直線電機(jī)高速進(jìn)給系統(tǒng)性能優(yōu)化研究

發(fā)布日期:2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽:3931

高速切削加工是面向21世紀(jì)的一項(xiàng)高新技術(shù),也是蘭生的重點(diǎn)服務(wù)領(lǐng)域之一?梢詫(shí)現(xiàn)高效、高精、高表面質(zhì)量的工件加工。主要的品牌有瑞士GF、德國DMG、臺(tái)灣匠澤和國產(chǎn)Cutting,以滿足汽車、航天、模具產(chǎn)業(yè)的特種材料,薄壁工件,高光精度的特需加工要求。

實(shí)現(xiàn)高速加工,不僅僅要提供適合的高速數(shù)控機(jī)床。同時(shí),還必須有與之相適應(yīng)的工裝夾刀具,才能奏效。



1 引言


  高速切削技術(shù)采用比常規(guī)加工高5~10倍的切削速度和進(jìn)給速度進(jìn)行加工,可大大減少加工時(shí)間,同時(shí)還可以減小切削力和提高加工質(zhì)量[1]。實(shí)現(xiàn)高速銑削不僅要求有合適的刀具和足夠功率及轉(zhuǎn)速的主軸,還需要機(jī)床能相應(yīng)地提供合適的進(jìn)給速度和進(jìn)給軸加速能力,特別是高速加工復(fù)雜輪廓時(shí),機(jī)床進(jìn)給軸的加速度至少應(yīng)能達(dá)到1g以上(普通機(jī)床進(jìn)給軸的加速度為0.1~0.3g),才可真正體現(xiàn)高速加工的優(yōu)越性。分析表明,在加工半徑為r0的圓弧時(shí),進(jìn)給速度vmax與軸的最大加速能力amax

  也就是說,在加工相同直徑的圓弧半徑時(shí),如果進(jìn)給速度提高一倍,軸的加速度需要提高4倍。圓弧軌跡誤差Δr是軸的最大加速度amax和系統(tǒng)位置環(huán)增益kp的函數(shù)。高速加工時(shí),當(dāng)進(jìn)給速度提高一倍,加工相同半徑圓弧時(shí),要求加速度提高4倍;如果要求加工半徑誤差不變,則系統(tǒng)的位置環(huán)增益kp需提高2倍。因此,實(shí)現(xiàn)高速加工,不但要求機(jī)床有很強(qiáng)的進(jìn)給軸的加速能力,而且要求伺服控制系統(tǒng)有較大的位置增益,同時(shí)具有足夠的穩(wěn)定性。直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的高速進(jìn)給系統(tǒng)不僅能滿足速度、加速度的要求,并且由于采用直接驅(qū)動(dòng)的方式,取消了一切中間機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié),特別是不再需要將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本運(yùn)動(dòng)的絲桿螺母機(jī)構(gòu)等影響全閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的環(huán)節(jié),其系統(tǒng)參數(shù)較普通全閉環(huán)系統(tǒng)可高一個(gè)數(shù)量級(jí)[3],因而是實(shí)現(xiàn)高速加工理想的驅(qū)動(dòng)方式。


2 直線電機(jī)高速進(jìn)給系統(tǒng)穩(wěn)定性分析


  直線電機(jī)高速進(jìn)給系統(tǒng)是由進(jìn)給控制單元、直線電機(jī)、位置反饋元件以及工作臺(tái)導(dǎo)軌等組成。由于采用了直接驅(qū)動(dòng)的方式,為了提高控制精度,通常采用全閉環(huán)控制。研究表明,機(jī)床進(jìn)給控制系統(tǒng)的輸入飽和性是閉環(huán)控制性能的一項(xiàng)限制性因素〔4〕。現(xiàn)代NC系統(tǒng)都可以設(shè)定加速度極限等參數(shù),但是,由于外載荷和參數(shù)偏差等原因,輸入信號(hào)超出這些極限常會(huì)發(fā)生,而且為了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,設(shè)計(jì)者又總會(huì)盡可能地充分利用電機(jī)的峰值加速能力,特別是直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng),因此系統(tǒng)有必要根據(jù)電機(jī)的極限推力設(shè)定外力輸入的極限,這樣在直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)部就形成了一個(gè)飽和性環(huán)節(jié)。

     基于上述原因,分析進(jìn)給控制系統(tǒng)時(shí),有必要考慮輸入的飽和性。研究非線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有很多方法[5],文獻(xiàn)[4]所提供的研究非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的“穩(wěn)定圓準(zhǔn)則”有許多優(yōu)點(diǎn),本文利用這種方法,對(duì)我們自行研制的直線電機(jī)高速數(shù)控進(jìn)給單元的參數(shù)進(jìn)行確定和優(yōu)化。

  “穩(wěn)定圓準(zhǔn)則”給出的非線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是:在復(fù)平面上,非線性系統(tǒng)中線性部分的Nyquist曲線不包含穩(wěn)定圓C(如圖2所示),且本身穩(wěn)定。穩(wěn)定圓C的中心在實(shí)軸上,與實(shí)軸交于(-1/c+j0)和(-1+j0)兩點(diǎn),c是非線性環(huán)節(jié)的飽和參數(shù)。

    G0(jω)為復(fù)平面內(nèi)第三象限的一條拋物線,如不考慮非線性環(huán)節(jié),則該系統(tǒng)始終滿足Nyquist穩(wěn)定性條件。如果考慮非線性環(huán)節(jié),根據(jù)“穩(wěn)定圓準(zhǔn)則”,系統(tǒng)穩(wěn)定的條件是:G0(jω)不應(yīng)與穩(wěn)定圓C相交。對(duì)于直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng),穩(wěn)定圓與實(shí)軸交點(diǎn)的1/c值為:

Δx為系統(tǒng)的靜態(tài)誤差,Δx=vR/kp

vR是進(jìn)給速度,kp、kv分別為位置環(huán)和速度環(huán)增益。

則穩(wěn)定圓的方程為:系統(tǒng)穩(wěn)定的極限為Nyquist曲線G0(jω)與圓C相切。

用極點(diǎn)配置法[5,6]得出kp、kv優(yōu)化值為:

Ω為系統(tǒng)根軌跡在實(shí)軸上分離點(diǎn)的坐標(biāo)值。

  將(8)代入方程(4),并與方程(7)聯(lián)立求解,可得:

    將(9)代入(6)和(8)聯(lián)立求解,求得最大允許的位置環(huán)增益為:

   從上式可以看出,位置環(huán)增益與運(yùn)動(dòng)質(zhì)量、電機(jī)推力以及進(jìn)給速度有一定關(guān)系。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定后,它們與進(jìn)給速度成反比。并且由于工作臺(tái)質(zhì)量的變化和進(jìn)給抗力都是系統(tǒng)直接干擾,因此為保證系統(tǒng)在各種工況下,均具有良好性能,系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)綜合考慮三者的影響來確定。

3 直線電機(jī)高速進(jìn)給系統(tǒng)的性能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

  本實(shí)驗(yàn)是在我校自行研制的直線電機(jī)高速進(jìn)給單元上完成的。該系統(tǒng)采用感應(yīng)式異步直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng),直線電機(jī)的初級(jí)安裝在工作臺(tái)的底部,次級(jí)平鋪在機(jī)床的床身上。初級(jí)與工作臺(tái)之間、次級(jí)與床身之間有冷卻板對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻(如圖3所示)。光柵測(cè)量與反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的位置與速度反饋,伺服控制系統(tǒng)與CNC通過專用接口相連。系統(tǒng)參數(shù)可通過CNC的人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)定,并可直接觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

  (1)空載實(shí)驗(yàn)

    Fmax按電機(jī)額定推力的2倍計(jì),將上述數(shù)據(jù)代入,可求出該系統(tǒng)可達(dá)到的最大加速度,amax=14.214m/s2≈1.45g。

  設(shè)定系統(tǒng)最大進(jìn)給速度為vR=60m/min,根據(jù)(10)式,求得:

    將上述求得的位置環(huán)增益值通過CNC人機(jī)接口,輸入系統(tǒng)參數(shù)表?蛰d啟動(dòng)系統(tǒng),得到速度60m/min、行程600mm時(shí)進(jìn)給系統(tǒng)往復(fù)運(yùn)行的時(shí)間-位移特性曲線如圖4所示。從圖中可以看出,在空載條件下,系統(tǒng)啟、停過程平穩(wěn),停止位置準(zhǔn)確,無超調(diào),反映出系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性。

    (2)加載實(shí)驗(yàn)

  對(duì)于直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng),負(fù)載(包括工作臺(tái)運(yùn)行質(zhì)量的變化和進(jìn)給抗力)都是直接干擾。為研究系統(tǒng)的負(fù)載特性和系統(tǒng)參數(shù)確定方法的合理性,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了加載對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)給速度為60m/min的條件下,在工作臺(tái)上加以100kg的負(fù)載,分別測(cè)出伺服參數(shù)不作修改的運(yùn)行特性曲線(如圖5)和按上述方法修改伺服參數(shù)后的運(yùn)行曲線(圖6)。從圖中可以看出,工作臺(tái)在高速運(yùn)行下,系統(tǒng)伺服參數(shù)修改前,工作臺(tái)在停止位有較明顯的超調(diào);按前述方法修改參數(shù)后,系統(tǒng)啟、停過程平穩(wěn),停止位置準(zhǔn)確,無超調(diào),系統(tǒng)運(yùn)行特性良好。加載實(shí)驗(yàn)說明:系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的變化的確對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行特性有較大的影響,是系統(tǒng)的直接干擾;同時(shí)也表明,用上述方法可很好解決負(fù)載干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響問題,確保系統(tǒng)運(yùn)行性能。



圖5 系統(tǒng)參數(shù)修改前,直線電機(jī)高速進(jìn)給系統(tǒng)在負(fù)載100kg下的運(yùn)行特性曲線

4 結(jié)論


  直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng),由于工件質(zhì)量的變化及切削力的變化均是系統(tǒng)的直接干擾源,與普通傳動(dòng)方式相比,對(duì)穩(wěn)定性有更高的要求。本文利用非線性系統(tǒng)穩(wěn)定圓準(zhǔn)則對(duì)直接驅(qū)動(dòng)的高速進(jìn)給系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行確定,較好地解決了直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能優(yōu)化問題。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,該方法可很好地解決系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量、運(yùn)行速度和進(jìn)給抗力等系統(tǒng)直接干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響,為系統(tǒng)的調(diào)試提供理論依據(jù)。

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