精密磨削环境下直驱电机伺服系统机电耦合效应研究

精密磨削加工环境下，为抑制机械传动误差并获得高动态响应性能，直线电机、力矩电机等直接驱动电机得到了越来越普遍的应用。然而这些直驱元件在应用过程中频繁发生的轨迹控制精度降低与动态响应性能衰退问题已成为制约加工质量与效率的主要原因之一。现有纯机械设计范畴内的研究结果尚不能对此作出合理解释，并提供有效应对措施。本项目以精密磨削技术、电机驱动技术、电力电子功率变换技术、现代控制理论为背景，对直驱电机伺服系统在精密磨削环境下的微观控制过程展开研究，揭示中间传动环节缺失导致加工作用力、驱动电源等外部扰动因素在伺服控制环路内部产生的机电耦合效应，及其影响轨迹控制精度与动态响应性能的基本规律，并从机电系统全局设计的角度提出优化精密磨削环境下直驱电机伺服系统轨迹控制精度与动态响应性能的解决途径。

针对非圆零件高效精密磨削加工，研究了直驱电机伺服系统在快速生产节拍下的动态轨迹特性，基于大量实际加工环境的轨迹测量数据分析了动态偏差的发生模式，并结合非园随动磨削运动模型评估了动态轨迹偏差对非圆零件轮廓精度的影响。继而从高性能动态轨迹控制、轮廓误差在位/在线测量与补偿、精密磨削加工方法等三个方面提出了相应解决方案。其中面向高性能动态轨迹规划与控制的NCCP非园轮廓协处理软件分别在数控曲轴随动磨床和数控凸轮轴随动磨床上实现了精度优于1 μm和优于4 μm的砂轮跟随轨迹控制。用于长时非平稳误差补偿的曲轴连杆颈圆度在线测量与补偿系统在批量生产条件下实现了连杆颈圆度优于3 μm的稳定加工精度。用于抑制单边砂轮磨削力导致工件弹性变形的双砂轮水平对置曲轴随动磨削方法在不依赖自动中心架和主动量仪的情况下将主轴颈和连杆颈的圆度偏差分别控制在2 μm和3 μm以下。另外项目组还探讨了用于精密磨削加工过程砂轮锋锐状态实时监测的磨削力在线检测方法的基础理论及应用方案。基于上述技术进展研制的MQG1000型数控曲轴随动磨床在浙江太阳股份有限公司实现了稳定的产业化应用，是该厂目前能够生产满足国IV废气排放标准485G柴油发动机曲轴的唯一自动磨削装备。研制的MG1412数控精密万能外圆磨床实现了批量加工1 μm圆度精度、1.5 μm直径精度的技术水平，2013年以来产销已超50台。特别是以本项目研究进展为主要内容之一的“汽车曲轴、凸轮轴随动磨削装备支撑技术”于2012年12月7日通过了由教育部组织的专家组现场鉴定，并一致认为其整体技术水平达到了国际同类机床先进水平。