第４５卷 第２期 ２０１２钷 徽电机 ＭＩＣＲ０ＭＯＴＯＲＳ Ｖｏ１．４５．Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０１２ ２月 基于音圈直线电机的非圆车削加工进给系统研究 艾武，段春 （华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室，武汉４３００７４） 摘要：以中凸变椭圆活塞为例 研究了非圆截面零件的车削加工成形原理，在分析了加工过程中对刀具进给的要 求的基础上，设计了以音圈直线电机直接驱动刀具的伺服进给系统，并实现了高速往复运动控制，最后在搭建的试 验平台上模拟加工椭圆横截面，试验结果验证这套进给系统方案是可行的。 关键词：音圈直线电机；伺服控制；非圆车削；进给系统 中图分类号：ＴＭ３５９．４；ＴＰ２７３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１—６８４８（２０１２）０２—００５６．０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｆｅｅｄｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｎｏｎｃｉｒｃｕｌａｒ Ｔｕｒｎｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｉｌ Ｌｉｎｅａｒ Ａｃｔｕａｔｏｒ ＡＩ Ｗｕ，ＤＵＡＮ Ｃｈｕｎ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂ．ｏｆ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｐｉｓｔｏｎ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ａ ｍｉｄｄｌｅ—ｃｏｎｖｅｘ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｖａｒｉａｂｌｅ ｅｌｌｉｐｔｉｃｉｔｙ ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｐｒｉｎ— ｃｉｐｌｅ ｏｆ ｓｈａｐｉｎｇ ｎｏｎｃｉｒｃｕｌａｒ ａｃｃｅｓｓｏｒｙ ｕｓｉｎｇ ｔｕｒｎｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｑｕａｌｉｉｃａ－ ｆｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏ０ｌ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．ｔｈｅ ｔｏｏｌ ｓｅｒｖｏ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ ａ ｖｏｉｃｅ ｃｏｉｌ ｌｉｎｅａｒ ａｃｔｕａｔｏｒ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｒｅａｌｉｚｅ ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｔ ａ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｅｌ— ｌｉｐｓｅ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｗａｓ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｂｕｉｌｔ ｆｏｒ ｔｅｓｔｉｎｇ．ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈｅ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｒａｃｔｉｃａｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｏｉｃｅ ｃｏｉｌ ｌｉｎｅａｒ ａｃｔｕａｔｏｒ；ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｎｏｎｃｉｒｃｕｌａｒ ｔｕｒｎｉｎｇ；ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ＩＪ 引 置 一磁致伸缩等），虽然其频响很高，但其行程范围太 小。北卡罗莱纳州立大学Ｆａｌｔｅｒ等曾设计一个机械 些场合需要用到非圆截面零件，比如凸轮、 运动放大机构，实现了６００ Ｈｚ的响应频率和４００ ｍ 的工作行程 Ｊ，仍不能满足很多非圆零件对进给装 内燃机中的中凸变椭圆活塞、光学仪器中的非轴对 称透镜。所谓非圆截面零件，是指横截面不是圆形， 以内燃机中的中凸变椭圆活塞为例，其横截面轮廓 为椭圆形。为了提高生产效率，该类零件往往采用 车削加工，这就要求在工件高速旋转时刀具沿横向 作快速的往复运动。如ＦＬ９１２活塞的加工，在主轴 转速为１２００ ｒ／ｍｉｎ时，车刀往复运动的行程为 置行程的要求。伊利诺伊大学香槟分校Ａｌｔｅｒ等将研 制的音圈直线电机驱动型快刀何服系统应用到凸轮 零件的非圆车削加工中取得了良好的效果ｌ２］。为此， 我们设计了一个大行程（大于１ ｍｍ 的音圈直线电 机（Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｉｌ Ｌｉｎｅａｒ Ａｃｔｕａｔｏｒ，ＶＣＬＡ）进给装置，它 是基于安培力原理制造的一种新型直接驱动执行器。 ０．２５ ｍｍ，频率为４０ Ｈｚ。刀具的这种横向往复运动 若用传统的步进电机、直流伺服电机或者交流伺服 电机来实现，将会因为电机换向过于频繁而影响系 统的工作，而且，它们输出的回转运动需经过一套 机械传动机构转化为直线运动，因而无法获得足够 高的精度。传统的高频响微位移装置（如压电陶瓷、 收稿日期：２０１ｌ一０６—０７ 它除了和直线电机一样可避免旋转电机驱动中传动 环节带来的误差，在理论上具有无限分辨率、高加 速度、高速度、体积小、力特性好、控制方便等优 点，更适用于要求高加速度、高频激励、快速和高 精度定位运动系统 ｊ。 作者简介：艾武（１９５３），博士，教授，博士生导师，研究方向为直线电机及其伺服驱动控制、复杂机电系统智能控制、神 经网络与模糊控制、电力电子技术等。 ２期 艾武等：基于音圈直线电机的非圆车削加工进给系统研究 ・５７・ １ 非圆零件车削加工原理 １．１ 中凸变椭圆活塞的数学描述 面的参数信息。如果输入曲线是以计算机程序指令 形式存在，则称之为软靠模，这是实现非圆零件复 杂型面车削的基础。软靠模能够灵活的由软件修改， 具有精度高不会磨损及修改方便等诸多优点。 车削椭圆横截面时，刀具随着工件的转动按零件 横截面的形状尺寸在径向作快速的往复进给运动，而 且主轴每回转一周，刀具往复运动两次。设椭圆长轴 半径０，短轴半径ｂ，工件转角０＝２￣ｒｎｔ／６０， 为主轴 转速，则刀具的径向运动轨迹为： Ｐ 口一 ａｂ以中凸变椭圆活塞为例，如图１，零件的轴截 面轮廓为中凸弧形；横截面形状为椭圆；且沿轴向 高度椭圆度是变化的，但长短轴的位置不变。可将 零件的形状特征分为“轴向中凸型线”、“椭圆横截 面”和“变椭圆度”三个。 √口ｓｌｎ ＋Ｄ丽 ｃＯＳ ２） 实际车削加工时，横截面曲线都是采用离散的数 长、短轴直径 据点来表示，结合车削加工的特点，采用一段半径不 同、圆心角度相同的微小圆弧去逼近它，如图２所示。 图１ 中凸变椭圆活塞型面 在车削加工时可以用下式描述刀具的径向进 绘量 Ｐ（ｔ）＝ｅ（ｚ， ）： （ｚ）十 （ ，０） （１） 图２以圆弧逼近椭圆曲线 逼近过程如下：将横截面曲线按等角度间隔０ 式中， 为活塞轴向坐标，０为工件转过角度，它们 都是关于时间ｔ的变量； （ ）为轴向型线函数，厂２ （。，０）为横截面轮廓函数。式（１）描述了刀具进给量 由当前轴向位置－ｚ和转角０共同决定，一部分是仅 与ｚ有关的轴向型线函数；另一部分是在位置 处， 随角度０变化的椭圆曲线。 因此，可将中凸变椭圆零件的车削成形分成两 分别计算出对应的数据点列｛０，ｒ（ ），ｒ（２０），…， ｒ（加）｝。从长轴处开始，以椭圆半长轴 为半径的 圆弧去逼近椭圆曲线，当工件转过角度０后 此时 刀具径向进给位移 —ｒ（ ），再以半径ｒ（０）的圆弧 去逼近椭圆型线，依此类推，直至加工完整个椭圆 型线。根据刀具的运动规律，总结驱动刀具的快速 进给系统需满足 Ｊ：高频响，车床主轴每回转一周， 刀具必须往复运动二次；大行程，进给机构的行程 必须大于零件横截面的半径差，其值达毫米量级， 对于微进给机构已经算是大行程；高精度，非圆截 面零件一般用在高精度场合，因此必须满足足够高 的精度。 个的运动，刀具沿ｚ向形成中凸曲线轨迹的运 动和刀具在横截面内形成椭圆轨迹的往复运动。加 工过程中通常选择较慢的走刀速度和尽可能高的主 轴转速，即ｚ变化很慢，而０变化很快。因而，式 （１）中的第一部分低频分量，可视为直流成分，第 二部分相当于交流分量。对于低频分量的加工，一 般数控车床都能实现，而高频作动的椭圆截面加工 则是问题的难点。传统的“旋转电机 ＋滚珠丝杠”无 法得到较高的频响性能。 ， 因此本文采用音圈直线电 机直接驱动刀具来克服这一困难 重点讨论刀具在 ２非圆车削刀具进给系统设计 在高精度、高频往复运动场合，采用音圈直线 电机直接驱动刀具可以满足响应快、精度高的要求， 本文选用永磁动圈式直流直线电机，结合闭环控制 来构建精密的位置伺服控制系统。 ２．１ 刀具进给机构的设计 横截面内的椭圆轨迹成形和运动控制 １．２非圆截面软靠模生成 －、， 刀具径向往复运动的轨迹是快速刀架伺服系统 跟踪输入曲线得到的，该输入曲线相当于硬靠模仿 形加工中仿形头的运动轨迹，其中蕴含了零件横截 图３给出了音圈直线电机的结构图，刀具直接 由电机轴驱动，设计的直线位移有效行程为±５ ｍｍ。采用刚度相同的双预压弹簧结构，分布在移动 ・５８・ 穰 和 一４５卷 线圈两边，使断电时动子处于行程中间位置，同时 保证电机在行程范围内具有良好的线性关系。 预压弹簧 光栅尺 个位置环和一个电流环的双环结构，可以实现较 高的位置环带宽 ］。位置环为数字控制，由ＤＳＰ计 算完成，电流环在功率放大器内由模拟电路完成。 整个闭环控制工作过程是这样的：ＤＳＰ根据预 先编制的刀具位移指令和实时接收到的位置反馈信 号，按照一定的控制策略计算后，定期输出控制信 号；该信号经过数／模转换（ＤＡＣ）和一级隔离放大后 送到功率放大器；在功率放大器内部，根据输入的 电压控制信号和实时的电流反馈信号，实时的改变 动子 定子 控制Ｈ桥的ＰＷＭ（脉宽调制方波）占空比，实现内 图３直接驱动刀具自臼音圈直线电机机构 部的电流闭环控制；刀架的位移与输入的电流一一 对应，光栅尺将位移转换为电脉冲信号，经过差分 接收送到回ＤＳＰ的ＱＥＰ（正交编码脉冲）单元，实现 对位置信号的采样工作。 功率放大器 ２．２伺服控制系统 如图４所示，刀具伺服系统是带有位置反馈的 闭环控制系统，为了提高系统快速跟踪能力，采用 ＴＭ￥３２０ＬＦ２４０７Ａ 电压 ＧＮＤ 控制板ＤＡ １ 面 直线刀架 盈 Ｉ｝｛桥 接Ｌ＿ｌ板 差分接收 光栅尺 图４伺服控制系统 直线位移检测采用的光栅尺分辨率为１ ｍ。光 栅尺直接输出与位置有关的６路ＲＳ４２２Ａ方波信号ｚ、 ｚ、Ｚ 、 、ｚ：、ｚ，，经差分接收后，产生两路正交 的编码脉冲信号Ａ、Ｂ和一路参考点脉冲信号Ｒ，Ａ、 如图５所示。图５（ａ）所示主程序内容较少，主要完 成系统的初始化和零点检测的工作，然后进入空的 ｗｈｉｌｅ（１）死循环，等待外部事件发生。图５（ｂ）所示 中断服务子程序由通用定时器Ｔｌ定时产生中断进 Ｂ用于提取位移信息，Ｒ则用于定位基准点，有了基 准参考点，才能准确的测量电机轴位移，实现精确的 位置控制，所以上电后的第一个工作就是零点检测。 ２．３软件设计 人，完成刀具位置闭环控制的主要工作，在后文的 实验研究中，闭环控制调节周期为０．２ ｍｓ。 ３试验研究 非圆车削加工实验平台如图６所示，主轴采用 交流伺服电机，模拟加工椭圆截面零件时，主轴转 速设定为１２００ ｒ／ｒａｉｎ，由于主轴旋转一周，刀具往 复运动两次，所以刀具的往复运动频率为４０ Ｈｚ。 整个系统的软件是基于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ完成 的，主要有主程序和周期中断服务子程序两部分， 图６非圆车削加工试验平台 （ａ）主程序流程图 （ｂ）中断子程序流程图 （下转第７１页） 图５系统软件设计 ２期 姜泽等：基于ＤＳＰ的双轴交流伺服系统的研究 ・７／・ ６ 结 论 经大量实验证明，本控制系统将数字信号处理 器与可编程逻辑器件相结合控制效果良好，可靠性 高，稳定性好，现在已经批量化生产 Ｊ。完全满足 横机伺服的需求，主要优点列举如下： （１）一套伺服控制器可以同时拖动两个伺服电 状态信息，为后续自学习和参数识别提供了基础； （５）系统可以采用键盘和ＬＥＤ，操作方便，具 有友好的人机界面。 参考文献 ［１］万山明．ＴＭＳ３２０Ｆ２８１Ｘ ＤＳＰ原理及应用实例［Ｍ］．北京：北京 航空航天大学出版社，２００４． 机，系统成本较低，竞争力较强； （２）系统集成度高，同时采用可编程逻辑单元， ［２］ 周润景．基于Ｑｕａｒｔｕｓ ｌＩ的ＦＰＧＡ／ＣＰＬＤ数字系统设计实例 ［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００８． ［３］ 刘栋良．交流伺服及其控制策略综述［Ｊ］．电气时代，２００６ （２）：３８—４１． 易于算法实现，维护升级方便； （３）系统采用２５００线编码器，精度较高，启动 和停止响应迅速； （４）采用Ｍｏｄｂｕｓ协议与上位机通讯，易于实现 参数设置以及现场诊断，而且能够监视电机运转的 ［４］ 陈伯时．电力拖动自动控制系统处理［Ｍ］．北京：机械工业出 版社，２００３． ［５］ 韩安太．ＤＳＰ控制器及其在运动控制系统中的应用［Ｍ］．北 京：清华大学技术出版社，２００３． （上接第５８页） ２ ，２ ，以加工方程为 ＋ 的椭圆截面为例， 验结果显示误差绝对值可以有效的控制在１０ ｍ 以内。 椭圆度为０．４ ｍｍ。式（２）描述了刀具进给位移量和 工件转过角度的对应关系，代人参数后，绘制出主 轴旋转一周刀具的理论进给位移曲线，如图７中标 识实线所示，该曲线近似正弦曲线。 基 ｉ ４ 结 语 非圆截面零件的车削加工对刀具进给提出了大 行程、高速、高精度等要求，本文采用音圈直线电 机直接驱动刀具来应对响应快、精度高的难题，结 合闭环控制构建了精密位置伺服控制系统，通过模 拟加工实验验证在加工椭圆度为０．４ ｍｉｌｌ的横截面 时，频响达４０ Ｈｚ，误差－４－１０ ｍ，可以解决复杂型 面的加工问题。 删 坦 剖 皿 Ｒ 参考文献 ［１］ Ｆａｌｔｅｒ Ｋ，Ｙｏｕｄｅｎ Ｄ．Ｔｈｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ａ Ｌｏｎｇ ｇ ｉ Ｓｔｒｏｋｅ Ｆａｓｔ Ｔｏｏｌ Ｓｅｒｖｏ［Ｃ］．Ｃｏｍｐｉｅｇｎｅ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ８ｔｈ Ｉｎｔｅｒ－ ｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｅｍｉｎａｒ，１９９５：２２５—２２８． 面 ｊ】：｛｛ 继 ［２］Ａｌｔｅｒ Ｄ Ｍ，Ｔｓａｏ Ｔ Ｃ．Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｕｒｎｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｕｓｉｎｇ Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｒｉｖｅ Ｌｉｎｅａｒ Ｍｏｔｏｒ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｏｎｔｏｌｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９２：３７９—３８３． ［３］Ｂｙｌ Ｍ Ｆ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ Ｌｏｎｇ Ｓｔｒｏｋｅ Ｆａｓｔ Ｔｏｏｌ Ｓｅｒｖｏ［Ｄ］． 图７刀具目标和实际进给位移曲线对比 Ｂｏｓｔｏｎ：Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５． ［４］ 冯晓梅，张大卫，赵兴玉，等．基于音圈电机的新型高速精密 实际模拟加工实验时，工件横截面采样了１００ 个数据点作为位移指令，软件中取位移指令周期为 定位系统设计方法［Ｊ］．中国机械工程，２００５，１６（１６）：１４１４ —１４１９． ０．５ ｍｓ，这样整个型面的加工耗时５０ ｍｓ，和主轴转 速１２００ ｒ／ｍｉｎ相对应。通过采样光栅反馈位移得到 实际的刀具位移曲线，如图７中标识虚线所示。图７ ［５］ 王先逵，刘金凌，吴丹，等．直线电机微进给机构的研究［Ｊ］． 中国机械工程，１９９７，８（３）：７９—８１． ［６］ 陈智军．基于模糊自适应ＰＩＤ的材料试验机控制系统［Ｊ］．计 算机测量与控制，２００５，１３（１１）：１２２６—１２３０． 还给出了刀具目标位移和实际位移的误差曲线，实
