基于伺服控制技術(shù)的磨削優(yōu)化算法研究

張?zhí)稞?，李洪波，雷志偉，宮 哲，李玉霞，王海艷

(河北省自動化研究所有限公司，河北 石家莊 050081)

0 引言

水準(zhǔn)泡是測量水平度儀器的核心零件，在軍事、航天、航海、工程機(jī)械、儀器儀表、精密設(shè)備等方面有著廣泛的應(yīng)用。水準(zhǔn)泡分為塑料水準(zhǔn)泡、金屬水準(zhǔn)泡和玻璃水準(zhǔn)泡等類別，其中玻璃水準(zhǔn)泡以其優(yōu)異的耐高溫和耐低溫能力，大量應(yīng)用于各種高端領(lǐng)域。由于應(yīng)用領(lǐng)域的高標(biāo)準(zhǔn)要求，對水準(zhǔn)泡的精度要求非常嚴(yán)格，人工磨削的產(chǎn)品品質(zhì)往往難以達(dá)標(biāo)，因此高精度的玻璃水準(zhǔn)泡磨削工作只能由機(jī)械設(shè)備完成。水準(zhǔn)泡玻璃管的材質(zhì)為高硼硅(G3.3)，硬度高，脆性大，不易研磨，導(dǎo)致其內(nèi)壁的機(jī)械化打磨普遍存在磨削效率低、破損率高、力矩不可控和磨削不均勻等問題。

1 水準(zhǔn)泡磨削工藝要求

以精度為9′的水準(zhǔn)泡(水準(zhǔn)泡內(nèi)部氣泡的水平偏移量為2 mm時，水準(zhǔn)泡在平臺上傾斜的角度為9′±1′)的磨削工藝為例，需要在長度35 mm、內(nèi)徑6 mm、外徑8 mm的玻璃管內(nèi)壁上，磨削出一段半徑為688 mm、弦長為20 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓弧，如圖1所示。由于該圓弧的半徑值和弦長值差距巨大，為滿足水準(zhǔn)泡精確測量的要求，因此該圓弧磨削的精度要求必須足夠高。

圖1 水準(zhǔn)泡磨削軌跡

為滿足高精度磨削加工的要求，現(xiàn)用磨削設(shè)備采用高精度伺服電機(jī)驅(qū)動高精度雙軸絲杠模組的方式進(jìn)行，即X軸、Y軸兩套模組在伺服驅(qū)動下完成圓弧插補(bǔ)規(guī)劃路徑，伺服控制器工作在位置控制模式。經(jīng)現(xiàn)有磨削設(shè)備加工的玻璃管，內(nèi)表面經(jīng)光學(xué)檢測設(shè)備檢測，能夠達(dá)到各項參數(shù)指標(biāo)的要求。現(xiàn)有磨削設(shè)備雖然能夠達(dá)到玻璃管內(nèi)壁磨削的精度要求，但是其生產(chǎn)效率低、破損率高、力矩不可控等問題日益突出，尚未得到有效解決。因此，結(jié)合傳統(tǒng)的機(jī)械研磨方式，在現(xiàn)有玻璃管磨削設(shè)備的基礎(chǔ)上，將磨削力矩集成在伺服位置定位算法中，對算法進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，使磨削裝置具備研磨力矩的實(shí)時控制和調(diào)節(jié)功能，實(shí)現(xiàn)研磨路徑精確定位和柔性接觸研磨，實(shí)現(xiàn)玻璃管內(nèi)表面的精密高效磨削。

2 控制系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 現(xiàn)有磨削裝置

現(xiàn)有磨削裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由X軸絲杠模組、X軸伺服電機(jī)、Y軸絲杠模組、Y軸伺服電機(jī)、磨削電機(jī)、磨頭、玻璃管夾持裝置等部分組成。

圖2 現(xiàn)有磨削裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

X軸、Y軸絲杠模組分別在X軸、Y軸伺服電機(jī)驅(qū)動下進(jìn)行各自軸的平移運(yùn)動；磨削電機(jī)選用集成式、一體化、機(jī)床專用的高速主軸電機(jī)，轉(zhuǎn)速高，跳動小，運(yùn)行穩(wěn)定；磨頭選用青銅澆筑工藝制作的金剛石磨頭，耐磨性、耐熱性良好；玻璃管夾持裝置選用高精度氣動夾頭，精度高，夾持力度可通過調(diào)節(jié)氣壓控制，不易夾碎玻璃管。該磨削裝置的控制器選用臺達(dá)EH3系列主機(jī)，通過高速脈沖輸出控制兩套臺達(dá)的A2高性能伺服驅(qū)動器，精確控制兩套模組的運(yùn)動路徑，進(jìn)行微小圓弧插補(bǔ)控制。

2.2 控制算法優(yōu)化

伺服驅(qū)動器選用臺達(dá)ASD-A2-0421-E，驅(qū)動器可提供位置、速度和扭矩三種基本操作模式，可使用單一控制模式，也可選用混合控制模式[1]。需要精密定位的應(yīng)用場景，多采用位置控制模式，位置模式的基本控制架構(gòu)如圖3所示。

圖3 位置模式的基本控制架構(gòu)

根據(jù)磨削工藝要求，伺服驅(qū)動器選用位置控制模式[2]，使伺服驅(qū)動工作在位置環(huán)。因磨削路徑為一段微小圓弧，X軸、Y軸在進(jìn)行圓弧插補(bǔ)運(yùn)動過程中，因?yàn)槊恳粋€位置的Y軸方向磨削量均不相同，如果單純采用位置控制模式，在保證玻璃管被充分磨削完的前提下應(yīng)保持X軸進(jìn)給量，這樣才能有效降低玻璃管的破損率，但同時磨削時間必然增加。鑒于此，在伺服位置控制模式的基礎(chǔ)上，集成伺服電機(jī)扭矩控制，使裝置在磨削過程中，根據(jù)不同程度的磨削量自動匹配最佳的進(jìn)給量和進(jìn)給速度，既保證了磨削的質(zhì)量，還節(jié)省了磨削的時間。其中，位置模式命令由臺達(dá)EH3控制器[3]通過脈沖方式實(shí)現(xiàn)對伺服驅(qū)動器的運(yùn)動控制。伺服驅(qū)動器的參數(shù)設(shè)定如下：設(shè)定參數(shù)P1-02為10，啟用驅(qū)動器扭矩限制功能，分別設(shè)定參數(shù)P1-12為10%、20%、30%和無限制，即限定伺服電機(jī)最大工作扭矩為額定扭矩的10%、20%、30%和伺服最大扭矩。試驗(yàn)共分為7組，每組磨削100個標(biāo)準(zhǔn)水準(zhǔn)泡，對磨削結(jié)果進(jìn)行匯總分析。水準(zhǔn)泡的最終磨削試驗(yàn)效果如圖4所示。

圖4 水準(zhǔn)泡磨削試驗(yàn)效果

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

對大量被測樣品進(jìn)行了磨削測試，經(jīng)過光學(xué)檢測設(shè)備檢測后，將檢測數(shù)據(jù)匯總,如表1和表2所示。

表1 磨削力矩?zé)o限制時的磨削數(shù)據(jù)匯總

表2 限制磨削力矩時磨削數(shù)據(jù)匯總

通過對表1和表2的數(shù)據(jù)比較可以看出，在保證磨削精度滿足使用要求的前提下：

(1) 當(dāng)不設(shè)置磨削力矩限制時，裝置按照位置模式的程序規(guī)劃路徑運(yùn)行，通過設(shè)置不同的磨削時間，測試磨削破損率?？梢缘贸?，只有在磨削時間足夠長的情況下，才會在一定程度上降低被磨削玻璃管的破損率，但是這樣必然會造成磨削效率低下，無法滿足批量生產(chǎn)的需求。

(2) 當(dāng)設(shè)置的磨削力矩限定值大于20%時，例如30%，磨削時間為160 s，磨削效率得到提高，但是磨削破損率相應(yīng)地也有所上升，說明力矩整體還是偏大；當(dāng)設(shè)置的磨削力矩≤20%時，磨削破損率大幅下降，低至1%，結(jié)合打磨效率綜合考慮，將磨削力矩設(shè)定為20%，耗時180 s，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有磨削裝置的最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。

另外，對于不同硬度、不同直徑的玻璃管，可以通過試驗(yàn)，設(shè)定不同的力矩限制值，從而實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的力矩可調(diào)、磨削效果也更加均勻。

3 結(jié)束語

在現(xiàn)有玻璃管磨削設(shè)備的基礎(chǔ)上，對磨削力矩集成在伺服位置定位算法中，將優(yōu)化后的算法進(jìn)行測試，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，現(xiàn)有磨削設(shè)備存在的磨削效率低、破損率高、力矩不可控、磨削不均勻得到了很好的解決，提高了玻璃管產(chǎn)品的穩(wěn)定性和一致性，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。