直驅式數控回轉工作臺低速運動特性試驗研究

黎 帆，龍 宇，傅 莉，廖 敏

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

1 概述

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

2 低速運動特性研究

在理想的狀態下，力矩電機驅動的轉臺應按照伺服系統發出的信號運轉，呈現一種線性關系，但是實際中，轉臺在低速運轉時，由于如前所述的非線性因素，它會直接影響轉臺系統在低速運行時的平穩性，使轉臺的低速性能呈現一種非線性現象。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/角度光學復和組件進行動態角度測量[2-3]，把測得的值通過計算處理后得到轉臺的角速度及加速度，從而確定轉臺的低速時運動特性。

測試方法如圖1所示，角度反射鏡應放置于回轉臺中央，使其雙反射鏡的幾何中心與回轉臺回轉中心盡可能重合。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生的誤差，這兩項的單位為μm/m。由于在測角度時所產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 是指被測直線軸的行程單位為英尺[4]。

圖1 轉臺的小角度測量

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運動，則兩束光f1和f2的光程差始終固定不變，則激光度數為零。

若機器軸存在轉動，如圖1（b）角度反射鏡產生偏擺角Φ、f1和f2兩束光產生多普勒頻移±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，一個用來測量轉臺外的溫度，另一個用來測量工作環境的溫度，通過EC10環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，因此測得的數據非常精確。

儀器設置好之后，在數控系統中設定好程序，在激光干涉儀中設定好相關參數，啟動轉臺，按一定速度轉動20度，考慮到實驗工作的安全性，并不立即反轉，而是暫停2 秒，然后反方向轉動20度，按這樣的方法得到了一系列的實驗結果。

3 實驗結果分析

直接驅動數控回轉臺的回轉運動特性實驗，一共做了若干組，測試了在不同角轉速情況下的轉臺角位移、角速度和角加速度，轉角范圍均為±20°，正轉和反軸之間停留2 秒。在這個轉角范圍內分別進行了直驅力矩轉臺在轉速為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角位移圖是連續的位移齒形，齒的上升邊對應正轉20°，下降邊對應反轉20°，正轉和反轉之間停留2秒，即圖中的齒形平頂。把角位移圖與速度圖相對應，位移圖中齒形上升邊對應轉速圖中零線上方的速度三角形，下降邊對應零線下方的三角形，小轉速時變成梯形。粗略地看，不論正轉或反轉，在每個20°范圍內轉臺均對應了一個較為復雜的加速段和減速段。這里只就較大轉速2.5 r/min（圖2）和較小轉速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）圖仔細觀察可以發現，在轉臺正轉20°的過程中大概經歷了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。在（b）圖中由11個點標注出產生速度突變的11個點，其中起始點和結束點完全對稱，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。三角形左右兩側產生速度變化的轉折點并不完全對稱，這與整個回轉臺的控制系統的電氣特性和機械系統的摩擦特性有關，特別是后者的影響，速度時間圖中，仔細觀察可以發現轉臺啟動時由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。啟動時轉臺是由靜止狀態到運動狀態，而停止時是由運動狀態到靜止狀態。前者靜摩擦產生了影響，而后者則沒有這種影響。在較低速，當轉速為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，它對應于（b）圖梯形頂部的平直段，這一段表示勻轉速部分，在圖（c）中可以看出對應于正轉20°區間，只有在對應于位移圖轉盤啟動和轉盤轉到20°之前減速時產生較明顯速度變化，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，轉速愈低這種影響愈明顯，在轉速由高向低變化時，這種影響也是逐漸增大的，因此在數控加工中低速運動段應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控制方法，這一點將另文探討。

4 結論

為了較為準確客觀地反映回轉臺的低速特性，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°區間進行了實測，得到的結果有一定代表性。從實測結果看，盡管速度有幾次變化產生加速度的脈沖，它會產生一定的慣性力，但從位置圖上看，轉角運動是平穩的，這主要是由于大質量機械系統對高頻信號產生了很強的濾波作用，說明機電系統的之間的匹配、加工制造、裝配都是成功的。實測結果還反映出低速時存在一定的摩擦及不靈敏區等非線性影響，這種影響可以通過自適應控制及其它現代控制方法加以消除[5]，這在控制器的設計中應考慮進去，或者控制器應為用戶提供二次開發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，王華，等.極坐標數控銑齒機回轉臺運動精度干涉測量［J］.組合機床與自動化加工技術，2010（3）：30-33.

［3］張立新，黃玉美，楊心剛，等.回轉軸運動精度的干涉測量與誤差補償分析［J］.傳感技術學報，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參數的優化［J］.組合機床與自動化加工技術，2006 （12）：58-60.