衣 杰 楊慶東 許道金

(北京信息科技大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100192)

數(shù)控機床是實現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化的基石，隨著科技的發(fā)展，五軸聯(lián)動加工中心已經(jīng)在復(fù)雜的曲面及特殊零件加工中發(fā)揮著無可替代的作用，是現(xiàn)代高端加工制造的 重要加工工具［1］。直驅(qū)雙擺銑頭由力矩電動機直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，加工精度高，是為五軸聯(lián)動數(shù)控機床的最重要關(guān)鍵功能部件，直驅(qū)雙擺銑頭的結(jié)構(gòu)和性能在很大程度上決定了整臺機床的性能，高性能、高可靠性的直驅(qū)雙擺銑頭對現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展具有十分重要的意義。因此對直驅(qū)雙擺銑頭的性能進(jìn)行測試研究，檢測和提升直驅(qū)雙擺銑頭的整機性能，顯得尤為重要。

1 直驅(qū)雙擺銑頭的總體結(jié)構(gòu)

力矩電動機直驅(qū)雙擺銑頭［2］結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，該機構(gòu)由一個讓主軸繞各軸旋轉(zhuǎn)的萬向架及4個內(nèi)嵌的力矩電動機和電主軸構(gòu)成。力矩電動機直接驅(qū)動萬向架和電主軸。第1臺力矩電動機直接驅(qū)動萬向架實現(xiàn)C軸的回轉(zhuǎn)。另外2臺(一對)力矩電動機經(jīng)過叉頭連接在萬向架上，轉(zhuǎn)子與電主軸套相連接，直接驅(qū)動電主軸擺動以實現(xiàn)A軸的回轉(zhuǎn)。

2 直驅(qū)雙擺銑頭測試總體方案

為滿足直驅(qū)雙擺銑頭的性能測試要求，測試平臺需要實時采集、計算處理及顯示運動位移、力矩、溫度等物理量并根據(jù)需要控制實驗流程。本測試系統(tǒng)包含兩臺計算核心:一臺為工控機安裝XP系統(tǒng)和測試界面，主要負(fù)責(zé)直驅(qū)雙擺銑頭的運動控制及采集運動精度測試和力矩測試時的數(shù)據(jù)，同時還包括PMAC的反饋數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行處理、顯示及人機交換;另一臺以PMAC為核心的控制與功率機制運行其專用DSP軟件，根據(jù)測試工控機的指令執(zhí)行預(yù)設(shè)的運動程序并把數(shù)據(jù)參數(shù)實時返回給測試工控機。這樣既完成測試任務(wù)也滿足數(shù)據(jù)采集同步的要求，降低了設(shè)計難度和工作量，保證了兩臺計算核心都有足夠的執(zhí)行資源。測試方案如圖2所示。

2.1 直驅(qū)雙擺銑頭的運動特性測試

直驅(qū)雙擺銑頭的運動特性是一個重要的性能指標(biāo)，銑頭的精度將直接影響著整臺加工中心的加工精度。直驅(qū)雙擺銑頭的運動精度包含伺服控制精度如階躍響應(yīng)精度及跟隨誤差、位置速度及跟隨誤差加速度。本節(jié)分別對直驅(qū)雙擺銑頭的運動特性進(jìn)行測試。

2.1.1 位移響應(yīng)測試及跟隨誤差

位移跟隨階躍響應(yīng)是伺服評價系統(tǒng)性能的核心指標(biāo)之一。指令跟隨響應(yīng)可以反應(yīng)系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。通過觀察指令跟隨響應(yīng)可以清楚地了解系統(tǒng)的響應(yīng)快慢、穩(wěn)態(tài)誤差大小和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性等。測試時，給予階躍指令，測試其響應(yīng)曲線及相應(yīng)的跟隨誤差如圖3、4所示。

2.1.2 速度響應(yīng)測試及跟隨誤差

對直驅(qū)雙擺銑頭來說，所運行的最大速度、速度的平穩(wěn)性都是評價直驅(qū)雙擺銑頭性能好壞的重要指標(biāo)，在現(xiàn)代數(shù)控機床中，速度平穩(wěn)性越高，加工出的零件表面質(zhì)量也越高。所以現(xiàn)代數(shù)控機床要求很高的調(diào)速性能，速度需要盡可能的平穩(wěn)，如果速度波動過大會直接導(dǎo)致加工產(chǎn)品質(zhì)量變差。本測試系統(tǒng)對直驅(qū)雙擺銑頭施加正弦速度指令，得出響應(yīng)曲線及跟隨誤差如圖5、6所示。

2.1.3 加速度測試

運用正弦掃頻測試，測試頻率范圍1～50 Hz正弦波，閉環(huán)測試，速度、加速度參數(shù)均放至最大。如圖7:正弦掃頻測試A軸最大加速度為:14 398 264.67脈沖/s2，反饋為 1 000 000/圈，乘以 2倍后，換算為4.585 435 rad/s2。

如圖8:C軸實際最大加速度:12 353 293.74脈沖/s2，反饋為 4 000 000/圈，換算為0.491 771 rad/s2。

2.2 直驅(qū)雙擺銑頭的力矩性能測試研究

直驅(qū)雙擺銑頭是五軸數(shù)控聯(lián)動機床的核心功能部件，其核心零部件為力矩電動機，力矩電動機在直驅(qū)雙擺銑頭中的應(yīng)用，為直驅(qū)雙擺銑頭提供了兩個回轉(zhuǎn)運動即A/C軸的轉(zhuǎn)動，與機床的的X、Y、Z軸相互配合五軸聯(lián)動，力矩電動機直接驅(qū)動雙擺銑頭相對傳統(tǒng)的機械傳動無反向間隙、結(jié)構(gòu)緊湊、精度高、剛性好、傳動效率高。內(nèi)嵌力矩電動機直驅(qū)雙擺銑頭主要用于加工機構(gòu)復(fù)雜的開關(guān)和曲面，如船用推進(jìn)器葉輪等，因此力矩是直驅(qū)雙擺銑頭的一項重要的性能指標(biāo)。

2.2.1 直驅(qū)雙擺銑頭的力矩測試方案

在設(shè)計雙擺銑頭測試方案時，一定要信號的采集、傳感器的安裝，以及測試信號［3］的準(zhǔn)確完整性。在充分考慮直驅(qū)雙擺銑頭的結(jié)構(gòu)特點及運動特性，設(shè)計了本測試系統(tǒng)的總體方案，搭建了直驅(qū)雙擺銑頭力矩測試的試驗平臺。測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案圖如9所示。

2.2.2 直驅(qū)雙擺銑頭力矩測試試驗

根據(jù)上述實驗系統(tǒng)，對直驅(qū)雙擺銑頭進(jìn)行力矩測試，分別對A/C軸進(jìn)行堵轉(zhuǎn)1 min，記錄結(jié)果，每50 ms進(jìn)行一次記錄，共記錄1 200個數(shù)值。

直驅(qū)雙擺銑頭A力矩測試如圖10所示。得到測試結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出來，直驅(qū)雙擺銑頭A軸的最大力矩為122 N·m，最小的力矩為118 N·m，在120 N·m上下波動，波動系數(shù)1.67%，這說明所測力矩均值為120 N·m，與A軸力矩設(shè)計指標(biāo)120 N·m相符。之所以出現(xiàn)波動是因為銑頭支撐架剛度不夠，再加上采用的是平衡力法測量，所以引起了跳動，形成波動。

直驅(qū)雙擺銑頭C力矩測試如圖12所示。得到測試結(jié)果如圖13所示。由圖13可以看出來，直驅(qū)雙擺銑頭C軸的最大力矩為245 N·m，最小的力矩為237 N·m，在240 N·m上下波動，波動系數(shù)1.61%，這說明所測力矩均值為240 N·m，與C軸力矩設(shè)計指標(biāo)240 N·m相符。之所以出現(xiàn)波動是因為銑頭支撐架剛度不夠，再加上采用的是平衡力法測量，所以引起了跳動，形成波動。

2.3 直驅(qū)雙擺銑頭的溫度性能測試研究

直驅(qū)雙擺銑頭是由內(nèi)嵌的力矩電動機直接驅(qū)動，因此在加工過程中除了機械摩擦熱外更有力矩電動機產(chǎn)生的熱。溫升不但對加工精度有很大的影響，而且也會嚴(yán)重影響力矩電動機的性能。所以溫升將嚴(yán)重影響著整臺直驅(qū)雙擺銑頭的性能的好壞，我們需要要對雙擺銑頭的溫升進(jìn)行研究，建立雙擺銑頭的溫度場，從而來分析銑頭性能及其加工實用性。

2.3.1 直驅(qū)雙擺銑頭的熱源分析

直驅(qū)雙擺銑頭工作時，處于一個不穩(wěn)定內(nèi)外熱源作用下，而且雙擺銑頭內(nèi)部各部件的材料、形狀、結(jié)構(gòu)以及熱慣性都不相同，再加上連接件之間接合面熱阻以及雙擺銑頭表面?zhèn)鳠崆闆r也不盡相同，使雙擺銑頭形成一個復(fù)雜多變的溫度場。在這樣的溫度場下，雙擺銑頭各部分構(gòu)件材料產(chǎn)生了熱應(yīng)力和熱位移，而熱應(yīng)力和熱位移隨材料各部件形狀、物理特性及連接和支撐的不同而不同，從而使雙擺銑頭的熱變形變得更加復(fù)雜?？偟膩碚f，在直驅(qū)雙擺銑頭加工過程中，熱源主要分為內(nèi)熱源和外熱原兩類［4］。如圖14所示。

2.3.2 直驅(qū)雙擺銑頭溫度測試

影響直驅(qū)雙擺銑頭溫升的主要是內(nèi)嵌力矩電動機，軸承由于轉(zhuǎn)速較低所以產(chǎn)生的熱量可以忽略，而電主軸帶有冷卻系統(tǒng)，且本測試實驗是在非加工情況下進(jìn)行測試的。所以最大發(fā)熱處在力矩電動機處，這也就是說傳感器要盡量接近或者接觸力矩電動機的線圈，以達(dá)到最好的測量精度。測試現(xiàn)場如圖15所示。

模擬直驅(qū)雙擺銑頭加工工況，對雙擺銑頭進(jìn)行堵轉(zhuǎn)，測試雙擺銑頭的最大的發(fā)熱量。堵轉(zhuǎn)半小時，每10 s進(jìn)行一次溫度測試。測得銑頭關(guān)鍵點溫度變化如圖16所示。

由溫度變化曲線可知，當(dāng)直驅(qū)雙擺銑頭運行25 min后溫度穩(wěn)定為38.2℃，在21 min時為溫度的最高值為39.1℃，溫度穩(wěn)定值38.2℃與熱分析結(jié)果36.5℃相差4.4%，在誤差范圍之內(nèi)，兩者相互驗證，相互吻合說明了試驗的可行性。

3 結(jié)語

本課題完成了對直驅(qū)雙擺銑頭的運動特性的測試、通用性的直驅(qū)雙擺銑頭力矩測試系統(tǒng)的設(shè)計與測試，以及通用的溫度測試系統(tǒng)的設(shè)計與測試;測試結(jié)果與理論設(shè)計要求基本相符。對實驗室所研制的直驅(qū)雙擺銑頭的性能進(jìn)行了深入的研究，研究表明測試所采用的方案合理有效，這為檢驗研制直驅(qū)雙擺銑頭的加工實用性、提高直驅(qū)雙擺銑頭整機的性能及直驅(qū)雙擺銑頭的產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。

［1］梁成，劉建群.五軸聯(lián)動數(shù)控機床技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.機械制造，2010，48(545):5 －7.

［2］薛兆云，康敏.基于力矩電動機的雙擺銑頭設(shè)計［J］.現(xiàn)代制造工程，2007(3):107－109.

［3］曹玲芝.現(xiàn)代測試技術(shù)及虛擬儀器［M］.北京:北京航空大學(xué)出版社，2004:47－83.

［4］陳兆年，陳子辰.機床熱態(tài)特性學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1989.