蜗轮母机

技术领域

本发明属于机械加工设备技术领域，具体的为一种蜗轮母机。

背景技术

机械驱动与传动是装备制造业的基础，其中蜗轮副是传递运动和动力的关键基础件，也是保证齿轮机床、分度转台等精度的关键核心部件，代表国家工业和国防装备水平。采用圆光栅和编码器，通过蜗轮副高精度闭环控制，可保证高精度静态分度，但动态精度还必须依赖高精度分度蜗轮。高精度分度蜗轮广泛应用于精密机床、大型天文望远镜、导弹拦截设备、雷达装置等高端装备，决定其性能水平和核心竞争力。分度蜗轮精度直接影响传递运动准确性、平稳性及载荷分布的均匀性，其精度越高，传递运动精度越高，机械效率越高，耐磨性越好，疲劳寿命越长，机械震动和噪声越小。分度蜗轮零件的成形精度主要取决于蜗轮母机加工精度、刀具精度、工艺方法、材料及环境稳定性等，其中蜗轮母机加工精度是影响蜗轮精度的最关键因素。

高精度蜗轮加工包络运动复杂，滚剃加工切削界面发热量大，热误差占比70％以上；且多轴联动展成加工误差难以溯源，通常采用试错修调法进行综合误差补偿，即：通过对比试切齿面与设计齿面，获得测量的齿形齿向误差，据此对蜗轮刀具进行反向修形及机床轨迹反向设定后再加工，多次迭代加工获得设计要求的齿面精度，该综合误差调控方法提升加工修形精度困难、效率极低。目前，由于高精度蜗轮形性可控加工工艺与工装匮乏，导致难以实现蜗轮高精、高效加工，无法保证蜗轮服役性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种蜗轮母机，能够满足蜗轮高精、高效的加工要求。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种蜗轮母机，包括用于装夹蜗轮工件的工作台、用于装夹刀具的刀架和用于调节所述刀架相对于所述工作台位置的刀架调节系统；

所述刀架包括大托架，所述大托架上设有第一滑轨，所述第一滑轨上设有与其滑动配合的滑座，所述滑座上设有第二滑轨，所述第二滑轨上设有与其滑动配合的小托架，所述第一滑轨与所述第二滑轨之间相互平行；所述大托架与所述滑座之间设有刀架主轴，所述刀架主轴面向所述小托架的一端与所述小托架之间设有与所述刀架主轴同步转动的刀杆，所述大托架内设有用于驱动所述刀架主轴转动的齿轮箱；

所述滑座与所述刀架主轴之间设有第一静压轴承机构，所述刀杆与所述小托架之间设有第二静压轴承机构。

进一步，所述第一静压轴承机构包括套装在所述刀架主轴上的第一轴套，所述第一轴套与所述刀架主轴之间形成第一静压油腔。

进一步，所述第一轴套的内孔为圆锥孔，所述刀架主轴上设有与所述第一轴套配合的圆锥段，所述圆锥孔和圆锥段的锥度相等；所述滑座上设有用于安装所述刀架主轴的第一安装部，所述第一轴套与所述第一安装部的其中一侧侧面之间限位配合并设有用于调节所述第一轴套相对于所述圆锥段的轴向位置进而调节所述第一轴套与所述圆锥段之间的配合间隙的第一调节垫圈。

进一步，所述第一安装部的另一侧侧面上固定安装设有套装在所述刀架主轴上的定位板，所述定位板的两侧分别设有用于承受轴向力的推力轴承；所述刀架主轴上设有位于所述圆锥段与所述定位板之间的第一轴肩，所述定位板背向所述第一轴套的一侧设有套装在所述刀架主轴上的限位套，所述限位套背向所述定位板一侧设有与所述刀架主轴之间螺纹配合的主轴螺母，其中一个所述推力轴承设置在所述定位板与所述第一轴肩之间，另一个所述推力轴承设置在所述定位板与所述限位套之间。

进一步，所述第二静压轴承机构包括滑动配合套装在所述刀杆上并与所述刀杆同步转动的套筒，所述套筒外套装设有第二轴套，所述第二轴套与所述套筒之间形成第二静压油腔。

进一步，所述第二轴套的外壁为圆锥面，所述小托架上设有与所述圆锥面配合的圆锥通孔，所述圆锥面与所述圆锥通孔的锥度相等；所述第二轴套上设有沿其母线方向设置的胀紧缝，所述小托架上设有用于调节所述第二轴套相对于所述圆锥通孔的轴向位置进而调节所述第二轴套与所述套筒之间的配合间隙的间隙调节机构。

进一步，所述第二轴套的外侧壁上还环形均布设有变形沟槽，所述变形沟槽沿所述第二轴套的母线设置，所述变形沟槽内设有用于驱动所述第二轴套自适应变形的限位卡环；所述第二轴套的内壁上还设有油槽，所述油槽内设有与所述第二轴套的外壁贯通的油孔，所述圆锥通孔的内壁上与所述油孔对应设有环形油槽。

进一步，所述齿轮箱内设有与所述刀架主轴平行的第一转轴，所述刀架主轴上设有分别与其同步转动的第一齿轮和第二齿轮，所述第一转轴上设有同时与所述第一齿轮和第二齿轮啮合的第三齿轮，且所述第二齿轮与所述第一齿轮之间的轮齿数量之差的绝对值等于1。

进一步，所述刀架主轴上套装设有传动齿轮轴，所述第一齿轮和第二齿轮均与所述传动齿轮轴同步转动；所述传动齿轮轴的一端设有与其固定连接的连接盘，所述连接盘设为至少两瓣，相邻两瓣所述连接盘之间设有与所述刀架主轴配合的平键。

进一步，所述齿轮箱的箱体与所述传动齿轮轴之间设有用于承受径向力的圆柱滚子轴承。

进一步，所述工作台包括外壳，所述外壳的上方设有工作台本体，所述工作台外壳内设有芯轴和用于驱动所述芯轴转动的蜗轮蜗杆机构，所述工作台本体与所述芯轴同步转动；

所述蜗轮蜗杆机构包括轴线相互平行的分度蜗杆和阻尼蜗杆，所述分度蜗杆和阻尼蜗杆的同一端分别设有相互啮合的第一啮合齿轮和第二啮合齿轮，所述第一啮合齿轮和第二啮合齿轮之间的传动比等于1，所述分度蜗杆和阻尼蜗杆的螺旋角相同但旋向相反；

所述芯轴上套装设有与其同步转动的芯轴套，所述芯轴套上设有分别与所述分度蜗杆啮合的分度蜗轮和与所述阻尼蜗杆啮合的阻尼蜗轮，所述分度蜗杆上传动连接有动力组件，所述阻尼蜗杆上设有用于驱动其沿其轴向方向微量移动确保所述阻尼蜗杆与阻尼蜗轮之间无间隙啮合的微动组件。

进一步，所述外壳与所述芯轴之间设有轴向静压导轨和径向静压导轨；所述轴向静压导轨与所述芯轴同轴并设置在所述芯轴的上端面上，所述工作台本体的底面上设有用于让位所述轴向静压导轨的环形凹槽；所述径向静压导轨与所述芯轴同轴并套装在所述芯轴外；所述外壳内设有用于向所述轴向静压导轨与所述芯轴的配合面之间以及用于向所述径向静压导轨与所述芯轴的配合面之间提供液压油进而形成液压油膜的液压油路。

进一步，所述刀架调节系统包括底座，所述底座上设有X向导轨和与所述X向导轨滑动配合的台座，所述台座上设有与X向导轨垂直的Y向导轨和与所述Y向导轨滑动配合的刀架座，所述刀架座上设有Z向导轨，所述Z向导轨同时与所述X向导轨和Y向导轨垂直；所述大托架滑动配合安装在所述Z向导轨上。

本发明的有益效果在于：

本发明的蜗轮母机，通过设置工作台和刀架，利用刀架调节系统调节刀架相对于工作台的位置，进而可利用装夹在刀架上的刀具实现对装夹在工作台上的蜗轮工件的加工；具体的，通过将刀架设置为相互滑动配合的大托架、滑座和小托架，并将刀架主轴安装在大托架与滑座之间，将刀杆安装在刀架主轴与小托架之间，如此，可方便地驱动刀架主轴以及刀杆之间轴向移动，从而实现更换刀具；通过在滑座与刀架主轴之间设置第一静压轴承机构，在刀杆与小托架之间设置第二静压轴承机构，可提高刀架主轴以及刀杆的刚性和传动精度，以满足蜗轮高精、高效的加工要求。

本发明的蜗轮母机，通过在刀杆上安装不同齿形的刀具，即可系列化、多样化加工得到高精度的不同齿形的蜗轮，通用性更好，本发明的蜗轮母机可满足渐开线蜗轮、法向直廓蜗轮、阿基米德蜗轮等各类齿形的蜗轮的高精度系列化加工要求。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明蜗轮母机实施例的结构示意图；

图2为刀架的结构示意图；

图3为第一静压轴承机构的结构示意图；

图4为第二静压轴承机构的结构示意图；

图5为第二轴套的结构示意图；

图6为齿轮箱的结构示意图；

图7为连接盘、传动齿轮轴和刀架主轴之间的连接关系示意图；

图8为工作台的结构示意图；

图9为蜗轮蜗杆机构的结构示意图；

图10为分度蜗杆与分度蜗轮之间的啮合关系示意图；

图11为阻尼蜗杆与阻尼蜗轮之间的啮合关系示意图；

图12为为全数字交流驱动硬件平台的电路图；

图13为全数字交流驱动装置控制软件平台调度结构的原理图；

图14为全数字交流驱动装置控制软件平台的软件层次框图实现架构示意图；

图15为全数字交流驱动驱动系统模块结构框图；

图16为多轴硬件电流矢量控制结构流程图；

图17为高精度高响应伺服控制实现；图17a为采样传统电流矢量控制的响应图；图17b为采样硬件电流矢量控制的响应图；

图18为交流电机宽范围调速系统的统一控制原理图；

图19为转矩电流指令和反馈指令曲线图；

图20为算法改进前后主轴启动对比曲线图；

图21为高速主轴电机升减速动态过程曲线图；图21a为3.7Kw主轴电机24000rpm(800Hz)加速过程曲线图；图21b为3.7Kw主轴电机24000rpm－0(800Hz)降速过程曲线图；

图22为主轴传统定向和运动中定向对比曲线图；

图23为NCUC分布时钟同步模式图；

图24为总线运动轴时钟同步控制效果对比图；

图25为特征辨识和滤波器特性分析图；

图26为动态数据采样构成图；

图27为事件包构成图；

图28为转矩指令滤波器结构图；

图29为通过SSTT软件获得谐振频率图；

图30为伺服系统参数优化前后速度闭环频率响应；图30a不设置组合滤波器速度频率响应(闭环带宽320Hz)；图30b设置组合滤波速度频率响应(闭环带宽715Hz)；

图31为使用陷波器前后跟随误差波动对比；

图32为考虑电网变化情况下的无传感器可控整流控制算法结构；

图33为应用可控整流逆变技术的电网电压电流波形图；

图34为可控整流逆变在不同工况下的电压控制效果图；

图35为长程监控功能整体结构。

附图标记说明：

100-工作台；101-外壳；102-工作台本体；103-芯轴；104-分度蜗杆；105-阻尼蜗杆；106-第一啮合齿轮；107-第二啮合齿轮；108-芯轴套；109-分度蜗轮；110-阻尼蜗轮；111-轴向静压导轨；112-径向静压导轨；113-环形凹槽；114-液压油路；115-工作台电机；116-微动组件；117-通孔；118-底座；119-连接座；120-高精度圆光栅；

200-刀架；201-大托架；202-第一滑轨；203-滑座；203a-第一安装部；204-第二滑轨；205-小托架；206-刀架主轴；207-刀杆；208-齿轮箱；

210-第一轴套；211-第一调节垫圈；212-定位板；213-推力轴承；214-限位套；215-主轴螺母；216-密封圈；217-密封套；218-密封圈；

220-套筒；221-第二轴套；222-胀紧缝；223-变形沟槽；224-油槽；225-油孔；226-环形油槽；227-盖板；228-间隙调节垫圈；229-调节垫圈；246-密封圈；247-限位卡环；248-弹性体；249-锥形孔；250-连接杆；

230-第一转轴；231-第一齿轮；232-第二齿轮；233-第三齿轮；234-传动齿轮轴；235-连接盘；236-平键；237-圆柱滚子轴承；238-挡板；239-第二转轴；240-第三转轴；241-第四齿轮；242-第五齿轮；243-第六齿轮；244-第七齿轮；245-动力电机；

300-底座；301-X向导轨；302-台座；303-Y向导轨；304-刀架座；305-Z向导轨；306-伺服电机；307-伺服电机；308-伺服电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，为本发明蜗轮母机实施例的结构示意图。本实施例的蜗轮母机，包括用于装夹蜗轮工件的工作台100、用于装夹刀具的刀架200和用于调节刀架2相对于工作台1位置的刀架调节系统。本实施例的刀架调节系统包括底座300，底座300上设有X向导轨301和与X向导轨301滑动配合的台座302，台座302上设有与X向导轨301垂直的Y向导轨303和与Y向导轨303滑动配合的刀架座304，刀架座304上设有Z向导轨305，Z向导轨305同时与X向导轨301和Y向导轨303垂直；大托架301滑动配合安装在Z向导轨305上。具体的，底座300上设有用于驱动台座302沿X向导轨301移动的滚珠丝杆机构和伺服电机306，台座302上设有用于驱动刀架座304沿Y向导轨303移动的滚珠丝杆机构和伺服电机307，刀架座304上设有用于驱动刀架200沿Z向导轨305移动的滚珠丝杆和伺服电机308。本实施例的工作台100与底座300固定连接。即本实施例的蜗轮母机的传动链中包含一个主轴，五个伺服轴。这六个轴分别为：台座302移动(X轴)、刀架座304移动(Y轴)、刀架2移动(Z轴)、刀架回转运动(A轴)、滚刀主轴回转运动(B轴)、工作台旋转(C轴)。联动轴为B、C、X、Z四轴联动，这是由蜗轮母机加工蜗轮的任务决定的。

本实施例的刀架200包括大托架201，大托架201上设有第一滑轨202，第一滑轨202上设有与其滑动配合的滑座203，滑座203上设有第二滑轨204，第二滑轨204上设有与其滑动配合的小托架205，第一滑轨202与第二滑轨204之间相互平行；大托架201与滑座203之间设有刀架主轴206，刀架主轴206面向小托架205的一端与小托架205之间设有与刀架主轴206同步转动的刀杆207，大托架201内设有用于驱动刀架主轴206转动的齿轮箱208；滑座203与刀架主轴206之间设有第一静压轴承机构，刀杆207与小托架205之间设有第二静压轴承机构。

具体的，本实施例的第一静压轴承机构包括套装在刀架主轴206上的第一轴套210，第一轴套210与刀架主轴206之间形成第一静压油腔。第一轴套210的内孔为圆锥孔，刀架主轴206上设有与第一轴套210配合的圆锥段，圆锥孔和圆锥段的锥度相等；滑座203上设有用于安装刀架主轴206的第一安装部203a，第一轴套210与第一安装部203a的其中一侧侧面之间限位配合并设有用于调节第一轴套210相对于圆锥段的轴向位置进而调节第一轴套210与圆锥段之间的配合间隙的第一调节垫圈211。通过将第一轴套210的内孔设为圆锥孔，并在刀架主轴206上设置与圆锥孔的圆锥段，通过调节第一轴套210相对于刀架主轴206的轴向位置，从而可以保证第一轴套210与刀架主轴206之间的配合间隙，从而保证第一轴套210与刀架主轴206之间的静压轴承间隙，确保静压轴承间隙在要求范围内，然后再用可靠稳定的静压系统和静压调节元件，确保第一静压轴承机构的高精度、高刚性。

本实施例的第一安装部203a的另一侧侧面上固定安装设有套装在刀架主轴206上的定位板212，定位板212的两侧分别设有用于承受轴向力的推力轴承213；刀架主轴206上设有位于圆锥段与定位板212之间的第一轴肩，定位板212背向第一轴套210的一侧设有套装在刀架主轴206上的限位套214，限位套214背向定位板212一侧设有与刀架主轴206之间螺纹配合的主轴螺母215，其中一个推力轴承213设置在定位板212与第一轴肩之间，另一个推力轴承213设置在定位板212与限位套214之间。通过设置推理轴承213，用于承受蜗轮加工过程中的轴向力。

具体的，第一静压油腔的两端还设有密封机构，密封机构包括设置在第一轴套210于刀架主轴206之间的密封圈216、套装在限位套214外的密封套217和设置在密封套217与限位套214之间的密封圈218。

本实施例的第二静压轴承机构包括滑动配合套装在刀杆207上并与刀杆207同步转动的套筒220，套筒220外套装设有第二轴套221，第二轴套221与套筒220之间形成第二静压油腔。具体的，本实施例的第二轴套221的外壁为圆锥面，小托架205上设有与圆锥面配合的圆锥通孔，圆锥面与圆锥通孔的锥度相等。具体的，圆锥面与圆锥通孔的锥度的取值范围为0.5°～5°，优选的锥度为1°，能满足使用要求。第二轴套221上设有沿其母线方向设置的胀紧缝222，小托架205上设有用于调节第二轴套221相对于圆锥通孔的轴向位置进而调节第二轴套221与套筒220之间的配合间隙的间隙调节机构。间隙调节机构包括分别设置在小托架205两侧的盖板227，其中一个盖板227与第二轴套221之间设有间隙调节垫圈228，另一个盖板227与小托架205的侧壁之间设有调节垫圈229，通过改变间隙调节垫圈228和调节垫圈229的厚度，即可调节第二轴套221相对于圆锥通孔的轴向位置，进而对第二轴套221施加径向压力使胀紧缝222缩小，减小第二轴套221内孔尺寸，或松开第二轴套221使胀紧缝222在其自身的弹性变形作用下张开，增大第二轴套221的内孔尺寸，即可调节第二轴套221与套筒220之间的第二静压油腔的间隙，将第二静压油腔间隙调节到很小，一方面减小了磨损提升了刚性，另一方面提高了传动精度。具体的，两个盖板227与套筒220之间分别设有弹性体246，用于密封第二静压油腔。套筒220的两端分别设有限位卡环247，限位卡环247与第二轴套221限位配合，防止套筒220从第二轴套221上脱落。

具体的，本实施例的第二轴套221的外侧壁上还环形均布设有变形沟槽223，变形沟槽223沿第二轴套221的母线设置，变形沟槽223内设有用于驱动第二轴套221自适应变形的限位卡环248，限位卡环248采用金属橡胶弹性体，在特殊与极端环境下(高温或剧烈振动)具有所选金属的固有特性，又具有类似于橡胶一样的弹性，在空间环境下不蒸发，不惧高温，不怕空间辐射和粒子撞击，选择不同金属还可适应耐腐蚀环境，具有防老化和阻尼减振等特性。通过设置变形沟槽223，便于驱动第二轴套221变形以调节第二静压油腔间隙。变形沟槽的数量和开槽宽度可根据第二轴套221的形状大小来确定，具体的，变形沟槽数量的取值范围可为4～9个，其长度等于第二轴套221在轴向方向的长度，深度等于第二轴套221径向厚度的0.3～0.7倍，开槽宽度等于0.01～1.5mm。胀紧缝222的长度等于第二轴套221在轴向方向上的长度，其宽度等于0.001～1mm。第二轴套221的内壁上还设有油槽224，油槽224内设有与第二轴套221的外壁贯通的油孔225，圆锥通孔的内壁上与油孔225对应设有环形油槽226，具体的，油槽224的数量为变形沟槽数量的一半，油孔225数量的取值范围为1～5个。经过优选，本实施例的变形沟槽223的数量为6个，其深度等于第二轴套221径向厚度的0.6倍，宽度等于0.2mm；胀紧缝222的宽度等于0.02mm；油槽224数量为3个，每个油槽224内设有的油孔225数量为2个，能够满足使用条件。

具体的，本实施例的刀架主轴206内设有中心通孔，中心通孔面向小托架205的一端设有锥形孔249、另一端设有沉孔，锥形孔249的内径沿着刀架主轴206指向刀杆207的方向逐渐增大，刀杆207与刀架主轴206连接的一端设为与锥形孔249配合的锥形连接段。中心通孔内设有连接杆250，连接杆250的一端与刀杆207螺纹连接、另一端设有轴环与沉孔限位配合。

进一步，齿轮箱208内设有与刀架主轴206平行的第一转轴230，刀架主轴206上设有分别与其同步转动的第一齿轮231和第二齿轮232，第一转轴230上设有同时与第一齿轮231和第二齿轮232啮合的第三齿轮233，且第二齿轮232与第一齿轮231之间的轮齿数量之差的绝对值等于1。本实施例的第一齿轮231上设有轴向延伸的第一凸台，第二齿轮232安装在第一凸台上并与第一齿轮231同步转动，且第一齿轮231上设有用于轴向限位第二齿轮232的挡板238。通过将第一齿轮231和第二齿轮232设置为同步转动并同时与第三齿轮233啮合，使第一齿轮231和第二齿轮232之间的轮齿数量之差的绝对值等于1，本实施例的第二齿轮232的轮齿数量比第一齿轮231的轮齿数量多一个，如此，能有效消除齿间间隙，解决了传统刀架齿轮传动存在的齿间冲击、刀架噪音大、传动精度不高等问题，保证了传动平稳性，降低了噪音，确保了传动精度和切齿精度，具有设计巧妙、结构简单、改造容易、改造成本低等特点。

进一步，刀架主轴206上套装设有传动齿轮轴234，第一齿轮231和第二齿轮232均与传动齿轮轴234同步转动；传动齿轮轴234的一端设有与其固定连接的连接盘235，连接盘235设为至少两瓣，相邻两瓣连接盘235之间设有与刀架主轴206配合的平键236。本实施例的连接盘235设为两瓣，通过两瓣连接盘235之间的平键可以调整刀架主轴206与传动齿轮轴234之间的同轴度，保证其传动精度。当传动齿轮轴234转动时，可带动连接盘235转动，而连接盘235将刀架主轴206及平键236卡在中间并跟随传动齿轮轴234一起做回转运动，其中的间隙可以通过配磨的方式可以调节到很小，这样就提高了主轴的传动精度；而当需要窜刀时，可由滑座带动刀架主轴206在两瓣连接盘235之间滑动。具体的，齿轮箱208的箱体与传动齿轮轴234之间设有用于承受径向力的圆柱滚子轴承237。

具体的，齿轮箱208内还设有以第一转轴230平行的第二转轴239、第三转轴240，第一转轴230和第二转轴239之间设有相互啮合的第四齿轮241和第五齿轮242，第二转轴239和第三转轴240之间设有相互啮合的第六齿轮243和第七齿轮244，第三转轴240的一端与动力电机245传动连接。

进一步，工作台100包括外壳101，外壳101的上方设有工作台本体102，工作台外壳101内设有芯轴103和用于驱动芯轴103转动的蜗轮蜗杆机构，工作台本体102与芯轴103固定连接并同步转动。具体的，本实施例的蜗轮蜗杆机构包括轴线相互平行的分度蜗杆104和阻尼蜗杆105，分度蜗杆104和阻尼蜗杆105的同一端分别设有相互啮合的第一啮合齿轮106和第二啮合齿轮107，第一啮合齿轮106和第二啮合齿轮107之间的传动比等于1，分度蜗杆104和阻尼蜗杆105的螺旋角相同但旋向相反。芯轴103上套装设有与其同步转动的芯轴套108，芯轴套108上设有分别与分度蜗杆104啮合的分度蜗轮109和与阻尼蜗杆105啮合的阻尼蜗轮110，分度蜗杆104上传动连接有动力组件，阻尼蜗杆105上设有用于驱动其沿其轴向方向微量移动确保阻尼蜗杆105与阻尼蜗轮110之间无间隙啮合的微动组件。具体的，动力组件包括与分度蜗杆104传动连接的工作台电机115，微动组件116为设置在阻尼蜗杆105一端的液压缸，阻尼蜗杆105的一端延伸伸入液压缸内并设有与液压缸配合的活塞，即阻尼蜗杆105同时作为液压缸的活塞杆，利用液压缸可对阻尼蜗轮110施加轴向作用力，使阻尼蜗杆105向阻尼蜗轮110旋转的相反方向微量移动，确保蜗杆蜗轮始终处于无隙啮合之中，从而达到了工作台分度副无间隙的目的，消除了在切削过程中因间隙产生震动不平稳现象，提高了动态刚性和切齿精度。同时由于蜗轮蜗杆机构采用双蜗杆双蜗轮，即使蜗轮受到摩损后，仍能保持无隙加工，无需因磨损重新调整蜗轮副间隙，使分度副精度保持性好。本实施例提高了工作台100的分度精度，工作台面的径向直线度为0.012mm，回转轴线的径向圆跳动为0.001mm,轴向窜动为0.001mm，轴向圆跳动为0.002mm。

进一步，本实施例的外壳101与芯轴103之间设有轴向静压导轨111和径向静压导轨112；轴向静压导轨111与芯轴103同轴并设置在芯轴103的上端面上，工作台本体102的底面上设有用于让位轴向静压导轨111的环形凹槽113；径向静压导轨112与芯轴103同轴并套装在芯轴103外；外壳101内设有用于向轴向静压导轨111与芯轴103的配合面之间以及用于向径向静压导轨112与芯轴103的配合面之间提供液压油进而形成液压油膜的液压油路114。通过设置轴向静压导轨111和径向静压导轨112，消除了传统轴承摩擦热效应的影响，同时由于油膜的存在，芯轴103和工作台本体102与外壳101之间均不产生直接摩擦，没有运动热的产生，提高了工作台的回转精度；由于消除了直接摩擦，亦使该静压轴承使用寿命原高于传统轴承，显著节省了后期维护成本，降低了维护难度。

具体的，本实施例的芯轴103内设有通孔117，通孔117内设有与外壳101固定连接的底座118，工作台本体102的底面上设有连接座119，底座118和连接座119之间设有高精度圆光栅120。

本实施例的蜗轮母机，通过设置工作台和刀架，利用刀架调节系统调节刀架相对于工作台的位置，进而可利用装夹在刀架上的刀具实现对装夹在工作台上的蜗轮工件的加工；具体的，通过将刀架设置为相互滑动配合的大托架、滑座和小托架，并将刀架主轴安装在大托架与滑座之间，将刀杆安装在刀架主轴与小托架之间，如此，可方便地驱动刀架主轴以及刀杆之间轴向移动，从而实现更换刀具；通过在滑座与刀架主轴之间设置第一静压轴承机构，在刀杆与小托架之间设置第二静压轴承机构，可提高刀架主轴以及刀杆的刚性和传动精度，以满足蜗轮高精、高效的加工要求。

下面对适用于本实施例蜗轮母机的伺服轴闭环控制、伺服轴静动态响应特性与伺服优化的具体实施方式进行说明。

1、全数字化驱动装置软硬件统一平台设计

如图12所示，为全数字交流驱动硬件平台的电路图。由于系统要求硬件不仅能够支持高速高精度灵活的信号处理，而且可以完成高精度的伺服控制运算，因此采用高性能数字信号处理器(DSP)和大规模现场可编程门阵列(FPGA)合理地设计全数字交流驱动装置硬件平台的各种功能模块非常关键，在硬件平台上实现高响应、高精度的伺服功能和主轴控制功能，也要求在实时控制核心的调度下，将各个控制软件模块有序地管理，同时还需要设计各种高精度伺服控制算法、信号采集处理算法、同步协调、接口管理等多种功能要求，这是一个非常关键的基础问题。

统一硬件控制平台设计思路：以新一代高性能DSP、大容量FPGA构建伺服驱动装置控制平台，以新一代IPM模块为核心构建驱动装置功率变换模块，设计具有统一结构的全数字交流驱动硬件平台，在软件平台支撑下，配合不同的应用软件模块，可分别实现交流永磁同步伺服电机、交流感应式异步主轴电机、交流永磁同步主轴电机、交流永磁直线电机、交流永磁力矩电机的控制；硬件电路主要由两部分组成：控制平台、功率变换平台(包括AC-DC整流电源部分和DC-AC逆变器，开关电源电路)，如图12所示。

控制平台中，中，采用32位定点运算功能的高性能数字信号处理器(DigitalSignal Processor)TMS320LF2812，完成高实时性的全数字矢量控制和闭环伺服控制，大规模现场可编程门阵列FPGA EP4CE22实现外部I/O信号管理、故障信号处理、控制参数设定、键盘处理、状态显示、串行通讯、实时通用编码器接口处理、高精度电流检测等功能。

其中通用指令接口可适配不同类型的指令接口模块连接不同类型的指令接口(包括各种现场总线以及基本的模拟量、脉冲量信号等)；通用编码器接口可连接包括绝对值编码器、正余弦编码器、增量式编码器等反馈元件；高精度电流检测实现实时的电流信号降噪测量，满足高精度、高响应、数字化伺服控制要求。

功率变换平台包括独立可控的AC-DC整流电源、软启动及泵升泄放控制电路、DC-AC逆变器、开关电源等功率电路。选配不同功率的功率器件可形成各种功率规格的驱动装置。

2、驱动装置软件统一技术平台设计

采用实时操作系统的调度管理体系结构和数据结构形式的模块封装方法，开发驱动装置基础软件平台，并根据系统的控制结构、控制功能、多电机工作模态的要求，开发各控制功能模块；在通用基础实时控制软件平台上进行全数字控制，实现高速、高精度和高响应伺服控制。软件平台调度管理模式如图13所示。

依据实时操作系统的基本原理，将软件框架分为三个组成部分，首先进行系统基本配置管理(BSM)，包括内核硬件配置、系统硬件配置、控制系统参数和状态初始化处理；然后建立基于定时中断标定的周期性任务调度管理框架，用于分时处理故障信息、IO信息、服务通道信息、参数管理、显示处理等任务，所有任务均采用模块化编程、结构方法封装、函数调用的方式处理，提高软件可靠性和执行效率；最后设计具有实时处理能力的定时处理中断框架和事件触发中断框架，用于处理系统闭环伺服控制功能和状态信息服务。

伺服驱动器软件设计不仅考虑实时性，更要考虑扩展性以及可维护性。因此使用了模块化、分层的设计思路。把整个伺服驱动单元程序划分成若干个模块，每个模块完成一个子功能，把这些模块集中起来组成一个整体，满足伺服控制的功能。每个模块所包含的信息，不允许其它不需要这些信息的模块访问，独立的模块间仅仅交换为完成系统功能而必须交换的信息。信息隐蔽的基本原则：功能独立，高内聚且低耦合。

伺服控制软件设计充分追求尽可能松散隅合的系统，模块间联系简单，则一处发生的错误传播到他处的可能性就小。所以模块间的锅合度对系统的可理解性、可测试性、可靠性和可维护性影响极大，两个模块之间通过参数交换信息，而且交换的信息仅是数据。

因此，在不同的硬件平台上，依次划分了外设层，算法层和应用层，如图14所示。外设层主要包括芯片的外设定义，比如ADC采样通道定义，PWM引脚定义，I/O接口等，这些定义取决于不同的硬件平台。而算法层则脱离了不同的具体硬件平台而存在，比如电机控制中的各种变换，各类调节器等，算法层可以移植到不同的硬件平台上。应用层则是根据不同的应用场合，调用不同的应用程序等。基于统一电机理论的全数字交流驱动驱动装置控制框图如图15所示。

其中，利用不同的功能模块组合可以实现不同的伺服控制功能，满足不同的系统应用要求。设计完成的针对交流永磁同步伺服电机控制采用的策略：

1)高精度、高响应位置、速度伺服控制；

2)统一的交直轴电流控制，基于极限园的过调制处理策略；

3)基于电压极限园的弱磁升速控制策略；

4)双驱力矩、转速主从同步控制策略；

5)多极对数电机、多分辨率光电编码器信息统一处理策略。

针对交流感应式异步主轴电机控制采用的策略：

位置、速度伺服控制；统一的交直轴电流矢量控制算法；基于电压控制的弱磁电流设定控制算法；电流矢量协调跟踪优化分配控制算法；转差矢量功率角校正算法。针对可控整流电源控制采用的核心策略：电压、电流双闭环控制；统一的软硬件锁相环矢量控制算法；基于电压自适应的无功功率控制算法；电网相序自适应控制算法；

3、高精度伺服控制

数控加工对机床运行速度且保持平稳性的要求越来越高，目前，国外伺服驱动器产品已经普遍采用高分辨率绝对式编码器，来大幅度提高反馈精度，反馈分辨率通常都在17位以上，这使得驱动系统的定位和运行精度大大提高，速度波动、转矩波动减至最低；同时使新的算法的可以更好地实现，如摩擦补偿、转矩前馈、自适应陷波滤波器等，也使得系统的带宽、响应特性大大增强。

目前已经在驱动器中完成的主要关键伺服控制技术包括:

(1)高精度反馈信号处理与高速硬件电流环矢量控制技术

在FPGA中完成了多轴电流矢量控制，开发了一种高速、高精度、多轴伺服电机电流环全硬件控制方法，以现场可编程门阵列(FPGA)为核心控制单元，控制系统包括FPGA与微处理器的并行总线通讯接口模块、编码器处理接口模块、AD采样控制模块、电流调理模块、矢量变换模块、CORDIC旋转迭代模块、高性能复矢量调节器模块、多轴SVPWM运算模块、标准PWM输出接口以及时序规划模块。电流控制采样时钟60MHz，完成一次单轴电流控制时间小于2us。

(2)高精度正余弦编码器硬件解码技术

利用硬件FPGA资源，在硬件上实现编码器正余弦模拟信号A/D转换和周期信号计数处理的严格同步，在FPGA上实现了内插反正切计算结果和计数值的容错解码对齐，保证信号处理的精确性，实现了256倍内插细分处理，编码器反馈信号的最终处理分辨率可以达到23位。图16为高速高精度硬件电流矢量控制流程图。

(3)高精度伺服控制算法与参数自适应优化技术

针对伺服控制三闭环控制的特点，主要从信号降噪、降低量化截断误差、提高变量有效字长等手段，设计开发了16位过采样实时电流降噪检测算法、速度反馈脉宽测量算法(速度反馈计算分辨率0.001rpm)、32位高精度速度复合前馈控制算法、64位高精度位置调节复合控制算法从整体上提高系统的稳态精度及暂态性能，实现数字交流伺服系统的高精度平滑控制。根据电机的机座分类和功率参数的不同，建立了64种不同规格型号的电机参数描述数据库和应用类别模式，可以根据不同的应用和电机类型，自动适配适应控制器参数，同时利用伺服电机绝对式编码器的数字通讯功能，实现了“电子标签”功能，可以自动适配电机参数，完成控制器基本参数自动设置。

目前完成的驱动装置系统经过试验和现场验证的主要性能指标：

同步伺服系统位置反馈分辩率达到29位，伺服控制电流采样周期达到31.25us(包含正余弦编码器细分处理、全闭环控制等)，控制交流同步伺服电机最高转速7200rpm，控制交流异步主轴最高频率800Hz(24000rpm)，速度控制最低分辩率可以达到0.001rpm。图17为硬件电流矢量控制响应对比结果。

在华中8型系统主轴伺服驱动控制策略中，采用了“基于间接转子磁场定向的电机宽范围最大转矩控制算法”，实现了主轴电机的高响应宽频率控制性能。

在一般传统的主轴驱动方案中，主要考虑的是励磁电流分配单一问题，通常采用“1/ωr弱磁方法”及相关改进算法。此类算法在弱磁区使磁场电流与转速成反比，是一种开环的磁场电流给定方法，工程实现较方便，但是没有综合考虑弱磁过程中电机电感的变化对磁场电流的影响以及电压矢量分配策略对高频域电流响应的严重制约，更不能根据实际负载变化对磁场电流进行相应的调整，因此难以在宽范围内获得理想的最大转矩输出，严重情况时甚至会造成电流控制失控。

而在主轴驱动器控制策略中所提出的“基于间接转子磁场定向的电机宽范围最大转矩控制算法”，综合性地考虑了电流矢量分配、电压矢量优化协调、磁场定向实时调整等问题，能够使电流输出快速地逼近最优电流控制轨迹，得到最大的转矩输出；同时灵活分配电压矢量的作用，使电流控制响应的快速、平滑，可以在很宽的频率范围内保证系统的稳定性。

根据转子磁场定向的解耦控制模型，可构建如图18所示的交流电机双闭环调速系统的统一控制平台。其中，实现交流电机磁场定向矢量控制的关键——磁场定向角θ

系统的外环为速度控制环，其输入变量为速度指令

采用如上述的综合性控制方案，得到如图19所示的转矩电流响应结果，可以看出电流指令响应得到比较好地跟随，从而保证了电机的响应特性。

采用“基于间接转子磁场定向的电机宽范围最大转矩控制算法”后，主轴升降速时间大为缩短。以7.5Kw、额定转速1500r/min、最高转速8000r/min的异步主轴电机为例，当速度从0-8000r/min变化，采用传统“1/ωr弱磁方法”改进方法需要1.8秒，而采用改进的综合性主轴高响应控制算法仅需要1.3秒。如下图20所示。

在3C金属加工中，主轴转速通常达到20000r/min，经过实测，改进后的伺服驱动每次主轴升速或者降速可节省0.6秒的时间。通过一道工序需要换10把或者更多的刀具，那么每次加工可节省0.6×2×10＝12秒的时间，加工效率大为提升。

图21为主轴电机24000r/min起制动的响应结果，其中加速到24000r/min用时1.29S，加速到额定转速6000r/min用时300毫秒；从24000r/min降速到0时时间为990毫秒。另一方面，在数控机床刚性攻丝加工和换刀功能中，需要主轴实现定向功能。一般的流程是主轴需要先定向，再进行攻丝或换刀。传统的主轴控制逻辑是，主轴先降到零速，然后再定向。如图22所示。

为了适应华中8型系统高效率加工的要求，在主轴驱动控制策略中采用了“主轴高速运动中定向”技术，在主轴减到零速之前，就开始主轴定向控制。当主轴到达零速时，完成定向。相比传统方法，运用“主轴运动中定向”技术可在主轴到达零速后即开始攻丝，无需再次定向，节省了一次主轴定向所需的时间。经过实测，应用“高速定向控制算法”，使得每次攻丝可节省0.5～0.7秒的时间。对于部分需要频繁刚性攻丝的加工工艺，运用本技术可大幅缩短单次切削时间。

4、总线高速多轴实时同步技术

采用现场总线的数字化控制接口，是伺服驱动装置实现高速、高精控制的必要条件。将现场总线和工业以太网技术、甚至无线网络技术集成到伺服驱动器当中，已经成为国外厂商的常用做法。目前采用工业以太网接口，辅之以开放式的通讯协议，在高性能驱动器上得到了非常广泛的认可和应用。如日本FANUC公司现场串行伺服总线(FSSB)，德国西门子公司推出Drive_CliQ总线，日本三菱推出SSCNET_III总线，德国Beckhoff公司的EtherCAT，B&R的PowerLink，Danaher开发的SynqNet等。这些通讯协议都为多轴实时同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驱动器集成进去。在180U系列电机驱动器中，采用的NCUC-Bus是国内数控系统现场总线技术联盟拟议中的具有自主知识产权的强实时现场总线协议。所开发的具有总线接口的伺服驱动装置中，总线接口可选择RJ45、光纤；在控制软件中实现完成了应用层协议设计，而在通讯固件中依照协议开发出NCUC-bus从站FPGA程序、驱动及应用程序；通过在硬件平台上开发不同的现场总线接口模块，也可实现不同的现场总线接口，只需配合相应驱动程序和固件与软件平台连接，即可实现现场总线通讯协议。

在总线伺服驱动系统中，为了保证多轴通讯系统的同步性，往往使用分布时钟(DC)来协调各个运动轴之间的任务指令接收和指令更新，如提供的分布时钟单元使得网络中所有设备都能够获得一个彼此相差极小(小于1微妙)的绝对系统时间，从而分布时钟为各个运动轴从站提供了如下的特性：从站之间(以及与主站之间)的时钟同步、产生同步输出信号(SyncSignals)、输入事件的精确时间戳(LatchSignals)、产生同步中断、同步的数字信号量输出更新与输入采样。

由于所有支持分布时钟的从站都会有一个自己的本地时钟，此时钟在上电之后开始独立运行并有其独立的时钟源。为了同步各个从站的时钟，需要主站在初始化和运行阶段进行时钟的调整工作。各从站应用通过分布时钟提供的同步信号进行同步，可以提供更高等级的同步精度，抖动可达到纳秒级，可用于1毫秒以内的同步。本文采用的分布时钟同步模式如图23所示，由于NCUC总线采用集总帧格式，各个运动轴的指令以及状态信息都在一个数据帧中进行收发，因此可以采用数控系统主站的同步数据帧事件进行各个运动轴的指令同步同步，在同步事件到达之前主站包含过程数据的报文必须已经由FPGA内部的NCUC通讯固件处理完成，否则通过WATCHDOG监视将其视为同步出错。同时为了提高可靠性，降低系统的复杂度，在同步模式下过程数据到达后(即同步事件发生前)不会立即更新，会等到下一次分布时钟同步事件后再做处理。

在这种分布式时钟处理方式中，其考虑的核心是如何使多个运动轴能够在接收到运动指令后同步地更新，但是并没有考虑到实际的运动轴伺服驱动系统的时钟复杂性。在实际的伺服驱动器中采用工业以太网通讯接口，其运行的时钟通常包括3个：PWM逆变器工作时钟T0、伺服控制采样时钟Ts、以太网通讯时钟Tn，通常三者理论上是整数倍关系，但在硬件系统设计时，三者可能采用三个时钟源，他们之间的偏移和漂移误差难以满足整数倍的关系，甚至会因时间累计的作用产生“失步”，亦即指令虽然被同步更新了，但是因为没有和伺服控制采样同步，使得位置伺服控制并没有和指令更新同步，这在单轴运行时会产生运动“跳动”，而在多轴轨迹联动时存在明显的轨迹偏差，影响加工尺寸。

为此在伺服驱动器中设计开发了更深一步的总线同步算法，即根据NCUC的数据帧信息实时同步各个运动伺服轴的PWM逆变器工作时钟，避免偏差累计，再以倍数关系控制伺服控制的采样时钟，不仅使总线发送的位置指令同步更新，同时使伺服反馈状态变量的采样和控制同步，从而使8型数控系统各个伺服轴能够实现较高程度的真实同步，使加工过程能够在运动轴上得到准确地反映，采用这种方法，各个伺服轴的时钟同步偏差基本透明(即数据帧驻留在运动轴子站的时间，一般1～2us)，易于补偿，对于各个伺服轴的联动效果影响较小。

图24为X、Y轴联动形成圆形轨迹时的测试结果，a为X、Y轴总线指令接收同步，但X轴采样控制执行滞后Y轴时形成的运动轨迹；b为X、Y轴总线指令接收同步，但Y轴采样控制执行滞后X轴时形成的运动轨迹；c为X、Y轴总线指令接收同步，X、Y轴采样控制执行同步时时形成的运动轨迹。圆度调试的结果表明前两个结果中一个轴超前另一个轴时形成较大圆度误差((11～13um)，而重新上电后使能运动轴同步后采集数据显示圆度在正常值以内(0.2um)。

在高速高精度加工要求中，伺服驱动系统的特性是最重要的保障条件，根据现有加工过程分析，伺服系统高刚度即控制环节“高增益化”是其中的核心特性。比例积分(PI)控制结构是目前伺服系统伺服控制的主要方式，但是找到一种通用有效的PI参数整定方法仍是具有挑战性的研究课题。目前对于PI参数整定进行了大量研究如主导极点配置法、Ziegler-Nichols工程整定法、以及智能整定法等方法。然而这些方法对于控制对象及其物理系统的限制条件考虑不够，所使用的性能指标评价条件不太便于工程上反映实际的状况，因此存在控制性能不理想，分析较为复杂等问题，在工程实践中并没有得到很好的应用。作为影响系统性能的重要因素，PI参数整定前需要先明确系统的性能指标，即根据实际系统结构、物理参数和实际限制条件，才能明确如转速控制性能指标的设计限制。然后根据控制指标和简化后的低阶模型，提出了简单易于理解的PI参数整定策略，并定性分析了PI参数对系统谐振及稳定性的影响。考虑到这些要求可以发现，影响伺服控制性能的较为重要的系统特性参数是机械转动惯量和机电传动系统的频率特性，分别影响伺服驱动器的增益初始设定和优化限制。伺服驱动系统特征辨识和增益整定的基本控制结构框图如图25所示。

对于伺服驱动器的转速控制增益来说，设计人员往往追求的是在系统稳定的前提下，尽可能地提高转速环的响应速度。而系统的稳定性和响应速度可以分别由相角裕度和闭环带宽进行度量。

a.闭环带宽

系统闭环幅频特性-3dB点对应的频率，为闭环带宽值

b.相角裕度

当完成了当前惯量的辨识工作之后，即可以开始转速环控制器的增益整定。相对于电流环和转速检测环节来说，转速控制的响应速度较慢，因此可以将电流环的闭环传递函数等效为一阶惯性环节，将转速检测环节等效为比例环节进行转速控制器参数的设计。

通过对转动惯量的初始辨识，可以初步设定伺服控制参数，为进一步优化调整简化操作。在伺服系统的控制器设计、运行、调整、维护过程中所需的信息，可以将它们划分为设备类型信息、设备工况信息和运行状态信息三部分。

1)设备类型信息

设备类型信息描述了伺服系统各组成部分的规格，包括伺服电机信息，如电机电阻、电感、极对数、额定转速、额定电流等；功率等级信息，如逆变器电源、连续输出电流、瞬时最大输出电流等；编码器信息，如编码器的型号、类型、分辨率等。伺服系统调试时，需要根据设备工况信息内容，计算三环控制参数并进行伺服系统初始化配置。设备类型信息一般在上位机监控软件与伺服系统建立连接时获取，在伺服系统的监控过程中，不需要对设备类型信息实时更新。

2)设备工况信息

设备工况信息描述了伺服系统整体运行情况，包括内部状态，如主电路状态、控制模式、电机通电情况、旋转方向等；IO接口状态，如紧急停止输入、伺服ON输入、警报输出、定位完成输出等；控制参数：如三闭环控制参数、各环输出限制等等。由于设备工况信息变化较为缓慢，在伺服系统监控时其数据更新周期较长。

3)设备运行信息

监控功能需要实时获取的是描述了伺服系统当前状态的运行信息，如位置反馈、速度反馈、转矩指令和转矩反馈、三相电压和电流反馈、振动信号等，这些控制变量或反馈变量的变化很快，所以需要在伺服系统监控时进行快速采样。根据设备运行信息对采样实时性的要求，选择恰当更新频率，合理安排运行状态获取程序的执行流程，减少程序执行造成的数据采集延时。

4)基于事件的数据记录方法

按照伺服系统对指令的跟踪是否存在偏差，可将其运行状态分为稳定运行、正常跟踪、非正常跟踪和故障四种状态。

当伺服系统在正常状态下稳定运行时，状态基本保持稳定。相比于这些基本不变的稳态数据，一般更关心伺服系统检测到偏差后，在消除偏差过程中产生的动态数据。将这些伺服系统对指令跟踪过程中产生不一致偏差的时刻，称为事件。

在完成调试的伺服系统中，事件只在少数特定运行时刻发生，事件发生前后的动态数据，在伺服系统长时间运行产生的监控数据中只占有很小比重。在伺服系统运行过程中进行事件检测，以事件作为数据记录的触发条件，可以过滤掉大量对设备调试和故障检测无用的稳态运行数据，大大减少监控过程中的数据量。

以伺服系统是否停止运行为标准，可将事件分为故障事件和特征事件两大类。事件发生后，将采集伺服系统运行状态。采集对象选择必须能够实现灵活配置，以满足设备调试人员不断变化的数据采集需求，并根据采集对象的特点选择合适的收集和保存方法。按照采集对象在伺服系统运行过程中的变化特性，可将其分为稳态数据与动态数据两类。

(1)稳态数据

在伺服系统运行过程中，一些运行状态或控制参数在调试完成后，短时间内基本保持稳定或规律变换，如三闭环调节器的控制参数、电机电气参数、逆变器母线电压、位置伺服指令等。这些稳态数据在事件时刻前后基本保持稳定，所以只在事件发生瞬间进行一次记录。

(2)动态数据

除一次记录的稳态数据外，还有必须连续记录的动态数据。因为动态数据至少满足以下两个特性中的一个。第一个特性是数据的变化过程反映了伺服系统的动态控制性能，如反映转矩、速度、位置指令的跟踪情况的电机转矩电流、速度、位置等信息，需要在事件发生时刻前后对数据的变化进行记录；第二个特性是可以对数据的频域特性进行分析以反映伺服系统的运行状态，如定子电流、轴向震动、转子速度的频谱构成，数据采集需要满足香农采样定理。为同时满足这两种特性，需采集事件发生前后动态数据的变化情况，且保证采样周期恒定。以事件发生时刻为界，把动态数据分为前端采样段和触发采样段两部分，如图26所示。

通过多个稳态数据和动态数据的组合，实现对伺服系统运行的全面描述，事件相关的数据内容，以事件包的形式存储。事件包由事件类型段、设备状态段和采样数据段三部分构成，如图27所示。事件类型段包括了事件时间、事件代码，用以指明在什么时刻发生了什么事件，设备状态段保存采集的稳态数据，采样数据段保存采集的动态数据。

5、应用多种滤波器组合的高刚度伺服控制

伴随着高精度加工在表面光洁度方面的特殊要求，势必要通过提高伺服控制增益来保证驱动系统的响应速度，以减小跟踪偏差，使实际路径变化能够更好地反映工件轨迹的变化，与此同时，数字控制的量化误差引起的非线性频率变化以及机电传动系统的谐振问题都将限制这一期望的实现，现实的方法是通过设计多种滤波器组合插入到转矩指令处理环节，减小因增益提高产生的振动现象，使系统保持较高的刚度，改善多轴联动的轨迹加工效果。转矩指令滤波器位于速度环PI调节器之后，是为了平滑速度环PI输出而设置的环节，其目的是获得平滑的转矩，以减少转矩脉动这一威胁电机运行的现象。转矩指令滤波器中串行配置有一次延迟滤波器和陷波滤波器，如图28所示。

可以很明显的看出，转矩指令滤波器是由两个低通滤波器和两个陷波滤波器组成的，目前陷波器参数和一二阶低通滤波器参数，可以在华中8型系统或伺服系统调试支持软件中设定。而其中实现谐振频率点的辨识观测功能，可以通过SSTT软件或伺服调整软件，高速采集电流环指令信号，然后将时域信号转化为频域信号，可得到系统的谐振频率，也就是“陷波器频率”参数，如图29所示。

通常，在不设置陷波器的情况下，伺服驱动速度环增益一般可调整至300Hz左右(1200～1500区间)；设置陷波器后，速度环增益最高可调至近700Hz(2800左右)，电流波动、跟踪误差波动等指标会显著下降，从而提升系统加工精度。图30给出了经过参数辨识和控制器增益优化后伺服系统的闭环响应对比。图31是设置组合滤波+陷波器前后，在8型数控系统中进行八面体加工时各斜面跟踪误差波动对比。

6、具有电网工况自适应的无传感器可控整流逆变控制

在高速高精度加工要求中，由于运动伺服轴需要频繁高速启制动，伺服驱动器逆变器部分的直流侧电压变化剧烈，为了抑制其变化，常规的方法是采用泵升泄放电路在外部电阻中消耗制动时所产生的能量，这直接带来的问题就是：直流侧电压变化将会影响驱动器的控制性能；其次在外部消耗动能带来电能利用率不高，设备功耗较大；三是外部制动电阻体积较大，影响电柜安装要求。为此，开发设计了具有自适应环境条件的三相可控整流逆变器以实现“绿色化”的加工。

三相PWM整流器具有低谐波、高功率因数、能量可双回馈以及优良的动态性能等优点，在许多领域日益受到重视。PWM整流器包含大容量的电力电子开关器件(比如IGBT模块)、控制驱动电路和电流电压检测环节，成本较高。降低成本和系统复杂度，增强可靠性，是PWM整流器代替二极管和晶闸管整流的必经之途。在8型数控系统配套的伺服驱动器系统中设计了三相可控整流逆变器，从无电网电压传感器控制的角度出发，分别开发了适应电网变化条件时的控制方法，实现电网能量双向流动、电压平衡时的单位功率因数控制、电网电压不平衡时抑制电流负序分量和自动适应电网电压波动的直流侧电压平衡控制。

首先分析了电网不平衡的情况下正负序电压分量在不同坐标系中的特征，提出了一种基于虚拟磁链和电网电压的正负序电网电压分量的估计方法。分析了正负序电压分量对功率和整流器两侧电压、电流的影响，特别推导了两相静止中电网电压、交流电压正负序分量与功率的关系矩阵。以保持三相电流对称为控制目标时，提出在交流侧电压中补偿电网电压负序分量的抑制交流电流负序电流的方法；以抑制直流电压波动为控制目标时，提出一种在两相静止坐标系中利用PR调节器调节电流使电网输入有功功率无二次谐波的方法，从而减小了直流电压的波动。

当三相VSR控制系统没有电网电压传感器时，采用下图所示电网电压正负序分量估计方法得到电网电压负序分量，在图中加入负序电压补偿和滤除直流电压谐波模块，即得到电网不平衡时抑制交流负序电流控制算法，如图32所示。

其次，针对电网电压的大幅波动，设计了基于无功注入的直流电压自动平衡控制算法，利用电网电压和交流侧电流计算VSR交流侧相电压幅值V

利用文中提出的电网电压估计器，并采用抑制负序电流的控制方案和自适应无功注入的直流电压平衡控制方案，在单位功率因数条件下使用功率分析仪可以得到三相电抗器输入端电压和交流电流波形如图33所示，可见此时三相电抗器输入端电压虽然不对称，但三相电流有效值基本相等，电流负序分量基本得到了抑制，电流的正弦性也非常好。

图34为可控整流逆变器在模式切换、电机启动、制动过程中直流侧电压的变化，以及切换过程的电网相电流变化波形。从系统控制算法的动态性能可以看出，这种控制方案具有良好的动态响应能力。

伺服系统长程监控功能整体结构使用基于事件的数据采集方法，从伺服系统运行状态中提取出关键运行时刻的事件数据，将大大减少对伺服系统监控过程中产生的数据量，实现对伺服系统的长行程、长时间监控。长程监控功能整体上分为运行数据获取、事件分析和事件数据存储三部分，如图35所示。

运行数据获取部分负责提供伺服系统多类运行数据，采样接口以运行时间为标尺将同一时刻从多个通道得到的采样数据封装成点数据，并保存在前端存储区。事件分析部分通过采样接口获取分析数据进行特征事件分析，故障事件通过伺服系统故障标识位判定。特征事件和故障事件通过事件仲裁器后发出事件信号，触发事件数据保存。事件信号到来后，首先构造事件包中的设备状态段和事件类型段，由于这两段内容都是稳态数据，在事件发生时进行获取并保存在事件信息存储区。事件包的采样数据段存储在事件采样存储区保存，其中的前端采样段从前端存储区复制，触发采样段在事件信号发出后，由采样接口获取的点数据填充。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。