高速進(jìn)給系統(tǒng)

　　高速進(jìn)給系統(tǒng)是高速加工機(jī)床極其重要的組成部份，對(duì)它的設(shè)計(jì)要求，首先應(yīng)當(dāng)是能提供高速切削時(shí)所要求的高的進(jìn)給/快移速度和加減速度;其次是應(yīng)具有所要求的調(diào)速寬度和軌跡跟蹤精度;同時(shí)還應(yīng)有很好承受動(dòng)、靜載荷的能力和剛度，從而保證高速加工應(yīng)有的效率和質(zhì)量。

　　決定高速進(jìn)給系統(tǒng)上述性能要求的因素主要有三個(gè)方面：即進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方式、各軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)間的相互結(jié)構(gòu)聯(lián)系和數(shù)控伺服控制系統(tǒng)。

　　一、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方式

　　高速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方式，目前廣為應(yīng)用的主要有兩種：一種是回轉(zhuǎn)伺服電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠的間接傳動(dòng)，另一種是采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

　　通過(guò)滾珠絲杠間接傳動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，加速度特性受運(yùn)動(dòng)部件載荷變化的影響較小，且目前已有許多國(guó)內(nèi)外廠家進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，系列化和模塊化的專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)。但是普通傳動(dòng)用的滾珠絲杠，由于存在慣量大，導(dǎo)程小，又受到臨界轉(zhuǎn)速的限制等，其所能提供的進(jìn)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(jìn)給滾珠絲杠普遍采取如下的改進(jìn)措施。

　　加大絲杠的導(dǎo)程和增加螺紋的頭數(shù)，前者為提高絲杠每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量(即進(jìn)給速度)，后者則為彌補(bǔ)絲杠導(dǎo)程增大后所帶來(lái)的軸向剛度和承載能力的下降。

　　將實(shí)心絲杠改為空心的，這既是為減少絲杠的重量和慣量，也是為便于對(duì)絲杠采取通水內(nèi)冷，以利于提高絲杠轉(zhuǎn)速，提高進(jìn)給/快移速度和加速的能力，減少熱影響;

　　改進(jìn)回珠器和滾道的設(shè)計(jì)制造質(zhì)量，使?jié)L珠的循環(huán)更流暢，摩擦損耗更少;

　　采用滾珠絲杠固定，螺母與聯(lián)結(jié)在移動(dòng)部件上的伺服電機(jī)集成在一起完成旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，從而避開(kāi)了絲杠受臨界轉(zhuǎn)速的限制等。

　　經(jīng)過(guò)采取這些改進(jìn)措施后，滾珠絲杠傳動(dòng)的進(jìn)給方式可提供的進(jìn)給/快移速度達(dá)60m/min~90m/min，加速度可達(dá)1~2g。但是由于受到原理結(jié)構(gòu)的限制，要想進(jìn)一步提高滾珠絲杠傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)速度和加速度很難了，而且受絲杠的可制造長(zhǎng)度限制，滾珠絲杠傳動(dòng)所能提供的運(yùn)動(dòng)行程也是有限的。

　　與上述的通過(guò)滾珠絲杠間接傳動(dòng)的方式相比，采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主要特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是將伺服電機(jī)的定子和動(dòng)子分別直接與機(jī)床床身及移動(dòng)部結(jié)合在一起，沒(méi)有了中間環(huán)節(jié)，傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，即實(shí)現(xiàn)了所謂的“零傳動(dòng)”，從而大大提高了機(jī)械剛度，減少了傳動(dòng)系統(tǒng)的慣量，獲得更高的速度和加速度能力，并易于控制系統(tǒng)的阻尼力和動(dòng)態(tài)特性，直線電機(jī)最高的進(jìn)給/快速度可達(dá)120m/min乃至240m/min，加速度可達(dá)2~10g;行程長(zhǎng)度可不受限制;適應(yīng)性強(qiáng)，靈敏度高，隨動(dòng)性好，不存在反向間隙，可利用直線光柵尺作為測(cè)量反饋元件，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，以獲得更高的定位精度和跟蹤精度等。

　　但是，直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)也存在一些缺點(diǎn)：如效率低，功耗大，結(jié)構(gòu)尺寸和自重也相對(duì)較大;工作過(guò)程溫升高，要求強(qiáng)冷卻;因受磁場(chǎng)力影響易于吸引鐵屑和金屬物，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于運(yùn)動(dòng)部件的載荷量(工作臺(tái)/滑座自重加上工件及其他外載荷)，即對(duì)運(yùn)動(dòng)載荷較敏感，故宜用于運(yùn)動(dòng)件載荷恒定或變化量不大的場(chǎng)合，在載荷變化重大的情況下，必需能在數(shù)控編程時(shí)予以考慮，否則不能保證加工所要求的效率和質(zhì)量。另外，直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)不具自鎖能力，設(shè)計(jì)和使用中應(yīng)注意考慮外加制動(dòng)措施，特別是在垂直軸進(jìn)給系統(tǒng)中使用時(shí)，尤要注意。

　　二、各軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的相互結(jié)構(gòu)聯(lián)系

　　如同一般加工機(jī)床一樣，高速加工機(jī)床一般都有2個(gè)以上，多至5個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軸，這些運(yùn)動(dòng)軸間的相互結(jié)構(gòu)聯(lián)系，目前存在著串聯(lián)，并聯(lián)和混聯(lián)三種型式。

　　串聯(lián)結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)機(jī)床普遍采用的型式，其特點(diǎn)是各運(yùn)動(dòng)軸的布局采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，機(jī)床床身、立柱、溜板、工作臺(tái)/轉(zhuǎn)臺(tái)和主軸箱等部件分別通過(guò)相應(yīng)的導(dǎo)軌支承面串聯(lián)在一起的，各軸運(yùn)動(dòng)均可單獨(dú)地獨(dú)立進(jìn)行，由于是串聯(lián)，各運(yùn)動(dòng)部件的重量往往都較大，且不一致，需特殊調(diào)整方可保持各軸加速度特性的一致性;進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件不僅受拉、壓力，而且受彎、扭力矩的作用，變形復(fù)雜，后運(yùn)動(dòng)部件受到先運(yùn)動(dòng)部件的牽動(dòng)和加速，加工誤差由各軸運(yùn)動(dòng)誤差線性迭加而成，且受導(dǎo)軌精度的影響等，這些都是串聯(lián)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。然而由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)，有長(zhǎng)期設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)較成熟，故迄今仍為大多數(shù)高速加工機(jī)床所采用。但串聯(lián)結(jié)構(gòu)中還有著不同的各運(yùn)動(dòng)軸的相互組合配置方式，其所獲得的應(yīng)用效果是不一樣的，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以高速加工的特點(diǎn)及其對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求出發(fā)來(lái)確定。

　　并聯(lián)結(jié)構(gòu)的典型代表是Stewart平臺(tái)式的所謂虛擬軸機(jī)床。它的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)部件是一個(gè)由伺服電機(jī)分別控制的6根可自由伸縮的桿子所支承的動(dòng)平臺(tái)，該平臺(tái)可同時(shí)作6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，但沒(méi)有像串聯(lián)結(jié)構(gòu)那樣的物理上固定的X、Y、Z軸和相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)支承導(dǎo)軌，而且任何一軸運(yùn)動(dòng)都必須由6根可伸縮桿的協(xié)同運(yùn)動(dòng)來(lái)完成。一般刀具/主軸頭就安裝在該動(dòng)平臺(tái)上，工件則固定在機(jī)床的機(jī)架上，此外就不再有溜板、導(dǎo)軌等支承件了。與傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)床相比，并聯(lián)結(jié)構(gòu)型式的機(jī)床主要有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　運(yùn)動(dòng)部件重量輕，慣量小，更有利于實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)高的速度和加速度;

　　刀具主軸頭可同時(shí)實(shí)現(xiàn)5軸聯(lián)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且主要的6根伸縮桿具有相同的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式，便于模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化和系列化生產(chǎn);

　　伸縮桿的兩端分別由球鉸和虎克鉸鏈與相關(guān)件連結(jié)，使桿子只受拉、壓力，不受彎扭力作用，剛度高，并易于通過(guò)預(yù)加載荷來(lái)提高整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的綜合剛度。

　　理論精度高，因?yàn)樗�不像串�?lián)結(jié)構(gòu)那樣，各軸運(yùn)動(dòng)誤差有可能被累積和放大，故并聯(lián)結(jié)構(gòu)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的綜合誤差一般不會(huì)大于6根伸縮桿運(yùn)動(dòng)誤差的平均值。

　　并聯(lián)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：

　　在同一臺(tái)機(jī)床上，其進(jìn)給的行程隨著各伸縮桿的伸出長(zhǎng)度和動(dòng)平臺(tái)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(guī)則形，不方便應(yīng)用;

　　因受球鉸和虎克鉸轉(zhuǎn)角的限制，帶主軸頭的動(dòng)平臺(tái)所能傾斜的角度較小(一般只有±40°)從而影響了機(jī)床的可加工范圍;

　　運(yùn)動(dòng)編程較復(fù)雜，而且在任一軸向上的簡(jiǎn)單直線運(yùn)動(dòng)，也要有6根桿的協(xié)調(diào)伸縮運(yùn)動(dòng)才能完成等。

　　由于有這些問(wèn)題的存在，并聯(lián)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，目前尚不十分廣泛，還有待于進(jìn)一步研究和發(fā)展。

　　混聯(lián)結(jié)構(gòu)是在一臺(tái)機(jī)床上同時(shí)采用有串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)型式的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)，通常的做法是：3個(gè)移動(dòng)坐標(biāo)仍采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)來(lái)完成，主軸加工時(shí)所需的另外2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)則由串聯(lián)到固定工作臺(tái)上的回轉(zhuǎn)和可傾斜的工作臺(tái)或由串聯(lián)到并聯(lián)結(jié)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)上的旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)主軸頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是此時(shí)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的6根伸縮桿改成了3副定長(zhǎng)桿，除桿的一端仍通過(guò)球鉸與動(dòng)平臺(tái)相聯(lián)外，桿的另一端則通過(guò)球鉸成組地與滑座聯(lián)結(jié)，滑座由伺服電機(jī)控制的滾珠絲杠(或直線電機(jī))驅(qū)動(dòng)在機(jī)床導(dǎo)軌上移動(dòng)，從而改變動(dòng)平臺(tái)(主軸頭)在三維空間中的位置，即X、Y、Z軸的運(yùn)動(dòng)行程。這樣既克服了純并聯(lián)結(jié)構(gòu)存在的加工空間不規(guī)則和動(dòng)平臺(tái)可傾角度過(guò)小的缺點(diǎn)，而且也減少了三套伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)和滾珠絲杠，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了成本。這應(yīng)是并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)改進(jìn)的一個(gè)方向。