黎 帆，龍 宇，傅 莉，廖 敏

（1.成都工業(yè)學院，四川成都 611730；2.西華大學，四川成都 610039）

1 概述

現(xiàn)代高速臥式加工中心其高速性主要體現(xiàn)在直驅(qū)技術(shù)的應(yīng)用，加工中心常采用直驅(qū)電主軸，直接驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺及直線電機直接驅(qū)動進給軸。采用這些技術(shù)后，省去了齒輪、蝸桿蝸輪副、絲桿等傳統(tǒng)傳動件，實現(xiàn)了所謂的零傳動技術(shù)[1]，大大的提高了相應(yīng)系統(tǒng)的速度和精度，它代表了數(shù)控機床的先進發(fā)展方向。某企業(yè)開發(fā)了高速臥式加工中心，該機床回轉(zhuǎn)工作臺采用了力矩電機直接驅(qū)動，電機和驅(qū)動器由日本FANUC公司提供，型號分別為aiF8/3000 和FANUC SVMI-180i。機械系統(tǒng)由企業(yè)自行開發(fā)，整機完成后必須進行全面檢測，考慮到回轉(zhuǎn)工作臺的低速性能是轉(zhuǎn)臺整體性能好壞的重要標準之一。低速平穩(wěn)性的好壞，直接關(guān)系到轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)。如果低速平穩(wěn)性不好，即角速度發(fā)生周期性的突跳，安裝在轉(zhuǎn)臺上的測控元件很容易受到這種速度的脈動，對控制系統(tǒng)產(chǎn)生錯誤信號，引起控制系統(tǒng)額外的極限環(huán)現(xiàn)象，產(chǎn)生嚴重的誤差。控制系統(tǒng)的低速平穩(wěn)性主要取決于系統(tǒng)在小信號下工作的非線性因素，如間隙、摩擦、不靈敏區(qū)等，對電機驅(qū)動而言，主要是保證電機低速力矩波動要小?；诖耍M行了轉(zhuǎn)臺低速運動的實驗研究工作。

2 低速運動特性研究

在理想的狀態(tài)下，力矩電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)臺應(yīng)按照伺服系統(tǒng)發(fā)出的信號運轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)一種線性關(guān)系，但是實際中，轉(zhuǎn)臺在低速運轉(zhuǎn)時，由于如前所述的非線性因素，它會直接影響轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)在低速運行時的平穩(wěn)性，使轉(zhuǎn)臺的低速性能呈現(xiàn)一種非線性現(xiàn)象。由于需要很高的測試精度，因此采用Renishaw ML10 雙頻激光干涉儀加上線性/角度光學復(fù)和組件進行動態(tài)角度測量[2-3]，把測得的值通過計算處理后得到轉(zhuǎn)臺的角速度及加速度，從而確定轉(zhuǎn)臺的低速時運動特性。

測試方法如圖1所示，角度反射鏡應(yīng)放置于回轉(zhuǎn)臺中央，使其雙反射鏡的幾何中心與回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心盡可能重合。實際上很難做到這一點，它會帶來一定的誤差，這種誤差可考慮到小角度測試精度中。小角度測量精度為±0.6%±0.5±0.1M μm/m換算成英制單位±0.6%±0.1±0.007F 角秒，其中±0.6%是指測量出的小角度值的±0.6%，比如測量出的角度誤差為20 角秒，則測量精度中的0.6%為20×0.6%=0.12角秒。指標中的±0.5代表反射鏡的固有誤差，0.1代表在測量中線性移動產(chǎn)生的誤差，這兩項的單位為μm/m。由于在測角度時所產(chǎn)生的線性移動量遠小于1 m，這兩項誤差非常小可以忽略，但考慮到安裝時不可能非常準確對中，從而引起線性移動帶來的誤差，因此這兩項仍然保留。指標中的M 指的是被測直線軸的行程單位為米，F(xiàn) 是指被測直線軸的行程單位為英尺[4]。

圖1 轉(zhuǎn)臺的小角度測量

圖1（a）表示在測量過程中干涉鏡始終保持禁止，如反射鏡跟隨機器軸一起移動，若機器軸在運行過程中沒有回轉(zhuǎn)運動，則兩束光f1和f2的光程差始終固定不變，則激光度數(shù)為零。

若機器軸存在轉(zhuǎn)動，如圖1（b）角度反射鏡產(chǎn)生偏擺角Φ、f1和f2兩束光產(chǎn)生多普勒頻移±Δf1和±Δf2而且其值不等，則兩束光的光程差將產(chǎn)生變化，變化量為D，激光干涉儀測量的就是該變化量D 的值。通過公式可計算出轉(zhuǎn)角的角度為：Φ=arcsin（D/S），其中S是角度反射鏡中一對反光鏡之間的已知公稱間隔；D 是測量光束和參考光路之間的光程差改變。

該儀器配置有兩個溫度傳感器，一個用來測量轉(zhuǎn)臺外的溫度，另一個用來測量工作環(huán)境的溫度，通過EC10環(huán)境補償裝置來補償激光器光束波長在氣溫、氣壓及相對濕度的影響，因此測得的數(shù)據(jù)非常精確。

儀器設(shè)置好之后，在數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)定好程序，在激光干涉儀中設(shè)定好相關(guān)參數(shù)，啟動轉(zhuǎn)臺，按一定速度轉(zhuǎn)動20度，考慮到實驗工作的安全性，并不立即反轉(zhuǎn)，而是暫停2 秒，然后反方向轉(zhuǎn)動20度，按這樣的方法得到了一系列的實驗結(jié)果。

3 實驗結(jié)果分析

直接驅(qū)動數(shù)控回轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)運動特性實驗，一共做了若干組，測試了在不同角轉(zhuǎn)速情況下的轉(zhuǎn)臺角位移、角速度和角加速度，轉(zhuǎn)角范圍均為±20°，正轉(zhuǎn)和反軸之間停留2 秒。在這個轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)分別進行了直驅(qū)力矩轉(zhuǎn)臺在轉(zhuǎn)速為S=±2.5 r/min；S=±2 r/min；S=±1.5 r/min；S=±1 r/min 和S=±0.5 r/min 時的位移，速度和加速度的實驗研究，它們的共同特點是每個圖中的轉(zhuǎn)角位移圖是連續(xù)的位移齒形，齒的上升邊對應(yīng)正轉(zhuǎn)20°，下降邊對應(yīng)反轉(zhuǎn)20°，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間停留2秒，即圖中的齒形平頂。把角位移圖與速度圖相對應(yīng)，位移圖中齒形上升邊對應(yīng)轉(zhuǎn)速圖中零線上方的速度三角形，下降邊對應(yīng)零線下方的三角形，小轉(zhuǎn)速時變成梯形。粗略地看，不論正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，在每個20°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)臺均對應(yīng)了一個較為復(fù)雜的加速段和減速段。這里只就較大轉(zhuǎn)速2.5 r/min（圖2）和較小轉(zhuǎn)速0.5 r/min（圖3）的情況討論。

圖2 S=±2.5 r/min時位移、速度、加速度曲線圖

S=±2.5 r/min時，見圖2。

圖3 S=±0.5 r/min時其位移、速度、加速度曲線圖

在圖2（a）中角位移變化為非線性的，參考（b）和（c）圖仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)臺正轉(zhuǎn)20°的過程中大概經(jīng)歷了9個速度變化段，在加速度圖（c）中可以找到9個加速度脈沖值，它與速度圖（b）相對應(yīng)。在（b）圖中由11個點標注出產(chǎn)生速度突變的11個點，其中起始點和結(jié)束點完全對稱，因此都用0 來標注。圖中速度上升邊由速度三角形左側(cè)邊表示這一邊有6 個速度變化移由0～5 之間的6 個點來表示，這6 個點之間代表了5個不同的速度段。速度下降邊由右側(cè)邊的5-0來表示，同樣的具有5 個不同的下降速度段。三角形左右兩側(cè)產(chǎn)生速度變化的轉(zhuǎn)折點并不完全對稱，這與整個回轉(zhuǎn)臺的控制系統(tǒng)的電氣特性和機械系統(tǒng)的摩擦特性有關(guān)，特別是后者的影響，速度時間圖中，仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺啟動時由0-1 代表的速度段近乎是一根垂線，而在停止時其速度由9-0 表示它不像0-1 那樣陡峭，這顯然與摩擦非線性有關(guān)。啟動時轉(zhuǎn)臺是由靜止狀態(tài)到運動狀態(tài)，而停止時是由運動狀態(tài)到靜止狀態(tài)。前者靜摩擦產(chǎn)生了影響，而后者則沒有這種影響。在較低速，當轉(zhuǎn)速為0.5 r/min 時，位移一時間圖3（a）中，位移梯形的上升邊和下降邊相對于圖2（a）圖變得更平直了，速度的線性段更長了，它對應(yīng)于（b）圖梯形頂部的平直段，這一段表示勻轉(zhuǎn)速部分，在圖（c）中可以看出對應(yīng)于正轉(zhuǎn)20°區(qū)間，只有在對應(yīng)于位移圖轉(zhuǎn)盤啟動和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)到20°之前減速時產(chǎn)生較明顯速度變化，此時有較大加速度，即（c）圖中0-1 段和2-0 段，從圖中還可較明顯地看出0-1 段較2-0 段有更大的非線性段，在這里可顯示出非線性摩擦的影響，轉(zhuǎn)速愈低這種影響愈明顯，在轉(zhuǎn)速由高向低變化時，這種影響也是逐漸增大的，因此在數(shù)控加工中低速運動段應(yīng)充分考慮到非線性影響，為消除非線性影響可以采用自適應(yīng)控制方法，這一點將另文探討。

4 結(jié)論

為了較為準確客觀地反映回轉(zhuǎn)臺的低速特性，實驗中選用了±0.5 r/min、±1 r/min、±1.5 r/min、±2 r/min和±2.5 r/min5 個速度檔在±20°區(qū)間進行了實測，得到的結(jié)果有一定代表性。從實測結(jié)果看，盡管速度有幾次變化產(chǎn)生加速度的脈沖，它會產(chǎn)生一定的慣性力，但從位置圖上看，轉(zhuǎn)角運動是平穩(wěn)的，這主要是由于大質(zhì)量機械系統(tǒng)對高頻信號產(chǎn)生了很強的濾波作用，說明機電系統(tǒng)的之間的匹配、加工制造、裝配都是成功的。實測結(jié)果還反映出低速時存在一定的摩擦及不靈敏區(qū)等非線性影響，這種影響可以通過自適應(yīng)控制及其它現(xiàn)代控制方法加以消除[5]，這在控制器的設(shè)計中應(yīng)考慮進去，或者控制器應(yīng)為用戶提供二次開發(fā)功能來完成理想控制。

［1］賈激雷，徐月同，傅建中.雙頻激光干涉儀測試直線電機進給定位精度的研究［J］.機械工程師，2004（8）：17-19.

［2］姜孟鵬，黃筱調(diào)，王華，等.極坐標數(shù)控銑齒機回轉(zhuǎn)臺運動精度干涉測量［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2010（3）：30-33.

［3］張立新，黃玉美，楊心剛，等.回轉(zhuǎn)軸運動精度的干涉測量與誤差補償分析［J］.傳感技術(shù)學報，2007，20（3）：686-689.

［4］曹利波.利用激光干涉儀對機床定位精度的快速檢測［J］.紅外與激光工程，2008（S1）：200-202.

［5］王健，劉永強.高速加工中心控制環(huán)參數(shù)的優(yōu)化［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2006 （12）：58-60.