0 引言
加工工件或加工刀具、夾具在每次加工結(jié)束后，必須處于規(guī)定的方位上時(shí)就要使用主軸定位機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)的主軸自動(dòng)定位機(jī)構(gòu)常采用電氣減速機(jī)械定位方式，即主軸在加工結(jié)束后先制動(dòng)停止，再設(shè)法使主軸慢轉(zhuǎn)讓機(jī)械設(shè)備（如定位鉤機(jī)構(gòu)）來(lái)準(zhǔn)確定位。主軸制動(dòng)過(guò)程的速度通常處于失控狀態(tài)且有可能帶來(lái)較大的電流沖擊，其慢轉(zhuǎn)一般工作在“半制動(dòng)”狀態(tài)（通常為同時(shí)通以交、直流電）或增加使用定位電機(jī)。這樣雖然也能實(shí)現(xiàn)主軸定位，但使電機(jī)工作于較惡劣的情形下或增加了輔助設(shè)備[1]。
隨著變頻調(diào)速技術(shù)在機(jī)械加工設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，在主軸使用變頻調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速的場(chǎng)合，如果主軸具有定位要求則可充分利用變頻調(diào)速的優(yōu)勢(shì)方便地實(shí)現(xiàn)主軸定位[2]。文獻(xiàn)[3]給出了在直線運(yùn)動(dòng)定位時(shí)對(duì)拖動(dòng)電機(jī)的速度采用制動(dòng)參數(shù)延時(shí)再制動(dòng)減速的快速制動(dòng)定位方法。主軸定位是一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，減速過(guò)程可能會(huì)旋轉(zhuǎn)多圈，本文以電氣減速機(jī)械定位方式中主軸電機(jī)速度的控制為研究對(duì)象，提出了按旋轉(zhuǎn)圈數(shù)分段延時(shí)減速結(jié)合zui短減速時(shí)間的定位速度控制新方法，該方法能有效地改善了定位的平穩(wěn)性和準(zhǔn)確度，
減少了輔助工時(shí)。
1．主軸定位速度控制的思想
基于傳統(tǒng)定位方法主軸速度控制曲線可用圖1表示。當(dāng)工件加工結(jié)束后進(jìn)入主軸定位，主軸減速旋轉(zhuǎn)，到達(dá)某一爬行速度后慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，定位鉤動(dòng)作，鉤端在定位盤圓周表面滑動(dòng)，直到定位鉤落入定位槽，主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在此過(guò)程中減速開(kāi)始點(diǎn)即為加工結(jié)束點(diǎn)，減速時(shí)間的長(zhǎng)短是任意設(shè)置的，減速結(jié)束點(diǎn)也就任意，導(dǎo)致定位鉤等待落入定位槽的時(shí)間任意，zui長(zhǎng)可達(dá)慢速轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間。而且鉤端在定位盤圓周上滑動(dòng)增加了摩擦力，使得爬行速度不能太低，增加了輔助工時(shí)和定位時(shí)的機(jī)械沖擊。
對(duì)主軸速度控制曲線的改進(jìn)示于圖2。圖2（a）在定位盤上增加一個(gè)稱為減速延時(shí)開(kāi)始計(jì)算點(diǎn)的位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，預(yù)先根據(jù)主軸當(dāng)前工作轉(zhuǎn)速計(jì)算減速延時(shí)時(shí)間tjs0，工件加工結(jié)束后主軸并不馬上開(kāi)始減速，而是檢測(cè)該點(diǎn)并按tjs0延時(shí)，主軸再以zui短的減速時(shí)間td減速，并保證定位槽對(duì)準(zhǔn)定位鉤時(shí)定位盤減速到爬行速度，隨即定位鉤動(dòng)作，正好落入定位槽內(nèi)。這樣，盡管減速延時(shí)時(shí)間zui壞也可能長(zhǎng)達(dá)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間，但這是以快速的工作轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)一周，較之按爬行慢速轉(zhuǎn)動(dòng)一周縮短了輔助工時(shí)。另外，定位鉤一動(dòng)作即鉤入定位槽，減少了在定位盤圓周上的滑動(dòng)帶來(lái)的摩擦，可以使爬行速度設(shè)置得更低一些，減少了定位帶來(lái)的機(jī)械沖擊。
對(duì)主軸速度控制曲線的進(jìn)一步改進(jìn)是考慮到主軸定位是一旋轉(zhuǎn)定位，如果轉(zhuǎn)速為nr時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間為tnr，而計(jì)算得到的tjs0超過(guò)了tnr，即延時(shí)過(guò)程中主軸將無(wú)謂地多轉(zhuǎn)動(dòng)一周，則可將該轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間扣除，而只延時(shí)剩余的時(shí)間tjs（圖2（b））。如果zui高工作轉(zhuǎn)速下的減速時(shí)間tdmax使主軸旋轉(zhuǎn)多圈，則計(jì)算得到的tjs0有可能超過(guò)k倍的tnr，即延時(shí)過(guò)程中主軸將無(wú)謂地多轉(zhuǎn)動(dòng)k圈，則可將轉(zhuǎn)動(dòng)的k圈時(shí)間扣除。即可按旋轉(zhuǎn)圈數(shù)k分段計(jì)算減速延時(shí)時(shí)間tjs，這樣將大大減少輔助工時(shí)。這正是旋轉(zhuǎn)定位不同與直線定位的地方。圖2中為了后面研究問(wèn)題的方便，故意錯(cuò)開(kāi)了加工結(jié)束點(diǎn)，而將減速延時(shí)開(kāi)始計(jì)算點(diǎn)對(duì)齊并作為坐標(biāo)原點(diǎn)。
2．主軸定位速度曲線的設(shè)計(jì)計(jì)算
對(duì)照?qǐng)D2設(shè)計(jì)主軸速度控制曲線，實(shí)際工作中需要計(jì)算和確定的參數(shù)有：減速延時(shí)時(shí)間tjs、當(dāng)前工作轉(zhuǎn)速nr下轉(zhuǎn)動(dòng)一周所需的時(shí)間tnr、zui短減速時(shí)間td、爬行速度nmin等，其中td、nmin可離線確定，而tjs、tnr則需在主軸定位時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算。
2.1減速延時(shí)時(shí)間tjs的計(jì)算
2.1.1 基本減速延時(shí)時(shí)間tjs0的計(jì)算
首先，計(jì)算不考慮按旋轉(zhuǎn)圈數(shù)分段計(jì)算的減速延時(shí)時(shí)間tjs0，稱為基本減速延時(shí)時(shí)間。為了計(jì)算tjs0，必須確定tjs0與主軸當(dāng)前的工作轉(zhuǎn)速nr的關(guān)系tjs0=f（nr）。顯然，為了縮短減速時(shí)間，無(wú)論在何種情況下主軸都應(yīng)以zui快的速度減速，因此減速的減速度a應(yīng)該一樣，在圖2（a）中表現(xiàn)為兩種情形下的速度下降曲線斜率相同；而且，不同工作速度下，自減速延時(shí)開(kāi)始計(jì)算點(diǎn)始，減速過(guò)程中轉(zhuǎn)過(guò)的總?cè)?shù)（角度）是一致的，即等于zui高工作轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)。利用運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本公式：
2.1.2考慮按旋轉(zhuǎn)圈數(shù)k分段計(jì)算減速延時(shí)時(shí)間tjs
根據(jù)前面的討論，當(dāng)計(jì)算得到的tjs0超過(guò)了tnr的k倍，則要將此ktnr扣除，設(shè)恰好有tjs0=ktnr時(shí)的nr為nrk（k=1、2、