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高速數控齒輪磨床的一種無噪音磨削主軸
Takashi Emura ，LeiWang， Hisashi Nakamura ， Masashi Yamanaka 和 Yasushi Teshigawara
精密工程和機械部, Tohoku 大學
Aoba ， Aramaki ， Aobaks ，仙臺,980-77 日本
摘要
本文作者為汽車工廠發(fā)明了一種高產的NC(數控型) 齒輪磨床。 這一數控機器需要在磨削主軸和運轉主軸間保持高度同步性。我們必須使用高壓驅動電動機和驅動變壓器來滿足高速磨床的規(guī)格。然而, 由于高壓驅動變壓器在PWM(脈沖寬度調節(jié))頻率上會引起很大的電波，并產生強烈噪音，所以很難在主軸之間保持穩(wěn)定的同步云運轉。因此，作者試著使用二相型PLL制成無噪音高速同步主軸，并試著通過一種電流過濾器來減少電波引起的噪音。本文將描述減少噪音的方法及其實驗結果。
1. 介紹
齒輪研磨需要花費極多的磨削時間，而且在齒輪的大批量生產中會阻礙生產效率的提高。因此，作者為汽車工廠發(fā)明了一種高產的NC齒輪磨床，這正是效率最高的齒輪生產工廠。這種機器需要二大高壓伺服電動機來驅動磨削主軸和運轉主軸。這兩種驅動電動機也必須有高度同步控制且能高速運轉。作者使用高壓高速伺服電動機來驅動主軸。舉例來說, 磨削主軸的驅動電動機有額定的功率22kw，額定的輸出量扭矩22N-m，及最大轉速10000r/min。運轉主軸的驅動電動機有額定功率16kw，額定輸出量扭矩82N-m ,及最大轉速2000r/min。
這些驅動電動機由PWM(脈沖寬度調節(jié))型變壓驅動器帶動,而這種PWM型高壓變壓器會在PWM頻率的電流中引起很大的電波。由于這種強大電波引發(fā)了強烈噪音，將影響控制系統(tǒng)，難以實現高度同步控制。因此，作者試著使用二相型 PLL(分步鎖槽) 制成無噪音高速同步主軸，并試著通過一種電流過濾器來減少電波。目前已做了大量實驗確認無噪音系統(tǒng)的功效。本文將通過實驗結果來描述減少噪音、制造高速、高度同步性主軸的方法。
2. PWM引起的噪音
磨削主軸的噪音問題比運轉主軸問題嚴重，因為磨削主軸的額定電壓比運轉主軸大。因此下面我們主要來探討磨削主軸的情況。磨削主軸由無刷驅動電動機帶動。由于驅動變壓器的最大輸出電壓最高限于200v，驅動電動機的額定功率是22kw，所以磁場線圈的電流在波峰必須超過200A。由于這個強大電流, 磁場線圈的金屬線直徑變大，由于運轉空間的限制，轉動次變少。于是磁場線圈的電感僅限于一個非常小的數值。一個階段的電感測量值約為1kHz有30 pH，在PWM頻率中減少到一個非常小的數值，25kH中低于1.5pH。如上所述，因為線圈電感極其小，它的電力時間系數非常小。這就意味著我們能很好的控制它。然而，這個極其小的電力時間系數在PMW頻率中引起很大的電波，這個電波就造成了強烈的噪音。強烈噪音給控制系統(tǒng)帶來了嚴重的問題。
為了分析電波，我們進行電動電流的數字摹擬。圖l(一)是用于模擬的簡化同步電動機模型,其中線圈電感L是1.44pH,線圈電阻R是0.15歐,直流線電壓E是200V。伺服放大器的PMW輸出電壓Eu，Ev，和Ew是由U，V，W三相電的終端來提供。圖1（b）展示了PWM的波形圖，它是通過用頻率為25KHz的三角形波eb來比較和的電壓而得到的。
圖2（a）是一個模擬結果的實例，伺服放大器的輸出頻率為300Hz。如圖2（a）所示，電機電流與大的噪音交迭。圖2（b）給出了通過比較線圈電流的模擬和標準結果的詳細情況。而模擬結果和標準結果完全吻合。因而模擬結果表明了電機電流在PMW頻率下有很大的電流波動。
這個模擬非常清楚地表明伺服電機和電壓放大器對線圈感應系數的減小產生了很強的噪音。由于鐵心的磁場特性，如此大功率的電機，線圈電感在高的轉換頻率下急劇減小。由轉換而產生的噪音是這種數控磨床的一格非常嚴重的問題。為了達到高精度同步控制，這也是我們必須克服的問題。
因此，接下來的部分將描述二種不同的方法來克服轉換噪音的問題。第部分將介紹二相型PLL的同步控制方法。這種方法可以使系統(tǒng)在強的噪音環(huán)境下獲得高精度和高速同步控制。第部分將給出使用大功率濾波器來抑制轉換噪音的討論和試驗結果。
3. 二相型PLL同步系統(tǒng)
這種齒輪磨床需要高度、高速同步控制。通常，我們都使用一種高辨識率、高速的入碼器來實現其高度、高速同步控制，因為這種入碼器能輸出二相正弦電波。然而,由于這種二相正弦電波的電壓非常小，在上述強烈噪音環(huán)境中很難檢測出該電壓是否不存在噪音問題。這就意味著我們不能夠使用傳統(tǒng)的高度同步系統(tǒng)。因此，作者在這里的同步系統(tǒng)中采用了二相型PLL。首次提出使用二相型PLL的是Emura[l]，它消除噪音的能力已經得到了認證[2]-[4]。
圖3是高速數控齒輪磨床中磨削主軸與運轉主軸之間的高速同步系統(tǒng)結構圖。其中，兩個驅動主軸都是由二相型PLL控制的。指令脈沖發(fā)電機產生二個脈沖列，它們的頻率比是磨削主軸與運轉主軸的速度比。二相型PLL的局部控制器就控制主軸精確執(zhí)行每個指令脈沖。通過使用二相型PLL,高速、高度同步控制得以真正實現。二相型PLL的二個內插器導入高辨析率的入碼器信號，齒輪轉角內導入的輸出脈沖被送到驅動變壓器。
A. 應用二相型PLL的內插器的扶輪轉角高辨析度檢測
我們這次用的驅動變壓器需要利用一個二相型矩形信號來產生一個與轉角同步的三相磁場。然而,由于電流感應引起的噪音，我們不能使用傳統(tǒng)的比測儀型內插器。于是,作者設計出特殊的內插器，如圖4所示，使用二相型PLL來檢測主軸的扶輪轉角。這一內插器的電路主要依照[3]所描述的樣子來設計的,因此一下只對他們進行簡短的描述。
輸入信號是從入碼器獲得的一個二相正弦波(sin Bi &,cos Bi)。擺動器(VCO)控制的電壓則產生一個二相正弦波(sin B0 &,cos B0)的追蹤信號。這個VCO正是用來追蹤輸入信號的。輸入信號與追蹤信號的相差則由相位檢查器(PD)來計算?；芈窞V波器(LF)轉移相位檢查器的輸出結果，輸入到VCO。包含在VCO中的V/F轉爐產生頻率比例的脈沖列，并發(fā)送到輸入電壓。
脈沖序列是用一個二進制的計數器來計數，這個計數器的輸出又儲存到一個ROM
里。這樣二相正弦曲線波以數字量的形式寫入到ROM，當其被訪問時又從這里輸出。D/A轉換器把ROM的輸出轉換成相對應的電壓量。正弦曲線波是受約束的以至于通過控制相位部位0來追蹤輸入的二相位正弦曲線信號。這就意味著PLL處于鎖定狀態(tài)。在鎖定狀態(tài)下，從V/F來的脈沖變成以內插值替換的脈沖輸入信號。這是譯碼器的旋轉角度。
二相型PLL和傳統(tǒng)意義的PLL的最大的不同點在于我們可以常常通過輸入信號來獲得真正的二相正弦曲線波。這就意味著它有卓越的噪音抑制特性和寬范圍的輸入頻率。這種電路也可以當電機改變它的旋轉方向時鎖定。
高精度的光傳感器被用于探測軸的旋轉角度。磨削心軸的光學縫隙的數量為1800，工作軸的數量是9000。我們可以從傳感器那里獲得二相正弦曲線波。發(fā)展的內插器把他們分成128份，并輸出二相矩形脈沖信號。因此分別分解成每份和最大頻率上升到38.4MHz。脈沖提供給功率放大器也用于監(jiān)控同步控制。在[3]里。一個磁性的具有感應能力的探頭被用作旋轉傳感器。因為感應類型的探頭不能在低速的條件下工作，內插器也不能在轉速低于300r/min的速度下工作。然而，這個新的組合起來的系統(tǒng)卻可以在任何低于10000r/m的磨削心軸速度，和低于2000r/min的工作主軸下工作。當然，我們也可以使軸反轉。
一般說來，以如此的高精度和高頻率來監(jiān)測不可避免的會受到噪音的影響，而且會很難達到穩(wěn)定的控制。然后新的內插器可以在沒有任何誤動作的情況下測出回轉體的角度。圖5圖解了一個實例的試驗結果。在圖5里，輸入信號就是從傳感器得到的信號，追蹤信號就是VCO的正弦曲線波。就如圖5所示，從傳感器獲得的信號被強的噪音干擾，然而，正弦曲線波卻正好為輸入信號的軌跡沒有任何失真。因為它是由VCO而產生的，VCO的輸出波形是無失真的正弦曲線波。我們可以從V/F轉換器的輸出脈沖來獲得以內插值代換的脈沖。正弦曲線波形是由V/F轉換器構造的。
B．二相型PLL伺服控制器
伺服控制器也是用二相型PLL方法。示意圖如圖6。