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发表于 2006-2-13 01:39:46
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来自: 中国重庆
高速加工機床的設計與應用(上)2
高速電主軸單元
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$ z3 \/ L7 H5 \3 v# W1 x高速加工的典型應用是以小直徑的硬質合金銑刀來對各種材料的模具、模型和鋁合金件進行銑削,機床主軸轉速是根據現代刀具材料所能達到的經濟合理切削速度範圍(圖3)和按此速度及不同的銑刀直徑所計算得的刀具/主軸轉速(圖4)來確定。可見除切削鈦或鎳合金時,由於刀具所能達到的合理切削速度較低(300m/min以下),刀具主軸最高轉速可在10000r/min以下外,其他材料的切削所要求的刀具/主軸最高轉速都在10000r/min以上,甚至要求達到50000r/min至80000r/min。如此高的主軸轉速,採用一般機床用的主傳動結構(電機加皮帶輪和齒輪傳動)方式是不可能實現的,一般都需採用由變頻調速電機和機床主軸集成在一起的所謂“電主軸”直接驅動來實現。1 A2 j# w& A% K
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電主軸是通過交流變頻調速和矢量控制來實現主軸的寬調速的。它的優點不僅是簡化了主傳動結構,減少主傳動系統的轉動慣量,而且降低了功耗,提高了實現更高主軸速度和加減速度的能力,從而也可實現定角度的快速准仃(C軸控制)功能,這對高速加工機床是十分重要的。
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當然,高速主軸本身的設計製造會涉及許多特殊問題,如主軸(電機轉子)支承的結構型式和潤滑方式,電機的發熱和冷卻措施,主軸和刀具的連接以及動平衡問題等,好在這些問題已有許多科研單位進行了研究和解決,高速電主軸單元在國內外均有了專門的生產廠家進行了專業化、系列化的生產,機床設計製造者只需根據加工對象要求,確定所需的主軸轉速和扭矩範圍來合理地選用就是了。
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高速進給系統$ F. M8 \) M U: |# l
5 Q( D+ D, o( W/ _2 \* L/ R5 f高速進給系統是高速加工機床極其重要的組成部份,對它的設計要求,首先應當是能提供高速切削時所要求的高的進給/快移速度和加減速度;其次是應具有所要求的調速寬度和軌跡跟蹤精度;同時還應有很好承受動、靜載荷的能力和剛度,從而保證高速加工應有的效率和質量。
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決定高速進給系統上述性能要求的因素主要有三個方面:即進給運動的傳動方式、各軸進給運動間的相互結構聯系和數控伺服控制系統。
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一、進給運動的傳動方式
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/ H4 `! v3 |; P% @- b6 g0 h2 U高速進給運動的傳動方式,目前廣為應用的主要有兩種:一種是回轉伺服電機通過滾珠絲杠的間接傳動,另一種是採用直線電機直接驅動。, Y& p; L9 Z' J' m# p: C) D
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通過滾珠絲杠間接傳動方式的優點是技術成熟,結構相對簡單,加速度特性受運動部件載荷變化的影響較小,且目前已有許多國內外廠家進行標準化,系列化和模塊化的專業化生產。但是普通傳動用的滾珠絲杠,由於存在慣量大,導程小,又受到臨界轉速的限制等,其所能提供的進給/快移速度只有10~20m/min,加速度為0.3g,滿足不了高速加工的要求,因此,高速加工用的進給滾珠絲杠普遍採取如下的改進措施。
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加大絲杠的導程和增加螺紋的頭數,前者為提高絲杠每轉的進給量(即進給速度),後者則為彌補絲杠導程增大後所帶來的軸向剛度和承載能力的下降。
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將實心絲杠改為空心的,這既是為減少絲杠的重量和慣量,也是為便於對絲杠採取通水內冷,以利於提高絲杠轉速,提高進給/快移速度和加速的能力,減少熱影響;- \# N5 `+ v' M* Q1 X
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改進回珠器和滾道的設計製造質量,使滾珠的循環更流暢,摩擦損耗更少;* d4 j9 ~8 U4 {* f1 l
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採用滾珠絲杠固定,螺母與聯結在移動部件上的伺服電機集成在一起完成旋轉和移動,從而避開了絲杠受臨界轉速的限制等。
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+ V1 |. C j9 [4 F. }" `9 \4 u D* ~經過採取這些改進措施後,滾珠絲杠傳動的進給方式可提供的進給/快移速度達60m/min~90m/min,加速度可達1~2g。但是由於受到原理結構的限制,要想進一步提高滾珠絲杠傳動的運動速度和加速度很難了,而且受絲杠的可製造長度限制,滾珠絲杠傳動所能提供的運動行程也是有限的。, z, B; `2 d2 t0 _3 n9 I
0 t2 F4 B" L. l* G( I- S% }) s與上述的通過滾珠絲杠間接傳動的方式相比,採用直線電機直接驅動的主要特點和優點是將伺服電機的定子和動子分別直接與機床床身及移動部結合在一起,沒有了中間環節,傳動鏈的長度縮短為零,即實現了所謂的“零傳動”,從而大大提高了機械剛度,減少了傳動系統的慣量,獲得更高的速度和加速度能力,並易於控制系統的阻尼力和動態特性,直線電機最高的進給/快速度可達120m/min乃至240m/min,加速度可達2~10g;行程長度可不受限制;適應性強,靈敏度高,隨動性好,不存在反向間隙,可利用直線光柵尺作為測量反饋元件,實現全閉環控制,以獲得更高的定位精度和跟蹤精度等。% y9 s" R# b' |
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但是,直線電機直接驅動也存在一些缺點:如效率低,功耗大,結構尺寸和自重也相對較大;工作過程溫升高,要求強冷卻;因受磁場力影響易於吸引鐵屑和金屬物,故需考慮防磁措施等,特別是要注意的是它的加速度值直接反比於運動部件的載荷量(工作台/滑座自重加上工件及其他外載荷),即對運動載荷較敏感,故宜用於運動件載荷恆定或變化量不大的場合,在載荷變化重大的情況下,必需能在數控編程時予以考慮,否則不能保證加工所要求的效率和質量。另外,直線電機直接驅動不具自鎖能力,設計和使用中應注意考慮外加制動措施,特別是在垂直軸進給系統中使用時,尤要注意。
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二、各軸進給運動的相互結構聯繫, {7 \. M) O% b, `
3 y0 E0 k0 |6 k6 C; l如同一般加工機床一樣,高速加工機床一般都有2個以上,多至5個進給運動軸,這些運動軸間的相互結構聯繫,目前存在著串聯,並聯和混聯三種型式。
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4 ~2 b' t1 u3 I3 R串聯結構是傳統機床普遍採用的型式,其特點是各運動軸的布局採用笛卡爾直角坐標系,機床床身、立柱、溜板、工作台/轉台和主軸箱等部件分別通過相應的導軌支承面串聯在一起的,各軸運動均可單獨地獨立進行,由於是串聯,各運動部件的重量往往都較大,且不一致,需特殊調整方可保持各軸加速度特性的一致性;進給系統的結構件不僅受拉、壓力,而且受彎、扭力矩的作用,變形複雜,後運動部件受到先運動部件的牽動和加速,加工誤差由各軸運動誤差線性疊加而成,且受導軌精度的影響等,這些都是串聯結構的缺點。然而由於串聯結構較傳統,有長期設計、製造和應用的經驗,技術較成熟,故迄今仍為大多數高速加工機床所採用。但串聯結構中還有著不同的各運動軸的相互組合配置方式,其所獲得的應用效果是不一樣的,設計時應以高速加工的特點及其對機床結構設計的要求出發來確定。
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, q7 B" I1 @) x! ~- i# K圖5 Stewart平台式並聯結構機床
) q. z5 _# d9 T; T' i並聯結構的典型代表是Stewart平台式的所謂虛擬軸機床(圖5)。它的特點是運動部件是一個由伺服電機分別控制的6根可自由伸縮的桿子所支承的動平台,該平台可同時作6個自由度的運動,但沒有像串聯結構那樣的物理上固定的X、Y、Z軸和相應的運動支承導軌,而且任何一軸運動都必須由6根可伸縮桿的協同運動來完成。一般刀具/主軸頭就安裝在該動平台上,工件則固定在機床的機架上,此外就不再有溜板、導軌等支承件了。與傳統串聯結構的機床相比,並聯結構型式的機床主要有如下優點:
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9 h- H/ Q, B+ \$ H& ` P運動部件重量輕,慣量小,更有利於實現進給運動高的速度和加速度;
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4 l0 F i" r4 G$ v% |+ `刀具主軸頭可同時實現5軸聯動,結構簡單,且主要的6根伸縮桿具有相同的結構和驅動方式,便於模塊化,標準化和系列化生產;
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( ^2 q; M& x0 F2 |6 \9 ]' G' b& N伸縮桿的兩端分別由球鉸和虎克鉸鏈與相關件連結,使桿子只受拉、壓力,不受彎扭力作用,剛度高,並易於通過預加載荷來提高整個進給系統的綜合剛度。8 T7 M; V* Z T3 j: a
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理論精度高,因為它不像串聯結構那樣,各軸運動誤差有可能被累積和放大,故並聯結構的進給運動的綜合誤差一般不會大於6根伸縮桿運動誤差的平均值。
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( t" \1 W: H1 A. K9 ?; U並聯結構的缺點是:* J a4 N. J" S* s
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在同一台機床上,其進給的行程隨著各伸縮桿的伸出長度和動平台的位姿角變化而變化,故由行程所決定的可加工空間是非規則形,不方便應用;
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因受球鉸和虎克鉸轉角的限制,帶主軸頭的動平台所能傾斜的角度較小(一般只有±40°)從而影響了機床的可加工範圍;/ x" L& h/ P1 N8 ]0 Z" h
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P' h. u/ F$ K4 w運動編程較複雜,而且在任一軸向上的簡單直線運動,也要有6根桿的協調伸縮運動才能完成等。$ n( Z) {& P% {/ [, P! |! h2 }
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由於有這些問題的存在,並聯結構的應用,目前尚不十分廣泛,還有待於進一步研究和發展。# _4 B' ~" j& Q1 G
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# `$ I' ~4 p) [4 C. @: j圖6 混聯結構機床示意圖
. f7 h! I/ s* K8 @混聯結構是在一台機床上同時採用有串聯和並聯結構型式的進給運動的結構聯結,通常的做法是:3個移動坐標仍採用並聯結構來完成,主軸加工時所需的另外2個轉動坐標則由串聯到固定工作台上的回轉和可傾斜的工作台或由串聯到並聯結構的動平台上的旋轉和擺動主軸頭來實現。但是此時的並聯結構的6根伸縮桿改成了3副定長桿,除桿的一端仍通過球鉸與動平台相聯外,桿的另一端則通過球鉸成組地與滑座聯結,滑座由伺服電機控制的滾珠絲杠(或直線電機)驅動在機床導軌上移動(圖6),從而改變動平台(主軸頭)在三維空間中的位置,即X、Y、Z軸的運動行程。這樣既克服了純並聯結構存在的加工空間不規則和動平台可傾角度過小的缺點,而且也減少了三套伺服驅動電機和滾珠絲杠,簡化了結構,降低了成本。這應是並聯機床結構改進的一個方向。
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. b4 p; v3 p' i4 @5 T! |三、數控、伺服控制系統2 }. F- [. E8 Y+ ~) [2 ~+ P4 t7 ]
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數控、伺服控制系統是保證實現高速加工的核心技術裝置,對它的要求是:既能實現所需的高進給速度和加減速度的控制,又要保證所需的軌跡跟蹤精度和加工質量。因此,數控伺服系統首先應具有很高的運算速度(即更短的單個程序段的處理時間)和數據存貯及傳輸的能力,以處理大量的插補和控制數據;二是強大的前瞻功能,以保持最佳的進給速度和加速度,最佳的路徑變換,識別拐角,及時調整,保證規定的動態精度曲線,使加工速度不超過機床的運行特性範圍;三是有效的速度、加速度穩定功能和自適應加工輪廓變化的能力,因為加工平滑輪廓和非平滑輪廓時,施加在機床驅動系統上的力量不一樣的,因此系統必需具有自調節能力,以保證機床永不過載,又能保持最佳的加工效率和質量,四是系統要力求具有開放性,包括人機界面開放(即具有標準的軟硬件平台,如PC硬件,Windows操作系統,人機界面開發工具等)、控制邏輯開放(即具有可編程的機床邏輯控制,網絡功能等)和數控內核開放(如供幾何坐標系統與數控軸直連的接口等),以使機床生產廠和用戶可以集成自己的人機界面,設計高效、高可靠性的控制邏輯和專有的坐標變換及補償控制軟件等;五是系統應有足夠的(如0.1μm)分辨率和多軸聯動控制的功能,以保證高精、高速、高效加工的實現。目前德國西門子公司生產的Sinumerik 840D和日本FANUC公司生產的FS16i/18i/21i MODEL B等系統,都是具有一定開放性的系統,能基本滿足上述功能要求。(未完待續) |
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