林獻(xiàn)坤 袁 博 韓世卓

(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海200093)

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床正朝著精密、高速、復(fù)合、智能的方向發(fā)展，高精度、高速切削加工對數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)及其控制都提出了更高的要求。在傳統(tǒng)進(jìn)給系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)電動機(jī)帶動滾珠絲杠副的傳動機(jī)構(gòu)存在反向間隙、慣性、摩擦力和剛性不足等問題，保證一定精度要求需要以犧牲速度為前提。而直線電動機(jī)是一種沒有任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動裝置，直接將電能轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動機(jī)械能，主要具有進(jìn)給速度快、加速度大、快速響應(yīng)、定位精度高、無行程限制、效率高、運(yùn)動噪聲低等優(yōu)點(diǎn)［1］，應(yīng)用直線電動機(jī)驅(qū)動高速機(jī)床正成為新一代數(shù)控機(jī)床的具有代表性的先進(jìn)技術(shù)之一［2］。

采用龍門柱固定的傳統(tǒng)龍門機(jī)床難以獲得高的加速度，同時(shí)又受到工作臺的長度和工作場所限制［3］。由雙直線電動機(jī)驅(qū)動的龍門移動式機(jī)床讓工作臺與工件保持靜止，龍門立柱質(zhì)量相對較小，可以獲得較高的加速度特性，發(fā)揮了直線電動機(jī)快速響應(yīng)的優(yōu)越性［4］。因此，基于直線電動機(jī)驅(qū)動的2X-Y聯(lián)動軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)是當(dāng)前高速機(jī)床的一個(gè)重要發(fā)展方向，它的驅(qū)動特性也成為一個(gè)必要的研究課題。

精密、超精密加工已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)中技術(shù)競爭的關(guān)鍵領(lǐng)域，而高速切削帶來的突出問題之一是輪廓精度隨加工速度的提高而下降，輪廓精度直接影響到工件的加工精度。圓輪廓是切削加工過程中的一種典型輪廓，其精度直接影響工件的圓度和圓柱度。文獻(xiàn)［5］探討了直線電動機(jī)在超精密加工技術(shù)中的應(yīng)用和發(fā)展，文獻(xiàn)［6］對一臺由旋轉(zhuǎn)電動機(jī)驅(qū)動的加工中心圓輪廓誤差與圓半徑、進(jìn)給速度之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。而對于由直線電動機(jī)驅(qū)動的數(shù)控機(jī)床圓輪廓誤差特性少有相關(guān)研究。

本文以自構(gòu)建的直線電動機(jī)驅(qū)動進(jìn)給實(shí)驗(yàn)臺為對象，圍繞直線電動機(jī)驅(qū)動的2X-Y聯(lián)動進(jìn)給軸平面圓輪廓誤差進(jìn)行測試研究，給出分析結(jié)果以指導(dǎo)實(shí)際加工，推動直線電動機(jī)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用。

1 2X－Y聯(lián)動進(jìn)給軸圓輪廓誤差評定

1．1 構(gòu)建2X－Y聯(lián)動進(jìn)給軸實(shí)驗(yàn)平臺

本實(shí)驗(yàn)測試研究的龍門移動式實(shí)驗(yàn)平臺如圖1所示，其中龍門柱在X方向上配備2臺直線電動機(jī)，龍門橫梁上的立式加工刀架在Y方向上配備1臺直線電動機(jī)，直線電動機(jī)為西門子公司的扁平型短初級系列，型號為1FN3300-3NC40和1FN3300-3NC10。

該直線電動機(jī)試驗(yàn)臺配備了西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖2所示。西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的功能由以下4部分構(gòu)成:人機(jī)界面HMI、可編程控制器 PLC、數(shù)控內(nèi)核NCK、數(shù)字式交流伺服驅(qū)動SIMODRIVE 611D。硬件結(jié)構(gòu)主要包括840D操作面板(MMC103)、機(jī)床控制面板(MCP)、手持單元(HHU)、PLC模塊、數(shù)字控制單元(NCU)、611D主電源模塊和功率模塊。在位置定位方面，X軸配備2套、Y軸配備1套海德漢NLC183型號的光柵尺，構(gòu)成進(jìn)給軸的全閉環(huán)定位控制系統(tǒng)。

直線電動機(jī)試驗(yàn)臺的龍門橋式結(jié)構(gòu)具有基于雙直線電動機(jī)驅(qū)動的可調(diào)節(jié)同步進(jìn)給控制功能，其中X1和X2軸可以同步進(jìn)給運(yùn)行，也可以獨(dú)立進(jìn)給運(yùn)行。應(yīng)用840D系統(tǒng) NC編程功能，執(zhí)行同步指令TRAILON和TRAILOF，可在MDI模式下靈活地實(shí)現(xiàn)兩X軸的同步進(jìn)給或獨(dú)立進(jìn)給。

在機(jī)床各軸回零位后，運(yùn)行指令TRAILON(X2，X1)，實(shí)現(xiàn)了以X1軸為主動軸，X2軸為從動軸的兩X軸同步進(jìn)給運(yùn)行，從而構(gòu)建了在XOY坐標(biāo)系上的基于直線電動機(jī)驅(qū)動的2X-Y聯(lián)動進(jìn)給軸實(shí)驗(yàn)平臺。

1．2 圓輪廓誤差的評定方法

圓輪廓誤差在XOY平面內(nèi)的表現(xiàn)為圓度誤差，圓度誤差是指實(shí)測圓與理想圓的偏離程度。理想圓的選擇不同，圓度誤差的評定方法就不同。在評價(jià)圓度誤差方面有最小二乘圓法、最小外接圓法、最大內(nèi)接圓法和最小區(qū)域法。在這些圓度誤差評價(jià)方法中都是以實(shí)測圓輪廓本身的坐標(biāo)位置進(jìn)行輪廓評價(jià)的，在評價(jià)過程中沒考慮到實(shí)測輪廓與數(shù)控指令理想輪廓圓的背離程度。通過應(yīng)用數(shù)控程序中的指令圓作為理想評定圓，能更好地體現(xiàn)數(shù)控機(jī)床各軸進(jìn)給運(yùn)動與數(shù)控指令吻合程度這一機(jī)床特性。以數(shù)控指令圓作為理想評定圓，針對整體圓輪廓形狀的偏差和具體各個(gè)點(diǎn)的位置偏差量，存在2種圓度誤差值大小的表現(xiàn)形式:

(1)圓度的偏差

如圖3所示，在XOY坐標(biāo)系中分別找出與指令圓同心的最大外接圓和最小內(nèi)接圓，2個(gè)圓的半徑差值為圓度偏差，圓度的偏差體現(xiàn)了加工圓輪廓形狀上與指令圓的相似程度。

(2)圓度的均方根偏差

圖4所示為XOY坐標(biāo)系中實(shí)際輪廓軌跡在某一點(diǎn)a的位置偏差示意圖，實(shí)際加工軌跡在a點(diǎn)時(shí)，與它最接近的指令輪廓上的位置為a'點(diǎn)，2點(diǎn)的距離aa'為圓輪廓在a點(diǎn)的位置偏差。計(jì)算加工圓輪廓1個(gè)圓周期上各個(gè)點(diǎn)的位置偏差的均方根差，把這個(gè)均方根值稱作為圓輪廓的均方根偏差。均方根偏差的大小反映了加工圓輪廓與指令圓輪廓的位置偏差量。

2 圓輪廓誤差測試方法

2．1 測試方案及原理

由圖1中可以看到，研究2X-Y聯(lián)動軸的圓輪廓誤差特性，需要監(jiān)測由這個(gè)聯(lián)動軸驅(qū)動進(jìn)給的立式加工刀架在XOY坐標(biāo)系中的運(yùn)動軌跡，而在XOY坐標(biāo)系中的任意位移量可以分解為在X方向和Y方向上的位移量，因此，需要在X和Y兩個(gè)方向上對刀架同時(shí)進(jìn)行高頻率的連續(xù)位移測量。

激光干涉儀在機(jī)床上進(jìn)行測量工作具有精度高、響應(yīng)快、頻率高、測量運(yùn)動物體靈活方便等特點(diǎn)［8］，它是利用反射鏡移動時(shí)對激光束反射所產(chǎn)生的激光頻率的多普勒頻移來進(jìn)行位移測量。激光多普勒測量原理如圖5所示。

圖中激光頭射出的頻率為f0，經(jīng)平行反射鏡反射回到探測器，當(dāng)平行反射鏡不動時(shí)，其反射波頻率fr=f0。當(dāng)反射鏡以v的速度移動時(shí)(v=dx/dt，相互遠(yuǎn)離時(shí)取“+”，相互移近時(shí)取“-”)，因?yàn)楣獬淘黾?減少)了 2vt，反射波fr的數(shù)值會減少(增加)2v/λ0(λ0為激光波長)，即:

由此可得在時(shí)間t內(nèi)激光頭與反射鏡間的相對運(yùn)動距離x為

激光多普勒測量儀采用相位探測器用來偵測相位偏移，對于每一位移的半波長，也就是相位Φ積滿1個(gè)周期2π，探測器發(fā)出1個(gè)增位或減位脈沖信號，通過脈沖數(shù)可得知位移x，即

式中:N為積分滿1個(gè)周期2π的周期數(shù)，ΔΦ/2π是未滿1個(gè)周期的余量。

用激光干涉儀在X方向和Y方向采集到的按時(shí)間順序的位移值序列分別記為x1、x2…xn和y1、y2…yn，并且x1、x2…和y1、y2…存在一一對應(yīng)關(guān)系。為了找到一個(gè)圓周期的數(shù)據(jù)，對x序列進(jìn)行二次微分，找到x序列中兩個(gè)相鄰的極大值xt和xt+u，以及極小值xt+b，其中0 ＜b＜u。序列xt+1、xt+2…xt+u和對應(yīng)的序列yt+1、yt+2…yt+u擬合成了1個(gè)圓周期的圓輪廓。我們可以認(rèn)為在XOY坐標(biāo)系中，相差半個(gè)圓周運(yùn)行時(shí)間所采集到的2 點(diǎn)(xt+i，yt+i)、(xt+b+i，yt+b+i)的中點(diǎn)為測量圓的近似圓心坐標(biāo)，其中0＜i≤b，再用近似圓心坐標(biāo)值的算術(shù)平均值來估算指令圓的圓心坐標(biāo):

加工圓輪廓上的任意測量點(diǎn)到指令圓心的距離為

其中0＜j≤u，根據(jù)誤差評定方法可以得到圓度偏差的表達(dá)式為

設(shè)指令圓的半徑為R0，每個(gè)測量點(diǎn)的位置偏差表達(dá)式為

取1個(gè)圓周期的測量點(diǎn)，得到圓輪廓的二次均方根差表達(dá)式為

2．2 測試步驟

測試過程選用美國光動公司的MCV-500激光多普勒位移測量系統(tǒng)，它具有0.1 μm測量精度，測量范圍為數(shù)微米到數(shù)米［7］。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1)安裝測試組件。按照圖6所示，將帶有平面反射鏡的磁性座固定在需要測試的刀架位置，將帶有分光鏡的激光頭組件固定在試驗(yàn)臺床身上，并將空氣溫度與氣壓傳感器和材料溫度傳感器固定在激光光路附近的床身上。

(2)連接激光干涉儀測各組件，并通過2張PCI采集卡連接筆記本計(jì)算機(jī)，打開激光干涉儀開關(guān)和計(jì)算機(jī)。

(3)在反射鏡上加上磁性對光標(biāo)靶，移動刀架，反復(fù)調(diào)整激光頭組件的分光鏡，使激光光束始終對準(zhǔn)標(biāo)靶中心以確定2組激光測量方向?yàn)閄方向和Y方向。

(4)取下磁性標(biāo)靶，調(diào)整反射鏡，使射在反射鏡上的激光光束能始終反射回激光頭組件的接收孔。

(5)開啟激光測量儀2D時(shí)間基準(zhǔn)測量畫面，設(shè)定頻率、持續(xù)時(shí)間等測量參數(shù)。

(6)按照測試程序運(yùn)動直線電動機(jī)試驗(yàn)臺，采集測量數(shù)據(jù)及保存結(jié)果。

(7)輸出結(jié)果及數(shù)據(jù)處理。

3 測試及數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)給速度和進(jìn)給加速度對2X-Y聯(lián)動軸圓輪廓誤差的影響，在MDI模式下編寫R=20 mm的逆時(shí)針圓輪廓執(zhí)行程序，在不同進(jìn)給速度和進(jìn)給加速度的條件下運(yùn)行直線電動機(jī)試驗(yàn)臺，用激光干涉采集位移數(shù)據(jù)，按式(7)用MATLAB處理采集數(shù)據(jù)，得到表1所示的圓度偏差值實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

根據(jù)表1可以看到圓度的偏差隨進(jìn)給速度增大而增大，隨加速度增大而減小，實(shí)際加工時(shí)應(yīng)當(dāng)避免過小的進(jìn)給加速度。

同樣在不同的進(jìn)給速度和加速度條件下，按式(9)處理數(shù)據(jù)，得到表2所示的圓度均方根偏差值實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 不同進(jìn)給速度和加速度下的圓度偏差

表2 不同進(jìn)給速度和加速度下的圓度均方根偏差

根據(jù)表2可以看到圓度的均方根偏差同樣隨進(jìn)給速度增大而增大，隨加速度增大而減小。

4 結(jié)語

基于直線電動機(jī)進(jìn)給驅(qū)動的2X-Y聯(lián)動軸可以完成高精度的圓輪廓加工。根據(jù)給出的圓輪廓誤差評定標(biāo)準(zhǔn)，使用雙頻激光干涉儀對聯(lián)動軸進(jìn)行圓輪廓誤差測試分析，分析結(jié)果表明圓度的偏差和均方根偏差都隨進(jìn)給速度增大而增大，隨進(jìn)給加速度增大而減小，應(yīng)當(dāng)避免1 m/s2以下過小的進(jìn)給加速度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析出的圓度偏差和均方根偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以指導(dǎo)基于直線電動機(jī)驅(qū)動的2X-Y聯(lián)動軸的圓輪廓加工。

［1］袁博，林獻(xiàn)坤.基于Gantry驅(qū)動的雙直線電動機(jī)高速動態(tài)同步誤差性能測試研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2010(2):17-20.

［2］林健，汪木蘭，左健民，等.直線電動機(jī)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用［J］.機(jī)械制造，2008，46(521):53-56.

［3］Hsieh Min-fu，Tung Chin-Juei，Yao Wu-Sung.Servo design of a vertical axis drive using dual linear motors for high speed electric discharge machining［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2007(47):546-554.

［4］代曉明，楊慶東.高架橋式龍門高速加工中心直線進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造，2005，43(485):12-14.

［5］徐昌語，劉勇，張建明，等.直線電動機(jī)在超精密加工技術(shù)中的應(yīng)用和發(fā)展［J］.北京航空精密機(jī)械研究所，2009，45(4):13-16.

［6］陳安民.加工中心圓輪廓誤差的研究［J］.機(jī)械制造與研究，2006，35(4):73-78.

［7］SIEMENS公司.SINUMERIK 810/840D簡明調(diào)試技術(shù)手冊［Z］，2006.

［8］OPTODYNE.MCV-500 User’s Guide［Z］，2005.