基于Gantry驅(qū)動(dòng)的雙直線電動(dòng)機(jī)高速動(dòng)態(tài)同步誤差性能測(cè)試研究*

袁 博 林獻(xiàn)坤

(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海200093)

隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，高精度、高速和高加速度正成為新一代數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向。在傳統(tǒng)進(jìn)給系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠副的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在反向間隙、慣性、摩擦力和剛性不足等問(wèn)題，保證一定精度要求需要以犧牲速度為前提［1］。而直線電動(dòng)機(jī)是一種沒(méi)有任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置，直接將電能轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，主要具有進(jìn)給速度快、加速度大、快速響應(yīng)、定位精度高、無(wú)行程限制、效率高、運(yùn)動(dòng)噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)高速機(jī)床正成為新一代數(shù)控機(jī)床具有代表性的先進(jìn)技術(shù)之一［2］。

對(duì)大型整體工件和幾何形狀復(fù)雜的工件進(jìn)行加工時(shí)，采用龍門柱固定的傳統(tǒng)龍門機(jī)床難以獲得高的加速度，同時(shí)又受到工作臺(tái)長(zhǎng)度和工作場(chǎng)所的限制［3］，由雙直線電動(dòng)機(jī)同步驅(qū)動(dòng)的龍門移動(dòng)式機(jī)床讓工作臺(tái)與工件保持靜止，龍門立柱質(zhì)量相對(duì)較小，可以獲得較高的加速度特性，發(fā)揮了直線電動(dòng)機(jī)快速響應(yīng)的優(yōu)越性，因此，雙直線電動(dòng)機(jī)同步驅(qū)動(dòng)的龍門橋式機(jī)床成為當(dāng)前高速機(jī)床的一個(gè)重要的發(fā)展方向［4］。

SIMUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱840D系統(tǒng))除了對(duì)軸的位置、速度、轉(zhuǎn)矩等精確控制外，系統(tǒng)還提供了Gantry龍門同步功能供用戶使用，為雙直線電動(dòng)機(jī)龍門同步提供了一種理想的解決方法。龍門立柱動(dòng)態(tài)同步誤差直接影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量［5］，因此探索清楚由該功能驅(qū)動(dòng)控制的雙直線電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)同步性能，對(duì)于推動(dòng)雙直線電動(dòng)機(jī)在高速龍門結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用具有重要意義。本文給出應(yīng)用Gantry功能實(shí)現(xiàn)雙直線電動(dòng)機(jī)同步驅(qū)動(dòng)的方法，并通過(guò)雙頻激光干涉儀，在自構(gòu)建的試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)Gantry功能驅(qū)動(dòng)的雙直線電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)同步誤差進(jìn)行測(cè)試，給出測(cè)試方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中同步誤差的動(dòng)態(tài)特性。

1 Gantry功能的實(shí)現(xiàn)

1.1 自構(gòu)建平臺(tái)的組成

圖1為本文研究所用的龍門移動(dòng)式直線電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中直線軸X1(右)、X2軸(左)配有永磁式交流直線電動(dòng)機(jī)，直線電動(dòng)機(jī)的初級(jí)固定于兩端龍門柱基座，次級(jí)布置于縱向的導(dǎo)軌底座，使整個(gè)龍門橋式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)縱向進(jìn)給;Y軸由另一臺(tái)直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)刀架在橫梁上的橫向進(jìn)給，用來(lái)改變龍門架的負(fù)載分布。

該直線電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)如圖2所示，平臺(tái)中兩X軸的進(jìn)給由840D系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的功能由以下四部分組成:人機(jī)界面 HMI、可編程控制器PLC、數(shù)控內(nèi)核NCK和數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)SIMODRIVE 611D。硬件結(jié)構(gòu)主要包括840D操作面板(MMC103)、機(jī)床控制面板(MCP)、手持單元(HHU)、PLC模塊、數(shù)字控制單元(NCU)、611D主電源模塊和功率模塊。位置測(cè)量系統(tǒng)采用光柵尺。外部感應(yīng)模塊SMEX92作用有:保護(hù)電動(dòng)機(jī)、計(jì)算工作溫度、連接直線電動(dòng)機(jī)旁的電動(dòng)機(jī)感應(yīng)器并把直線電動(dòng)機(jī)的位置信號(hào)反饋給伺服控制611D。

1.2 雙直線電動(dòng)機(jī)Gantry功能的實(shí)現(xiàn)

Gantry功能是840D系統(tǒng)針對(duì)龍門軸同步驅(qū)動(dòng)控制推出的一種基于電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的三層閉環(huán)PID控制方法，龍門軸以組的形式出現(xiàn)，包含主動(dòng)軸和它的一個(gè)或兩個(gè)從動(dòng)軸，主動(dòng)軸和從動(dòng)軸都是直線軸，或都是旋轉(zhuǎn)軸，它們都有各自獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和測(cè)量系統(tǒng)。

設(shè)定SINUMERIK 611D驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，按照以下步驟在直線電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)兩X軸的雙直線電動(dòng)機(jī)Gantry功能:

步驟一:定義龍門同步軸

定義直線軸X1為主動(dòng)軸，直線軸X2為從動(dòng)軸，見(jiàn)圖1。對(duì)相關(guān)驅(qū)動(dòng)參數(shù)的設(shè)定如下:

AXIS 1

MD37100＄MA_GANTRY_AXIS_TYPE=1

AXIS 2

MD37100＄MA_GANTRY_AXIS_TYPE=11

需要手動(dòng)移除主動(dòng)軸與從動(dòng)軸之間的位置差值時(shí)，通過(guò)設(shè)定驅(qū)動(dòng)參數(shù):MD37140＄MA_GANTRY_BRESK_UP=1來(lái)可拆分強(qiáng)制連接。

步驟二:設(shè)定報(bào)警極限值參數(shù)

為保證龍門軸同步性能，Gantry功能包含對(duì)龍門軸組各軸的實(shí)際位置進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，當(dāng)加工受力或外力干擾使主動(dòng)軸與從動(dòng)軸之間的位置偏差值大于報(bào)警極限值時(shí)系統(tǒng)報(bào)警。報(bào)警極限值參數(shù)設(shè)定如下:

AXIS1

MD37110＄MA_GANTRY_POS_TOL_WARNING=0.3

AXIS2

MD37110＄MA_GANTRY_POS_TOL_WARNING=0.3

步驟三:設(shè)定斷開(kāi)極限值參數(shù)

為了避免對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)造成損害，位置差值一旦超過(guò)斷開(kāi)極限值的情況，機(jī)床將緊急停止。斷開(kāi)極限值參數(shù)設(shè)定如下:

AXIS1

MD37120＄MA_GANTRY_POS_TOL_ERROR=1

AXIS2

MD37120＄MA_GANTRY_POS_TOL_ERROR=1

步驟四:設(shè)定回參考點(diǎn)最大未對(duì)準(zhǔn)極限值參數(shù)

龍門軸靠近參考點(diǎn)是一個(gè)振蕩的過(guò)程，分三個(gè)階段:(1)主動(dòng)軸回參考點(diǎn)，從動(dòng)軸跟隨主動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)。(2)主動(dòng)軸回到參考點(diǎn)后從動(dòng)軸回參考點(diǎn)(系統(tǒng)內(nèi)部自動(dòng)啟動(dòng))，主動(dòng)軸跟隨從動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，如果有第二從動(dòng)軸，則上述過(guò)程再進(jìn)行一次。(3)龍門軸組的所有軸回到參考點(diǎn)后，主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的實(shí)際位置作比較，差值大于回參考點(diǎn)最大未對(duì)準(zhǔn)極限值時(shí)系統(tǒng)報(bào)警?；貐⒖键c(diǎn)最大未對(duì)準(zhǔn)極限值設(shè)定:

AXIS 1

MD37130＄MA_GANTRY_POS_TOL_REF=10

AXIS2

MD37130＄MA_GANTRY_POS_TOL_REF=10

經(jīng)過(guò)上述幾個(gè)步驟的參數(shù)設(shè)定，直線軸X1與直線軸X2可實(shí)現(xiàn)Gantry同步控制功能。

龍門軸的主動(dòng)軸和從動(dòng)軸開(kāi)機(jī)后在兩個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)Gantry功能的強(qiáng)制連接，操作者只需對(duì)主動(dòng)軸進(jìn)行編程，經(jīng)過(guò)插補(bǔ)指令，從動(dòng)軸可與主動(dòng)軸保持精確同步。

2 動(dòng)態(tài)同步誤差測(cè)試原理及測(cè)試方法

2.1 測(cè)試原理

為了掌握Gantry功能控制驅(qū)動(dòng)的雙直線電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)同步性能，需要同時(shí)監(jiān)視主動(dòng)軸X1和從動(dòng)軸X2在同步驅(qū)動(dòng)進(jìn)給時(shí)的動(dòng)態(tài)位移情況。

采用激光干涉儀可以對(duì)位移進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。激光干涉儀是應(yīng)用雷達(dá)原理、多普勒效應(yīng)及光學(xué)外差原理，利用反射鏡移動(dòng)時(shí)對(duì)激光束反射所產(chǎn)生的激光頻率的多普勒頻移來(lái)進(jìn)行位移測(cè)量。激光多普勒測(cè)量原理如圖3所示。

圖中激光頭射出的頻率為f0，經(jīng)平行反射鏡反射回到探測(cè)器，當(dāng)平行反射鏡不動(dòng)時(shí)，其反射波頻率fr=f0。當(dāng)反射鏡以v的速度移動(dòng)時(shí)(v=d x/d t，相互遠(yuǎn)離時(shí)取“+”，相互移近時(shí)取“-”)，因?yàn)楣獬淘黾?減少)了2vt，反射波 fr的數(shù)值會(huì)減少(增加)2v/λ0(λ0為激光波長(zhǎng))，即:由此可得在時(shí)間t內(nèi)激光頭與反射鏡間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離x為

激光多普勒測(cè)量?jī)x采用相位探測(cè)器用來(lái)偵測(cè)相位偏移，對(duì)于每一位移的半波長(zhǎng)，也就是相位Φ積滿一個(gè)周期2π，探測(cè)器發(fā)出一個(gè)增位或減位脈沖信號(hào)，通過(guò)脈沖數(shù)可得知位移x，即:

這里N為積分滿一周期2π的周期數(shù)，ΔΦ/2π是未滿一周期的余量。

實(shí)現(xiàn)龍門同步回參考點(diǎn)后，在系統(tǒng)的參考點(diǎn)處兩軸的位移為零值，即x1=0，x2=0。之后在任意時(shí)刻兩軸的位移差值:

即為龍門同步在這一時(shí)序點(diǎn)的位置同步誤差值。

激光所依賴的傳播介質(zhì)容易收到干擾，為排除這些干擾對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的影響，在仿真誤差值數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)每個(gè)時(shí)序的同步誤差取值:

式中n為取樣時(shí)序點(diǎn)。

2.2 測(cè)試方法

對(duì)兩X軸雙邊位移動(dòng)態(tài)測(cè)量采用美國(guó)光動(dòng)公司的激光多普勒位移測(cè)量系統(tǒng)，型號(hào)為MCV-500，它是具有nm級(jí)位移測(cè)量精度的雙頻激光干涉儀，測(cè)量范圍為數(shù)微米到數(shù)米［7］。

測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)組件如圖4所示，使用兩個(gè)激光頭模塊對(duì)兩X軸進(jìn)行測(cè)量，激光光束由架設(shè)在移動(dòng)目標(biāo)軸上兩個(gè)反射鏡組反射到激光頭模塊中的探測(cè)器，射出的光束與反射的光束在同一路徑上，探測(cè)器向處理器模塊發(fā)出相位偏移信號(hào)，處理器模塊對(duì)兩組激光的相位偏移信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并通過(guò)兩張PCI采集卡同時(shí)將兩組數(shù)據(jù)采集到測(cè)試所用的筆記本計(jì)算機(jī)內(nèi)。傳感器模塊用來(lái)采集環(huán)境溫度、氣壓及材料溫度，使處理器對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。

使用激光干涉儀對(duì)兩直線軸位移進(jìn)行測(cè)試的具體步驟如下:

(1)連接激光測(cè)量?jī)x器各組件如圖4，空氣溫度及壓力傳感器放置在激光光路附近，材料溫度傳感器放置在機(jī)床床身上，線組接好后打開(kāi)電源。

(2)將兩個(gè)反射鏡組分別架設(shè)在需要測(cè)試的X1、X2軸龍門柱基座上。

(3)在工作臺(tái)上固定激光頭，確認(rèn)激光光束由90°反光鏡出來(lái)的方向與位移測(cè)量方向相同。

(4)調(diào)整激光頭的光束和反射鏡標(biāo)靶使激光光束反射回激光頭的接收孔。

(5)開(kāi)啟激光測(cè)量?jī)x2D時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量畫(huà)面，設(shè)定頻率、持續(xù)時(shí)間等測(cè)量參數(shù)。

(6)按照測(cè)試程序運(yùn)動(dòng)直線電動(dòng)機(jī)，采集測(cè)量數(shù)據(jù)及保存結(jié)果。

(7)輸出結(jié)果及數(shù)據(jù)處理。

3 測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證由Gantry功能所實(shí)現(xiàn)的雙直線電動(dòng)機(jī)同步驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)同步性能，對(duì)于試驗(yàn)臺(tái)在不同的直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給速度和不同的龍門負(fù)載分布情況下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

實(shí)驗(yàn)一:測(cè)試不同進(jìn)給速度時(shí)的同步誤差值。

先將刀架進(jìn)給到橫梁中間，設(shè)定X1、X2軸進(jìn)給加速度值a=2m/s2，進(jìn)給的加速度改變可以通過(guò)伺服參數(shù)設(shè)定實(shí)現(xiàn):

MD32300 MAX_AX_ACCFL=2

對(duì)主動(dòng)軸X1軸進(jìn)行編程，使X1軸和X2軸在0～1300mm范圍內(nèi)分別以v=10、30、60m/min的速度同步進(jìn)給一次，對(duì)每種進(jìn)給速度情況下，測(cè)出位置同步誤差值。圖5為a=2 m/s2時(shí)，不同速度下同步誤差值比較曲線。

從圖5中可以看到，使用雙頻激光干涉儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩X軸雙邊位移的動(dòng)態(tài)測(cè)量，從而測(cè)試出雙直線電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)同步誤差值。通過(guò)同步誤差值曲線的比較可以看到，龍門機(jī)構(gòu)在速度穩(wěn)定階段，即位移為400～800 mm時(shí)，10 m/min和30 m/mion進(jìn)給速度下的同步誤差值都在25μm內(nèi)波動(dòng)，而進(jìn)給速度為60 m/min時(shí)，同步誤差值會(huì)達(dá)到45μm，進(jìn)給速度增大使同步誤差增大。

實(shí)驗(yàn)二:測(cè)試不同的龍門負(fù)載情況時(shí)的同步誤差值。

同樣設(shè)定試驗(yàn)臺(tái)X1軸、X2軸的加速度為a=2 m/s2，對(duì)主動(dòng)軸X1軸進(jìn)行編程，使X1軸和X2軸在0～1300 mm的范圍內(nèi)以v=30 m/min的速度同步進(jìn)給。改變刀架的位置，分別以刀架在主動(dòng)軸X1處、橫梁中間、從動(dòng)軸X2處情況下，測(cè)試雙直線電動(dòng)機(jī)的位置同步誤差。圖6為v=30 m/min時(shí)，龍門結(jié)構(gòu)在不同的負(fù)載分布情況下同步誤差值比較曲線。

從圖6中的同步誤差值比較曲線可知，負(fù)載分布情況對(duì)于穩(wěn)定速度進(jìn)給時(shí)的同步誤差影響較小，而在直線電動(dòng)機(jī)的加速和減速階段，即位移為0～100 mm和1200～1300 mm時(shí)，同步誤差有30μm的差異，不同的負(fù)載分布明顯影響同步誤差值。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用SIMUMERIK 840D的Gantry功能，能使雙直線電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)高速同步驅(qū)動(dòng)，此實(shí)現(xiàn)方法便捷、有效。使用雙頻激光干涉儀可測(cè)試雙直線電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)同步誤差，對(duì)其主動(dòng)軸與從動(dòng)軸的動(dòng)態(tài)同步性能進(jìn)行測(cè)試分析后，有如下結(jié)論:

(1)主動(dòng)軸與從動(dòng)軸的動(dòng)態(tài)同步誤差隨著直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給速度的增大而增大。

(2)不同的龍門負(fù)載分布對(duì)于直線電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定速度進(jìn)給時(shí)的同步誤差值影響較小，對(duì)于直線電動(dòng)機(jī)在加速和減速階段，會(huì)明顯影響同步誤差值。

1 郭慶鼎，唐光譜，唐元鋼等.基于自適應(yīng)控制的雙電動(dòng)機(jī)同步傳動(dòng)控制技術(shù)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38(2):79 ～81

2 林健，汪木蘭，左健民等.直線電動(dòng)機(jī)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用［J］.機(jī)械制造，2008，46(1):53 ～56

3 Min-fu Hsieh，chin-Juei Tung，Wu-Sung Yao.Servo design of a vertical axis drive using dual linear motors for high speed electric dischargemachining［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture.2007，47(3):546-554

4 代曉明，楊慶東.高架橋式龍門高速加工中心直線進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造，2005，43(1):12 ～14

5 王麗梅，郭慶鼎.數(shù)控龍門移動(dòng)式鏜銑床的同步控制策略［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2005(4):85～87

6 SIEMENS公司.SINUMERIK 810/840D簡(jiǎn)明調(diào)試技術(shù)手冊(cè)，2006.

7 OPTODYNE.MCV-500 User’s Guide，2005.