超精密飛切二維轉(zhuǎn)鼓用伺服分度裝置的研制

石廣豐，馮偉東，史國權(quán)，蔡洪彬，薛常喜

（1.長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022；2.吉林工商學(xué)院，長春 130000）

0 引言

相對于一維轉(zhuǎn)鼓來說，二維轉(zhuǎn)鼓是激光掃描、熱成像儀的重要組成零件之一，具有掃描速度快等優(yōu)點(diǎn)[1,2]。在利用超精密機(jī)床進(jìn)行單點(diǎn)金剛石飛切技術(shù)加工二維轉(zhuǎn)鼓（材料為塑性金屬或半導(dǎo)體材料）時[3]，需要使用以二維轉(zhuǎn)臺為主體的分度裝置對轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行裝夾和精密定位，而二維轉(zhuǎn)鼓的加工精度依賴于二維轉(zhuǎn)臺的定位精度。目前國內(nèi)高精度的專用手動控制二維轉(zhuǎn)臺主要通過國外進(jìn)口來實(shí)現(xiàn)，不僅價格高，而且加工效率不高。更高精度、自動化的伺服定位轉(zhuǎn)臺屬于高技術(shù)設(shè)備，受到國外先進(jìn)國家的封鎖，即使能夠購買，價格也十分昂貴。為了實(shí)現(xiàn)對二維轉(zhuǎn)鼓高效率、高精度的加工要求，急需自主開發(fā)一種自動化、高精度定位轉(zhuǎn)臺。

本文依據(jù)二維轉(zhuǎn)鼓的超精密飛切原理和加工精度需求，求得所需二維轉(zhuǎn)臺伺服分度裝置的技術(shù)指標(biāo)，依次開展相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制動定位設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)開發(fā)，最終經(jīng)過制造、裝調(diào)、檢測提供一種滿足二維轉(zhuǎn)鼓超精密飛切需求的伺服分度裝置。

1 工作原理

如圖1所示，在超精密飛切二維轉(zhuǎn)鼓的過程中，將天然金剛石刀具裝在與機(jī)床主軸聯(lián)結(jié)在一起的飛刀盤上。加工時刀具旋轉(zhuǎn)，二維轉(zhuǎn)鼓通過伺服分度裝置的方位軸和橫滾周綜合實(shí)現(xiàn)送進(jìn)與翻轉(zhuǎn)，依次對各面進(jìn)行加工。精密伺服分度裝置和超精密切削機(jī)床配套使用，通過對二維轉(zhuǎn)鼓裝夾和定位來保證轉(zhuǎn)鼓各面間的角度精度，共同實(shí)現(xiàn)二維轉(zhuǎn)鼓的高精度加工。所以精密伺服分度裝置不但需要伺服控制，還需要準(zhǔn)確而穩(wěn)定的定位來抵抗加工所帶來的沖擊作用。

圖1 二維轉(zhuǎn)鼓及其超精密飛切加工裝卡模型圖

2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了在進(jìn)口超精密切削機(jī)床上實(shí)現(xiàn)配套應(yīng)用，根據(jù)加工某二維轉(zhuǎn)鼓的加工精度需求提出了該伺服分度裝置中二維轉(zhuǎn)臺的相關(guān)指標(biāo)：尺寸＜300mm×300mm×300mm，橫滾軸中心高度：＜163mm；位置分辨率：＜2″；重復(fù)定位精度：＜5″。

根據(jù)該伺服分度裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理，影響軸系重復(fù)定位的因素主要包括：軸系晃動誤差和編碼器的系統(tǒng)精度，與軸系的位置誤差、編碼器的零位差、編碼器的安裝誤差等無關(guān)。橫滾軸晃動誤差主要受軸承內(nèi)圈徑向跳動影響。根據(jù)橫滾軸坐標(biāo)系的偏轉(zhuǎn)變換矩陣計(jì)算分析，取極限位置考慮，可得由軸承內(nèi)圈徑向跳動產(chǎn)生的橫滾軸晃動誤差為3″。方位軸晃動誤差主要由軸承徑向跳動引起，與橫滾軸類似，由軸承內(nèi)圈徑向跳動產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角引起的誤差為2.6″。兩軸選定選定海德漢的RCN 2000系列位鋼帶式角編碼器進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)角量反饋控制，測量步距可達(dá)0.0001°，系統(tǒng)精度為±1〞。合成以上誤差，可以得到兩軸的綜合誤差均小于5″。具體誤差分析過程可參見文獻(xiàn)[3]。據(jù)此可以設(shè)計(jì)開發(fā)二維轉(zhuǎn)臺的具體結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)。

圖2 二維轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)組成

如圖2所示，該裝置具體由橫滾軸系和方位軸系組成。橫滾軸系包括橫滾軸承、橫滾電機(jī)、橫滾編碼器、橫滾制動器和工作盤及相關(guān)連接件組成。方位軸系由方位軸承、方位電機(jī)、方位編碼器、方位制動器和底座及相關(guān)連接件組成。兩軸采用模塊化設(shè)計(jì)，兩軸轉(zhuǎn)臺之間通過連接座連接。由于電纜的纏繞限制方位軸的轉(zhuǎn)動范圍為0到330°，在轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)設(shè)置了電限位裝置，橫滾軸則可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)。在定位制動方面，基于彈簧的預(yù)應(yīng)力作用，通過電磁作動器作用于錐體推進(jìn)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺內(nèi)部回轉(zhuǎn)副界面的相對擠壓摩擦，從而實(shí)現(xiàn)制動。具體制動機(jī)構(gòu)形式分為橫滾制動器和方位制動器。

該裝置軸系的軸承系統(tǒng)選用雙排角接觸軸承結(jié)構(gòu)。綜合考慮精度、摩擦力矩及使用環(huán)境等因素，決定選用洛陽鴻元軸承生產(chǎn)的雙排球轉(zhuǎn)臺軸承（型號ZKLDF100）。該軸承精度高（徑跳和端跳都小于2um）、承載大、剛度好、安裝接口簡單、摩擦力矩小（1.5N·m）。

在電機(jī)驅(qū)動方面，采用直流有刷電機(jī)直接驅(qū)動方案。轉(zhuǎn)臺組件傳動機(jī)構(gòu)采用力矩電機(jī)直驅(qū)，控制簡單、精度高、技術(shù)成熟。轉(zhuǎn)臺采用中空式結(jié)構(gòu)便于控制電纜通過。根據(jù)轉(zhuǎn)臺最大角加速度及轉(zhuǎn)動慣量、摩擦力矩計(jì)算所需力矩，選擇直流力矩電機(jī)。轉(zhuǎn)動部分按實(shí)心圓盤等效計(jì)算，考慮到軸系摩擦力矩理論值與實(shí)際值的差距以及負(fù)載有偏心力矩的存在，直流力矩電機(jī)驅(qū)動力矩上要有一定的儲備。綜合考慮，選擇成都精密電機(jī)廠生產(chǎn)的力矩電機(jī)J200LYX03。

3 控制系統(tǒng)

本伺服控制系統(tǒng)由兩套相互獨(dú)立工作又相互配合的伺服系統(tǒng)組成。兩套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本相同，均是以速度反饋為內(nèi)回路，位置反饋為外回路的雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中速度反饋為編碼器位置差分得到，實(shí)現(xiàn)了速度、位置回路的全數(shù)字化控制。如圖3所示，整個系統(tǒng)由數(shù)字信號處理部分和功率驅(qū)動部分組成。數(shù)字信號處理部分硬件主要由PC-104計(jì)算機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字I/O、串行通信、調(diào)寬輸出電路、通訊接口電路等組成。功率驅(qū)動部分由智能多模式功率級、高頻開關(guān)電源、配電模塊、電機(jī)等組成。

圖3 二維轉(zhuǎn)臺的伺服控制系統(tǒng)圖

圖4 二維轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動控制系統(tǒng)

數(shù)字伺服控制器采用北京盛博公司生產(chǎn)的PC-104主機(jī)板，配以A/D采集、數(shù)字I/O和定時/計(jì)數(shù)器等組成外圍接口電路。速度反饋、位置反饋采用中科院長春光機(jī)所生產(chǎn)的22位編碼器。執(zhí)行元件為直流力矩電機(jī)，采用自研制的智能多模式功率級。電源為大功率高頻開關(guān)電源。自研制功率級接收來控制板卡的PWM信號，經(jīng)過相應(yīng)的保護(hù)邏輯電路后送與IPM驅(qū)動電路，分別對各開關(guān)管的關(guān)斷和開通進(jìn)行控制。此部分電路與主功率電路在電氣上通過高性能高速光耦實(shí)現(xiàn)隔離。整個伺服系統(tǒng)組裝在一個4U機(jī)箱內(nèi)，可安裝在標(biāo)準(zhǔn)19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜上。機(jī)箱由配電模塊、經(jīng)軸電源模塊、緯軸電源模塊、功率級模塊和伺服控制器模塊組成，配電模塊包括電源進(jìn)線、濾波器、控制電源以及空開組成，完成對方位軸電源、橫滾軸電源以及伺服控制模塊的供電功能；方位軸電源模塊為方位軸電機(jī)提供功率電源，橫滾軸電源模塊為橫滾軸電機(jī)提供功率電源。伺服控制系統(tǒng)是一個位置隨動系統(tǒng)，一般采用速度和位置雙閉環(huán)的伺服結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)方法上，采用連續(xù)系統(tǒng)對數(shù)頻率特性法，采用雙線性變換方法進(jìn)行離散化處理，以便數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。具體控制系統(tǒng)硬件組成如圖4所示。

同時，基于Labview NI-VISA軟件開發(fā)上位機(jī)控制程序并通過DT-5019接口轉(zhuǎn)換器軟件實(shí)現(xiàn)對二維轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動控制系統(tǒng)的操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二維轉(zhuǎn)臺的伺服定位控制。

4 裝置開發(fā)和檢測實(shí)驗(yàn)

根據(jù)自準(zhǔn)直檢測原理[5]，二維轉(zhuǎn)臺制造開發(fā)后在中科院長春光機(jī)所光學(xué)檢測中心采用萊卡TM5100A型電子經(jīng)緯儀對其伺服回轉(zhuǎn)精度進(jìn)行檢測，如圖5所示。結(jié)果表明，二維轉(zhuǎn)臺雙軸的位置分辨率均為0.72″，方位軸重復(fù)定位精度為3.12″，橫滾軸重復(fù)定位精度為2.88″，均滿足指標(biāo)要求。

為了實(shí)現(xiàn)二維轉(zhuǎn)鼓和二維轉(zhuǎn)臺橫滾軸安裝端面的連接，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種中間帶有安裝凸臺的法蘭盤式連接夾具。在超精密機(jī)床上利用回轉(zhuǎn)B軸和電子拷表拷正二維轉(zhuǎn)鼓與連接夾具的同軸度后，需要將轉(zhuǎn)鼓膠接在夾具的凸臺面上。為了防止粘膠厚度的不均勻影響二維轉(zhuǎn)鼓回轉(zhuǎn)中心與夾具回轉(zhuǎn)中心的同軸度，采取在二維轉(zhuǎn)鼓和夾具接觸邊緣膠粘的方法。這樣既可避免膠粘厚度對夾具與轉(zhuǎn)鼓同軸度的影響，降低誤差，同時也方便拆卸。此外，膠水在外側(cè)，溶膠時速度也很快，在加熱的情況下5分鐘即可拆卸下二維轉(zhuǎn)鼓。再將此連接夾具整體安裝于二維轉(zhuǎn)臺的橫滾軸安裝端面上，再次利用B軸和電子拷表檢測夾具整體與二維轉(zhuǎn)臺橫滾軸的同軸度，并最終鎖緊夾具安裝螺釘，完成超精密飛切二維轉(zhuǎn)鼓前的測試實(shí)驗(yàn)。如圖6所示。

圖5 基于經(jīng)緯儀的二維轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)定位精度檢測

圖6 基于超精密機(jī)床的二維轉(zhuǎn)鼓裝卡定位精度檢測

5 結(jié)論

通過結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)開發(fā)，本文實(shí)現(xiàn)了一種方位-橫滾式二維轉(zhuǎn)臺伺服分度裝置。在彈簧的預(yù)應(yīng)力作用下，通過電磁作動器作用于錐體推進(jìn)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺內(nèi)部回轉(zhuǎn)副界面的相對擠壓摩擦制動，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)本轉(zhuǎn)臺的高精度伺服定位需求。基于電子經(jīng)緯儀和超精密機(jī)床配套電子拷表對該伺服分度定位裝置進(jìn)行了測試和分析，表明該裝置可以滿足超精密飛切二維轉(zhuǎn)鼓的裝卡與分度定位需求。

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