外文翻譯--高速數(shù)控齒輪磨床的一種無噪音磨削主軸 中文版.doc

高速數(shù)控齒輪磨床的一種無噪音磨削主軸TakashiEmura，LeiWang，HisashiNakamura，MasashiYamanaka和YasushiTeshigawara精密工程和機(jī)械部,Tohoku大學(xué)Aoba，Aramaki，Aobaks，仙臺(tái),980-77日本摘要本文作者為汽車工廠發(fā)明了一種高產(chǎn)的NC(數(shù)控型)齒輪磨床。這一數(shù)控機(jī)器需要在磨削主軸和運(yùn)轉(zhuǎn)主軸間保持高度同步性。我們必須使用高壓驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)變壓器來滿足高速磨床的規(guī)格。然而,由于高壓驅(qū)動(dòng)變壓器在PWM(脈沖寬度調(diào)節(jié))頻率上會(huì)引起很大的電波，并產(chǎn)生強(qiáng)烈噪音，所以很難在主軸之間保持穩(wěn)定的同步云運(yùn)轉(zhuǎn)。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(shí)驗(yàn)結(jié)果。1.介紹齒輪研磨需要花費(fèi)極多的磨削時(shí)間，而且在齒輪的大批量生產(chǎn)中會(huì)阻礙生產(chǎn)效率的提高。因此，作者為汽車工廠發(fā)明了一種高產(chǎn)的NC齒輪磨床，這正是效率最高的齒輪生產(chǎn)工廠。這種機(jī)器需要二大高壓伺服電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)磨削主軸和運(yùn)轉(zhuǎn)主軸。這兩種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)也必須有高度同步控制且能高速運(yùn)轉(zhuǎn)。作者使用高壓高速伺服電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)主軸。舉例來說,磨削主軸的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)有額定的功率22kw，額定的輸出量扭矩22N-m，及最大轉(zhuǎn)速10000r/min。運(yùn)轉(zhuǎn)主軸的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)有額定功率16kw，額定輸出量扭矩82N-m,及最大轉(zhuǎn)速2000r/min。這些驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)由PWM(脈沖寬度調(diào)節(jié))型變壓驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng),而這種PWM型高壓變壓器會(huì)在PWM頻率的電流中引起很大的電波。由于這種強(qiáng)大電波引發(fā)了強(qiáng)烈噪音，將影響控制系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)確認(rèn)無噪音系統(tǒng)的功效。本文將通過實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yùn)轉(zhuǎn)主軸問題嚴(yán)重，因?yàn)槟ハ髦鬏S的額定電壓比運(yùn)轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)。由于驅(qū)動(dòng)變壓器的最大輸出電壓最高限于200v，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)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(gè)強(qiáng)大電流,磁場線圈的金屬線直徑變大，由于運(yùn)轉(zhuǎn)空間的限制，轉(zhuǎn)動(dòng)次變少。于是磁場線圈的電感僅限于一個(gè)非常小的數(shù)值。一個(gè)階段的電感測量值約為1kHz有30pH，在PWM頻率中減少到一個(gè)非常小的數(shù)值，25kH中低于1.5pH。如上所述，因?yàn)榫€圈電感極其小，它的電力時(shí)間系數(shù)非常小。這就意味著我們能很好的控制它。然而，這個(gè)極其小的電力時(shí)間系數(shù)在PMW頻率中引起很大的電波，這個(gè)電波就造成了強(qiáng)烈的噪音。強(qiáng)烈噪音給控制系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的問題。為了分析電波，我們進(jìn)行電動(dòng)電流的數(shù)字摹擬。圖l(一)是用于模擬的簡化同步電動(dòng)機(jī)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(gè)模擬結(jié)果的實(shí)例，伺服放大器的輸出頻率為300Hz。如圖2（a）所示，電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)結(jié)果的詳細(xì)情況。而模擬結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果完全吻合。因而模擬結(jié)果表明了電機(jī)電流在PMW頻率下有很大的電流波動(dòng)。這個(gè)模擬非常清楚地表明伺服電機(jī)和電壓放大器對(duì)線圈感應(yīng)系數(shù)的減小產(chǎn)生了很強(qiáng)的噪音。由于鐵心的磁場特性，如此大功率的電機(jī)，線圈電感在高的轉(zhuǎn)換頻率下急劇減小。由轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的噪音是這種數(shù)控磨床的一格非常嚴(yán)重的問題。為了達(dá)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(zhuǎn)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(qiáng)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(zhuǎn)換噪音的討論和試驗(yàn)結(jié)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(shí)率、高速的入碼器來實(shí)現(xiàn)其高度、高速同步控制，因?yàn)檫@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(qiáng)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Emural，它消除噪音的能力已經(jīng)得到了認(rèn)證2-4。圖3是高速數(shù)控齒輪磨床中磨削主軸與運(yùn)轉(zhuǎn)主軸之間的高速同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)主軸都是由二相型PLL控制的。指令脈沖發(fā)電機(jī)產(chǎn)生二個(gè)脈沖列，它們的頻率比是磨削主軸與運(yùn)轉(zhuǎn)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(gè)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(shí)現(xiàn)。二相型PLL的二個(gè)內(nèi)插器導(dǎo)入高辨析率的入碼器信號(hào)，齒輪轉(zhuǎn)角內(nèi)導(dǎo)入的輸出脈沖被送到驅(qū)動(dòng)變壓器。A.應(yīng)用二相型PLL的內(nèi)插器的扶輪轉(zhuǎn)角高辨析度檢測我們這次用的驅(qū)動(dòng)變壓器需要利用一個(gè)二相型矩形信號(hào)來產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)角同步的三相磁場。然而,由于電流感應(yīng)引起的噪音，我們不能使用傳統(tǒng)的比測儀型內(nèi)插器。于是,作者設(shè)計(jì)出特殊的內(nèi)插器，如圖4所示，使用二相型PLL來檢測主軸的扶輪轉(zhuǎn)角。這一內(nèi)插器的電路主要依照3所描述的樣子來設(shè)計(jì)的,因此一下只對(duì)他們進(jìn)行簡短的描述。輸入信號(hào)是從入碼器獲得的一個(gè)二相正弦波(sinBi&,cosBi)。擺動(dòng)器(VCO)控制的電壓則產(chǎn)生一個(gè)二相正弦波(si