|
|
| 基于音圈直线电机的非圆车削加工进给系统研究（zxj） |
| |
| |
摘要：以中凸变椭圆活塞为例，研究了非圆截面零件的车削加丁成形原理，存分析了加工过程中对刀具进给的要求的基础上，设计了以音圈直线电机直接驱动刀具的伺服进给系统，并实现了高速往复运动控制，最后在搭建的试验平台上模拟加工椭圆横截面，试验结果验证这套进给系统方案是可行的。
关键词：音圈直线电机；伺服控制；非圆车削；进给系统0 引 言一些场合需要用到非圆截面零件，比如凸轮、内燃机中的中凸变椭圆活塞、光学仪器中的非轴对称透镜。所渭非圆截面零件，是指横截面不是圆形，以内燃机中的中凸变椭圆活塞为例，其横截面轮廓为椭网形。为了提高生产效率，该类零件往往采用车削加工，这就要求在工件高速旋转时刀具沿横向作快速的往复运动。如F1912活塞的加工，在丰轴转速为1200r／min时，车刀往复运动的行程为0．25 mm，频率为40 Hz。刀具的这种横向往复运动若用传统的步进电机、直流伺服电机或者交流伺服电机来实现，将会冈为电机换向过于频繁而影响系统的工作，而且，它们输出的回转运动需经过一套机械传动机构转化为直线运动，因而无法获得足够高的精度。传统的高频响微位移装置(如压电陶瓷、磁致伸缩等)，虽然其频响很高，但其行程范围太小。北卡罗莱纳州立大学Falter等曾设计一个机械运动放大机构，实现了600Hz的响应频率和400μm的工作行程，仍不能满足很多非圆零件对进给装置行程的要求。伊利诺伊大学香槟分校Alter等将研制的音圈直线电机驱动型快刀伺服系统应用到凸轮零件的非圆车削加工中取得了良好的效果。为此，我们设计了一个大行程(大于l mm)的音圈直线电机(voice coil Linear Atuator，VcLA)进给装置，它是基于安培力原理制造的一种新型直接驱动执行器。
它除了和直线电机一样可避免旋转电机驱动巾传动环节带来的误差，在理论上具有无限分辨率、高加速度、高速度、体积小、力特性好、控制方便等优点，更适用于要求高加速度、高频激励、快速和高精度定位运动系统。1非圆零件车削加工原理1．1 中凸变椭圆活塞的数学描述以中凸变椭圆活塞为例，如图l，零件的轴截面轮廓为中凸弧形；横截面形状为椭圆；且滑轴向高度椭圆度是变化的，但艮短轴的位置不变。可将零件的形状特征分为“轴向中凸型线”、“椭圆横截面”和“变椭圆度”三个。
式巾，z为活塞轴向坐标，θ为工件转过角度，它们都是关于时间t的变量；f1(z)为轴向型线两数，f2(z，θ)为横截面轮廓函数。式(1)描述了刀具进给量由当前轴向位置z和转角θ共同决定，一部分是仅与z有关的轴向型线函数；另一部分是在位置z处，随角度θ变化的椭圆曲线。
凶此，可将巾凸变椭圆零件的车削成形分成两个独立的运动，刀具沿z向形成中凸曲线轨迹的运动和刀具在横截面内形成椭圆轨迹的往复运动。加工过程中通常选择较慢的走刀速度和尽可能高的主轴转速，即z变化很慢，而θ变化很快。因而，式(1)中的第一部分低频分量，可视为直流成分，第二部分相当于交流分量。对于低频分量的加工，一般数控车床都能实现，而高频作动的椭网截面加工则是问题的难点。传统的“旋转电机+滚珠丝杠”无法得到较高的频响性能。因此本文采用音圈直线电机直接驱动刀具来克服这一困难，重点讨论刀具在横截面内的椭圆轨迹成形和运动控制。
1．2非圆截面软靠模生成刀具径向往复运动的轨迹是快速刀架伺服系统跟踪输入曲线得到的，该输入曲线相当于硬靠模仿形加工中仿形头的运动轨迹，其中蕴含了零件横截面的参数信息。如果输入曲线是以计算机程序指令形式存在，则称之为软靠模，这是实现非圆零件复杂型面车削的基础。软靠模能够灵活的由软件修改，具有精度高不会磨损及修改方便等诸多优点。
车削椭网横截面时，刀具随着工件的转动按零件横截面的形状尺寸在径向作快速的往复进给运动，而且主轴每[旦I转一周，刀具往复运动两次。设椭圆长轴半径n，短轴半径6，工件转角θ=2πTnt／60，n为主轴转速，则刀具的径向运动轨迹为：
实际车削加工时，横截面熊线都是采用离散的数据点来表示，结合车削加工的特点，采用一段半径不同、圆心角度相同的微小圆弧去逼近它，如图2所示。
逼近过程如下：将横截面曲线按等角度间隔日分别计算出对应的数据点列|a，r(θ)，r(2θ)，…，r(nθ)j。从长轴处开始，以椭圆半长轴n为半径的圆弧去逼近椭圆曲线，当工件转过角度θ后，此时刀具径向进给位移n—r(θ)，再以半径r(θ)的圆弧去逼近椭圆型线，依此类推，直至加工完整个椭圆型线。根据刀具的运动规律，总结驱动刀具的快速进给系统需满足：高频响，车床主轴每回转一周，刀具必须往复运动_二次；大行程，进给机构的行程必须大于零件横截面的半径差，其值达毫米量级，对于微进给机构已经算是大行程；高精度，非圆截面零件～般用在高精度场合，冈此必须满足足够高的精度。
2非圆车削刀具进给系统设计在高精度、高频往复运动场合，采用音圈直线电机直接驱动刀具可以满足响应快、精度高的要求，本文选用永磁动圈式直流直线电机，结合闭环控制来构建精密的位置伺服控制系统。
2．1刀具进给机构的设计图3给出了音圈直线电机的结构图，刀具直接由电机轴驱动，设训的直线位移有效行程为±5mm。采用刚度相同的双预压弹簧结构，分布在移动线圈两边，使断电时动子处于行程中间位置，同时保证电机在行程范围内具有良好的线性关系。
2．2伺服控制系统如图4所示，刀具伺服系统是带有位置反馈的闭环控制系统，为了提高系统快速跟踪能力，采用直线位移检测采用的光栅尺分辨率为1¨m。光栅尺直接输冉与位置有关的6路Rs422A方波信号z、z、z1、z1、Z2、Z2，经差分接收后，产生两路正交的编码脉冲信号A、B和一路参考点脉冲信号R，A、B用于提取位移信息，R则用于定位基准点，有了基准参考点，才能准确的测量电机轴位移，实现精确的位置控制，所以上电后的第一个工作就是零点检测。
2．3软件设计整个系统的软件是基于TMs320LF2407A完成的，主要有主程序和周期中断服务子程序两部分，一个位置环和一个电流环的双环结构，可以实现较高的位置环带宽。位置环为数字控制，由DsP计算完成，电流环在功率放大器内由模拟电路完成。
整个闭环控制工作过程是这样的：DsP根据预先编制的刀具位移指令和实时接收到的位置反馈信号，按照一定的控制策略计算后，定期输出控制信号；该信号经过数／模转换(DAc)和一级隔离放大后送到功率放大器；在功率放大器内部，根据输人的电压控制信号和实时的电流反馈信号，实时的改变控制H桥的PwM(脉宽调制方波)占空比，实现内部的电流闭环控制；刀架的位移与输入的电流一一对应，光栅尺将位移转换为电脉冲信号，经过差分接收送到回DsP的QEP(正交编码脉冲)单元，实现对位置信号的采样工作。
如图5所示。图5(a)所示主程序内容较少，主要完成系统的初始化和零点检测的工作，然后进入空的while(1)死循环，等待外部事件发生。图5(b)所示中断服务子程序由通用定时器Tl定时产生中断进入，完成刀具位置闭环控制的主要工作，在后文的实验研究中，闭环控制调节周期为0.2 tns。
3试验研究非网车削加1实验平台如图6所示，主轴采用交流伺服电机，模拟加工椭圆截面零件时，主轴转速设定为1200r／min，由于主轴旋转一周，刀具往复运动两次，所以刀具的往复运动频率为40 Hz。 |
| |
|
