高速精密直线电机微铣削系统的动态性能研究

　　微细切削在多样化材料和三维几何形状的微细加工中具有独特优势,成为微米和中间尺度机械制造领域的一项新兴技术。铣削加工的高度柔性化,以及微小型化技术应用领域的不断扩大,使得微铣削技术在微细切削加工领域内得到不断发展[1]。一般微铣削加工的零件尺寸100μm~10 mm,加工特征尺寸10μm~1 mm,这要求机床具有高精度和高加减速的特性,才能保证插补线段的精度。为了满足微铣削加工过程精确性的要求,有必要对微铣削系统的伺服控制做深入的研究[2]。

　　本实验室研究人员在自行研制的微铣削机床试验台的基础上,开发了基于Labwindows/CVI软件平台的开放式数控系统[3],运动控制卡DMC-1842通过扩展卡与驱动器进行通信,使直线电机驱动平台按照指令要求运动,同时直线光栅尺经编码器反馈电机位置到控制器,构成伺服系统的全闭环。伺服控制一般有位置、速度和转矩等3种模式。尽管数控机床的动态特性分析和调试方面的研究很多[4, 5],但并没有就3种控制模式对伺服控制的影响作对比分析和深入研究。

　　笔者建立以超调量、跟随误差及稳定时间为指标的直线电机动态性能测试模型,根据微动和宏动响应曲线,深入分析比较3种控制模式,进一步研究微铣削伺服控制系统,选择适合于微铣削加工的模式。

　　1　直线电机动态性能测试试验台

　　1·1　微铣削机床试验台

　　本实验室研究人员研制的微铣削机床实验台,采用龙门式三坐标结构布局,不包含电源及驱动控制系统,长800mm,宽800mm,高750mm,采用Ga-lil公司的DMC-1842多轴高级运动控制卡,XY轴为Paker公司的406LXR型直线电机,最大行程150mm,对应的GV驱动器具备位置、速度和转矩控制3种模式。Z轴采用安川的伺服电机驱动滚珠滚轴丝杠平台,最高主轴转速100, 000 r/min。其中该线性伺服马达平台具有高速度性,在编码器分辨率为0·1μm下,最大速度可以达到300 mm/s,最大加速度至50 m/s2,最大推力为330 N;在其高精密定位特性中,重复精度为1μm,定位精度在整个行程内保持在12μm以内。

　　1·2　动态性能测试软件平台

　　测试的对象是直线电机在3种不同控制模式下的动态性能,它们各有其不同的特征和适应场合。

　　(1)位置模式下,驱动器运算量最大,适合在比较简单的控制器情况下,但是在运动过程中容易发生“丢步”现象。

　　(2)速度控制模式下,由于在控制器和驱动器里分别有速度回路,且两者采用不一样的滤波器和增益来闭合速度回路,所以调整的过程中容易引起冲突和系统的不稳定。

　　(3)转矩模式下,驱动器对控制信号的响应最快,运算量最小,同时对上位控制器有较高要求,适宜于定位运动或受力有严格要求的场合。测试的方法是基于各个参数的变化对动态性能的影响建立数学模型,分析各个模式下的关键参数及其影响趋势,比较3种模式下的响应曲线包括阶跃位置响应曲线和点对点运动响应曲线,评价的主要指标是超调量、跟随误差以及稳定时间。