001高速立加的主軸平橫和驅(qū)動(dòng)方式

1、高速立加直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及Z軸平衡的探討摘要： 高速切削加工能顯著提高生產(chǎn)效率、提高加工精度和表面光潔度及降低切削阻力，收到各廠家的廣泛關(guān)注和研究。本項(xiàng)目研發(fā)的高速立加BVG80采用龍門框架剛性結(jié)構(gòu)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制、高轉(zhuǎn)速電主軸，這樣就要求機(jī)床構(gòu)件有良好的剛性和吸振性能，高響應(yīng)的主軸平衡機(jī)構(gòu)，可靠的安全防護(hù)。本文就直線電機(jī)的特殊性重點(diǎn)討論直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、掉電保護(hù)和Z軸平衡。關(guān)鍵詞：高速立加 直線電機(jī) 掉電保護(hù) 平衡機(jī)構(gòu)一 、引言 20世紀(jì)90年代以后，隨著以高效率和高精度為基本特征的高速加工概念的提出，直線電機(jī)開始作為進(jìn)給系統(tǒng)出現(xiàn)在加工中心中。由于直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)具有傳統(tǒng)進(jìn)給

2、系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)和潛力，受到極大重視，掀起一輪的研究熱潮。我公司承擔(dān)的數(shù)控機(jī)床重大專項(xiàng)項(xiàng)目BVG系列高速立式加工中心，就是采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速立式加工中心。二、機(jī)床概況 l 工作臺(tái)寬度630mm；l X軸行程1250mm,Y軸行程800mm，Z軸行程600mm；l 快速進(jìn)給速度60m/min，加速度1g；l 主軸最高轉(zhuǎn)速18000r/min；l 定位精度 X：0.010mm，Y、Z：0.008mm；l 重復(fù)定位精度 X：0.006mm，Y、Z：0.005mm 。BVG系列高速立式加工中心總體布局為輕型龍門式結(jié)構(gòu)，機(jī)床的總體布局為雙龍門結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)為自主創(chuàng)新。如圖2.1所示， 圖2.1 總體

3、布局圖床身為整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)，床身中間上面是X軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)；中間分別有左右兩個(gè)立柱，滑動(dòng)箱在立柱上面前后運(yùn)動(dòng)，通過立柱上面的Y軸和Y軸雙軸同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)箱；滑動(dòng)箱采用箱中箱結(jié)構(gòu)，主軸箱在中間上下運(yùn)動(dòng)，通過安裝在滑動(dòng)箱中的Z軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)主軸箱。該整體框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定牢固，剛性高，穩(wěn)定性好。在設(shè)計(jì)過程中對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以最小的構(gòu)件質(zhì)量獲得最高的剛度，從而有效減少了運(yùn)動(dòng)部件的重量，而且使移動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)部件的重心更靠近。工作臺(tái)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為X軸，主軸實(shí)現(xiàn)Y、Z兩個(gè)直線軸的運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)箱在龍門框架上運(yùn)動(dòng)這種結(jié)構(gòu)使Y軸直線電機(jī)遠(yuǎn)離切削區(qū)，避免加工鐵屑及切削液進(jìn)入直線電

4、機(jī)。X、Y、Z三軸均采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。直線電機(jī)使傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化，保障機(jī)床在高速進(jìn)給時(shí)的定位精度有效提高，為零件的高精度高效率加工提供了可靠保障。三、XYZ三軸的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)高速主軸和快速進(jìn)給系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)加工中心高速的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。其中對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)提出的要求是：進(jìn)給速度高；加速度大；動(dòng)態(tài)特性好；具有較高的定位精度。直線電機(jī)能實(shí)現(xiàn)“零間隙傳動(dòng)”，直接產(chǎn)生直線機(jī)械運(yùn)動(dòng)，符合快速進(jìn)給系統(tǒng)的要求。自1993年德國(guó)Ex-Cell-O公司生產(chǎn)出第一臺(tái)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心以來，直線電機(jī)技術(shù)在十幾年內(nèi)又有了很大發(fā)展。直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：速度特性好。速度偏差可達(dá)0.01%以下。加速度大。直線電機(jī)最大加速度

5、可達(dá)30g，目前加工中心的進(jìn)給加速度已達(dá)3.24g，激光加工機(jī)的進(jìn)給加速度已達(dá)5g，而傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)給加速度在1g以下，一般為0.3g。定位精度高。采用光柵閉環(huán)控制，定位精度可達(dá)0.10.01m。應(yīng)用前饋控制的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)特性好，響應(yīng)靈敏，加上插補(bǔ)控制的精細(xì)化，可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)控制。行程不受限制。傳統(tǒng)的絲杠傳動(dòng)受絲杠制造工藝限制，一般46m，更長(zhǎng)的行程需要接長(zhǎng)絲杠，無論從制造工藝還是在性能上都不理想。而采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定子可無限加長(zhǎng)，且制造工藝簡(jiǎn)單，已有大型高速加工中心X軸長(zhǎng)達(dá)40m以上。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小，運(yùn)動(dòng)部件摩擦小、磨損小、使用壽命長(zhǎng)

6、、安全可靠。XYZ三軸均采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，取消了絲杠等機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傳動(dòng)間隙和誤差，減少了因傳動(dòng)鏈上彈性環(huán)節(jié)造成的跟蹤誤差，同時(shí)使用高精度的HAIDEHAN直線光柵尺作為閉環(huán)反饋，從而大大提高機(jī)床的定位精度；采用西門子的高性能SIMODRIVE611D驅(qū)動(dòng)配合使用，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)剛性，對(duì)變化的切削力有快速的響應(yīng)，從而獲得很好的輪廓精度。在保證良好精度的前提下，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸所能實(shí)現(xiàn)的高速度高加速度是傳統(tǒng)的絲杠傳動(dòng)無法實(shí)現(xiàn)的。由于無接觸傳動(dòng)，因此機(jī)床運(yùn)行的噪聲也相對(duì)較小。三軸均采用全閉環(huán)控制。主軸采用進(jìn)口西門子大功率高速電主軸，最高轉(zhuǎn)速18000r/min，刀柄采用HSK63A短錐高速刀柄，以適應(yīng)高

7、速切削的要求。由于直線電機(jī)的特點(diǎn)，主要技術(shù)有以下幾點(diǎn)：l 機(jī)械部件的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度；l 突然斷電條件下直線電機(jī)軸的快速制動(dòng)；l 主軸箱的平衡系統(tǒng)；l 直線電機(jī)的防護(hù)及機(jī)床整體防護(hù)；直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床由于進(jìn)給速度比較快，并且采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，阻尼很小，容易產(chǎn)生振動(dòng)，其振動(dòng)模型近似如下：式中： m運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量；M機(jī)床不動(dòng)件的質(zhì)量；k機(jī)床的靜剛性；v運(yùn)動(dòng)部件快速進(jìn)給速度；Amax機(jī)床最大振幅。由上式可以看出，減小m和增大M、增加k都可減小機(jī)床最大振幅Amax，其中增大機(jī)床不動(dòng)件重量的方法較少使用，因?yàn)樵龃髾C(jī)床不動(dòng)件M會(huì)降低機(jī)床的固有頻率，使機(jī)床共振頻率偏低。同時(shí)為了保證進(jìn)給加速特性，也需要減小m,因此

8、在鑄件設(shè)計(jì)時(shí)采取薄壁加筋的辦法，安排合理的斷面形狀和尺寸，盡量減小移動(dòng)部件質(zhì)量，以增加機(jī)床剛性，減小振動(dòng)。 圖3.1圖3.1表示出X軸進(jìn)給單元結(jié)構(gòu)。直線電機(jī)初級(jí)通過過渡板安裝于工作臺(tái)底部，直線電機(jī)次級(jí)安裝于床身上。工作時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生巨大電磁吸力，垂直作用于工作臺(tái)上，由工作臺(tái)下的兩根滾動(dòng)導(dǎo)軌支承，電機(jī)正常工作時(shí)，間隙為0.9mm。因此，對(duì)工作臺(tái)的自身剛度和導(dǎo)軌的支撐剛度及耐磨性都有較高要求。先將直線電機(jī)初級(jí)固裝于過渡板上，使之成為一體，然后再將過渡板安裝于工作臺(tái)底部，這種安裝方法增加了工作臺(tái)的剛度，使之有抵抗變形的能力。 四、 主軸平衡機(jī)構(gòu) 因?yàn)榱⑹綑C(jī)床的主軸部件與垂直運(yùn)動(dòng)部件設(shè)計(jì)為一體，向下運(yùn)動(dòng)

9、時(shí)的驅(qū)動(dòng)力與重力方向一致，向上運(yùn)動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力與重力方向相反，所以如果不消除重力的影響，不僅影響部件的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，而且影響機(jī)床加工精度的保持性，同時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致在一定工況條件下，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件、刀具、工件產(chǎn)生破壞性的危害。該機(jī)床采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，沒有自鎖功能，當(dāng)控制系統(tǒng)失電時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件會(huì)因重力而下滑，這是很危險(xiǎn)的。因此，必須對(duì)Z軸采用平衡機(jī)構(gòu)和掉電自鎖保護(hù)。對(duì)比加工中心常用的幾種平衡機(jī)構(gòu)：1、 重錘平衡機(jī)構(gòu) 圖4.1如圖4.1，這種方法是目前傳統(tǒng)加工中心應(yīng)用廣泛的一種平衡方式，運(yùn)動(dòng)部件的平衡是由鏈條通過其兩頭的耳環(huán)分別連接在主軸箱m1和重錘m2上，并通過安裝在支架上的導(dǎo)輪來實(shí)現(xiàn)，為使重錘上下運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，

10、在重錘的兩側(cè)面開有導(dǎo)向槽。這種平衡方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，一般用于固定立柱結(jié)構(gòu)的機(jī)床，但由于加入了重錘，使垂向運(yùn)動(dòng)部件的慣量增大而不利于高速運(yùn)動(dòng)。由受力分析:F=( m1 + m2 )*a,( m1 + m2 )*a=( m1 + m2 )*(v12- v02);要使速度增大，在電機(jī)推力不變的情況下，必須使質(zhì)量減小，所以該機(jī)構(gòu)不適合高速機(jī)床采用，并且重錘體積較大需要占地空間大，高速動(dòng)作時(shí)會(huì)抖動(dòng)?？梢娭劐N平衡機(jī)構(gòu)不適合高速運(yùn)動(dòng)機(jī)床。2、蓄能器平衡機(jī)構(gòu) 圖 4.2這種方法是采用臺(tái)灣穎立鷗公司的自動(dòng)補(bǔ)償平衡系統(tǒng)產(chǎn)品，利用了液氮蓄能器吸收和釋放能量的功能來實(shí)現(xiàn)的。工作原理如圖1所示，在蓄能器上方閥口把

11、氮?dú)馔ㄟ^閥打進(jìn)蓄能器，達(dá)到提前計(jì)算好的系統(tǒng)所需的壓力后，關(guān)掉進(jìn)氣閥。在平衡油缸和管路里充滿液壓油，將蓄能器和液壓缸連接，打開壓力閥，液壓油進(jìn)入油缸下腔，油缸和主軸箱相連接。當(dāng)垂向運(yùn)動(dòng)部件作向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，平衡油缸的有桿腔中的液壓油被擠壓，進(jìn)入蓄能器，運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的壓力被轉(zhuǎn)換為受壓液體而輸入到蓄能器中成為儲(chǔ)備能量，這時(shí)蓄能器氣囊中的氮?dú)獗粔嚎s，使液體的壓力與氣囊的壓力相同而獲得能量?jī)?chǔ)備，達(dá)到對(duì)垂向運(yùn)動(dòng)部件的平衡作用。這種結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的響應(yīng)速度很快，且對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)型式?jīng)]有限制，但受到平衡油缸運(yùn)動(dòng)速度的約束。所以該系統(tǒng)也不宜用在高速機(jī)床上。3、液壓平衡機(jī)構(gòu) 圖 4.3 液壓平衡機(jī)構(gòu)原理如

12、圖4.3所示，系統(tǒng)壓力經(jīng)單向閥1后，溢流閥2控制主油路壓力，系統(tǒng)主油路經(jīng)平衡閥5到平衡油缸6下腔，壓力繼電器7和繼電器8作為信號(hào)源，時(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)油壓的壓力范圍，低于或者高于某個(gè)壓力區(qū)間會(huì)有報(bào)警提示。如果發(fā)生這個(gè)提示報(bào)警，電動(dòng)機(jī)將被封鎖而不能運(yùn)行?？刂朴吐吩趬毫﹂y9的作用下，控制著主油路上平衡閥5回油路開口的大小從而起到平衡油缸在z軸上下運(yùn)動(dòng)的作用。平衡閥5開口的大小是由壓力閥9遠(yuǎn)程控制口的壓力大小所控制，當(dāng)機(jī)床給定指令處于z軸上升時(shí)，接通電磁閥12中的a端，回油路經(jīng)溢流閥10產(chǎn)生某個(gè)壓力值回油此時(shí)主油路的系統(tǒng)壓力為溢流閥10的設(shè)定壓力。當(dāng)機(jī)床給定指令處于Z軸下降時(shí)，接通電磁閥12中的b端，回油

13、路經(jīng)溢流閥11產(chǎn)生另一個(gè)設(shè)定值的壓力回油，此時(shí)主油路的系統(tǒng)壓力為這個(gè)溢流閥11的設(shè)定值。該液壓系統(tǒng)可以使Z軸滑枕在上下運(yùn)動(dòng)時(shí)的油壓相對(duì)穩(wěn)定，可以提供給z軸在精確定值時(shí)，有一個(gè)良好的平衡效應(yīng)。該系統(tǒng)中液壓管路較多控制閥較多，對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，所以也不合適用在高速機(jī)床上。4、氣壓平衡機(jī)構(gòu) 以上幾種平衡機(jī)構(gòu)都不是很符合高速加工中心高響應(yīng)速度的要求，在項(xiàng)目中我們采用了氣壓平衡機(jī)構(gòu)：氣壓平衡機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度高，缺點(diǎn)是占地面積大。因?yàn)樵摍C(jī)床的Z軸并不是很重（700kg），根據(jù)滑動(dòng)箱采用的箱中箱結(jié)構(gòu)這些特點(diǎn)，我們采用雙平衡氣缸，雙儲(chǔ)氣罐左右對(duì)稱布置，合理安排空間布局，如圖4.4示 圖 4.4具體

14、計(jì)算選型：（1）高速立加Z軸參數(shù)Z軸行程H:H=800mm,快速移動(dòng)速度v：v=60m/minZ軸移動(dòng)部件的重量W：W=700kg選用日本SMC高速氣缸氣缸行程820mm氣缸的摩擦力F1：F1=60N 圖 4.5（2）氣動(dòng)系統(tǒng)氣路配管 如圖4.5所示 壓縮空氣由氣源1通過增壓閥2到精密減壓閥3減壓到設(shè)定壓力，通過單向閥4進(jìn)入兩個(gè)氣罐7、8，氣罐通過通徑一寸的膠管和高速氣缸9、10分別連接相通。壓力表5實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)壓力，當(dāng)系統(tǒng)壓力低于設(shè)定值時(shí)，增壓閥2會(huì)及時(shí)補(bǔ)壓保證平衡系統(tǒng)穩(wěn)定。氣缸活塞直徑D=80mm活塞桿直徑d=25mm氣缸有效作用面積S:S=(D 2-d2)/2氣罐預(yù)選數(shù)量2個(gè)，氣罐總?cè)莘e

15、V0（3）計(jì)算氣罐選型假定Z軸電機(jī)負(fù)載上下變動(dòng)10%，即電機(jī)在主軸上升到頂端和下降到底端時(shí)Z軸電機(jī)負(fù)載變化10%。氣缸活塞停在中間位置時(shí)，理論設(shè)定氣缸壓力P:P=W/(2S)=7.717kgf/cm2氣缸活塞移動(dòng)到上升頂端時(shí)壓力P1P1=0.9 W/(2S)=6.9459kgf/cm2氣缸活塞隨主軸箱移動(dòng)到下降底端時(shí)壓力P2P2=1.1 W/(2S)=8.4895kgf/cm2（4）氣罐選擇：氣缸容積45.35x800=3.628L主軸在上升端：（7.717+1.033）x(Vt+3.628)=(6.9459+1.033)x(Vt+3.628x2)計(jì)算得Vt=33.917 L主軸在下降端：（7

16、.717+1.033）x(Vt+3.628)=(6.9459+1.033)x(Vt+0)計(jì)算得 Vt=41.093L取裕度1.5： Vt x 1.5=60 L 60/2=30 L所以取氣罐容積每只30升。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，管路布置和管路密封是很關(guān)鍵的。如果管路布置不合理的話，會(huì)導(dǎo)致瓶頸存在不能及時(shí)補(bǔ)壓；如果整個(gè)平衡系統(tǒng)的密封不好的話，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致主軸的不穩(wěn)定，切削粗糙度不良。通過現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)調(diào)試，該平衡方式取得了良好的預(yù)期效果。五、主軸箱掉電保護(hù)由于直線電機(jī)沒有自鎖制動(dòng)功能，在突然失電的情況下，會(huì)沖出或者自行滑落。這些都是很危險(xiǎn)的，很可能造成人身或機(jī)械事故。所以必須采取制動(dòng)系統(tǒng)

17、實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)。實(shí)際設(shè)計(jì)中設(shè)置了多級(jí)防護(hù)裝置。l 采用與導(dǎo)軌配套的制動(dòng)塊，這種制動(dòng)塊外形如滑塊，內(nèi)部有鎖緊裝置,與滑塊一同安裝在導(dǎo)軌上。制動(dòng)塊采用機(jī)械制動(dòng)，液壓松開原理。在直線電機(jī)正常工作狀態(tài)時(shí)，液壓系統(tǒng)壓力（5.5-8MPa）作用，制動(dòng)塊內(nèi)鎖緊裝置松開，制動(dòng)塊隨運(yùn)動(dòng)部件一起在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)；突然失電（或拍急停）時(shí)，液壓系統(tǒng)回油閥迅速打開，壓力降低，制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作而抱緊導(dǎo)軌，制動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件，制動(dòng)動(dòng)作時(shí)間為30ms，時(shí)間足夠短，保證制動(dòng)系統(tǒng)及時(shí)有效。l 在直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給系統(tǒng)的行程兩端設(shè)置防撞裝置，以保證在前一防護(hù)失效時(shí)運(yùn)動(dòng)部件有所緩沖，避免飛出去發(fā)生嚴(yán)重事故。制動(dòng)系統(tǒng)液壓原理圖如圖5.1所示： 圖 5

18、.1制動(dòng)塊為德國(guó)進(jìn)口INA制動(dòng)塊，型號(hào)BKETSX55EH，與導(dǎo)軌匹配安裝在導(dǎo)軌上。液壓系統(tǒng)采用大金液壓系統(tǒng)，球閥采用ATOS球閥，密封良好泄露量小，動(dòng)作快速靈敏。機(jī)床工作時(shí)，電磁閥7得電，泵1將液壓油通過單向閥2、電磁閥7進(jìn)入制動(dòng)塊油腔，打開制動(dòng)塊，同時(shí)蓄能器5存儲(chǔ)能量，溢流閥4控制管路壓力，達(dá)到設(shè)定值后，泵停止工作。當(dāng)管路壓力低于壓力繼電器設(shè)定值時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)，向管路供油。當(dāng)失電或拍急停時(shí)，電磁閥斷電，液壓油泄壓回油箱。在實(shí)際工作過程中，由于回油要快，所以電磁閥動(dòng)作要快，管路布置要合理，否則會(huì)影響制動(dòng)塊動(dòng)作時(shí)間導(dǎo)致動(dòng)作不及時(shí)。 結(jié)論 高速立加的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，走線較多，拖鏈的布置，都要占用很多空間，所以采用直線電機(jī)時(shí)要注意合理安排空間。Z軸的平衡機(jī)構(gòu)有多種形式，但是很難有盡善盡美的，所以在選型時(shí)要盡量選擇與機(jī)床結(jié)構(gòu)和要求相符合的形式。由于高速運(yùn)動(dòng)帶來的安全及拖鏈速度等很多問題都需要考慮到。在此不詳細(xì)介紹。參考文獻(xiàn)：1、 徐灝 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第