直驅(qū)雙擺銑頭綜合性能測(cè)試研究*＊1

衣 杰 楊慶東 許道金

(北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192)

數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化的基石，隨著科技的發(fā)展，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心已經(jīng)在復(fù)雜的曲面及特殊零件加工中發(fā)揮著無(wú)可替代的作用，是現(xiàn)代高端加工制造的 重要加工工具［1］。直驅(qū)雙擺銑頭由力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工精度高，是為五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的最重要關(guān)鍵功能部件，直驅(qū)雙擺銑頭的結(jié)構(gòu)和性能在很大程度上決定了整臺(tái)機(jī)床的性能，高性能、高可靠性的直驅(qū)雙擺銑頭對(duì)現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展具有十分重要的意義。因此對(duì)直驅(qū)雙擺銑頭的性能進(jìn)行測(cè)試研究，檢測(cè)和提升直驅(qū)雙擺銑頭的整機(jī)性能，顯得尤為重要。

1 直驅(qū)雙擺銑頭的總體結(jié)構(gòu)

力矩電動(dòng)機(jī)直驅(qū)雙擺銑頭［2］結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，該機(jī)構(gòu)由一個(gè)讓主軸繞各軸旋轉(zhuǎn)的萬(wàn)向架及4個(gè)內(nèi)嵌的力矩電動(dòng)機(jī)和電主軸構(gòu)成。力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)萬(wàn)向架和電主軸。第1臺(tái)力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)萬(wàn)向架實(shí)現(xiàn)C軸的回轉(zhuǎn)。另外2臺(tái)(一對(duì))力矩電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)叉頭連接在萬(wàn)向架上，轉(zhuǎn)子與電主軸套相連接，直接驅(qū)動(dòng)電主軸擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)A軸的回轉(zhuǎn)。

2 直驅(qū)雙擺銑頭測(cè)試總體方案

為滿(mǎn)足直驅(qū)雙擺銑頭的性能測(cè)試要求，測(cè)試平臺(tái)需要實(shí)時(shí)采集、計(jì)算處理及顯示運(yùn)動(dòng)位移、力矩、溫度等物理量并根據(jù)需要控制實(shí)驗(yàn)流程。本測(cè)試系統(tǒng)包含兩臺(tái)計(jì)算核心:一臺(tái)為工控機(jī)安裝XP系統(tǒng)和測(cè)試界面，主要負(fù)責(zé)直驅(qū)雙擺銑頭的運(yùn)動(dòng)控制及采集運(yùn)動(dòng)精度測(cè)試和力矩測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)，同時(shí)還包括PMAC的反饋數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理、顯示及人機(jī)交換;另一臺(tái)以PMAC為核心的控制與功率機(jī)制運(yùn)行其專(zhuān)用DSP軟件，根據(jù)測(cè)試工控機(jī)的指令執(zhí)行預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)程序并把數(shù)據(jù)參數(shù)實(shí)時(shí)返回給測(cè)試工控機(jī)。這樣既完成測(cè)試任務(wù)也滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集同步的要求，降低了設(shè)計(jì)難度和工作量，保證了兩臺(tái)計(jì)算核心都有足夠的執(zhí)行資源。測(cè)試方案如圖2所示。

2.1 直驅(qū)雙擺銑頭的運(yùn)動(dòng)特性測(cè)試

直驅(qū)雙擺銑頭的運(yùn)動(dòng)特性是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，銑頭的精度將直接影響著整臺(tái)加工中心的加工精度。直驅(qū)雙擺銑頭的運(yùn)動(dòng)精度包含伺服控制精度如階躍響應(yīng)精度及跟隨誤差、位置速度及跟隨誤差加速度。本節(jié)分別對(duì)直驅(qū)雙擺銑頭的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)試。

2.1.1 位移響應(yīng)測(cè)試及跟隨誤差

位移跟隨階躍響應(yīng)是伺服評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的核心指標(biāo)之一。指令跟隨響應(yīng)可以反應(yīng)系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。通過(guò)觀(guān)察指令跟隨響應(yīng)可以清楚地了解系統(tǒng)的響應(yīng)快慢、穩(wěn)態(tài)誤差大小和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性等。測(cè)試時(shí)，給予階躍指令，測(cè)試其響應(yīng)曲線(xiàn)及相應(yīng)的跟隨誤差如圖3、4所示。

2.1.2 速度響應(yīng)測(cè)試及跟隨誤差

對(duì)直驅(qū)雙擺銑頭來(lái)說(shuō)，所運(yùn)行的最大速度、速度的平穩(wěn)性都是評(píng)價(jià)直驅(qū)雙擺銑頭性能好壞的重要指標(biāo)，在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中，速度平穩(wěn)性越高，加工出的零件表面質(zhì)量也越高。所以現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床要求很高的調(diào)速性能，速度需要盡可能的平穩(wěn)，如果速度波動(dòng)過(guò)大會(huì)直接導(dǎo)致加工產(chǎn)品質(zhì)量變差。本測(cè)試系統(tǒng)對(duì)直驅(qū)雙擺銑頭施加正弦速度指令，得出響應(yīng)曲線(xiàn)及跟隨誤差如圖5、6所示。

2.1.3 加速度測(cè)試

運(yùn)用正弦掃頻測(cè)試，測(cè)試頻率范圍1～50 Hz正弦波，閉環(huán)測(cè)試，速度、加速度參數(shù)均放至最大。如圖7:正弦掃頻測(cè)試A軸最大加速度為:14 398 264.67脈沖/s2，反饋為 1 000 000/圈，乘以 2倍后，換算為4.585 435 rad/s2。

如圖8:C軸實(shí)際最大加速度:12 353 293.74脈沖/s2，反饋為 4 000 000/圈，換算為0.491 771 rad/s2。

2.2 直驅(qū)雙擺銑頭的力矩性能測(cè)試研究

直驅(qū)雙擺銑頭是五軸數(shù)控聯(lián)動(dòng)機(jī)床的核心功能部件，其核心零部件為力矩電動(dòng)機(jī)，力矩電動(dòng)機(jī)在直驅(qū)雙擺銑頭中的應(yīng)用，為直驅(qū)雙擺銑頭提供了兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)即A/C軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，與機(jī)床的的X、Y、Z軸相互配合五軸聯(lián)動(dòng)，力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)雙擺銑頭相對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)無(wú)反向間隙、結(jié)構(gòu)緊湊、精度高、剛性好、傳動(dòng)效率高。內(nèi)嵌力矩電動(dòng)機(jī)直驅(qū)雙擺銑頭主要用于加工機(jī)構(gòu)復(fù)雜的開(kāi)關(guān)和曲面，如船用推進(jìn)器葉輪等，因此力矩是直驅(qū)雙擺銑頭的一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)。

2.2.1 直驅(qū)雙擺銑頭的力矩測(cè)試方案

在設(shè)計(jì)雙擺銑頭測(cè)試方案時(shí)，一定要信號(hào)的采集、傳感器的安裝，以及測(cè)試信號(hào)［3］的準(zhǔn)確完整性。在充分考慮直驅(qū)雙擺銑頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)計(jì)了本測(cè)試系統(tǒng)的總體方案，搭建了直驅(qū)雙擺銑頭力矩測(cè)試的試驗(yàn)平臺(tái)。測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案圖如9所示。

2.2.2 直驅(qū)雙擺銑頭力矩測(cè)試試驗(yàn)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)直驅(qū)雙擺銑頭進(jìn)行力矩測(cè)試，分別對(duì)A/C軸進(jìn)行堵轉(zhuǎn)1 min，記錄結(jié)果，每50 ms進(jìn)行一次記錄，共記錄1 200個(gè)數(shù)值。

直驅(qū)雙擺銑頭A力矩測(cè)試如圖10所示。得到測(cè)試結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出來(lái)，直驅(qū)雙擺銑頭A軸的最大力矩為122 N·m，最小的力矩為118 N·m，在120 N·m上下波動(dòng)，波動(dòng)系數(shù)1.67%，這說(shuō)明所測(cè)力矩均值為120 N·m，與A軸力矩設(shè)計(jì)指標(biāo)120 N·m相符。之所以出現(xiàn)波動(dòng)是因?yàn)殂婎^支撐架剛度不夠，再加上采用的是平衡力法測(cè)量，所以引起了跳動(dòng)，形成波動(dòng)。

直驅(qū)雙擺銑頭C力矩測(cè)試如圖12所示。得到測(cè)試結(jié)果如圖13所示。由圖13可以看出來(lái)，直驅(qū)雙擺銑頭C軸的最大力矩為245 N·m，最小的力矩為237 N·m，在240 N·m上下波動(dòng)，波動(dòng)系數(shù)1.61%，這說(shuō)明所測(cè)力矩均值為240 N·m，與C軸力矩設(shè)計(jì)指標(biāo)240 N·m相符。之所以出現(xiàn)波動(dòng)是因?yàn)殂婎^支撐架剛度不夠，再加上采用的是平衡力法測(cè)量，所以引起了跳動(dòng)，形成波動(dòng)。

2.3 直驅(qū)雙擺銑頭的溫度性能測(cè)試研究

直驅(qū)雙擺銑頭是由內(nèi)嵌的力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，因此在加工過(guò)程中除了機(jī)械摩擦熱外更有力矩電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱。溫升不但對(duì)加工精度有很大的影響，而且也會(huì)嚴(yán)重影響力矩電動(dòng)機(jī)的性能。所以溫升將嚴(yán)重影響著整臺(tái)直驅(qū)雙擺銑頭的性能的好壞，我們需要要對(duì)雙擺銑頭的溫升進(jìn)行研究，建立雙擺銑頭的溫度場(chǎng)，從而來(lái)分析銑頭性能及其加工實(shí)用性。

2.3.1 直驅(qū)雙擺銑頭的熱源分析

直驅(qū)雙擺銑頭工作時(shí)，處于一個(gè)不穩(wěn)定內(nèi)外熱源作用下，而且雙擺銑頭內(nèi)部各部件的材料、形狀、結(jié)構(gòu)以及熱慣性都不相同，再加上連接件之間接合面熱阻以及雙擺銑頭表面?zhèn)鳠崆闆r也不盡相同，使雙擺銑頭形成一個(gè)復(fù)雜多變的溫度場(chǎng)。在這樣的溫度場(chǎng)下，雙擺銑頭各部分構(gòu)件材料產(chǎn)生了熱應(yīng)力和熱位移，而熱應(yīng)力和熱位移隨材料各部件形狀、物理特性及連接和支撐的不同而不同，從而使雙擺銑頭的熱變形變得更加復(fù)雜。總的來(lái)說(shuō)，在直驅(qū)雙擺銑頭加工過(guò)程中，熱源主要分為內(nèi)熱源和外熱原兩類(lèi)［4］。如圖14所示。

2.3.2 直驅(qū)雙擺銑頭溫度測(cè)試

影響直驅(qū)雙擺銑頭溫升的主要是內(nèi)嵌力矩電動(dòng)機(jī)，軸承由于轉(zhuǎn)速較低所以產(chǎn)生的熱量可以忽略，而電主軸帶有冷卻系統(tǒng)，且本測(cè)試實(shí)驗(yàn)是在非加工情況下進(jìn)行測(cè)試的。所以最大發(fā)熱處在力矩電動(dòng)機(jī)處，這也就是說(shuō)傳感器要盡量接近或者接觸力矩電動(dòng)機(jī)的線(xiàn)圈，以達(dá)到最好的測(cè)量精度。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖15所示。

模擬直驅(qū)雙擺銑頭加工工況，對(duì)雙擺銑頭進(jìn)行堵轉(zhuǎn)，測(cè)試雙擺銑頭的最大的發(fā)熱量。堵轉(zhuǎn)半小時(shí)，每10 s進(jìn)行一次溫度測(cè)試。測(cè)得銑頭關(guān)鍵點(diǎn)溫度變化如圖16所示。

由溫度變化曲線(xiàn)可知，當(dāng)直驅(qū)雙擺銑頭運(yùn)行25 min后溫度穩(wěn)定為38.2℃，在21 min時(shí)為溫度的最高值為39.1℃，溫度穩(wěn)定值38.2℃與熱分析結(jié)果36.5℃相差4.4%，在誤差范圍之內(nèi)，兩者相互驗(yàn)證，相互吻合說(shuō)明了試驗(yàn)的可行性。

3 結(jié)語(yǔ)

本課題完成了對(duì)直驅(qū)雙擺銑頭的運(yùn)動(dòng)特性的測(cè)試、通用性的直驅(qū)雙擺銑頭力矩測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試，以及通用的溫度測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試;測(cè)試結(jié)果與理論設(shè)計(jì)要求基本相符。對(duì)實(shí)驗(yàn)室所研制的直驅(qū)雙擺銑頭的性能進(jìn)行了深入的研究，研究表明測(cè)試所采用的方案合理有效，這為檢驗(yàn)研制直驅(qū)雙擺銑頭的加工實(shí)用性、提高直驅(qū)雙擺銑頭整機(jī)的性能及直驅(qū)雙擺銑頭的產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。

［1］梁成，劉建群.五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.機(jī)械制造，2010，48(545):5 －7.

［2］薛兆云，康敏.基于力矩電動(dòng)機(jī)的雙擺銑頭設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代制造工程，2007(3):107－109.

［3］曹玲芝.現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)及虛擬儀器［M］.北京:北京航空大學(xué)出版社，2004:47－83.

［4］陳兆年，陳子辰.機(jī)床熱態(tài)特性學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1989.