双驱动进给系统（通用4篇）
双驱动进给系统 篇1
0 引言
随着计算机软硬件技术的快速发展, 以多领域建模与协同仿真技术为核心的虚拟样机越来越受到人们的青睐, 而多体系统尤其是刚柔耦合多体系统的建模与仿真是应用这项技术的前提和基础。目前, 多刚体系统建模理论已经相当成熟, 相反多柔体系统的建模成为一个研究热点。多柔体系统动力学由于本身存在大范围的刚体运动, 又存在弹性变形运动, 因此多柔体系统动力学与多刚体系统动力学分析方法及有限元分析方法有着密切关系。多刚体理论认为机构具有绝对的刚度, 即使机械运动过程中结构件自身的变形也可以忽略。事实上, 由于自身的材料属性以及联结方式的影响, 往往具有一定的柔性。这样就会影响到构件的动态特性, 产生噪声和振动等。因此柔性体会对整个系统的运动产生重要影响。
目前“旋转电机+滚珠丝杠”的进给驱动方式在数控机床进给驱动系统中得到了广泛的应用。通过电动机驱动滚珠丝杠转动, 再通过丝杠螺母带动工作台实现直线进给。本文以数控成形磨齿机进给驱动为研究对象, 如图1是数控成形磨齿机X轴滚珠丝杠进给驱动的结构图。由于滚珠丝杠是一种细长的低刚度元件, 在工作时由于受到驱动力的作用会产生较大的轴向变形及扭转变形, 另外工作台重量相对于丝杠也比较大, 加减速过程中会产生较大的惯性力, 这样就会影响进给驱动系统的传动精度。然而进给驱动系统是机床的重要组成部分, 它的动态特性直接影响机床的加工精度。因此把滚珠丝杠作为柔性体, 建立多柔体系统的模型, 更贴近于实际。以提高仿真的精度。
1 柔性体动力学方程的建立
多柔体系统的运动描述方式采用相对坐标描述方法, 如图2所示
柔性体上任一点P, 其位置向量是
r=r0+A (sp+up)
式中r是P点在惯性坐标中的位置向量;r0是浮动坐标系远点在惯性坐标系中的位置向量;A是方向余弦矩阵;sp是柔性体未变形时P点在浮动坐标中的位置向量;up为相对变形量。
1.1 柔性体系统的动能
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因此动能的广义坐标形式可写为
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1.2 势能
W=∫vργpgdV+0.5ξTKξ
1.3 能量损失和阻尼
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设ξ是 (6+M) 维的广义坐标, 柔性体的运动方程从下列拉格朗日方程导出:
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其中, ψ为约束方程;λ为对应于约束方程的拉氏乘子;ξ为如式定义的广义坐标;Q为投影到ξ上的广义力;L为拉格朗日项, 定义为L=T-W 将求得的T, W, Γ带入式 (1) , 得到最终的运动微分方程为:
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其中undefined为柔性体的广义坐标及其时间导数;undefined为柔性体的质量矩阵及其对时间的导数;undefined为质量矩阵对柔性体广义坐标的偏导数, 它是一个 (M+6) × (M+6) × (M+6) 维张量, M为模态数。
2 进给驱动系统联合仿真模型的建立
2.1 Solidworks和ADAMS数据传递
首先利用三维CAD软件建立机构的三维模型, 定义简单的约束和运动关系。通过solidworks与Adams专业接口文件parasolid (*.xmt_txt) 将实体模型导入ADAMS, 考虑到减小模型数据的大小, 在不影响精度的情况下对机构所有细小特征, 包括导圆、导角、小孔等进行适当的简化, 去除键槽和螺纹等一些细节信息。忽略丝杠与轴承、丝杠与螺母之间的接触问题等。在ADAMS中添加载荷和相关的约束使之成为机床的多刚体动力学模型如图3所示。
本文选用SANYO电机P60B15300HXS, 其基本输出特性如表1所示。
由计算可得其转动角速度:
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滚珠丝杠的导程为10mm, 根据丝杠与螺母的转换关系, 得到工作台的运动速度:
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则工作台在0.5秒内移动的位移为:
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通过设置仿真时间为0.2秒, 仿真步为50, 当电机以恒定的角速度12000d/s运转时, 得到机床工作台的位移曲线和速度曲线, 如图4、5所示:
2.2 ANSYS建立柔性体模型
在ADAMS中建立刚柔耦合模型时, 因ADAMS本身不具有单元划分等有限元分析的相关能力, 其所使用的模态中性文件MNF必须借助其他有限元软件来完成。
(1) 通过Solidworks建立模型保存为Parasolid (*x_t) 并导入ANSYS。
(2) 对实体模型进行单元类型、材料属性、实常数定义、网格划分, 以及在柔性体与刚性体的联接处interface nodes点的建立。通过这些interface nodes生成的mark点与其他刚性体外接点联接, 建立刚性区域。通过模态计算, 运用ANSYS的宏命令ADAMS.MAC生成建立柔性体的模态中性文件mnf。此文件包含了模型的节点的质量和转动惯量、几何信息、模态的广义质量和广义刚度等。生成的中性文件确保单位和ADAMS刚性模型的单位一致, 否则会造成结果偏差, 然后直接读取到ADAMS软件中。
2.3 ANSYS和ADAMS刚柔耦合模型的建立
ADAMS中柔性体是通过导入模态中性文件来完成, 模型中要保存构件刚性体和柔性体, 并通过有效或无效来设定它们属性。模态中性文件导入ADAMS后原刚形体上的运动副、载荷会自动转移到柔性体上。新的柔性体会继承原来刚形体的一些特征, 如颜色、图标、尺寸、初始速度、模态位移等。需要注意的是:柔性体上不能添加移动副或平面内运动的虚约束, 需要通过建立一个无质量的连接物体将其他构件连接起来, 然后把约束加到这个无质量的连接物体上。得到进给传动系统的虚拟样机刚柔耦合模型如图6所示:
通过设置仿真时间为0.2秒, 仿真步为50, 当电机以恒定的角速度12000d/s运转时, 得到机床工作台的位移曲线和速度曲线, 如图7、8所示:
3 仿真计算及结果分析
由ADAMS的仿真结果, 可以得到进给驱动的速度、位移曲线, 从理论结果和仿真结果可以看出, 多刚体建模时机床的位移和速度和理论值一样, 也验证了多刚体建模的正确性。
通过刚性体和刚柔耦合结果对比, 机床的位移曲线是一致的。由图5可以看出工作台的曲线为一条匀速的曲线.图8工作台在运动过程中尽管传动装置的速度是匀速的, 与刚性体模型仿真结果相比, 产生误差的主要原因是刚柔耦合分析中考虑了滚珠丝杠的弹性变形, 但被驱动的部件由于变形就出现了走的快或走的慢及跳跃式的运动, 速度的波动会使工作台产生“爬行”现象, 爬行现象主要产生和进给系统的刚度有关。进给速度越低工作的时候就会产生爬行。当高速运动时更会造成机床的振动, 影响了机床的平稳性进而影响了被加工零件的加工精度。
4 结论
刚柔耦合动力学模型建模结合了多刚体和多柔体系统动力学建模。尽管过程很复杂。但从计算结果看, 滚珠丝杠的弹性变形对机床扰动影响巨大, 仿真结果也更符合实际。所以对机床动力学建模时, 把滚珠丝杠当做柔性体来处理, 更符合实际情况, 仿真结果更为精确。更能反映机床的动态特性。
摘要：高速高精度数控加工技术在数控加工行业占有非常重要的位置, 然而机床扰动是影响加工精度的重要因素, 滚珠丝杠进给传动作为机床的重要组成部分直接影响着机床的工作特性。以滚珠丝杠进给传动系统为研究对象, 利用Solidworks、Ansys、Adams建立机床整机的刚柔耦合多体动力学模型, 得到机床的动态特性曲线。通过与刚性体模型仿真结果作对比, 验证刚柔耦合建模方法的可行性, 为机床构件的结构设计优化提供依据。
关键词：刚柔耦合,多体动力学,可行性
参考文献
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双驱动进给系统 篇2
【摘要】 分析了目前国内高校管理信息系统课程教学模式存在问题,创造性地将以大作业驱动的双主体教学模式应用于管理信息系统教学中,调动了教师“教”和学生“学”的积极性和主动性,有效地完成了管理信息系统课程的教学目标。
【关键词】 管理信息系统;大作业;双主体教学模式;案例库
在我国,各高校担负着培养信息化人才的重任,争相在不同的专业开设管理信息系统课程。该课程的教学目标就是提高学生对管理信息系统的认识,培养学生的系统开发和组织的能力,提高学生的创新能力和实践能力。在传统的以教师“教”为主导的教学模式下,教师在“教”的过程中缺乏创新,学生在“学”的过程缺乏自主性,完全被动地接受教师讲授的知识,使得课程预期的教学目标很难达到。探寻新的教学模式成为管理信息系统课程教学改革的首要问题。
一、管理信息系统课程教学过程中遇到的问题
1.教学内容落后,忽略教学对象的差别
随着管理科学和信息技术不断发展,管理信息系统领域的新成果、新方法不断涌现,但是课程教师依然使用相对比较陈旧的教材,讲授比较落伍的知识和方法,如面向对象开发方法在软件开发行业很流行了,课程依然以讲授原型法等为主。教师一味的教学忽视了自身的不断学习。不同专业的学生对管理信息系统学习的目标不一样,如信息管理专业学生,通过学习课程要掌握扎实的管理信息系统理论知识和技术方法,能够完成管理信息系统开发的全过程;会计、工商管理等经济管理专业学生通过学习课程熟悉管理信息系统的理论知识,提高对管理信息系统的认识,能够在自己的专业领域组织管理信息系统开发和使用管理信息系统。实际教学过程中,针对不同的专业仅仅是教学课时安排上的差异,教学内容差异不大,选用教材、教学案例等都一样。教学内容忽略了学生的专业和兴趣,就使得学生学习理论知识的较为困难,容易使学生丧失学习的积极性。
2.教学模式单一,师生在教学中互动性差
管理信息系统课程教学中普遍采用以教师“教”为主导的单一的传统教学模式,课堂上教师单向地向学生传授课程内容和知识;学生通过听讲、记笔记等形式记录课程内容。这种“满堂灌”的传统教学模式存在着很大的弊端,教师只教不学,在授课过程中学生很少提问,教师授课基本没有压力,更不会主动拓展自己的学习领域,长期讲授比较落后的课程内容,很少考虑学生的专业背景和兴趣。其次课堂上,教师满堂灌,学生忙记录,学生学习受制于教师,处于完全被动的学习境地,只记录不理解,更不会提出问题了。师生之间教学中缺乏互动性,不仅不利于学生知识的学习和创造力的培养,也不利于教师知识的积累和研究领域的拓展。
3.实践教学不能有效地强化学生对理论知识和技术方法的掌握
管理信息系统课程教学分为理论教学和实践教学两个环节,理论教学主要包括课堂上课程理论知识和技术方法的学习、课后作业的完成;实践教学主要指课程设计,再此环节通过课程设计让强化学生对理论知识系统化和理解,提高学生的动手能力和创新能力。由于课程设计是安排在理论教学完成后,间隔时间长,在课程设计的时候学生已经忘记了部分的理论知识和方法,课程设计的强化效果差;由于实践教学课时安排时间短,一般为理论课时的一半,学生只能完成较为简单的管理信息系统的开发,不能够实实在在体会到管理信息系统开发的全过程以及各个不同开发阶段之间联系,更不能发挥学生创新能力。
二、以大作业驱动的双主体教学模式在管理信息系统课程教学中的实施
1.以大作业驱动的双主体教学模式内涵
以大作业驱动的双主体教学模式实质上是教师的“教”和学生的“学”围绕着大作业开展。在教学过程中,把教师“教”的主导作用与学生“学”的主体作用有机地结合起来, 以大作业为中心,师生共同完成课程的教与学。这种教学模式使得师生互动性较强,不仅有利于提高师生在教学过程中的主动性和积极性,也有利于学生创造力和逻辑思维能力的培养。
2.以大作业驱动的双主体教学模式在管理信息系统课程教学中的构建
在管理信息系统教学中,实施以大作业驱动的双主体教学模式是一个系统工程,要按照不同的教学阶段完成不同的教学任务和安排。在理论教学开始前,教师选择适合学生专业背景的教学案例进行演示,以启蒙学生对管理信息系统及系统开发的认识,并根据学生专业背景和教师自己只是水平,与学生共同商拟大作业题目,将大作业按照理论教学的不同阶段分解为若干个小作业。
在理论教学阶段,教师应鼓励学生将专业知识融入理论知识的学习中,如在业务流程分析学习阶段,学生可以将专业所处的行业或者感兴趣的行业的业务按照业务流程分析的理论知识进行分析和总结。课堂上,教师要引导学生依据其所选大作业题目进行理论教学内容的讨论、学习,不仅提高了学生学习的积极性,也拓宽了教师的教师知识面;学生在课下独立思考,完成该理论教学阶段相应小作业。理论教学完成后进入课程设计阶段,学生先将在理论教学各个阶段完成了的小作业进行进一步的修改、完善及创新,最后将它们系统地组织起来,即构成了大作业;教师检查验收学生所提交大作业成果时,提出合理建议,要求学生再修改和完善。如此反复,可以加深学生对管理信息系统课程内容的掌握。
3.新教学模式实施中应注意的若干要点
(1)案例库建立。管理信息系统案例库是面向不同专业的学生的,需要收集丰富、典型、全面的案例。由于教师的知识面有限,在搜集不同专业案例时候有一定的局限性,不一定能选择出恰当的针对学生专业的案例,具有专业知识的教师往往不具备管理信息系统知识。这就为建立案例库增加了难度,教师要不断的学习管理信息系统的新知识以及其它专业的知识,才能顺利地建立比较完备的案例库,才能在教学中利用好案例。
(2)大作业题目选定。由于教师知识面的局限性,则由教师单独拟定出来的大作业题目往往偏颇或者学生不感兴趣;学生自拟题目虽然可以满足学生专业和兴趣的要求,由于学生初始管理信息系统,选题要么过于简单而达不到实践教学的目的,要么过于复杂使得学生在实践过程中困难重重,如此就打击了学生学习积极性。针对上述情况,教师与学生拟商大作业题目的不失为明智之举,首先由教师拟定部分题目给学生,学生根据自己的专业特点和兴趣从给定的题目中选题或者增加自拟题目,将结果反馈给教师,教师将根据学生反馈情况,重新修订题目目录并给出各个题目的实施建议,再由学生进行修正选题。如此反复,直到教师和学生对选题达成共识。
(3)师生互动性的调动。新的教学模式强调的就是师生互动参与。在课程教学的不同阶段都需要师生互动参与,不断地变换自己在教学活动中的角色以更好的完成教学目标。在传统教学模式下,教师和学生“一讲一听”已成为习惯,教师大多都喜欢照本宣科式的授课;学生以记忆方式被动接受知识,盲目相信书本和教师,缺乏怀疑精神,如此学生就不敢也不会提问。在新的教学模式下教师要酝酿轻松自由的课堂教学环境,使学生不惧怕教师,敢于怀疑,敢于提出问题,勇于创新。教师要采用一些教学方法和手段来增加学生的自信心,才能提高师生互动的效果,如采用国外很多高校的课堂提问不给标准答案等形式。
(4)大作业的分解实施。大作业不同于以往的课程设计安排,不是在理论课教学完成后才开始的,起点是理论教学初期,最大优点就是可分解。大作业题目选定后,根据理论教学内容阶段性特点,师生共同将大作业分解为若干的小作业进行;在理论课程结束后,将各阶段完成的小作业进行拼装和组织,师生共同检验其组合成果能否达到初期系统规划效果,若达不到,要求学生对小作业做进一步的修正、完善,直到满意为止。通过分解大作业改变了以往在理论教学完成后集中进行系统开发的惯例,将系统开发扩展到了理论教学环节,充分利用了学生课堂上和课后时间,使得学生能够完成比较复杂的管理信息系统开发。
三、结语
以大作业为驱动的双主体教学模式,不仅解决了传统的教学模式下存在的教学内容忽略教学对象差异、理论教学和实践教学相互独立等问题,改变了教师对教学认识,也提高了学生学习的积极性。教师由单纯的“教”变成以教促学;学生由被动学变为主动学。该教学模式的实施必定有利于管理信息系统课程的开展,有利于培养学生的创造力和逻辑思维能力,有利于教师的自我发展和提高。
参考文献
[1]徐希娟.浅论教学过程中的“双主体原则”[J].东南大学学报(哲学社会科学版).2007(12):236～237
[2]黄梯云.管理信息系统[M].北京:高等教育出版社,1999
双驱动进给系统 篇3
1.1 直流调速系统发展历史
电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备,所以需要根据工艺要求调节其转速。我们就将调节电动机转速,以适应生产要求的过程称之为调速;而用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。
目前调速系统分交流和直流调速系统,由于直流调速系统的调速范围广,静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能,因此在相当长的时期内,高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。但近年来,随着电子工业与技术的发展,高性能的交流调速系统的应用范围逐渐扩大并有取代直流调速系统的发展趋势。但作为一个沿用了近百年的调速系统,直流调速系统在目前的生产生活中仍然占有举足轻重的作用,短时间内是其他调速方式所无法替代的。
1.2 直流调速系统原理
从生产机械要求控制的物理量来看,各种系统往往都是通过控制转速来实现的,因此,调速系统是最基本的电力拖动控制系统。直流电动机的转速和其他参量的关系可用下述公式表示:
其中:n-电动机转速;U-电枢电压;R-电枢回路总电阻;I-电枢电流;Ke-直流电机电动势的结构常数;Φ-励磁磁通。
在上述公式中,Ke是常数,与电机本身的结构有关,电流I是由负载决定的,负载越大,电流越大。因此,调节电动机转速可以有三种方法:(1)改变电枢回路电阻R;(2)减弱励磁磁通Φ;(3)调节电枢供电电压U。
对于要求在一定范围内无极平滑调速的系统来说,以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能实现有级调速;减弱磁通虽然能够平滑调速,但调速范围不大,往往只是配合调压方案,在基速以上作小范围的弱磁升速。因此,自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。
调压调速是直流调速系统的主要方法,调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。常用的可控直流电源有以下三种:(1)旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组,获得可调直流电压。(2)静止式可控整流器。用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。(3)直流斩波或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电,利用电力电子开关斩波或进行脉宽调制,产生可变的平均电压。
目前使用最多的是静止式可控整流器。1957年,晶闸管问世,到了20世纪60年代,已生产出成套的晶闸管整流装置,并逐步取代了旋转变流机组,使变流技术产生了根本性的变革。在晶闸管可控整流器中,通过调节触发装置的控制电压来移动触发脉冲的相位,即可改变整流电压,从而实现平滑调速。在日常使用中,由于大部分生产机械都要求电动机既能频繁正反转,又能快速启动、制动,因此,通常都使用两组三相全控桥式整流电路反并联的方式,来使电动机获得反向转矩。正组与反组晶闸管使用两套完全独立的触发装置控制,可以方便地实现直流电动机的正、反向运行。但是,为防止造成电源短路,正、反组晶闸管不能同时处于整流状态。
与其他几种调压调速方案相比,晶闸管可控整流装置不仅在性能上体现出较大的优越性,而且在稳定性、经济性等方面上与其他调压调速方案相比也具有较大的提高。晶闸管可控整流装置的门极触发脉冲可以使用电子器件直接控制,无需像旋转变流机组一样使用放大装置。在控制系统的时间性上,晶闸管可控整流装置的反应时间是毫秒级,这将会极大的提高控制系统的动态响应特性。
2 调速系统改造
2.1 调速系统选用
在本次改造过程中,综合经济性、稳定性等指标考虑,我们最终选用了齐齐哈尔大华电器有限公司的KSA23/63系列宽调速晶闸管直流调速装置。KSA23/63系列直流调速装置采用单闭环控制系统,具有良好的动态性能。当驱动小惯量私服电动机或采用数字式转速给定控制器时,调速范围可达1:10000以上。该型直流调速系统体积小、重量轻,主电路采用模块可控硅并安装在一块散热器上,结构紧凑,便于构成机电一体化产品。该型直流调速装置适应性好,可驱动各种新旧型号的直流电机。
2.2 改造过程
以X轴为例,W200HC镗床X轴直流电机为捷克电机,型号为MF-132M-T,该电机功率为11.9k W,电枢电压400V,电枢电流33.7A,励磁电压190V,励磁电流1.6A,最大转速3240r/min。因此,我们选用了型号为KSA23-60/400的直流调速系统。改造前,经分析原电气原理图,机床送电时系统主电源接触器KM1与同步电源接触器KM6同时吸和,系统使能由KA6.1给出,系统正反方向由继电器KA1.2和KA2.2选择,两个继电器分别选择系统给出的+10V和-10V标准电平,通过调速器进入系统X10:1端子中。同时,原调速系统还通过端子X10:5和X10:16端子控制继电器KA8,通过X10:8和X10:9端子控制继电器KA10,分别为系统的零速输出和系统准备好输出。直流电动机电枢由系统X10:+和X10:-端子给出,励磁回路由端子X8:3和X8:4给出。同时,速度反馈接在原系统的X10:1和X10:24端子上。在改造时,
由于KSA23系列调速装置要求送电时主回路电源接通时间要落后与同步电源接通时间,因此,利用同步电源送电接触器KM6的辅助触点,添加一时间继电器,将该时间继电器的延时闭合触点串入主电源送电接触器KM1的线圈回路中,得到合适的送电时序。将KSA23直流调速装置的端子7和端子63封上,将使能继电器KA6.1的常开触点串入端子7和端子64之间。在KSA23直流调速装置中,给定标准电平由端子44和端子45给出,给定输入为端子56,给定参考电平为端子14,在本次改造中,保持给定回路不变,只需将对应线路接入新系统即可,即KA1.2、KA2.2常开触点一端分别接入端子44和端子45,常开触点另一端接入调速器,给定进入端子56即可。原系统的零速继电器KA8和准备好继电器KA10,经分析图纸,只是串入在机床“移动连锁”回路中,起故障报警作用。原设计为若该系统报警,则机床各轴均无法移动。因此,在本次改造中,将KA8和KA10两个继电器所用的常开触点取消,这样虽然起不到报警作用,但不影响机床的正常使用。在原调速系统中,直流电机励磁单元为一独立模块,单独为电机励磁供电。为减少工作量,减少停机时间,本次改造保留了原系统的励磁模块,继续为电机励磁回路供电。在新调速系统中,电枢接在端子1C1和端子1D1上,测速及反馈则接在端子17和端子13上。至此,硬件改造结束。
2.3 试车
机床送电,首先同步电源接触器闭合上电,经时间继电器延时后主回路接触器闭合上电。用万用表测量同步电源与主回路电源相序一致。然后将A1板上两个拨动开关均向左拨动,至“I”位置,移动机床,此时,使用万用表,测量调速系统给定端子56和端子14,然后测量端子17和端子13,二者极性相同。此时停止移动机床,将A1板上的两个拨动开关恢复原位,机床即可正常工作。
3 结束语
改造前,该镗床由于直流调速系统年久失修,经常出现故障,严重影响我分厂生产。且该直流调速系统结构复杂,维修困难,一旦出现故障,停机时间长,几乎没有备件。经过改造后,大大降低了设备故障率,且KSA23系列直流调速装置采用模块化设计,便于维修,备件价格低,减少了设备停机时间,降低了备件费用。
参考文献
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双驱动进给系统 篇4
钢轨整形是对铁道线路大修时换下的旧轨,进行去除表面疲劳层的一种切削加工工艺,这种工艺可使旧轨得到重复使用,它对于提高钢轨利用率,节约铁道线路铺设成本和节能减排具有重要作用。以往对旧钢轨整型加工进给的输送,多采用多轴滚轮同步输送的方式[1],这种输送方式存在较多不足,主要体现在两个方面:一方面,若轨底存在浮锈或轨身不均匀,容易引起送轨过程不均匀扰动,经过长期运行,这种扰动会使滚轮磨损不一致,导致输送滚轮作用力不均匀,从而导致电机间负载不一致,有的甚至超载运行,影响系统稳定;另一方面,为了提高列车行驶的平稳性和运行速度,250m的无缝焊接钢轨的使用已得到越来越重视,但钢轨变长使送轨过程所需推力大,焊接钢轨不可避免存在焊接头,导致滚轮的同步输送控制难度增大。
本文针对焊接长钢轨的整形加工进给方式新要求,以SIMODRIVE 611D为电机驱动控制系统,设计了一种基于推拉交替式的双机械手钢轨整形进给输送系统,给出了机械手结构原理,探讨了推拉过程中两机械手的换手原理,围绕进给过程的送轨方法展开论述,最后给出这种输送系统具体实现效果。
1 送轨过程基本原理
1.1 自适应机械手结构
1-机械手主体;2-抓手夹紧油缸;3-左侧抓手;4-轨顶定位油缸;5-上工作台;6-抓手夹紧油缸;7-右侧抓手;8-伺服电机;9-齿轮;10-减速器;11-高低锁定油缸;12-下工作台;13-压轨传感器;
为满足在送轨过程中自动抓取钢轨的要求,本文设计了如图1所示的自适应机械手。当需要抓轨时,机械手的上工作台向下运动,下工作台向上运动,当压轨传感器检测到钢轨时,上工作台停止运动,左右抓手开始动作并以设定的压力抓住钢轨,下工作台在动作一段时间后停止运动以锁定钢轨。钢轨的进给力为抓手与钢轨间的静摩擦力,在静摩擦系数不变的情况下,静摩擦力取决于抓手与钢轨间的正压力,该压力可通过液压系统设定。在送轨时,若钢轨出现弯曲,无法顺利在出轨滚道线上送出时,机械手与钢轨即打滑以保护送轨系统。结构中伺服电机通过减速器带动齿轮与齿条相对转动,实现机械手进给运动。
1.2 SIMODRIVE 611D驱动系统
为了保证送轨过程的稳定可靠,选用SIMODRIVE 611D数字驱动系统(简称,611D系统)来驱动机械手。611D系统是Siemens推出的新一代数字控制总线驱动的交流驱动,该驱动系统可与数控装置NCU构成全数字式控制系统。
611D系统的伺服驱动控制实现包括速度控制环,电流控制环,位置控制环,控制信号流程是通过位置环控制器到速度环控制器,再到电流环控制器,最终到伺服电机;伺服电机则将电流和速度信号反馈给电流环控制器和速度环控制器,伺服电机中的编码器将位置反馈信号传给位置环控制器,通过这种方式611D系统实现了对机械手的快速、准确和实时的闭环控制进给[2]。为了实现送轨过程中对机械手速度和位置的监控,选用系统中具有MPI通讯接口的监控单元PCU50来实现其与控制系统的数据交互。
1.3 机械手同步原理
两机械手在换手过程中必须保持同步运动以保证换手过程钢轨进给无扰动。选用611D系统的“耦合运动TRAILON”功能,来实现两机械手的同步。TRAILON指令的基本功能是将几根轴组成一个“耦合轴组”,一个“耦合轴组”可以有一个主导轴和几个耦合轴,主导轴运动时,耦合轴跟随主导轴一起运动[4]。
6 1 1 D系统中,耦合指令“T R A I L O N”、“TRAILOF”是一组模态指令,它们共同完成一组耦合轴的激活和撤销。其语法格式为:
TRAILON(耦合轴,主导轴,耦合系数)
TRAILOF(耦合轴,主导轴,耦合系数)
在机械手换手的应用中,耦合系数选为1,即使主导轴与耦合轴绑定为同步轴组。
2 送轨控制原理
2.1 系统的协作机制
正常的送轨过程包含多个环节:1)设置合理的轨位传感器,实现对钢轨位置的检测;2)机械手的运动控制;3)夹紧油缸的夹紧与松开控制;4)操作指令的干预等。为实现这些环节的有效协同需要系统内部有一个合理的协作机制,具体的协作机制如图2所示。
图2中所示,轴运动的NC程序和PLC程序共同组成了送轨程序,两者之间存在实时数据交互。611D系统提供了一个公共存储器用于NCK和PLC的数据交换[3],对于这一公共区域,NCK和PLC都可对其进行读写访问,该公共区域即系统变量$A_DBB[n],PLC程序通过调用系统功能块FC21可以实现系统变量$A_DBB[n]与PLC的M寄存器之间的数据交互[5]。基于611D的控制系统可以在PLC程序中读写NC变量(NCVAR)以实时获取机械手的坐标值和进给倍率[6]。PLC程序通过调用系统功能块FB2将NC变量读到PLC,通过调用FB3改写NC变量[5]。人机交互指令以DDE(Dynamic Data Exchange)动态数据交换的方式,实现其与系统R参数、NC变量和PLC寄存器之间的数据通信。
2.2 轨位划分方法
为了适应实际加工工艺对质量、效率、稳定的要求,送轨方法根据钢轨位置的不同而不同。图3给出了输送系统中钢轨位置传感器布置方法,根据这种布置方法,可把轨位划分成5个阶段:
阶段1空进轨阶段:钢轨通过Z4夹紧台之前的进轨,图中Z4信号触发则空进轨结束。
阶段2初进轨阶段:空进轨结束到钢轨通过N4台的进轨,图中传感器N42信号触发则初进轨结束。
阶段3正常进轨阶段:初进轨结束到“准轨尾”出现的进轨,图中传感器C1信号消失则正常进轨结束。
阶段4退轨调整阶段:“准轨尾”出现到“真轨尾”出现的进轨,图中传感器C2信号消失则退轨调整结束。
阶段5最后出轨阶段:“真轨尾”出现到钢轨离开N4台的进轨,图中传感器N42信号消失则最后出轨结束。
如图3所示,在加工钢轨的头部与尾部时,钢轨处于“悬臂梁”状态,初进轨与最后出轨采用小倍率输送钢轨以保护刀具;由于每次加工钢轨的长度与进给速度可能不同,加上还可能存在不可预知的故障中途停机,钢轨尾部进给控制时,机械手X2可能来不及运行到合适位置,导致钢轨无法拉出铣削区,故增加出轨调整阶段;出轨调整阶段的作用是调整X1手与X2手的相对位置,保证在最后出轨阶段,X1手能在零位抓住钢轨尾部,从而保证X2手在可运行的行程内将轨尾拉出铣削区。
2.3 送轨过程的换手方法
机械手交替送轨的方法必然存在换手的过程,不同的轨位对应不同的换手方法具体的换手方法如图4所示。
图4中剖面线的小矩形区域为两机械手的同步交替接手环节,以X2手交替X1手为例,其步骤如下:
1)发送耦合指令(TRAILON(X2,X1)):机械手X2作为“耦合轴”跟随“主导轴”X1同步运动;
2)当耦合完成后(NC信号反馈),机械手X2抓轨;
3)机械手X2已经抓住钢轨(约2秒),机械手X1松开;
4)机械手X1松开后,发送耦合取消指令(TRAILOF(X2,X1))。
5)当耦合解除后(NC信号反馈),换手步骤完成。
其中每个轨位阶段的具体换手方法如下:
1)初进轨:图中在初进轨的初期,钢轨处于“悬臂梁”状态,故机械手X1自零位开始慢速进给;当钢轨通过机械手X2(图中交点(1))后,开始X2接替X1换手步骤;换手步骤完成后,机械手X2加速以正常加工速度进给,机械手X1回零位等待;当X2到达末端换手位置(图中交点(2)),开始X1接替X2换手步骤(X2下工作台暂不松开);换手步骤完成后,机械手X2停在末端位置,此时X2手的下工作台保持以继续锁定钢轨的高度位置;当钢轨顺利通过N4台即N42信号触发时(图中交点(3)),机械手X2松开下工作台后回零,初进轨结束。
2)正常进轨:正常进轨采用“最大等待”原则进行送轨,即尽可能的由机械手X2送轨,为出轨争取最大的可利用资源。如图机械手X2回零后立刻开始换手步骤,交替机械手X1送轨;当换手步骤完成后,机械手X1立刻回零等待直到机械手X2到达末端换手位置再次开始换手动作,短暂交替机械手X2送轨。
3)出轨调整与最后出轨:根据传感器C1信号消失时机械手X2是否在中间决策位与末端换手位之间送轨,判断是否需要调整。如图传感器C1信号消失时,机械手X2若处于区域I则需要进行调整,处于区域II不需要调整,正常送轨即可。调整方法:“准轨尾”出现后机械手X1接替X2手送轨,待机械手X2回零位后,调整结束重新执行正常进轨步骤。这样在最后出轨阶段,机械手X1可以在零位交替机械手X2送轨直到其到达末端换手位置后由机械手X2接替X1完成最后的出轨。
3 运行实现效果
该输送系统在某铁路局的250m长钢轨整形机中得到了具体应用,实现了如表1所示技术性能:
从表中可以看出,机械手在实际应用中达到了较高的进给速度与加速度,且机械手同步时间小于2s,说明送轨效率较高;另外应用激光干涉仪2D时间基准功能跟踪同步误差,误差不超过0.1mm,这说明送轨过程接手比较平稳且无扰动。
为了配合在送轨过程中系统对机械手速度和位置的监控,在监控单元PCU50中开发了如图5所示人机交互系统,图中显示了进轨过程的监控效果,区域1为机械手运行状态的报警栏;区域2为输送系统运行状态监控区,显示传感器的工作状态、换手状态及两机械手的实时坐标;区域3用于监视一些输送系统运行参数。
4 结论
本文针对长钢轨整形加工过程的进给输送存在问题,设计了一种支持推拉方式进给输送系统,论述了基于SIMODRIVE 611D系统耦合指令TRAILON的交替换手原理。探讨了感测轨位的传感器布置和轨位划分方法,给出了每个阶段中的推拉机械手的交替方法。通过对250米长钢轨的整形加工进给应用,表明给出的基于SIMODRIVE611D驱动的长钢轨双机械手推拉交替式进给输送系统,具有送轨速度快、过程平稳和接手无扰动等优点。
摘要：分析长钢轨整型加工进给输送系统现状及存在问题,设计一种基于SIMODRIVE 611D驱动的双机械手推拉交替式的长钢轨进给输送系统,给出了送轨机械手的工作结构原理,探讨钢轨输送过程中进给轨位阶段的划分办法,围绕每个阶段两机械手交替接手过程的TRAILON耦合控制绑定方法和控制过程的系统协作机制展开论述,最后给出控制方法的实现步骤及开发实现效果,通过对250m长钢轨整形加工过程的具体送轨应用表明,设计的进给输送系统具有送轨控制速度快、过程平稳和接手无扰动等优点。
关键词：长钢轨整形,进给,SIMODRIVE611D,同步
参考文献
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