高速数控机床直线进给单元的实验研究

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现代航空、航天、和汽车制造业的飞速发展，对制造精度和加工效率提出了更高的要求。为了实现高精度、高效率加工，近年来，美、日、德等发达工业国家已在高速数控机床的研究和开发方面取得了长足的进步，使高速数控机床的研究和开发取得了长足的进步，使高速数控加工技术得到了迅速发展。其中，高速直线进给单元的研究是实现高速加工的关键技术之一。
6 _, l$ r2 |/ o9 ]. n) ?3 @传统的数控机床由于采用旋转伺服电机+滚珠丝杠的进给方式，具有较长的传动链，使进给系统的加速度和减速度难以提高。几十年来，其最大的加速度和减速度都停留在0.1～0.2G(G=9.8m/s2)的水平。由于机床的进给距离短，加速还没有达到最大进给速度就必须减速，从而限制了机床最大进给速度的提高，难以适应现代高速机床发展的要求。
大功率直线电机的开发和先进的变频控制技术的发展，为高速进给系统的开发和研制提供了有利的条件。采用直线电机直接驱动机床的工作台不仅消除了中间传动环节、增强了传动效率，而且极大地提高了进给系统的速度和加速度，能较好地适应高速加工的发展要求。

1.电缆拖链 2.光栅尺 3.工作台 4.初级 5.初级冷却板 6.床身 7.直线导轨 8.次级 9.次级冷却板
图1 直线进给单元结构图
* k1 Z2 }4 ~4 c0 p( H% s1 GD-4型高速直线进给单元
GD-3型高速直线进给单元采用感应式直线电机直接驱动，系统结构如图1所示。系统采用动初级、定次级，短初级、长次级的结构方式，其中初级通过冷却板与工作台安装面相连，而次级采用串联方式通过冷却板平铺在床身上。当初级通入三相交流电时，会产生行波磁场，切割次级，使次级产生感应电势，从而在次级的闭合回路形成感生电流。次级的感生电流与初级的交变磁场相互作用产生电磁推力，使初级与次级之间产生相对运动。运动速度的大小与行波磁场的速度成正比。采用变频调速技术，通过调整电源频率来改变电机的速度，可以实现工作台的高速直线进给运动。
( s8 @& o1 l! o5 u在GD-3型直线进给单元中，直线电机的最大进给速度为100m/min，最大启动推力为4550N，额定推力为2000N，额定功率为8kW，系统采用光栅测量反馈装置，对进给单元进行闭环控制，光栅的分辨率为3μm，控制系统结构，如图2示。

图2 直线电机进给单元控制系统图
3 s. K% F. A5 ]' L" l* D8 Q由图2可知，GD-3直线进给单元采用全数字控制系统。控制系统主要由变频器、驱动计算机和SERCOS接口三部分组成。变频器的主要作用是通过改变电源的频率来控制直线进给单元的运行速度。驱动计算机的主要作用是传送控制指令，并接受由位移测量系统反馈的速度和位移信息以及电机测试系统反馈的电流和磁场信息，实现对进给单元的闭环控制。控制系统通过SERCOS接口可以实现带滞后量和不带滞后量的位置调节、速度调节和力的调节，使进给单元获得高定位精度、高刚度和良好的动态特性。在高速加工中，直线进给单元通过精密插补和微量进给可获得较高的加工精度和表面质量。同时，控制系统还可以将进给单元的启动以及故障诊断信息直接显示在NC终端上，以便及时了解加工信息、排除系统故障，保证高速机床的高效运行。
因此,和传统的NC机床的“旋转伺服电机+滚珠丝杠”进给方式相比，这种新型的直线进给单元具有以下特点：
采用直线电机直接驱动。省去了一切中间机械传动，从根本上减小了机械摩损与传动误差；
进给行程无限制；
9 ^% P+ P+ C# a动刚度和静刚度高；
5 u/ g1 f+ V& r' C具有较高的速度和加速度；
具有较高的控制性能和较高的Kv因子；
2 G. k. ]# e5 X. O* S) o, B) q采用变频调速技术可实现无级调速；
轨迹误差小，高速下可获得良好的定位精度。
本实验以GD-3型直线进给单元为研究对象，该进给单元最大允许的工作行程为750mm。采用CNC数控编程对进给单元进行实验研究和测试分析。
) u8 f$ k' t( Q  O) O, v5 T当理论进给速度设定为10m/min，工作行程设定为600mm时，对连续循环运动的进给单元的速度和加速度进行实时测试和分析，结果如图3所示。

0 G7 N: {$ A' g. p图3 进给速度为10m/min时的加速度与速度信号
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图4 进给速度为60m/min时的加速度与速度信号
6 U8 r/ r. f4 B! t8 P0 p由图3可知，进给单元的最大进给加速度为2.7m/s2，最大减速度为-2.7m/s2，速度曲线为梯形曲线，瞬时最大速度为12.5m/min，最大超调量为25%，升速时间为0.08s。在稳定状态下，进给速度为10m/min与设定的理论进给速度一致。
7 S7 x& ?# L0 j当理论进给速度设定为60m/min，工作行程设定为600mm时，对连续循环运动的进给单元的速度和加速度进行测试，结果如图4所示。
3 r8 d9 q$ e1 i( ~; U/ H由图4可知，在高速进给条件下，最大的进给加速度为15m/s2，最大的进给减速度为-15m/s2，速度曲线与图3类似，也呈现梯形曲线特征，瞬时最大进给速度为75m/min，超调量为25%，响应时间为0.08s，在稳定状态下，进给单元的速度为60m/min与理论设定的进给速度一致，因此表明GD-3型高速直线进给单元具有较高的加速度和减速度以及良好的响应特性。
; Q, @  f1 X+ O综合图3、图4可知，进给单元在运动过程中具有良好的稳定性，没有出现振荡现象，同时进给单元在循环运动过程中，具有良好的重复性，避免了传统进给系统中由于存在反向间隙而重复性差的缺陷。因此GD-3型直线进给单元不仅能获得较高的进给加速度和减速度，而且可以获得良好的重复定位精度，能较好地适应高速数控加工的要求。
7 k* `  M/ }' v, x5 k& z1 h" T+ rGD-3型高速直线进给单元采用直线电机直接驱动工作台，具有较短的传动链和较小的机械磨损，消除了反向间隙，能获得较高的重复定位精度。
该直线进给单元采用变频调速和数字控制技术，可以实现无级调速，可控性好，不仅具有良好的低速特性，而且在高速运行条件下可获得15m/s2的加速度和-15m/s2的减速度，能较好地适应高速加工的需要。
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文章关键词： 数控机床