高速加工是一項(xiàng)新興的......



高速加工是一項(xiàng)新興的先進(jìn)制造技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)高速加工，除了要有高速主軸，還必須同時(shí)大大提高進(jìn)給系統(tǒng)的速度和加速度，才能使加工得以正常進(jìn)行。傳統(tǒng)數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)采用的是“旋轉(zhuǎn)伺服電動機(jī)+滾珠絲杠”的傳動方式。目前普通絲杠的最大進(jìn)給速度為40m/min，最大直線加速度為0.5g。而一些高精密滾珠絲杠的最大速度已達(dá)60m/min，最大加速度達(dá)1.0g。但這種傳動方式存在傳動誤差、摩擦磨損、慣量大、彈性變形引起爬行、反向死區(qū)等問題，在運(yùn)動速度要求較高的場合，要達(dá)到更高的性能已非常困難。近年來，隨著加工效率和質(zhì)量要求的提高以及直線電動機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了一種新型的直線電動機(jī)伺服驅(qū)動進(jìn)給方式。它取消了從電動機(jī)到工作臺間的一切中間傳動環(huán)節(jié)，被稱作為“零傳動”。同滾珠絲杠傳動方式相比較，直線電動機(jī)驅(qū)動方式具有進(jìn)給速度高、加速度大、啟動推力大、剛度和定位精度高、行程長度不受限制等優(yōu)點(diǎn)。自1993年德國Ex-Cell-O公司第一次將直線電動機(jī)用于加工中心以來，這種新型的高速進(jìn)給單元已引起世界各國的普遍關(guān)注。美、德、日、英等工業(yè)發(fā)達(dá)國家對直線電動機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行了深入的研究與開發(fā)，采用直線電動機(jī)驅(qū)動的高速加工中心已成為21世紀(jì)機(jī)床的發(fā)展方向之一。我國對直線電動機(jī)的研究已經(jīng)起步，但同國外的差距還很大。本文結(jié)合我校自行研制的GD-3型直線電動機(jī)高速進(jìn)給單元，介紹了如何確定直線電動機(jī)高速進(jìn)給單元的設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式，并重點(diǎn)討論了影響直線電動機(jī)高速進(jìn)給系統(tǒng)性能的幾個(gè)關(guān)鍵問題。
1 直線電動機(jī)高速進(jìn)給單元的設(shè)計(jì)
直線電動機(jī)高速進(jìn)給單元主要由直線電動機(jī)、工作臺、滾動導(dǎo)軌、反饋測量系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)等五部分組成。圖1為我校超高速加工與機(jī)床研究室研制的GD-3型感應(yīng)式交流直線電動機(jī)驅(qū)動的高速數(shù)控進(jìn)給單元的橫截面圖。進(jìn)給單元應(yīng)按要求的額定進(jìn)給速度、額定推力和加速度來設(shè)計(jì)或選用直線電動機(jī)，并根據(jù)其應(yīng)用場合確定進(jìn)給單元的結(jié)構(gòu)形式，在設(shè)計(jì)過程中，還要考慮直線電動機(jī)的防磁、散熱和防護(hù)等問題。
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1.工作臺 2.防護(hù)罩 3、12.導(dǎo)軌 4.床身 5、8.輔助導(dǎo)軌 6、14.冷卻板 7.次級 9.測量系統(tǒng) 10.光柵尺 11.拖鏈 13.初級
圖1 GD-3型直線電動機(jī)高速進(jìn)給單元直線電動機(jī)基本參數(shù)的確定
直線電動機(jī)的特性曲線如圖2所示，在設(shè)計(jì)或選用直線電動機(jī)時(shí)應(yīng)滿足以下三個(gè)要求：
圖2 直線電動機(jī)的特性曲線

1.工件 2.工件臺 3.導(dǎo)軌 4.床身 5.滑塊
圖3 直線電動機(jī)進(jìn)給單元受力分析圖
Vmax≥VRmax
Fmax≥FRmax
Fmin≥Feff
式中：Vmax——直線電動機(jī)的最大速度，mm/s
VRmax——進(jìn)給系統(tǒng)要求達(dá)到的最大速度，mm/s
Fmax——直線電動機(jī)的最大推力，N
FRmax——進(jìn)給系統(tǒng)要求達(dá)到的最大推力，N
Fmin——直線電動機(jī)在所要求的速度范圍內(nèi)的最小推力，N
Feff——進(jìn)給系統(tǒng)所要求的平均有效推力，N
直線電動機(jī)的最大速度由下式計(jì)算：
Vmax=2(1-s)tmax
式中：s——滑差率
t——直線電動機(jī)電極距，mm
fmax——交流電源的最高可調(diào)頻率，Hz
直線電動機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)受力模型如圖3所示。工作臺運(yùn)動時(shí)受的摩擦力FR可用下式計(jì)算：
FR=(mg+FAtt)μ
式中：m——移動部件的總質(zhì)量，kg
g——重力加速度，m/s2
FAtt——直線電動機(jī)初級與次級間的垂直吸力，N
μ——工作臺導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)
工作臺加速時(shí)的慣性力FAcc可用下式計(jì)算：
FAcc=ma
式中：a——進(jìn)給運(yùn)動的加速度，m/s2
在一個(gè)加工周期內(nèi)，進(jìn)給系統(tǒng)所要求的平均有效推力Feff可用下式計(jì)算： Feff=[ ∑(Fi2ti) ]
∑ti
式中：Fi——在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)系統(tǒng)所要求的推力，N
ti——時(shí)間間隔，s
一般可按照典型工作情況下的時(shí)間速度曲線來計(jì)算每個(gè)時(shí)間段電動機(jī)要求的最大進(jìn)給力FRmax，并由此算出一個(gè)加工周期的平均有效進(jìn)給推力
Feff。再按照直線電動機(jī)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)系列，來選擇滿足設(shè)計(jì)要求的直線電動機(jī)。
GD-3型進(jìn)給單元按額定進(jìn)給速度為60m/min、加速度為1g、移動件質(zhì)量33eff為1676N。故選用某公司生產(chǎn)的LAF121C-A型直線電動機(jī)。該電動機(jī)的額定推力為2000N，最大推力為4500N，最大進(jìn)給速度為100m/min，總功率為8kW。