超精密飛切二維轉鼓用伺服分度裝置的研制

石廣豐，馮偉東，史國權，蔡洪彬，薛常喜

（1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；2.吉林工商學院，長春 130000）

0 引言

相對于一維轉鼓來說，二維轉鼓是激光掃描、熱成像儀的重要組成零件之一，具有掃描速度快等優點[1,2]。在利用超精密機床進行單點金剛石飛切技術加工二維轉鼓（材料為塑性金屬或半導體材料）時[3]，需要使用以二維轉臺為主體的分度裝置對轉鼓進行裝夾和精密定位，而二維轉鼓的加工精度依賴于二維轉臺的定位精度。目前國內高精度的專用手動控制二維轉臺主要通過國外進口來實現，不僅價格高，而且加工效率不高。更高精度、自動化的伺服定位轉臺屬于高技術設備，受到國外先進國家的封鎖，即使能夠購買，價格也十分昂貴。為了實現對二維轉鼓高效率、高精度的加工要求，急需自主開發一種自動化、高精度定位轉臺。

本文依據二維轉鼓的超精密飛切原理和加工精度需求，求得所需二維轉臺伺服分度裝置的技術指標，依次開展相關結構設計、制動定位設計和控制系統開發，最終經過制造、裝調、檢測提供一種滿足二維轉鼓超精密飛切需求的伺服分度裝置。

1 工作原理

如圖1所示，在超精密飛切二維轉鼓的過程中，將天然金剛石刀具裝在與機床主軸聯結在一起的飛刀盤上。加工時刀具旋轉，二維轉鼓通過伺服分度裝置的方位軸和橫滾周綜合實現送進與翻轉，依次對各面進行加工。精密伺服分度裝置和超精密切削機床配套使用，通過對二維轉鼓裝夾和定位來保證轉鼓各面間的角度精度，共同實現二維轉鼓的高精度加工。所以精密伺服分度裝置不但需要伺服控制，還需要準確而穩定的定位來抵抗加工所帶來的沖擊作用。

圖1 二維轉鼓及其超精密飛切加工裝卡模型圖

2 裝置結構設計

為了在進口超精密切削機床上實現配套應用，根據加工某二維轉鼓的加工精度需求提出了該伺服分度裝置中二維轉臺的相關指標：尺寸＜300mm×300mm×300mm，橫滾軸中心高度：＜163mm；位置分辨率：＜2″；重復定位精度：＜5″。

根據該伺服分度裝置的結構及工作原理，影響軸系重復定位的因素主要包括：軸系晃動誤差和編碼器的系統精度，與軸系的位置誤差、編碼器的零位差、編碼器的安裝誤差等無關。橫滾軸晃動誤差主要受軸承內圈徑向跳動影響。根據橫滾軸坐標系的偏轉變換矩陣計算分析，取極限位置考慮，可得由軸承內圈徑向跳動產生的橫滾軸晃動誤差為3″。方位軸晃動誤差主要由軸承徑向跳動引起，與橫滾軸類似，由軸承內圈徑向跳動產生的回轉軸轉角引起的誤差為2.6″。兩軸選定選定海德漢的RCN 2000系列位鋼帶式角編碼器進行電機轉角量反饋控制，測量步距可達0.0001°，系統精度為±1〞。合成以上誤差，可以得到兩軸的綜合誤差均小于5″。具體誤差分析過程可參見文獻[3]。據此可以設計開發二維轉臺的具體結構及控制系統。

圖2 二維轉臺的結構組成

如圖2所示，該裝置具體由橫滾軸系和方位軸系組成。橫滾軸系包括橫滾軸承、橫滾電機、橫滾編碼器、橫滾制動器和工作盤及相關連接件組成。方位軸系由方位軸承、方位電機、方位編碼器、方位制動器和底座及相關連接件組成。兩軸采用模塊化設計，兩軸轉臺之間通過連接座連接。由于電纜的纏繞限制方位軸的轉動范圍為0到330°，在轉動范圍內設置了電限位裝置，橫滾軸則可以連續旋轉。在定位制動方面，基于彈簧的預應力作用，通過電磁作動器作用于錐體推進機構來實現對轉臺內部回轉副界面的相對擠壓摩擦，從而實現制動。具體制動機構形式分為橫滾制動器和方位制動器。

該裝置軸系的軸承系統選用雙排角接觸軸承結構。綜合考慮精度、摩擦力矩及使用環境等因素，決定選用洛陽鴻元軸承生產的雙排球轉臺軸承（型號ZKLDF100）。該軸承精度高（徑跳和端跳都小于2um）、承載大、剛度好、安裝接口簡單、摩擦力矩?。?.5N·m）。

在電機驅動方面，采用直流有刷電機直接驅動方案。轉臺組件傳動機構采用力矩電機直驅，控制簡單、精度高、技術成熟。轉臺采用中空式結構便于控制電纜通過。根據轉臺最大角加速度及轉動慣量、摩擦力矩計算所需力矩，選擇直流力矩電機。轉動部分按實心圓盤等效計算，考慮到軸系摩擦力矩理論值與實際值的差距以及負載有偏心力矩的存在，直流力矩電機驅動力矩上要有一定的儲備。綜合考慮，選擇成都精密電機廠生產的力矩電機J200LYX03。

3 控制系統

本伺服控制系統由兩套相互獨立工作又相互配合的伺服系統組成。兩套系統的結構基本相同，均是以速度反饋為內回路，位置反饋為外回路的雙閉環系統，其中速度反饋為編碼器位置差分得到，實現了速度、位置回路的全數字化控制。如圖3所示，整個系統由數字信號處理部分和功率驅動部分組成。數字信號處理部分硬件主要由PC-104計算機、A/D轉換、數字I/O、串行通信、調寬輸出電路、通訊接口電路等組成。功率驅動部分由智能多模式功率級、高頻開關電源、配電模塊、電機等組成。

圖3 二維轉臺的伺服控制系統圖

圖4 二維轉臺的驅動控制系統

數字伺服控制器采用北京盛博公司生產的PC-104主機板，配以A/D采集、數字I/O和定時/計數器等組成外圍接口電路。速度反饋、位置反饋采用中科院長春光機所生產的22位編碼器。執行元件為直流力矩電機，采用自研制的智能多模式功率級。電源為大功率高頻開關電源。自研制功率級接收來控制板卡的PWM信號，經過相應的保護邏輯電路后送與IPM驅動電路，分別對各開關管的關斷和開通進行控制。此部分電路與主功率電路在電氣上通過高性能高速光耦實現隔離。整個伺服系統組裝在一個4U機箱內，可安裝在標準19英寸標準機柜上。機箱由配電模塊、經軸電源模塊、緯軸電源模塊、功率級模塊和伺服控制器模塊組成，配電模塊包括電源進線、濾波器、控制電源以及空開組成，完成對方位軸電源、橫滾軸電源以及伺服控制模塊的供電功能；方位軸電源模塊為方位軸電機提供功率電源，橫滾軸電源模塊為橫滾軸電機提供功率電源。伺服控制系統是一個位置隨動系統，一般采用速度和位置雙閉環的伺服結構。在設計方法上，采用連續系統對數頻率特性法，采用雙線性變換方法進行離散化處理，以便數字化實現。具體控制系統硬件組成如圖4所示。

同時，基于Labview NI-VISA軟件開發上位機控制程序并通過DT-5019接口轉換器軟件實現對二維轉臺的驅動控制系統的操作，進而實現二維轉臺的伺服定位控制。

4 裝置開發和檢測實驗

根據自準直檢測原理[5]，二維轉臺制造開發后在中科院長春光機所光學檢測中心采用萊卡TM5100A型電子經緯儀對其伺服回轉精度進行檢測，如圖5所示。結果表明，二維轉臺雙軸的位置分辨率均為0.72″，方位軸重復定位精度為3.12″，橫滾軸重復定位精度為2.88″，均滿足指標要求。

為了實現二維轉鼓和二維轉臺橫滾軸安裝端面的連接，設計開發了一種中間帶有安裝凸臺的法蘭盤式連接夾具。在超精密機床上利用回轉B軸和電子拷表拷正二維轉鼓與連接夾具的同軸度后，需要將轉鼓膠接在夾具的凸臺面上。為了防止粘膠厚度的不均勻影響二維轉鼓回轉中心與夾具回轉中心的同軸度，采取在二維轉鼓和夾具接觸邊緣膠粘的方法。這樣既可避免膠粘厚度對夾具與轉鼓同軸度的影響，降低誤差，同時也方便拆卸。此外，膠水在外側，溶膠時速度也很快，在加熱的情況下5分鐘即可拆卸下二維轉鼓。再將此連接夾具整體安裝于二維轉臺的橫滾軸安裝端面上，再次利用B軸和電子拷表檢測夾具整體與二維轉臺橫滾軸的同軸度，并最終鎖緊夾具安裝螺釘，完成超精密飛切二維轉鼓前的測試實驗。如圖6所示。

圖5 基于經緯儀的二維轉臺回轉定位精度檢測

圖6 基于超精密機床的二維轉鼓裝卡定位精度檢測

5 結論

通過結構和控制系統開發，本文實現了一種方位-橫滾式二維轉臺伺服分度裝置。在彈簧的預應力作用下，通過電磁作動器作用于錐體推進機構來實現對轉臺內部回轉副界面的相對擠壓摩擦制動，進而可以實現本轉臺的高精度伺服定位需求。基于電子經緯儀和超精密機床配套電子拷表對該伺服分度定位裝置進行了測試和分析，表明該裝置可以滿足超精密飛切二維轉鼓的裝卡與分度定位需求。

[1]楊彥輝,謝啟明,岳清,吳宏斌,姜杰.鍺單晶二維六面掃描轉鼓的數控精密成形[J].新技術新工藝,2010(4):12-14.

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[3]謝啟明,李茂忠,陳俊其,等.鍺晶體二維轉鼓單點金剛石飛切工藝的研究[J].新技術新工藝,2009(3):22-24.

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[5]王喬方,羅龍英,李汝劼,王柯,王貴全,彭代東,張梅.六面折射轉鼓角度誤差測量的新方法[J].紅外技術,2016,38(09):739-741+757.