現(xiàn)代航空、航天、和汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展，對制造精度和加工效率提出了更高的要求。為了實現(xiàn)高精度、高效率加工，近年來，美、日、德等發(fā)達工業(yè)國家已在高速數(shù)控機床的研究和開發(fā)方面取得了長足的進步，使高速數(shù)控機床的研究和開發(fā)取得了長足的進步，使高速數(shù)控加工技術(shù)得到了迅速發(fā)展。其中，高速直線進給單元的研究是實現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。 傳統(tǒng)的數(shù)控機床由于采用旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠的進給方式，具有較長的傳動鏈，使進給系統(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。由于機床的進給距離短，加速還沒有達到最大進給速度就必須減速，從而限制了機床最大進給速度的提高，難以適應(yīng)現(xiàn)代高速機床發(fā)展的要求。
大功率直線電機的開發(fā)和先進的變頻控制技術(shù)的發(fā)展，為高速進給系統(tǒng)的開發(fā)和研制提供了有利的條件。采用直線電機直接驅(qū)動機床的工作臺不僅消除了中間傳動環(huán)節(jié)、增強了傳動效率，而且極大地提高了進給系統(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 4.初級 5.初級冷卻板 6.床身 7.直線導(dǎo)軌 8.次級 9.次級冷卻板
圖1 直線進給單元結(jié)構(gòu)圖
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1 GD-4型高速直線進給單元
GD-3型高速直線進給單元采用感應(yīng)式直線電機直接驅(qū)動，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用動初級、定次級，短初級、長次級的結(jié)構(gòu)方式，其中初級通過冷卻板與工作臺安裝面相連，而次級采用串聯(lián)方式通過冷卻板平鋪在床身上。當初級通入三相交流電時，會產(chǎn)生行波磁場，切割次級，使次級產(chǎn)生感應(yīng)電勢，從而在次級的閉合回路形成感生電流。次級的感生電流與初級的交變磁場相互作用產(chǎn)生電磁推力，使初級與次級之間產(chǎn)生相對運動。運動速度的大小與行波磁場的速度成正比。采用變頻調(diào)速技術(shù)，通過調(diào)整電源頻率來改變電機的速度，可以實現(xiàn)工作臺的高速直線進給運動。 在GD-3型直線進給單元中，直線電機的最大進給速度為100m/min，最大啟動推力為4550N，額定推力為2000N，額定功率為8kW，系統(tǒng)采用光柵測量反饋裝置，對進給單元進行閉環(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 直線電機進給單元控制系統(tǒng)圖
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由圖2可知，GD-3直線進給單元采用全數(shù)字控制系統(tǒng)�？刂葡到y(tǒng)主要由變頻器、驅(qū)動計算機和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給單元的運行速度。驅(qū)動計算機的主要作用是傳送控制指令，并接受由位移測量系統(tǒng)反饋的速度和位移信息以及電機測試系統(tǒng)反饋的電流和磁場信息，實現(xiàn)對進給單元的閉環(huán)控制�？刂葡到y(tǒng)通過SERCOS接口可以實現(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)，使進給單元獲得高定位精度、高剛度和良好的動態(tài)特性。在高速加工中，直線進給單元通過精密插補和微量進給可獲得較高的加工精度和表面質(zhì)量。同時，控制系統(tǒng)還可以將進給單元的啟動以及故障診斷信息直接顯示在NC終端上，以便及時了解加工信息、排除系統(tǒng)故障，保證高速機床的高效運行。
因此,和傳統(tǒng)的NC機床的“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”進給方式相比，這種新型的直線進給單元具有以下特點：
- 采用直線電機直接驅(qū)動。省去了一切中間機械傳動，從根本上減小了機械摩損與傳動誤差；
- 進給行程無限制；
- 動剛度和靜剛度高；
- 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)可實現(xiàn)無級調(diào)速；
- 軌跡誤差小，高速下可獲得良好的定位精度。
2 實驗研究
本實驗以GD-3型直線進給單元為研究對象，該進給單元最大允許的工作行程為750mm。采用CNC數(shù)控編程對進給單元進行實驗研究和測試分析。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 當理論進給速度設(shè)定為10m/min，工作行程設(shè)定為600mm時，對連續(xù)循環(huán)運動的進給單元的速度和加速度進行實時測試和分析，結(jié)果如圖3所示。
圖3 進給速度為10m/min時的加速度與速度信號
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圖4 進給速度為60m/min時的加速度與速度信號
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由圖3可知，進給單元的最大進給加速度為2.7m/s2，最大減速度為-2.7m/s2，速度曲線為梯形曲線，瞬時最大速度為12.5m/min，最大超調(diào)量為25%，升速時間為0.08s。在穩(wěn)定狀態(tài)下，進給速度為10m/min與設(shè)定的理論進給速度一致。 當理論進給速度設(shè)定為60m/min，工作行程設(shè)定為600mm時，對連續(xù)循環(huán)運動的進給單元的速度和加速度進行測試，結(jié)果如圖4所示。 由圖4可知，在高速進給條件下，最大的進給加速度為15m/s2，最大的進給減速度為-15m/s2，速度曲線與圖3類似，也呈現(xiàn)梯形曲線特征，瞬時最大進給速度為75m/min，超調(diào)量為25%，響應(yīng)時間為0.08s，在穩(wěn)定狀態(tài)下，進給單元的速度為60m/min與理論設(shè)定的進給速度一致，因此表明GD-3型高速直線進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，進給單元在運動過程中具有良好的穩(wěn)定性，沒有出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，同時進給單元在循環(huán)運動過程中，具有良好的重復(fù)性，避免了傳統(tǒng)進給系統(tǒng)中由于存在反向間隙而重復(fù)性差的缺陷。因此GD-3型直線進給單元不僅能獲得較高的進給加速度和減速度，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型高速直線進給單元采用直線電機直接驅(qū)動工作臺，具有較短的傳動鏈和較小的機械磨損，消除了反向間隙，能獲得較高的重復(fù)定位精度。 該直線進給單元采用變頻調(diào)速和數(shù)字控制技術(shù)，可以實現(xiàn)無級調(diào)速，可控性好，不僅具有良好的低速特性，而且在高速運行條件下可獲得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。
