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1、高速数控齿轮磨床的一种无噪音磨削主轴Takashi Emura ，LeiWang， Hisashi Nakamura ， Masashi Yamanaka 和 Yasushi Teshigawara精密工程和机械部, Tohoku 大学Aoba ， Aramaki ， Aobaks ，仙台,980-77 日本摘要本文作者为汽车工厂发明了一种高产的NC(数控型) 齿轮磨床。 这一数控机器需要在磨削主轴和运转主轴间保持高度同步性。我们必须使用高压驱动电动机和驱动变压器来满足高速磨床的规格。然而, 由于高压驱动变压器在PWM(脉冲宽度调节)频率上会引起很大的电波，并产生强烈噪音，所以很难在主轴之间保
2、持稳定的同步云运转。因此，作者试着使用二相型PLL制成无噪音高速同步主轴，并试着通过一种电流过滤器来减少电波引起的噪音。本文将描述减少噪音的方法及其实验结果。1. 介绍齿轮研磨需要花费极多的磨削时间，而且在齿轮的大批量生产中会阻碍生产效率的提高。因此，作者为汽车工厂发明了一种高产的NC齿轮磨床，这正是效率最高的齿轮生产工厂。这种机器需要二大高压伺服电动机来驱动磨削主轴和运转主轴。这两种驱动电动机也必须有高度同步控制且能高速运转。作者使用高压高速伺服电动机来驱动主轴。举例来说, 磨削主轴的驱动电动机有额定的功率22kw，额定的输出量扭矩22N-m，及最大转速10000r/min。运转主轴的驱动电
3、动机有额定功率16kw，额定输出量扭矩82N-m ,及最大转速2000r/min。这些驱动电动机由PWM(脉冲宽度调节)型变压驱动器带动,而这种PWM型高压变压器会在PWM频率的电流中引起很大的电波。由于这种强大电波引发了强烈噪音，将影响控制系统，难以实现高度同步控制。因此，作者试着使用二相型 PLL(分步锁槽) 制成无噪音高速同步主轴，并试着通过一种电流过滤器来减少电波。目前已做了大量实验确认无噪音系统的功效。本文将通过实验结果来描述减少噪音、制造高速、高度同步性主轴的方法。2. PWM引起的噪音磨削主轴的噪音问题比运转主轴问题严重，因为磨削主轴的额定电压比运转主轴大。因此下面我们主要来探讨
4、磨削主轴的情况。磨削主轴由无刷驱动电动机带动。由于驱动变压器的最大输出电压最高限于200v，驱动电动机的额定功率是22kw，所以磁场线圈的电流在波峰必须超过200A。由于这个强大电流, 磁场线圈的金属线直径变大，由于运转空间的限制，转动次变少。于是磁场线圈的电感仅限于一个非常小的数值。一个阶段的电感测量值约为1kHz有30 pH ，在PWM 频率中减少到一个非常小的数值，25kH中低于1.5pH。如上所述，因为线圈电感极其小，它的电力时间系数非常小。这就意味着我们能很好的控制它。然而，这个极其小的电力时间系数在PMW频率中引起很大的电波，这个电波就造成了强烈的噪音。强烈噪音给控制系统带来了严重
5、的问题。为了分析电波，我们进行电动电流的数字摹拟。图l(一)是用于模拟的简化同步电动机模型,其中线圈电感L是1.44pH,线圈电阻R是0.15欧,直流线电压E是200V。伺服放大器的PMW输出电压Eu，Ev，和Ew是由U，V，W三相电的终端来提供。图1（b）展示了PWM的波形图，它是通过用频率为25KHz的三角形波eb来比较 和 的电压而得到的。图2（a）是一个模拟结果的实例，伺服放大器的输出频率为300Hz。如图2（a）所示，电机电流与大的噪音交迭。图2（b）给出了通过比较线圈电流的模拟和标准结果的详细情况。而模拟结果和标准结果完全吻合。因而模拟结果表明了电机电流在PMW频率下有很大的电流波
6、动。这个模拟非常清楚地表明伺服电机和电压放大器对线圈感应系数的减小产生了很强的噪音。由于铁心的磁场特性，如此大功率的电机，线圈电感在高的转换频率下急剧减小。由转换而产生的噪音是这种数控磨床的一格非常严重的问题。为了达到高精度同步控制，这也是我们必须克服的问题。因此，接下来的部分将描述二种不同的方法来克服转换噪音的问题。第部分将介绍二相型PLL的同步控制方法。这种方法可以使系统在强的噪音环境下获得高精度和高速同步控制。第 部分将给出使用大功率滤波器来抑制转换噪音的讨论和试验结果。3. 二相型PLL同步系统这种齿轮磨床需要高度、高速同步控制。通常，我们都使用一种高辨识率、高速的入码器来实现其高度、
7、高速同步控制，因为这种入码器能输出二相正弦电波。然而,由于这种二相正弦电波的电压非常小，在上述强烈噪音环境中很难检测出该电压是否不存在噪音问题。这就意味着我们不能够使用传统的高度同步系统。因此，作者在这里的同步系统中采用了二相型PLL 。首次提出使用二相型PLL的是Emural ，它消除噪音的能力已经得到了认证2-4。图3是高速数控齿轮磨床中磨削主轴与运转主轴之间的高速同步系统结构图。其中，两个驱动主轴都是由二相型PLL控制的。指令脉冲发电机产生二个脉冲列，它们的频率比是磨削主轴与运转主轴的速度比。二相型PLL 的局部控制器就控制主轴精确执行每个指令脉冲。通过使用二相型PLL, 高速、高度同步
8、控制得以真正实现。二相型PLL的二个内插器导入高辨析率的入码器信号，齿轮转角内导入的输出脉冲被送到驱动变压器。A. 应用二相型PLL的内插器的扶轮转角高辨析度检测我们这次用的驱动变压器需要利用一个二相型矩形信号来产生一个与转角同步的三相磁场。然而,由于电流感应引起的噪音，我们不能使用传统的比测仪型内插器。于是,作者设计出特殊的内插器，如图4所示，使用二相型PLL 来检测主轴的扶轮转角。这一内插器的电路主要依照3所描述的样子来设计的,因此一下只对他们进行简短的描述。输入信号是从入码器获得的一个二相正弦波(sin Bi &,cos Bi)。摆动器(VCO) 控制的电压则产生一个二相正弦波(sin
9、B0 &,cos B0)的追踪信号。这个 VCO正是用来追踪输入信号的。输入信号与追踪信号的相差则由相位检查器(PD)来计算。回路滤波器(LF)转移相位检查器的输出结果，输入到VCO。包含在VCO中的V/F转炉产生频率比例的脉冲列，并发送到输入电压。脉冲序列是用一个二进制的计数器来计数，这个计数器的输出又储存到一个ROM里。这样二相正弦曲线波以数字量的形式写入到ROM，当其被访问时又从这里输出。D/A转换器把ROM的输出转换成相对应的电压量。正弦曲线波是受约束的以至于通过控制相位部位0来追踪输入的二相位正弦曲线信号。这就意味着PLL处于锁定状态。在锁定状态下，从V/F来的脉冲变成以内插值替换的
10、脉冲输入信号。这是译码器的旋转角度。二相型PLL和传统意义的PLL的最大的不同点在于我们可以常常通过输入信号来获得真正的二相正弦曲线波。这就意味着它有卓越的噪音抑制特性和宽范围的输入频率。这种电路也可以当电机改变它的旋转方向时锁定。高精度的光传感器被用于探测轴的旋转角度。磨削心轴的光学缝隙的数量为1800，工作轴的数量是9000。我们可以从传感器那里获得二相正弦曲线波。发展的内插器把他们分成128份，并输出二相矩形脉冲信号。因此分别分解成每份 和 最大频率上升到38.4MHz。脉冲提供给功率放大器也用于监控同步控制。在3里。一个磁性的具有感应能力的探头被用作旋转传感器。因为感应类型的探头不能在
11、低速的条件下工作，内插器也不能在转速低于300r/min的速度下工作。然而，这个新的组合起来的系统却可以在任何低于10000r/m的磨削心轴速度，和低于2000r/min的工作主轴下工作。当然，我们也可以使轴反转。一般说来，以如此的高精度和高频率来监测不可避免的会受到噪音的影响，而且会很难达到稳定的控制。然后新的内插器可以在没有任何误动作的情况下测出回转体的角度。图5图解了一个实例的试验结果。在图5里，输入信号就是从传感器得到的信号，追踪信号就是VCO的正弦曲线波。就如图5所示，从传感器获得的信号被强的噪音干扰，然而，正弦曲线波却正好为输入信号的轨迹没有任何失真。因为它是由VCO而产生的，VCO的输出波形是无失真的正弦曲线波。我们可以从V/F转换器的输出脉冲来获得以内插值代换的脉冲。正弦曲线波形是由V/F转换器构造的。B二相型PLL伺服控制器伺服控制器也是用二相型PLL方法。示意图如图6。
