現(xiàn)代航空、航天、和汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)制造精度和加工效率提出了更高的要求。為了實(shí)現(xiàn)高精度、高效率加工，近年來，美、日、德等發(fā)達(dá)工業(yè)國家已在高速數(shù)控機(jī)床的研究和開發(fā)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，使高速數(shù)控機(jī)床的研究和開發(fā)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，使高速數(shù)控加工技術(shù)得到了迅速發(fā)展。其中，高速直線進(jìn)給單元的研究是實(shí)現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。 傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床由于采用旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠的進(jìn)給方式，具有較長(zhǎng)的傳動(dòng)鏈，使進(jìn)給系統(tǒng)的加速度和減速度難以提高。幾十年來，其最大的加速度和減速度都停留在0.1～0.2G(G=9.8m/s2)的水平。由于機(jī)床的進(jìn)給距離短，加速還沒有達(dá)到最大進(jìn)給速度就必須減速，從而限制了機(jī)床最大進(jìn)給速度的提高，難以適應(yīng)現(xiàn)代高速機(jī)床發(fā)展的要求。
大功率直線電機(jī)的開發(fā)和先進(jìn)的變頻控制技術(shù)的發(fā)展，為高速進(jìn)給系統(tǒng)的開發(fā)和研制提供了有利的條件。采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)不僅消除了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)、增強(qiáng)了傳動(dòng)效率，而且極大地提高了進(jìn)給系統(tǒng)的速度和加速度，能較好地適應(yīng)高速加工的發(fā)展要求。
1.電纜拖鏈 2.光柵尺 3.工作臺(tái) 4.初級(jí) 5.初級(jí)冷卻板 6.床身 7.直線導(dǎo)軌 8.次級(jí) 9.次級(jí)冷卻板
圖1 直線進(jìn)給單元結(jié)構(gòu)圖
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1 GD-4型高速直線進(jìn)給單元
GD-3型高速直線進(jìn)給單元采用感應(yīng)式直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用動(dòng)初級(jí)、定次級(jí)，短初級(jí)、長(zhǎng)次級(jí)的結(jié)構(gòu)方式，其中初級(jí)通過冷卻板與工作臺(tái)安裝面相連，而次級(jí)采用串聯(lián)方式通過冷卻板平鋪在床身上。當(dāng)初級(jí)通入三相交流電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生行波磁場(chǎng)，切割次級(jí)，使次級(jí)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，從而在次級(jí)的閉合回路形成感生電流。次級(jí)的感生電流與初級(jí)的交變磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁推力，使初級(jí)與次級(jí)之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)速度的大小與行波磁場(chǎng)的速度成正比。采用變頻調(diào)速技術(shù)，通過調(diào)整電源頻率來改變電機(jī)的速度，可以實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的高速直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 在GD-3型直線進(jìn)給單元中，直線電機(jī)的最大進(jìn)給速度為100m/min，最大啟動(dòng)推力為4550N，額定推力為2000N，額定功率為8kW，系統(tǒng)采用光柵測(cè)量反饋裝置，對(duì)進(jìn)給單元進(jìn)行閉環(huán)控制，光柵的分辨率為3μm，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2示。
圖2 直線電機(jī)進(jìn)給單元控制系統(tǒng)圖
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由圖2可知，GD-3直線進(jìn)給單元采用全數(shù)字控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)主要由變頻器、驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)和SERCOS接口三部分組成。變頻器的主要作用是通過改變電源的頻率來控制直線進(jìn)給單元的運(yùn)行速度。驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)的主要作用是傳送控制指令，并接受由位移測(cè)量系統(tǒng)反饋的速度和位移信息以及電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)反饋的電流和磁場(chǎng)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)給單元的閉環(huán)控制。控制系統(tǒng)通過SERCOS接口可以實(shí)現(xiàn)帶滯后量和不帶滯后量的位置調(diào)節(jié)、速度調(diào)節(jié)和力的調(diào)節(jié)，使進(jìn)給單元獲得高定位精度、高剛度和良好的動(dòng)態(tài)特性。在高速加工中，直線進(jìn)給單元通過精密插補(bǔ)和微量進(jìn)給可獲得較高的加工精度和表面質(zhì)量。同時(shí)，控制系統(tǒng)還可以將進(jìn)給單元的啟動(dòng)以及故障診斷信息直接顯示在NC終端上，以便及時(shí)了解加工信息、排除系統(tǒng)故障，保證高速機(jī)床的高效運(yùn)行。
因此,和傳統(tǒng)的NC機(jī)床的“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”進(jìn)給方式相比，這種新型的直線進(jìn)給單元具有以下特點(diǎn)：
- 采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。省去了一切中間機(jī)械傳動(dòng)，從根本上減小了機(jī)械摩損與傳動(dòng)誤差；
- 進(jìn)給行程無限制；
- 動(dòng)剛度和靜剛度高；
- 具有較高的速度和加速度；
- 具有較高的控制性能和較高的Kv因子；
- 采用變頻調(diào)速技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速；
- 軌跡誤差小，高速下可獲得良好的定位精度。
2 實(shí)驗(yàn)研究
本實(shí)驗(yàn)以GD-3型直線進(jìn)給單元為研究對(duì)象，該進(jìn)給單元最大允許的工作行程為750mm。采用CNC數(shù)控編程對(duì)進(jìn)給單元進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和測(cè)試分析。數(shù)控程序如下： G90 G18 G54 … G01 X600 F10000/F60000 G04 F1.0 G01 X0 F10000/F60000 G04 F1.0 RET ； G74 X0 F10000/F60000 RTS 當(dāng)理論進(jìn)給速度設(shè)定為10m/min，工作行程設(shè)定為600mm時(shí)，對(duì)連續(xù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給單元的速度和加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試和分析，結(jié)果如圖3所示。
圖3 進(jìn)給速度為10m/min時(shí)的加速度與速度信號(hào)
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圖4 進(jìn)給速度為60m/min時(shí)的加速度與速度信號(hào)
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由圖3可知，進(jìn)給單元的最大進(jìn)給加速度為2.7m/s2，最大減速度為-2.7m/s2，速度曲線為梯形曲線，瞬時(shí)最大速度為12.5m/min，最大超調(diào)量為25%，升速時(shí)間為0.08s。在穩(wěn)定狀態(tài)下，進(jìn)給速度為10m/min與設(shè)定的理論進(jìn)給速度一致。 當(dāng)理論進(jìn)給速度設(shè)定為60m/min，工作行程設(shè)定為600mm時(shí)，對(duì)連續(xù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給單元的速度和加速度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。 由圖4可知，在高速進(jìn)給條件下，最大的進(jìn)給加速度為15m/s2，最大的進(jìn)給減速度為-15m/s2，速度曲線與圖3類似，也呈現(xiàn)梯形曲線特征，瞬時(shí)最大進(jìn)給速度為75m/min，超調(diào)量為25%，響應(yīng)時(shí)間為0.08s，在穩(wěn)定狀態(tài)下，進(jìn)給單元的速度為60m/min與理論設(shè)定的進(jìn)給速度一致，因此表明GD-3型高速直線進(jìn)給單元具有較高的加速度和減速度以及良好的響應(yīng)特性。
綜合圖3、圖4可知，進(jìn)給單元在運(yùn)動(dòng)過程中具有良好的穩(wěn)定性，沒有出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，同時(shí)進(jìn)給單元在循環(huán)運(yùn)動(dòng)過程中，具有良好的重復(fù)性，避免了傳統(tǒng)進(jìn)給系統(tǒng)中由于存在反向間隙而重復(fù)性差的缺陷。因此GD-3型直線進(jìn)給單元不僅能獲得較高的進(jìn)給加速度和減速度，而且可以獲得良好的重復(fù)定位精度，能較好地適應(yīng)高速數(shù)控加工的要求。
3 結(jié)論
GD-3型高速直線進(jìn)給單元采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)，具有較短的傳動(dòng)鏈和較小的機(jī)械磨損，消除了反向間隙，能獲得較高的重復(fù)定位精度。 該直線進(jìn)給單元采用變頻調(diào)速和數(shù)字控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，可控性好，不僅具有良好的低速特性，而且在高速運(yùn)行條件下可獲得15m/s2的加速度和-15m/s2的減速度，能較好地適應(yīng)高速加工的需要。
