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智能伺服推桿的制作方法

文檔序號:6322744閱讀:452來源:國知局
專利名稱:智能伺服推桿的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本實用新型涉及一種光機電一體化智能伺服推桿機構(gòu)。
背景技術(shù)
目前,決大多數(shù)單臺生產(chǎn)機械或生產(chǎn)線上的往復(fù)式運動都采用液動缸或氣動缸。液動缸可以產(chǎn)生出很大的推力,氣動缸可以產(chǎn)生出很快的運動速度。它們的設(shè)備組成很相近,一般來說都要包含液壓站(氣壓站)、液壓閥、控制伺服閥、管路、濾油器、液壓缸或氣動缸。附圖1畫出了三個液壓缸的簡易液壓系統(tǒng)圖。附圖1中的部件1、2、3是液壓缸;部件4是單向節(jié)流閥、部件5是操作控制部分、部件6是主動力泵、部件7是油箱。
一般情況下,液壓系統(tǒng)的輸出力是恒定的。外部阻力的變化將引起速度的波動,這樣對某些需要速度恒定的生產(chǎn)工藝,需要實時快速地調(diào)節(jié)液壓缸的壓強,對于多臺液壓缸聯(lián)動的應(yīng)用場合,液壓系統(tǒng)的控制變得很復(fù)雜,而且控制精度也不高。另一方面,同一液壓站的壓強受到各液壓缸工作狀況的影響大,增加了控制的難度。最重要的是,如果在一個生產(chǎn)過程或生產(chǎn)線上需要幾臺或十幾液壓缸協(xié)調(diào)運動并且它們彼此距離很遠時,例如幾百米,現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)就很難勝任了。液壓系統(tǒng)的維護工作量大,環(huán)境差、噪音大。盡管如此,由于液壓系統(tǒng)的技術(shù)成熟、設(shè)備可簡可繁、價格不高、維護簡單的優(yōu)點,目前它仍被廣泛使用,對于某些多工位遠距離聯(lián)動的場合就不適合了。
隨著冶金、建材、輕工、汽車等行業(yè)生產(chǎn)速度、產(chǎn)品質(zhì)量的提高,對生產(chǎn)過程自動化的要求越來越高。對各運動部件的運動速度、加速度、定位精度、協(xié)調(diào)運動關(guān)系的要求也越來越高。在集中控制、分散執(zhí)行的控制方案下必須對單一的運動機構(gòu)進行運動全方位控制,即運動速度、加速度、定位精度,同時的或分時的控制。分散在生產(chǎn)線的運動執(zhí)行機構(gòu)相距幾十米或幾百米?,F(xiàn)有的傳動技術(shù)存在如下的缺陷或不足1、不適于遠距離多運動的集中控制目前的液壓傳動在一個液壓站下僅能供給幾臺油缸的液壓壓強,液壓缸數(shù)量增加時,液壓站設(shè)備大量增加,幾臺油缸分別工作時液壓壓強波動較大,各油缸協(xié)調(diào)工作能力差,伺服閥難于完成復(fù)雜的協(xié)調(diào)運動控制。同時,在距離較遠時液壓管路長不便于鋪設(shè),投資大。
2、速度、加速度、位移、推力等工作方式不能在同一臺設(shè)備中隨時切換,通常僅有一種或兩種工作方式可選。
3、不便于與上位控制機進行通訊。
近十年來,智能運動控制技術(shù)、高精度傳感器、遠距離信號傳輸技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、有了很大的進步;大推力滾珠絲杠、小體積減速機都已經(jīng)商品化為本領(lǐng)域的技術(shù)改進提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是將智能運動控制技術(shù)與高精度機械加工設(shè)備結(jié)合,將控制技術(shù)和新型動力裝置結(jié)合在一起,形成有利于集中控制、分散執(zhí)行的生產(chǎn)過程的機電一體化產(chǎn)品。
本實用新型所屬的一種智能伺服推桿,它包括推桿控制器、參數(shù)設(shè)置器、推桿執(zhí)行器、傳感器和運動狀態(tài)顯示器;所述推桿控制器包括可編程控制器PLC、模擬信號處理器SP兩部分組成,推桿控制器連接有由單片機、顯示器構(gòu)成的參數(shù)設(shè)置器、運動狀態(tài)顯示器和一組傳感器,所述推桿控制器包括通訊接口;其特征在于由所述推桿控制器與多個分散的推桿執(zhí)行器通過伺服控制器相連接,以設(shè)置推桿執(zhí)行器的運動為速度、位移和推力工作方式;所述推桿執(zhí)行器包括固定于底托內(nèi)的伺服電機、底托后端的后支撐板、聯(lián)接在伺服電機輸出軸與聯(lián)軸器之間的行星減速機、一端固定于聯(lián)軸器上的滾珠絲杠、套于滾珠絲杠上并固定在工作桿內(nèi)壁上的螺母、控制工作桿做直線往復(fù)運行的滑軌、滾珠絲桿的軸承、工作桿的前部出口處安裝的密封套、密封圈和與另一個推桿實現(xiàn)連接的側(cè)支撐軸;由一個推桿和通過側(cè)支撐軸相聯(lián)接的另一個推桿共同組成輸出頭完成X-Y平面軌跡運動的推桿控制單元;所述絲杠采用一端軸承固定,另一端自由方式,所述的軸承采用雙軸承背對背的安裝結(jié)構(gòu);在所述工作桿前后兩端加工有凹槽,護套前后兩端加工有圓孔,兩個限位開關(guān)安裝在護套對應(yīng)圓孔處的外側(cè)。
如上所述的智能伺服推桿,所述滾珠絲杠采用內(nèi)循環(huán)單螺母滾珠絲杠。
如上所述的智能伺服推桿,所述滑軌為三角形上滑軌和矩形下滑軌,所述滑軌為分段結(jié)構(gòu),兩段之間留有空隙。
如上所述的智能伺服推桿,所述伺服驅(qū)動單元包括信號處理器DSP、脈寬調(diào)制變頻電路和三相整流電路組成的交—直轉(zhuǎn)換電源電路;霍爾電流器件IS組成電流檢測電路,其輸出端接信號處理器DSP的電流檢測端;與電機軸同步轉(zhuǎn)動的光電編碼器EN的輸出端接信號處理器DSP的轉(zhuǎn)速檢測端;由大功率電阻和功率開關(guān)管組成的串接支路并接在直流電源的輸出端,功率開關(guān)管柵極接信號處理器DSP的制動信號驅(qū)動端;霍爾電壓器件Vs組成電壓檢測電路,其輸出端接信號處理器DSP的制動信號調(diào)整端;在直流輸出端之間接有脈寬調(diào)制變頻電路,該變頻電路由兩個串聯(lián)的功率管及兩個串聯(lián)的二極管并聯(lián)后構(gòu)成一相控制單元,其中的功率管柵極均分別接信號處理器DSP的變頻驅(qū)動端,每相控制單元的兩個功率管及兩個二極管的連接端均接電機的對應(yīng)相線上,在制動時,所述二極管構(gòu)成制動整流電路。
本實用新型與傳統(tǒng)的裝置相比,具有如下的優(yōu)點和積極的效果1、有利于集中控制、分散執(zhí)行的生產(chǎn)過程;2、將傳統(tǒng)的輸出力單一控制變?yōu)榭晌恢每刂坪退俣瓤刂疲?、取消了傳統(tǒng)的液壓控制,改為機電控制,因此不用經(jīng)常維修;4、增加了通訊功能,可與上位控制機聯(lián)網(wǎng)。


圖1是傳統(tǒng)的三液壓缸控制系統(tǒng)圖。
圖2是本實用新型的智能伺服推焊裝置的原理組成框圖。
圖3是本實用新型的推桿控制器組成結(jié)構(gòu)圖。
圖4是本實用新型的推桿控制器控制流程圖。
圖5是本實用新型的推桿驅(qū)動器電路原理圖。
圖6是本實用新型的推桿驅(qū)動器控制流程圖。
圖7是本實用新型的推桿執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖。
圖8是本實用新型的推桿執(zhí)行器中滑軌裝配圖。
具體實施方式
本實用新型屬于智能光機電一體化技術(shù)領(lǐng)域??捎糜谝苯鹪O(shè)備、化工生產(chǎn)過程、立體倉庫、等單臺或多臺設(shè)備中那些需要高定位精度、快速響應(yīng)、推力、位移、速度、加速度控制頻繁切換的場合。本實用新型的系統(tǒng)原理見附圖2。由附圖2可見本實用新型由四部分組成。第一部分是由圖中電路1-1、1-2、1-3、1-4、1-5組成的推桿控制器。第二部分是參數(shù)設(shè)置器2。第三部分是推桿執(zhí)行器3-1、3-2、3-3、3-4。第四部分是運動狀態(tài)顯示器4。圖中的各類傳感器7、8、9、10不屬于本實用新型發(fā)明的內(nèi)容。
本實用新型的工作原理是在附圖2中,推桿控制器是本實用新型智能控制的核心和動力源。電路1-5是控制單元,它的硬件由通用型可編程控制器PLC、通用型SP組成,見附圖3。可編程控制器由PS模塊,CPU模塊,AI模塊、AO模塊、DI模塊、DO模塊、PC模塊、COM模塊構(gòu)成。PS模塊為其他模塊提供電源,CPU模塊是中心處理器容納主流程控制軟件。DI、DO、AI、AO模塊分別是數(shù)字量和開關(guān)量的輸入輸出接口。COM是通訊模塊。各模塊的信號連接采用通用型的總線模板。
附圖4是CPU模塊的主流程控制軟件,它完成的功能是第一,接收各推桿的設(shè)定程序。即它們應(yīng)完成的工作狀態(tài)和實時的手動干預(yù)狀態(tài),包括啟動時刻、運動位移量、啟動制動時間、各推桿之間的邏輯關(guān)系等預(yù)定的程序。第二,程序的解算。它將各推桿的設(shè)定程序轉(zhuǎn)化為各推桿的速度指令。第三,接受外部傳感器的各物理量以便不斷修定原輸入的程序中的參數(shù)。第四,進行推桿系統(tǒng)與上位計算機、推桿系統(tǒng)內(nèi)部各推桿之間的邏輯運算。第五.是顯示功能,它將各推桿的運行狀態(tài),故障記錄均顯示出來。第六是通訊功能。
在附圖2中,推桿控制器的另一個單元是由電路1-1、1-2、1-3、1-4組成的伺服驅(qū)動器。經(jīng)控制單元處理后的速度指令加到伺服驅(qū)動單元的輸入端。伺服驅(qū)動單元的主電路,控制電路和控制流程見附圖5。在附圖5圖中,伺服驅(qū)動單元的主電路含有由二極管D1,D2,D3,D4,D5,D6組成的三相整流電路;由DSP組成的伺服控制電路;由C1,C2組成的濾波電路;由功率管M1,M2,M3,M4,M5,二極管D11,D12,D13,D14,D15,D16組成的變頻電路;由電阻R1,功率管M7組成的制動電路;由霍爾電流器件Is組成的電流檢測電路;由霍爾電壓器件Vs組成的電壓檢測電路;由光電編碼器En組成的轉(zhuǎn)速檢測電路。在附圖5中,伺服驅(qū)動單元的控制電路含有由信號處理器DSP和外圍芯片構(gòu)成的伺服控制電路。它的控制程序由DSP復(fù)位、向量變量復(fù)位、CPU初始化、主循環(huán)、位置處理、速度環(huán)控制、電流環(huán)控制、PWM生成、等功能塊組成。各功能塊的連接如附圖5所示。
在附圖2中,參數(shù)設(shè)置器2由8098芯片、軟鍵和顯示器構(gòu)成。完成對控制單元和伺服驅(qū)動器的參數(shù)設(shè)置并顯示它們的工作狀況。
在附圖2中,推桿執(zhí)行器3-1、3-2、3-3、3-4的結(jié)構(gòu)見附圖7,在圖7中伺服電動機3經(jīng)行星減速機4、聯(lián)軸器5與滾珠絲杠9相連螺母8套于滾珠絲杠上面并固定在工作桿11內(nèi)壁。
伺服電動機在推桿控制器的驅(qū)動下做旋轉(zhuǎn)運動時,工作桿11將沿著三角形滑軌16和矩形滑軌7直線往復(fù)運動,輸出推力。兩個滾珠絲杠專用軸承6,不但可以產(chǎn)生徑向的支撐還可以產(chǎn)生軸向的支撐。為解決雙向支撐問題,本實用新型采用雙軸承背對背的安裝方法。為簡化結(jié)構(gòu),本實用新型的滾珠絲杠9相連的另一端不安裝軸承。工作桿11的前后兩端加工有凹槽,護套15前后兩端加工有圓孔將限位開關(guān)14、17安裝在護套外側(cè)。為解決防止灰塵液體進入,在工作桿11的前部安裝了密封套18和密封圈19。側(cè)支撐軸10可安裝另一個智能伺服推桿,這樣,聯(lián)動控制下,可以使輸出頭12完成在X---Y平面任何軌跡的運動。
在高爐布料流程中,采用了本實用新型取代了原有液壓油缸,完成無料鐘高爐布料功能。在本實例中采用了四臺推焊執(zhí)行機構(gòu),分別推動上密封閥、下密封閥、料流調(diào)節(jié)閥、溜槽傾動。由于他們之間的運動聯(lián)鎖關(guān)系,每一個執(zhí)行機構(gòu)均有不同的工作方式。上密封閥、下密封閥工作在定速、定點工作方式。料流調(diào)節(jié)閥工作在位控或推力控制交替工作方式。溜槽傾動工作在精確的位控方式,同時要求快速啟動控制。
在本實例中,不但在四臺執(zhí)行機構(gòu)之間有嚴格的運動聯(lián)鎖關(guān)系,它們還分別與高爐上料部分有著聯(lián)鎖關(guān)系。所以,本實例采用了附圖2的系統(tǒng)組成。系統(tǒng)組成中,對于框1-5的運動控制單元,采用了德國西門子公司的S7-300系列的PLC控制器。選用了PS模塊,CPU模塊,AI模塊、AO模塊、DI模塊、DO模塊、PC模塊、COM模塊。各模塊的功能是PS模塊為其他模塊提供電源;CPU模塊是中心處理器容納主流程控制軟件;DI、DO、AI、AO模塊分別是數(shù)字量和開關(guān)量的輸入輸出接口;COM是通訊模塊。各模塊的連接也是采用了通用型的S7-300總線模板。
由于溜槽傾動和料流調(diào)節(jié)閥需要精確的位置控制,故在本實施例的運動控制單元,安裝了兩個位置控制模塊PC,它們接受來自絕對編碼器的實際位置信號。附圖2的操作指令和運動聯(lián)鎖包括自動、手動操作切換,各執(zhí)行機構(gòu)的上下極限位置,各機構(gòu)動作完成狀態(tài),上料部分聯(lián)鎖等??傆嫺鏖_關(guān)量82點,這些開關(guān)量的選擇運算都由運動控制器中的邏輯運算完成的。為此,設(shè)置了96點的DI、DO模塊。為了與上位控制機進行通訊,本實施例中的運動控制器的通訊接口電路采用了RS485接口。運動控制部分采用了附圖4的控制主流程。為處理冷卻水的壓力、溫度、密封氮氣壓力、溫度,本實例的推桿控制單采用了通用型模擬信號處理器SP,如附圖3所示。
本實施例對于四個執(zhí)行器都采用了相同的伺服驅(qū)動器。采用了附圖5的推焊驅(qū)動器結(jié)構(gòu),在實例中整流部分采用了600V,50A的整流二極管六只,變頻電路采用了7封裝150A,600V的IPM智能模塊。制動電路的制動電阻選用了200W,25Ω的無感電阻,采用了2000μf,600V的濾波電容二只。在控制電路的控制軟件中,采用附圖5控制流程。它完成了DSP復(fù)位、向量變量復(fù)位、CPU初始化、主循環(huán)、位置處理、速度環(huán)控制、電流環(huán)控制、PWM生成、等功能。對于(溜槽和料流閥的位置要求放到了運動控制器的PLC中去做,這樣使得四臺推焊驅(qū)動器均采用相同的結(jié)構(gòu)和控制軟件)。
在實例中,附圖2中的第4部分運動顯示器采用了常規(guī)的CRT畫面顯示。第2部分參數(shù)設(shè)置器由8098芯片、軟鍵和顯示器構(gòu)成。它完成對了對推焊驅(qū)動器的工作方式切換,速度指令的斜坡、電流環(huán)、速度環(huán)的P.I參數(shù)進行設(shè)置。同時還能記錄、顯示推焊驅(qū)動器運行故障。
附圖2中的第7部分是傳感器,在本實例中設(shè)置了四個傳感器,分別檢測氣密箱氮氣的壓力、溫度以及冷卻水的壓力和溫度,它們的輸出量是±10V模擬量。
在本實例中推桿執(zhí)行器的總裝圖見附圖7。在附圖7中,本實例選用的交流伺服電動機其技術(shù)數(shù)據(jù)是額定轉(zhuǎn)矩Tr=35Nm,額定轉(zhuǎn)矩Ts=37.3Nm,尖峰最大轉(zhuǎn)矩Tp=88.3Nm,額定轉(zhuǎn)速Nr=1500r/m,最高轉(zhuǎn)Tm=2000r/m。附圖7中的螺旋式行星減速機構(gòu)4,其額定輸出扭矩位115Nm,最大輸出扭矩345Nm,額定輸入速度4000r/m,減速比3∶1。
附圖7中的連軸器5,它一端聯(lián)減速機的輸出軸,一端連接滾珠絲杠的輸入端。固定滾珠絲杠的精密滾動軸承,采用背對背安裝。這種安裝方式使推焊的雙向推力額定值相同。本實例的推桿行程為0.8米。為簡化結(jié)構(gòu),采用一端軸承固定方式支撐,一端自由方式的絲杠固定方式。本實例中用內(nèi)循環(huán)單螺母滾珠絲杠,其額定動載荷絲杠導(dǎo)程10mm、公稱直徑40mm、本實施例的推桿工作臂直徑80mm長度860mm最大行程600mm。附圖7中的護套15其外徑110mm在護套的兩端開有直徑為12mm通孔,通孔外安裝了兩個極限位置開關(guān)。護套內(nèi)壁相對安裝安裝了矩形和梯形導(dǎo)軌,安裝方法見附圖8。為了減少導(dǎo)軌過長引起變形引起的運動阻滯,本實施例采用了兩段式結(jié)構(gòu),并在兩段之間留有5mm的空隙。本實施例在推桿工作臂的出口安裝了雙密封圈和密封套。
本實施例共有四個工作推桿裝備在高爐上下密封閥、料流調(diào)節(jié)閥和布料器的溜槽傾動控制,完成高爐的全自動布料工藝。
權(quán)利要求1.一種智能伺服推桿,它包括推桿控制器、參數(shù)設(shè)置器、推桿執(zhí)行器、傳感器和運動狀態(tài)顯示器;所述推桿控制器包括可編程控制器PLC、模擬信號處理器SP兩部分,推桿控制器連接有由單片機、顯示器構(gòu)成的參數(shù)設(shè)置器、運動狀態(tài)顯示器和一組傳感器,所述推桿控制器具有通訊接口;其特征在于由所述推桿控制器與多個分散的推桿執(zhí)行器通過伺服控制器相連接,以設(shè)置推桿執(zhí)行器的運動為速度、位移和推力工作方式;所述推桿執(zhí)行器包括固定于底托內(nèi)的伺服電機、底托后端的后支撐板、聯(lián)接在伺服電機輸出軸與聯(lián)軸器之間的行星減速機、一端固定于聯(lián)軸器上的滾珠絲杠、套于滾珠絲杠上并固定在工作桿內(nèi)壁上的螺母、控制工作桿做直線往復(fù)運行的滑軌、滾珠絲桿的軸承、工作桿的前部出口處安裝的密封套、密封圈和與另一個推桿實現(xiàn)連接的側(cè)支撐軸;由一個推桿和通過側(cè)支撐軸相聯(lián)接的另一個推桿共同組成輸出頭完成X-Y平面軌跡運動的推桿控制單元;所述絲杠采用一端軸承固定,另一端自由方式,所述的軸承采用雙軸承背對背的安裝結(jié)構(gòu);在所述工作桿前后兩端加工有凹槽,護套前后兩端加工有圓孔,兩個限位開關(guān)安裝在護套對應(yīng)圓孔處的外側(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的智能伺服推桿,其特征在于所述滾珠絲杠采用內(nèi)循環(huán)單螺母滾珠絲杠。
3.如權(quán)利要求1所述的智能伺服推桿,其特征在于所述滑軌為三角形上滑軌和矩形下滑軌,所述滑軌為分段結(jié)構(gòu),兩段之間留有空隙。
4.如權(quán)利要求1所述的智能伺服推桿,其特征在于所述伺服驅(qū)動單元包括信號處理器DSP、脈寬調(diào)制變頻電路和三相整流電路組成的交一直轉(zhuǎn)換電源電路;霍爾電流器件IS組成電流檢測電路,其輸出端接信號處理器DSP的電流檢測端;與電機軸同步轉(zhuǎn)動的光電編碼器EN的輸出端接信號處理器DSP的轉(zhuǎn)速檢測端;由大功率電阻和功率開關(guān)管組成的串接支路并接在直流電源的輸出端,功率開關(guān)管柵極接信號處理器DSP的制動信號驅(qū)動端;霍爾電壓器件Vs組成電壓檢測電路,其輸出端接信號處理器DSP的制動信號調(diào)整端;在直流輸出端之間接有脈寬調(diào)制變頻電路,該變頻電路由兩個串聯(lián)的功率管及兩個串聯(lián)的二極管并聯(lián)后構(gòu)成一相控制單元,其中的功率管柵極均分別接信號處理器DSP的變頻驅(qū)動端,每相控制單元的兩個功率管及兩個二極管的連接端均接電機的對應(yīng)相線上,在制動時,所述二極管構(gòu)成制動整流電路。
專利摘要一種智能伺服推桿,它包括推桿控制器、參數(shù)設(shè)置器、推桿執(zhí)行器、傳感器和運動狀態(tài)顯示器;由所述推桿控制器與多個分散的推桿執(zhí)行器通過伺服控制器相連接,所述推桿執(zhí)行器包括伺服電機、聯(lián)接在伺服電機輸出軸與聯(lián)軸器之間的行星減速機、一端固定于聯(lián)軸器上的滾珠絲杠、套于滾珠絲杠上并固定在工作桿內(nèi)壁上的螺母、控制工作桿做直線往復(fù)運行的滑軌、滾珠絲桿的軸承和與另一個推桿實現(xiàn)連接的側(cè)支撐軸;由一個推桿和通過側(cè)支撐軸相聯(lián)接的另一個推桿共同組成輸出頭完成X-Y平面軌跡運動的推桿控制單元;本裝置適用于集中控制、分散執(zhí)行的生產(chǎn)過程,可以實現(xiàn)位置控制和速度控制,不用經(jīng)常維修,并且增加了通訊功能,可與上位控制機聯(lián)網(wǎng)。
文檔編號G05B19/05GK2720707SQ20042008419
公開日2005年8月24日 申請日期2004年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月26日
發(fā)明者劉云輝, 王偉民, 劉淳, 王忠民 申請人:北京中冶立達伺服技術(shù)研究所
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