高速加工是一項新興的......



高速加工是一項新興的先進制造技術。為了實現高速加工，除了要有高速主軸，還必須同時大大提高進給系統的速度和加速度，才能使加工得以正常進行。傳統數控進給系統采用的是“旋轉伺服電動機+滾珠絲杠”的傳動方式。目前普通絲杠的最大進給速度為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60m/min，最大加速度達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、反向死區等問題，在運動速度要求較高的場合，要達到更高的性能已非常困難。近年來，隨著加工效率和質量要求的提高以及直線電動機技術的進步，出現了一種新型的直線電動機伺服驅動進給方式。它取消了從電動機到工作臺間的一切中間傳動環節，被稱作為“零傳動”。同滾珠絲杠傳動方式相比較，直線電動機驅動方式具有進給速度高、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點。自1993年德國Ex-Cell-O公司第一次將直線電動機用于加工中心以來，這種新型的高速進給單元已引起世界各國的普遍關注。美、德、日、英等工業發達國家對直線電動機產品進行了深入的研究與開發，采用直線電動機驅動的高速加工中心已成為21世紀機床的發展方向之一。我國對直線電動機的研究已經起步，但同國外的差距還很大。本文結合我校自行研制的GD-3型直線電動機高速進給單元，介紹了如何確定直線電動機高速進給單元的設計參數、結構形式，并重點討論了影響直線電動機高速進給系統性能的幾個關鍵問題。
1 直線電動機高速進給單元的設計
直線電動機高速進給單元主要由直線電動機、工作臺、滾動導軌、反饋測量系統、防護系統等五部分組成。圖1為我校超高速加工與機床研究室研制的GD-3型感應式交流直線電動機驅動的高速數控進給單元的橫截面圖。進給單元應按要求的額定進給速度、額定推力和加速度來設計或選用直線電動機，并根據其應用場合確定進給單元的結構形式，在設計過程中，還要考慮直線電動機的防磁、散熱和防護等問題。
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1.工作臺 2.防護罩 3、12.導軌 4.床身 5、8.輔助導軌 6、14.冷卻板 7.次級 9.測量系統 10.光柵尺 11.拖鏈 13.初級
圖1 GD-3型直線電動機高速進給單元直線電動機基本參數的確定
直線電動機的特性曲線如圖2所示，在設計或選用直線電動機時應滿足以下三個要求：
圖2 直線電動機的特性曲線

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