则采集到的数据将会产生基线漂移。为此,采用两路RC低通滤波电路对两臂信号同时进行滤波,两臂之间采用共模滤波电容滤波。其原理电路如图4所示。
2.2 电源电路抗干扰处理
由于系统对整机的测量精度要求较高,因此具有抗干扰的电源电路是系统设计的重点之一。系统通过稳压模块将各个电源分开,并分离接地,保证来自不同电路的地电流之间没有交叉耦合,任何一个电路的地电位只受这个电路的地电流和它的地线自身阻抗的影响,各个地最后回流到系统铺设的地上。
3 软件抗干扰设计
3.1 称重校正
由于温差、冲击力、浮尘等因素的影响,传感器承受载荷与其输出电压之间并非成线性关系,这就造成称量的线性度发生较大的变化;另外由于ADC的线性度不够理想,使小称量和大称量区间的线性斜率不一样。这两种情况都会使称量线性度发生变化,造成某些点的称量误差较大。采用分段校准称重值和分段计算称重值,可大大减小称重值的相对误差。
本系统使用了两种校正方法:线性校正和单点校正。线性校正取零点A、三分之一量程B、三分之二量程C和满量程D为基点得到三条线段BA、CB和DC,使得每段的称量线性度比只有一条线段时要好。单点校正是在线性校正的基础上作小偏移补偿,取零点和系统规定的量程某一点,假设稳定时的零点值为A,选取量程中的某一点如200g,在放置标准砝码200g时测得的称重值为m,此时求得比率值为rate=200/m,称重计算时用此rate值来修正称量值。
3.2 软件滤波
软件滤波包含两部分:数据噪声的滤波及两种称重状态(稳定和不稳定)的判断。因为称重数据在相当长的时间内是稳定不变的,而引起数据变化的干扰信号则变化频繁。软件滤波的作用就是设法把两者区分开,只取平稳的数据作为有效数据进行显示。用于电子秤慢变数据的滤波方法很多,系统综合采用了权值滤波、均值滤波、中值滤波和极值滤波等软件滤波方法。首先采用极值滤波将系统因为干扰而产生的极点去除,然后用中值滤波法进行平均,在称重状态判断的过程中使用不同的权值,对数据进行权值滤波。这样就得到了最后要显示的数据。
称重状态判断要处理三个问题:(1)是否有重量变化;(2)若无重量变化,显示值保持稳定,保证不受噪声干扰;(3)若有重量变化,系统要及时反应并显示出来。传统电子秤的处理方法是取一定量的数据求均值,规定一个求均值的次数,当次数到达时,对这些均值再作平均,如果在设定的范围内,则认为是稳定的测量值,反之则为不稳定测量值,还需要再取更多的数据进行相似的处理之后才能知道是否稳定。这种方法适
用于均值的范围集中在1/3~2/3最小感量的时候,若最小感量的值降低,则此方法就无法保证称重值的稳定显示。本系统解决办法是将测量值转化为实际显示的称重值,如果称重值没有变化,则认为没有变化;如果称重值有变化但没有超出3/2个最小感量,还是认为称重值没有变化;如果超出了,则要进行一系列的比较才能确定是否有新的重量加入。经实际测试验证,此方法有效地避免了称重显示值的来回跳动。
4 系统测试结果
4.1 称重数据测试
本系统性能的提高关键在于采用了硬件抗干扰处理和软件滤波处理。图5、图6、图7分别描述了未经过任何处理、只经过硬件处理和同时经过硬件与软件处理的称重数据波形。每幅图上的粗线代表了数据变化的趋势,即基线。从图5可看出,未经过硬件抗干扰处理的波形基线会漂移;图6中,经过硬件处理后,基线的漂移消失,但局部仍然会有数据的波动;图7中再经过软件滤波处理,数据变化更趋平缓,基线基本不变,有利于得到比较稳定的数据。
4.2 整机性能测试
表2和表3分别对整机做线性测试和重复性测试。线性测试的步骤是在零点情况下,每次都是100g向上叠加。从测试结果看,系统性能符合用户要求。
本文介绍了以高性能16位单片机为控制核心的高精密电子秤的设计方法。采用硬件抗干扰和软件滤波等技术得到了系统性能的提升。测试结果表明,该产品具有较优异的线性度和重复性,性能指标达到了预期的效果;该产品还具有用户界面友好、操作简单等特点。产品性能处于市场领先地位。
参考文献
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[5]王亚平.电子秤的抗干扰技术[J].仪器仪表与应用,2006,(3):83-85.
高精密模具 篇9
城市轨道交通是一种大运量、安全、快捷、准时、方便、舒适的理想交通工具,具有低能耗、少污染、安全、舒适等特点,在解决城市交通问题中具有特殊的地位和作用[1]。据日本地下铁道协会统计,截止到20世纪末,己有近50个国家和地区115个城市建成200多条地下铁道,线路总长超过7000公里,每天约有4万多辆客车往返于3000多个地铁站之间,运送着5000多万乘客。在国外,轨道交通己有100多年的历史,世界主要大城市基本形成比较成熟与完整的轨道交通网,承担城市中大部分的客运量,缓解城市交通的拥挤状况。如东京的轨道交通运输占全部客运量的80%,巴黎的这个比例为70%,莫斯科和香港的则为55%[2]。
随着中国城市化进程的加快,城市公共交通得到快速发展,特别是轨道交通的建设,极大的方便民众的出行。高校是一个特殊的单位,承担着人才的培养、各类前沿科学的研究工作,仪器设备是这些科研工作和技术创新的重要支撑基础装备。随着科学的快速发展,仪器设备的精密程度越来越高,交叉学科越来越多,高技术学科均是以这些高精密仪器设备作为核心支撑,并以此逐步形成的学科群,对高精密仪器设备有着极大的依赖性。这些高精尖的仪器设备,对周边的环境有着更为严格的要求[3]。精密仪器的高分辨性能是仪器价值的核心所在,由于地铁运行产生的振动会使部分精密仪器的分辨性能大大降低,部分仪器甚至失去原有高分辨性能。因此,由于地铁列车产生的振动会直接造成资产损失和贬值,并且影响高精尖科研工作的正常开展[4]。
1 地铁列车产生振动情况及测量仪器介绍
1.1 地铁列车运行产生的振动简介
在高速运行的地铁系统中,地铁车辆、车轮和轨道系统3者的动力相互作用产生振动,地铁列车引起的环境振动问题主要包括列车振源特性:车辆本身的减振降噪措施(如转向架、车轮、直线电机和中低速磁悬浮系统);轨道结构(地下、地面和桥梁)减振措施;声屏障隔振墙等。振动通隧道基础、衬砌或桥梁的墩台及其基础传递到周围地层,并向四周传播,诱发附近地下结构以及建筑物的二次振动。其影响因素主要有:列车速度、车辆重量、钢轨类型、轨道结构(是否采用隔振措施)、衬砌结构类型、隧道周围岩土层性质、隧道埋深等[5]。但是,目前大部分的研究集中在对居民生活与工作环境的影响方面,部分的研究设计到结构物的使用方面,而对于地铁列车振动对精密仪器影响的研究成果非常少。
由于北京大学位于北京市地铁4号线的沿线,与高精密仪器所在区域最近距离仅为几十米,地铁的运行将对北京大学的部分精密仪器使用造成严重影响,如果不妥善解决,将对北京大学的科学研究产生不可估计的损失,也会对创新性国家建设导致明显的损失[4]。为了解地铁振动对高精密仪器设备的影响情况,北京大学对北京市地铁10号线、4号线进行长期连续的振动测量。
1.2 振动测量仪器介绍
测量过程中使用3种振动观测仪器,均为3分量换能和数字采集,其换能器/数字采集器型号、系统带宽和动态范围分别为:日本东京测振VSE-355G3/SAMTAC-802H,频带宽120s-70Hz,动态范围146dB;美国Nanometrics公司的Trillium 40/Taurus,频带宽40s-60Hz,动态范围138dB;北京港震机电技术有限公司BBAS-2/EDAS-24IPS,频带宽DC～80Hz,动态范围大于130dB。
为准确了解振动影响情况,在所有监测过程均以北京大学Tecnai F30场发射透射电镜对环境振动的影响参数作为参考(见图1)。
在整个监测期间,为了最大限度地反映观测所在地区环境振动情况,有效区分观测场所环境振动是否与地铁运行有关,在观测中采取以下几点措施:(1)针对多种环境“振动源”,采用环境振动调查国际通行的长时间连续观测法,有效筛除其他非地铁振动因素;(2)多台仪器密集观测消减单一测线观测结果的不确定性;(3)确保“基准点”可靠,选择北京大学环境振动相对最安静的未名湖湖心岛对所有观测仪器的“基准点”进行对比、调校。
横轴为频率(Hz)的对数坐标,纵轴为振动加速度(μg)的1/3倍频程对数值;Ⅰ区为仪器正常工作区间;Ⅱ区为仪器高端性能不能正常工作区间;Ⅲ区为仪器无法工作区间。
2 北京4、10号地铁线路振动监测情况
2.1 地铁4号线振动测量情况
由于地球介质的复杂性,以及振动在土层介质中传播的非线性和环境振动影响因素的多样性,分析的数据及其所显示的结果具有一定的代表性,在地铁4号线施工、重载测试、试运行和正式运行期间,对振动情况进行连续监测。
在北京大学物理楼分别距离地铁线路为50～100m之间(见图2),此次测量采用日本东京测振仪对环境振动连续观测点,以监测地铁4号线列车运行产生的环境振动情况。
从图3中可以明显看出:(1)地铁引起的振动主导着环境振动,特别是垂直方向的振动;(2)环境振动幅值在地铁运行时和停运的不同时间段显著不同;(3)距地铁沿线相距30～165m范围的观测点上地铁运行时环境振动幅值明显升高。
地铁运行过程中车站停靠和启动时所引起的环境振动峰值,显著高于相邻位置地面交通所引发的环境振动,幅值提高大于一个数量级。
2006年6月开始对地铁4号线附近的物理楼进行连续监测,2006年地铁4号线并未开始施工,物理楼的环境振动仍能满足F30电镜的要求(见图4);2008年地铁4号线隧道挖通后,环境振动明显增加,已在不同频率下超过F30电镜的要求;2009年地铁4号线正式运行后,环境振动整体升高,比2006年的环境振动提高接近10倍;地铁设计施工单位在途径北京大学物理楼地区采取综合减振措施,如盾构隧道配合钢弹簧浮置板道床等[6],这些措施在地铁振动的中高频振动衰减有较为明显效果[7],但测量结果表明,对1～10Hz低频振动的衰减作用是有限,地铁列车运行产生0～30Hz的低频振动对部分高精密仪器的影响无法消除。
由于地层的结构和组成对环境振动的响应是不同的,要使不同场地的观测结果可以类比并有一定的说服力,就要尽可能选择地质地貌背景、地层的组成和结构较为相似的地段。通过对比,北京市地铁10号线西土城站与北大东门地铁4号线城府路段最为接近,选择西土城站地区作为比对的观测场所,需要注意的是地铁10号线并没有采取地铁4号线的“整体浮置板道床”等综合减振措施[7]。
测量P点处于地铁站东侧的中间层,距地面15m,距轨道6.5m,其它观测点距离地铁10号线的水平直线距离处于30.5～165.3m (见表1,图5～6),此次测量采用了日本东京测振VSE-355G3/SAMTAC-802H、美国Nanometrics公司的Trillium 40/Taurus、北京港震机电技术有限公司BBAS-2/EDAS-24IPS三种型号的测振仪对环境振动连续观测点,以监测地铁10号线列车运行产生的环境振动情况。
由图7可见当日地铁列车从22点开始地铁频度显著降地,最后一班车于当日23:50前后通过仪器所在的观测点,从这一时刻开始观测点P附近的环境背景显著降低。
通过实地考察和对振动观测记录的分析,较强振动主要来源于地铁和路面交通,振动幅值在地铁运行时和停运的不同时间段显著不同,距地铁沿线相距30～165m范围的观测点上,地铁运行时环境振动幅值明显升高。地铁运行过程中车站停靠和启动时所引起的环境振动峰值,显著高于相邻位置地面交通所引发的环境振动,幅值提高大于一个数量级。
从图7中可以看出环境振动在时白天、夜间都存在一系列的峰值振动,峰值的振幅与观测点与地铁的距离有关,也验证的环境振动不单来自地铁引起的较强振动,也来自地面交通及其它人为或自然因素的影响,但地铁振动对环境振动的影响最大。就图7中的垂直、东西和南北3个方向的振动幅比值关系来看,垂直分量最为显著。由此可以判断,这些振动事件来自于垂直方向,反映地铁的振动。
在所分析的观测点记录的较宽宽频带上,环境振动峰值大于1.0×10-3gal。峰值点出现的位置在5～40Hz之间。每天在地铁运行结束至次日重新运行的几小时间歇过程中环境振动显著减小,也说明地铁4号线应用的综合减振措施对高频振动有较好的衰减效果。
3 结论和启示
根据对北京市地铁4号线、地铁10号线的振动测量数据分析,表明:(1)地铁列车产生的高频振动可以通过综合的减振措施进行减弱,特别是对高频振动有较好的衰减效果,但对低频振动,很难通过目前的减振措施来衰减;(2)地铁引起的振动主导着环境振动,特别是垂直方向的振动,地面交通所引起的振动在水平振动有较多贡献;(3)地铁列车运行产生的振动主要影响低频振动敏感的高精密仪器,如:精密光学仪器:尤其是干涉、飞秒(10-15s)超快时间分辨测量等,均为在纳米尺度下的超高精密测量,需要对每秒仅数十个光子的极弱信号进行检测,对振动和电磁的条件要求极为苛刻;核磁、质谱类精密仪器:低温超导磁体是该类仪器的核心部件,对电频信号、振动的感应极其灵敏,一旦振动超过仪器限值,可能会导致仪器的失超,造成仪器的报废;微米、纳米类科研:高精密微米、纳米级科研及相关精密仪器对环境要求非常高,影响最大的因素就是振动,特别是地铁列车运行产生的低频振动,导致仪器的分辨率大大降低,无法使用其分辨率的高端性能。
根据西方高科技实验室在规划选址经验,一般原则是进行专门的环境振动和电磁场观测对比的前提下,选择环境振动较弱和电磁场较为稳定的区域作为高精密仪器所在实验室选址地点,地铁线网规划选择避让精密仪器使用单位,并且在精密仪器安装地点对基础和建筑事先采取充分的减振措施。国内外观测资料显示,环境振动在距离轨道交通以及地面交通枢纽数公里外才有可能降低到相对较低的水平。
目前,国内尚无对精密仪器振动影响的标准,因此,此问题需要引起各方面的重视,并在地铁线路规划时应及时了解和掌握线路经过涉及单位的影响情况,进一步加强公众参与,尽快完善环境影响评价体系、国内相应的规范和标准[8]。
摘要：随着城市轨道交通的快速发展,在方便民众出行的同时,轨道交通也显著改变铁路沿线地区环境振动背景。通过对北京地铁4号线、10号线特定地段列车通过时引起地面振动的对比,表明“浮置板道床”等目前的综合减振措施对地铁列车运行产生的高频振动有较为明显效果,但对低频振动的衰减效果有限。地铁4号线运行后,北京大学物理楼的环境振动显著增大,列车运行对物理楼的环境振动起着主导作用,特别是低频振动对高精密仪器有不同程度的影响。
关键词：地铁,轨道交通,振动,精密仪器
参考文献
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