0引言高速精密加工技术越来越引起人们的关注。实现高速精密加工的关键技术之一,是开发具有高 速能力的精密数控机床。数控机床具有高柔度、高精度、高速度、高效率和高可靠性等特点<1- 5>,其应用范围迅速扩大,发挥的作用也愈来愈大,所处的地位变得越来越重要。高速加工技术 采用比常规加工高5～10倍的切削速度和进给速度进行加工,可大大减少加工时间,同时还可以 减小切削力和提高加工质量<6>,正是在这种环境下,直线电机直接驱动的高速进给系统应运而 生,实践证明它也是实现高速精密加工的理想驱动方式。1高速精密加工高速精密加工主要是指主 轴的高转速和高的进给速度以及高的进给加速度,二者的关系如下:主轴转速(1)进给速度V= n×fZ×Z(2)其中fZ为每一刀刃在一转中所切削的厚度(mm);Z为铣刀的刃数;L为 刀刃所切削的长度(mm);d为主轴直径(mm)。即在选定了刀具和切削用量的情况下,进给 速度与主轴的转速成正比,因此,高速加工机床不仅要有高的主轴转速,也应具备与主轴转速相匹 配的高的进给速度。此外,为了保证加工轮廓的高精度,机床还必须具备高的进给加速度,如果一 台高速机床没有足够高的进给加速度,那么它是无法高速地进行高精度复杂曲面轮廓的加工的,因 为它无法胜任加工复杂曲面时根据不同的曲率半径在最短的时间内不断地调整进给速度的需要。分析表明,在加工半径为g0的圆弧时,最大进给速度nmax与最大加速度amax有如下关系<7-8>:(3)也就是说,在加工相同直径的圆弧半径时,如果进给速度提高一倍,加速度需要提高4倍。那 么如何提高高速精密加工或数控机床的进给速度和进给加速度呢?一种方法是在提高进给伺服电机 转速的同时,采用(中空甚至带有冷却)大导程的滚珠丝杠副,从而使进给速度达到40～90m /min,进给加速度可达到1个G左右;另一种方法是采用直线电机直接驱动方式,它取代了一 般数控机床中的“旋转伺服电机+滚珠丝杆”的进给传动方式,取消了旋转电机、滚珠丝杠副等到 工作台之间的一切中间环节。由于它将机床进给传动链的长度缩短为零,所以这种传动方式也称为“直接驱动”或“零传动”<9>方式。2直线电机高速精密数控机床进给系统2.1 直线电机发展历程早在1845年Wheatstone就提出和制作了略具雏形的直线电机。随后 美国、英国、德国、日本等进行了不同程度的研究,但由于当时经济性、可靠性等方面的原因,都 未能实现。直至20世纪50年代中期,控制、材料技术的飞速发展和新型控制元器件的不断出现 为直线电机的广泛应用打开了方便之门。例如美国XYNETICS公司生产的自动绘图仪、法国生产的直线电机记录仪、日本三洋公司生产的直线电机电唱机、英国HerbertMorris公司生产的桥式吊车、传送带和一般机械搬运设备等。然而直线电机应用于数控机床还 是近十几年的事,随着机床向高速化、精密化方向的发展,直线电机开始被用于机床进给系统中, 而且发展十分迅速。世界上最早使用直线电机直接驱动的机床是由德国Excell-O公司于1 993年生产的XHC-240型高速加工中心,其三个坐标方向上都采用了德国Indrama t公司生产的交流感应式直线电机,进给速度达60m/min,加速度为1g,进给力为280 0N,而且当进给速度为20m/min时,加工精度达到4μm。于是直线电机在高速加工中心 上的成功应用,轰动了国际机床界,各国份份研制带直线电机的机床,到1997年第12届欧洲 机床展览会时已有20多家公司展出采用直线电机驱动的机床。到1999年第13届欧洲机床展 览会时又有了新的进展,其进给速度和进给加速度又有了进一步的提高。在去年北京国际机床展( CIMT2001)上,国内一公司展出了一台X轴采用直线电机直接驱动的数控车床,其最大的 运动加速度达到了(4～5)g,最大进给速度超过了100m/min。这也表明我国数控机床在进给系统的研究和制造上迈向了一个新的台阶。2.2 直线电机高速精密进给系统原理直线电机从原理上讲,就是将普通的旋转电机沿过轴线的平面剖开, 并展成一直线<10>。由定子演变来的一侧叫直线电机的初级,由鼠笼转子演变而来的一侧叫直 线电机的次级。当多相交流电通入多相对称绕组时,就会在直线电机的初、次级间的气隙中产生一 个行波磁场,从而初、次级间产生相对移动。由于直线电机的初级和次级都存在边端,为使其正常 运行,其中的任何一方需比另一方长,为此直线电机有短初级和短次级两种形式,为减少发热量和 降低成本,高速精密机床用直线电机一般采用短初级结构,而且定件和动件正好和旋转电机相反。图1为直线电机进给系统原理图。图1直线电机进给系统原理图2.3 直线电机高速精密进给系统单元组成图2所示为直线电机高速精密数控进给系统的组成,主要由四个 部分组成。带三相绕组的初级螺钉反装在移动工作台上,带鼠笼展开型栅格的次级用螺钉装在直线电机的底座上。该底座再固定在数控机床的床身上。图2直线电机进给单元的组成2.4 直线电机高速精密数控机床进给系统的橹棒性和平稳性由直线电机直接驱动的数控机床,其切削力、 摩擦力、运动部件的质量以及电机结构产生的推力波动都对机床的控制性能和精度有较大的影响。 在没有外加切削力的情况时,PID结合加速度前馈、摩擦前馈可以使系统的动态误差很小(几乎 为零)。而切削力的时变性对直线电机数控机床的切削跟踪精度影响最为明显,因此对于直线电机 的控制系统必须把外部扰动力进行预估并有效实时补偿,见图3。对于摩擦力、正负方向运行的负 载力不一致的影响可以在系统调试时由系统开环自学习预置在扰动力预估补偿器中保证系统的快速 响应,保证系统的橹棒性<11>。图3外部扰动力的预估和补偿控制图另外为了保证直线电机高 速运行时的高精度,数控系统必须具有高速采样插补功能。在高速采样插补中,由于采样插补周期 很短,而反馈光栅的分辨率有限,因此在低速运行时可能几十个采样周期才有一个位置脉冲,不管 运行速度如何,在高速采样的任何时刻脉冲的采样截尾误差相对于实时采样速度、位置的变化量都 比较大,所以在控制系统中根据采样历史数据对当前采样截尾误差的精确估算,对高速采样系统运 行的动态平稳性、精确性具有重要的意义。3直线电机在数控车床上的应用x轴用直线电机直接驱 动的车床的结构与普通数控车床的形式基本相同。主要区别是x轴用直线电机直接驱动,为了提高 异型截面零件的轮廓精度,c轴采用进给伺服控制与x、z轴联动。x轴直线电采用直线滚动导轨导向,反馈用光栅尺闭环,电机伺服的控制调节由系统的DSP完成。直线电机车床数控系统的核心是基于PCwindows平台的高速运动控制器,由PC总线的DSP控制卡进行Z、C轴的插补及相应的伺 服控制,PC计算机负责系统的显示、译码、管理等工作。图4直线电机车床原理图4结束语直线 电机对于促进数控机床的高速精密化具有十分重要的意义和应用价值。随着直线电机理论与技术的 进一步发展,直线电机在机床上的应用必定会越来越广泛,特别是在高速精密机床上将有广阔的应用前景。直线电机与高速精密数控机床进给系统的研究@吴南星$东南大学机械系!南京210096
@孙庆鸿$东南大学机械系!南京210096直线电机;;高速加工;;精密加工;;进给系统直 线电机直接驱动方式是一种高速精密加工进给系统的理想驱动方式。本文介绍了直线电机直接驱动 的必要性,研究了直线电机高速精密进给系统的原理、单元组成和特点,并且给出了直线电机在数控车床上的应用实例。<1>SUNH.Current and future patterns of using advanced manu-facturing technologies
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