摘要 介绍CW800系列卧式加工中心刀库比例调速系统的原理及调试注意事项，其参数计算、实测线路和波形，供维修同类设备时参考。
关键词 刀库比例调速系统 参数计算 实测线路 波形
CW800系列卧式加工中心是原东德MWM公司80年代制造的高精度卧式加工中心，国内购买厂家较多，尤其是在东西德合并后有多台这样的二手设备进入我国。但有些用户因刀库调速系统发生故障后难以修复，往往将其作为一般数控镗铣床使用，这不能不说是一种浪费。实际上只要对该调速控制系统认真分析、测试和调整，恢复自动换刀功能还是不难的。本文对该调速系统的原理及调试方法作一介绍。
1 刀库调速系统的组成
CW800系列加工中心的刀库调速采用液压比例调速阀控制油马达变速，从而实现刀库的调速。其核心部分是比例阀与比例调节板，其余机械传动部件结构较简单，修理也较容易。比例调速系统的组成如图1所示，各部分的作用如下：
（1）比例调速系统电源 将外部提供的+24V电源转换成调节器所需的±9V及+15V电源，供电子线路使用。
（2）给定值调节单元 将外部各级速度选择信号u1～u4转换成调节器的速度给定电压。
（3）斜坡发生器 将速度的阶跃给定转换为斜坡给定，以改变加、减速时间。
（4）PID调节器 将给定量与实例的阀位置反馈进行比较放大、闭环控制比例阀输出流量及确保调速系统具有良好的动态特性。
（5）PWM调制器 将调节器输出量转换为PWM调制波。
（6）U/I转换单元 将PWM调制后的电压信号转换成电磁铁的电流信号。
（7）零速给定单元 在刀库静止时，即调节器无输出信号时，在电磁铁上产生平均值为0的脉动电流，使电磁铁保持热态，提高系统的动态响应速度。
（8）比例阀阀芯位置检测单元 通过电感量的变化来测量阀芯的实际位置，信号经放大后供闭环调节用。图1中a为振荡源，b为整流回路。
图1 比例调速系统的组成
1.比例调速系统电源 2.给定值调节单元 3.斜坡发生器 4.PID调节器 5.PWM调制器
6.U/I转换单元 7.零速给定单元 8.比例阀阀芯位置检测单元 9.比例阀
（9）比例阀 通过阀芯的位置变化来控制油马达的流量，从而达到控制刀库回转速度的目的。
2 各组成部分的原理分析
（1）电源 调速系统的电源在调节板里是由集成稳压块B3170及电阻R1～R4，电容C1～C4、C11、C12，电阻器W79，运放A1等元件组成，限于篇幅线路从略（各元件代号全部和实物一致）。以上B3170为18V稳压块，R1、R2、W79是B3170的取样回路，调节W79可使稳压输出为18V。运放A1和R3、R4构成了内部±9V稳压源，运放的输出端为内部地，注意切不可与外输入的0V相连。
（2）给定值调节单元 这部分线路由调节板里的固态继电器K1～K4，电位器W80～W83，电阻R5～R10，运放A2及发光二极管V16～V19等组成（线路从略）。外部控制信号通过固态继电器K1～K4使运放A2的输入端得到不同的给定电压，以选择不同的刀库旋转速度。调节W80～W83即可改变相应的速度值。此外，该单元设有外部给定端uset.EXT，输入0～±9V的模拟电压，也可实现无级调速的要求。调节板上的V16～V19为设在面板上的指示信号，用来检查实际生效的速度选择。当要求速度超过4级时，可通过u1～u4的不同组合实现24=16级可调速度的选择。此时A2还起全加器的作用。
（3）斜坡发生器 斜坡发生器的原理如图2所示。由运放A3和A4及R11～R15，W84组成，实取R13=2.2MΩ远大于R11=R12=10kΩ，使运放A3有高增益。其原理：当uset实加给定时，因为输出端ua（0）=0，A3迅速输出饱和电压并通过W84，R15对C充电，充电电流为（恒流）；，t呈线性上升，一旦ua=uset时，由于R11=R12，使A3输出电压为0V，电容停止充电，ua=uset保持不变。ua的输出波形如图3所示，加减速时间。
图2 斜坡发生器原理
调节W84即可改变上升时间，同时当W84一旦固定后ta∝uset即保证了各种给定下的恒加速上升。
（4）PTD调节器，R31，R32，C22为反馈滤波单元，R34，C5组成了微分负反馈。目的是提高系统响应速度和改善动态性能。W85为调零输入端。调节器对输入ua的传递函数为
式中 K=R20/R17,τD=R19C6，τt=τD(1+R20/R19)，为典型的PTD调节器。
（5）PWM调制器，ud为零速给定输入（此电压幅值很小，正常回转时可忽略不计），A6为速度给定和零速给定的全加器，正常回转时A6输入ui=ub+ud≈ub。当ub=0时，ui=ud。R27～R30及C10、A7、A8组成了PWM调制器中的三角波发生器，其原理如下：
初始时刻设A6输出0，A7正反馈，设u′c=-Vdd，C10由进行恒流充电，uc线性上升，运放A7的同相输入端电压为
一旦u+≥0，运放A7即输出正向饱和电压+Vdd，这时C10被反向充电，uc线性下降，从而在uc端可以输出标准的三角波，uc又通过比较电路，可在ue+上输出PWM调制波了（反组同，在此从略）。
当输入为0时，三角波的峰值可计算如下，令u+=0得：。
上升时间：
在CW800中实际取：R28=8.2kΩ，R29=24kΩ，R30=47kΩ，C10=0.01μF，Vdd=9V，代入后可求得
此时由于uc的峰值ucmax≤3V，ue+无PWM波输出。PWM的频率f=1/2t=3.125kHz。
当ub输入不为零时，经A6 1∶1反相后，相当于将比较电平提高了ub，这时三角波的输出峰值将大于3V，在A10或A11的输出端可以得到PWM波。
当ub=4.2V时，实测uc，ue+的波形，完全与理论计算相符。
（6）零速给定单元 零速给定单元的原理，是由A9，R69～R71, C7构成的多谐振荡器，振荡周期T可计算如下
CW800实取R69=100kΩ， R70=1.5kΩ， R71=1.6MΩ，C7=0.22μF，得
即f=1/0.02=50Hz，各点波形。W88用于调节零速给定脉动电流的峰值。
（7）U/I转换单元，T25、T26、R44组成了正向电磁铁的电压/电流转换单元，T30为驱动管。实际线路中反向电磁铁的U/I转换由T28、T29、R54组成，T27，R49、R51为反相器（反组线路从略）。L1为平波电感，C15为加速电容，工作原理如下：
当ue+=+9V时，T25饱和，uce=0.3V,ib+≈2mA保持不变，经T26，T30放大，y1得到恒定电流。当ue+=-9V时，T25截止ib+=0，T30无电流输出。经L1平波后，Y1可以得到平均值与给定电压成正比的控制电流，从而达到调速的目的，当ub=+4.2V时，各点实测波形。
此时由于ue-为+9V,T27截止，因此反向电磁铁无驱动电流。
（8）阀芯位置检测单元，正向电磁铁的位置反馈通过R8输入A12，反向电磁铁的位置反馈通过R9输入A12，A12的输出即为位置反馈信号。
的R3～R5,C3,A13组成振荡源，产生加在原边的激励信号。其原理与零速给定单元相同，振荡频率f为：
CW800取：R5=51kΩ，C3=6800pF，R3=16kΩ，R4=100kΩ代入后得：f=5kHz。
电磁铁产生位移后，引起正（反）检测线圈电感量的变化，从而可在uf+（或uf-）上得到不同的整流直流电压，经A12放大后供调节板作位置反馈用。
3 安装调试注意事项
（1）调节板的接地端绝对不可以和外部+24V电源的0V端相连，否则将会使内部的-9V电源取消，导致调节板无法正常工作。
（2）因调节板和比例阀距离很远，因此阀芯位置反馈信号线必须使用带屏蔽的电缆。
（3）阀芯位置反馈信号uf在刀库不转时输出必须调节到uf=0，调节用比例阀的调节螺钉进行，以保证同样的给定电压正反转速度一致。
（4）阀芯位置反馈中的移动铁芯在比例阀中是借助弹簧复位的，使用年代较长的机床应更换相同规格的弹簧，以防止由于弹簧老化而带来的转速不稳。
（5）对于零速给定单元的调整应注意，不可使ud的幅值太大，只要保证Y1、Y2在停止时保持热态就可以了。（一般取0.5V）。
（6）刀库正常工作前（如维修或初始安装后）必须用示波器实测PWM调制器是否已正常起振，并将uc端波形和图7相比较，其幅值和频率对控制系统的工作都至关重要，误差应保证在10％以内，必要时用R29调整。
