直线电动机高速进给单元的关键技术

高速加工是一项新兴的先进制造技术。为了实现高速加工,除了要有高速主轴,还必须同时大大提高进给系统的速度和加速度,才能使加工得以正常进行。传统数控进给系统采用的是“旋转伺服电动机+滚珠丝杠”的传动方式。目前普通丝杠的最大进给速度为40m/min,最大直线加速度为0.5g。而一些高精密滚珠丝杠的最大速度已达60m/min,最大加速度达1.0g。但这种传动方式存在传动误差、摩擦磨损、惯量大、弹性变形引起爬行、反向死区等问题,在运动速度要求较高的场合,要达到更高的性能已非常困难。

近年来,随着加工效率和质量要求的提高以及直线电动机技术的进步,出现了一种新型的直线电动机伺服驱动进给方式。它取消了从电动机到工作台间的一切中间传动环节,被称作为“零传动”。同滚珠丝杠传动方式相比较,直线电动机驱动方式具有进给速度高、加速度大、启动推力大、刚度和定位精度高、行程长度不受限制等优点。自1993年德国Ex-Cell-O公司第一次将直线电动机用于加工中心以来,这种新型的高速进给单元已引起世界各国的普遍关注。美、德、日、英等工业发达国家对直线电动机产品进行了深入的研究与开发,采用直线电动机驱动的高速加工中心已成为21世纪机床的发展方向之一。我国对直线电动机的研究已经起步,但同国外的差距还很大。本文结合我校自行研制的GD-3型直线电动机高速进给单元,介绍了如何确定直线电动机高速进给单元的设计参数、结构形式,并重点讨论了影响直线电动机高速进给系统性能的几个关键问题。

1 直线电动机高速进给单元的设计

直线电动机高速进给单元主要由直线电动机、工作台、滚动导轨、反馈测量系统、防护系统等五部分组成。图1为我校超高速加工与机床研究室研制的GD-3型感应式交流直线电动机驱动的高速数控进给单元的横截面图。进给单元应按要求的额定进给速度、额定推力和加速度来设计或选用直线电动机,并根据其应用场合确定进给单元的结构形式,在设计过程中,还要考虑直线电动机的防磁、散热和防护等问题。

1.工作台 2.防护罩 3、12.导轨 4.床身 5、8.辅助导轨 6、14.冷却板 7.次级 9.测量系统 10.光栅尺 11.拖链 13.初级

直线电动机基本参数的确定

直线电动机的特性曲线,在设计或选用直线电动机时应满足以下三个要求:

1.工件 2.工件台 3.导轨 4.床身 5.滑块

直线电动机进给单元受力分析

Vmax≥VRmax
Fmax≥FRmax
Fmin≥Feff
式中:Vmax——直线电动机的最大速度,mm/s
VRmax——进给系统要求达到的最大速度,mm/s
Fmax——直线电动机的最大推力,N
FRmax——进给系统要求达到的最大推力,N
Fmin——直线电动机在所要求的速度范围内的最小推力,N
Feff——进给系统所要求的平均有效推力,N
直线电动机的最大速度由下式计算:
Vmax=2(1-s)tmax
式中:s——滑差率
t——直线电动机电极距,mm
fmax——交流电源的最高可调频率,Hz
直线电动机进给系统受力模型如图3所示。工作台运动时受的摩擦力FR可用下式计算:
FR=(mg+FAtt)µ
式中:m——移动部件的总质量,kg
g——重力加速度,m/s2
FAtt——直线电动机初级与次级间的垂直吸力,N
µ——工作台导轨的摩擦系数
工作台加速时的惯性力FAcc可用下式计算:
FAcc=ma式中:a——进给运动的加速度,m/s2
在一个加工周期内,进给系统所要求的平均有效推力Feff可用下式计算:Feff=[ ∑(Fi2ti) ]½
∑ti式中:Fi——在一个时间间隔内系统所要求的推力,N
ti——时间间隔,s

一般可按照典型工作情况下的时间速度曲线来计算每个时间段电动机要求的最大进给力FRmax,并由此算出一个加工周期的平均有效进给推力Feff。再按照直线电动机产品的标准参数系列,来选择满足设计要求的直线电动机。

GD-3型进给单元按额定进给速度为60m/min、加速度为1g、移动件质量33eff为1676N。故选用某公司生产的LAF121C-A型直线电动机。该电动机的额定推力为2000N,最大推力为4500N,最大进给速度为100m/min,总功率为8kW。

直线电动机工作台所能达到的最大加速度为amax= Fmax-FRm式中,m为进给运动部件的总质量,它包括工作台质量、电动机初级的质量和工件的质量三部分。由此可见,要提高进给单元的加(减)速度,就必须减小运动部件的质量,增大系统的推力。系统的推力与摩擦力、直线电动机的型号、导轨的摩擦系数有关,而运动部件质量可通过对工作台结构的优化设计来减小。

进给单元的结构设计

根据直线电动机安装方式的不同,进给单元结构可分为水平布局和垂直布局两种基本方式。图1所示即为水平布局方式,它具有结构简单、安装维护方便和机床工作台高度较低等优点。但由于初级与次级之间的电磁吸力与重力方向相同,若工作台刚度不足,将会使初级与次级间的间隙减小,影响直线电动机的正常工作,因而这种布局适于中等载荷以下使用。水平布局又可分为单电动机驱动与双电动机驱动两种方式。单电动机驱动布局结构简单、工作台两导轨间跨距较小、测量装置安装与维修方便,适于推力要求不大的场合。双电动机驱动布局的合成推力大,但两导轨间的跨距较大、工作台受电磁吸力变形较大,对工作台的刚度要求较高,安装也比较困难,测量与控制复杂,只适于特殊场合使用。

为了抵消直线电动机吸力对工作台刚度的影响,可采用双电动机垂直布局的方式。这种布局具有推力大、工作台垂直变形小、工作载荷对电动机初级与次级间的间隙影响小、运动精度高等优点,适于载荷较大的高速运动场合。按安装方式不同,又可分为外垂直安装和内垂直安装两种方式。外垂直安装可保证机床的导轨跨距较小,电磁吸力产生的弯距与重力引起的弯距方向相反,可抵消工作台的部分弯曲变形,对初级和次级间的间隙影响也较小:但电动机安装高度较高,工作台两端的悬伸较大,所占空间也较大,工作台结构比较复杂。内置安装方式可使两电动机电磁力吸力方向相反,消除了电磁引力对工作台弯曲变形的影响,保证在进给调速过程中初、次级的间隙量变化最小:但两导轨间的跨距较大,安装维护困难,适于大推力、高精度的应用场合。
GD-3型进给单元主要用于中小型零件的高速精密加工,因而采用单台电动机水平布局方式(见图1)。

直线电动机进给系统设计中应解决的其它几个问题

防磁问题

旋转电动机的磁场封闭在电动机的内部,不会对外界造成任何影响。而直线电动机的磁场是敞开的,因而采用直线电动机驱动的进给系统对环境的要求比较严格。尤其是使用永磁式直线电动机时,在机床床身上要安装一排磁力强大的永久磁铁,因此必须采取隔磁措施,否则电动机将会吸住加工中的切屑、金属工具和工件等。若这些微粒被吸入直线电动机的定子与动子间的气隙中,电动机将不能正常工作,因此要把直线电动机的磁场用三维折叠式密封罩防护起来。

GD-3型进给单元采用感应式直线电动机驱动,直线电动机、导轨和床身用风琴式折叠耐热防护罩加以保护,以确保电动机运行的安全。

直线电动机的散热问题

直线电动机安装在工作台和导轨之间,处于机床腹部,散热困难,又加之低速运行时效率低,发热量大,必须采取强有力的冷却措施,把电动机工作时产生的热量迅速散出,否则将会直接影响机床的工作精度,降低直线电动机的推力。

GD-3型进给单元采用冷却板的形式带走电动机的热量。如图1所示,直线电动机的初级通过一块冷却板反装在工作台内顶面,次级也通过一块冷却板安装在底座上。工作时,冷却板中通以一定压力和流量的冷却水,用以吸收和带走电动机线圈中产生的热量。冷却水的压力和流量由电动机初级和次级的热损耗来确定。

工作台的结构设计问题

直线电动机的工作台是高速进给单元的运动部件,如前所述,其质量和进给单元的最大加速度成反比,要提高进给单元的加速度就必须减轻工作台的质量。为此工作台可选用高强度的轻质材料,如铝钛合金、纤维增强塑料等。同时还可采用有限元分析和最优化设计的方法,以获得所要求的动、静刚度条件下最轻的质量。GD-3型进给单元的工作台选用HT250铸铁,并用有限元法对工作台的筋板结构和整体刚度进行校验和优化设计。通过以上措施,工作台的质量比常规铸铁工作台减轻了30%～40%。

导轨结构类型的选择

由于直线进给单元运动速度高,机床工作时导轨将承受很大的动载荷和静载荷,并受到多方面的颠覆力矩,导轨的摩擦系数还会影响进给系统的加速度和进给单元的发热等,因而必须选用高精度、高刚度、承载能力强的导轨。GD-3型进给单元采用“四方等载荷型”高速滚动导轨,其摩擦系数仅为0.01,而且动、静摩擦系数相差更小,采用这种高速精密滚动导轨来引导直线电动机工作台的运动既可避免发热,又可防止爬行。

2 直线电动机进给单元的控制

直线电动机和工作台之间没有任何中间传动环节,因而这种进给系统只能采用全闭环控制。此时工作台负荷的变化、直线电动机“端部效应”及其在运动中的变化,对伺服系统来说都是一个外界干扰。这些干扰没有任何缓冲环节,就直接作用到直线伺服电动机上。如果调节不好,就可能会降低系统的性能指标甚至造成振荡。因此,要求其位置与速度检测装置具有很高的分辨率和动态响应能力,系统要有鲁棒性很强的控制器,以消除内部参数摄动和外界干扰的影响。

我校的GD-3型直线电动机高速进给单元系统采用全双闭环控制,内环为速度环,外环为位置环,选择高精度光栅作为反馈环节的位置测量系统,并通过误差补偿和调整控制参数等方法,较好地解决了上述问题。

3 结束语

近十年来,各类直线电动机除应用于数控机床外,已制成了许多具有实用价值的装置和产品,如直线电动机驱动的钢管输送机、起重机、空压机、冲压机、拉伸机、运煤机、电动编织机、各种电动门、电动窗等。尤其是利用直线电动机驱动的磁悬浮列车,其速度已超过500km/h,接近了航空器的飞行速度。

直线电动机作为数控机床进给系统的一种崭新的驱动方式,只有短短几年的历史。目前它在设计、制造和应用方面还存在一些问题,成本也较高,有待进一步加以研究解决。然而它在高速数控机床上的应用,已呈现出一系列滚珠丝杠所无法比拟的优越性,并已成为现代世界机床技术发展的新高峰。近年来,各国推出的许多新型高速加工中心和其它数控机床,其进给系统已采用了直线电动机,直线电动机驱动有望成为21世纪高速数控机床的基本传动方式。

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