《【硕士论文】高速响应非圆切削数控车床的研制与试验研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【硕士论文】高速响应非圆切削数控车床的研制与试验研究.pdf（79页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、摘要非圆零件广泛应用于汽车、生物、医学、航空、航天等机械设备。但由于非圆零件具有其独特的形状特征，致使一般的机械加工工艺方法存在着加工成本高，加工效率较低的不足，而非圆零件数控车削加工已成为一种具有较强竞争力的加工工艺方法。本论文针对国内非圆截面零件加工工艺现状，提出一种新型非圆切削数控车床驱动方案，即通过主轴旋转编码器所采集的角度信息和由直线电机驱动的径向位移构造一种“软靠模”，以代替常规的硬靠模完成非圆截面自由型线的加工过程，并开发试制了一台新型非圆零件车削数控机床样机。在该样机上通过对几种特殊非圆截面零件进行了实际切削试验，验证了机床的工作性能。其具体研究内容如下：1、运用谐波分析的原理
2、，对非圆截面零件表面特征以及其车削进给运动过程进行了谐波分析，并对非圆截面零件车削时的刀具运动特征、进给速度以及加速度进行分析；2、在分析目前国内外各种高速加工机床进给机构的基础上，选用直线伺服电机作为直接驱动方式，进行了非圆切削数控车床径向进给系统的结构设计，并对刀架和工作平台两个关键结构件进行了力学性能分析，通过对活塞环、椭圆和正六边形几个特殊非圆截面零件车削时的速度和加速度计算，对所设计进给系统进行了切削能力分析；3、进行了非圆切削数控车床控制系统的总体设计，在分析以工控机和多轴运动控制器为平台的开放式数控系统功能基础上，对“软靠模软件模块进行了设计，并对机床控制电气线路进行了设计，编制
3、了P L C 逻辑控制程序；4、进行了非圆截面零件数控车床样机的研制，并在该样机上通过对活塞环、椭圆、正六边形几种特殊非圆截面零件车削试验，对所设计的由直线伺服电机直接驱动的径向进给系统进行了性能验证。关键词：非圆车削；数控机床；进给系统；直线电机；软靠模A b s t r a c tN o n c i r c u l a rc o n t o u rp a r t sa r ea p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c ha sa u t o m o t i v e，b i o m e d i c a l，a e r o s p a c ea n do t
4、 h e rm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e s D u et ot h es p e c i a lc o n t o u rt y p e，t r a d i t i o n a l l y,t h en o n c i r c u l a rp a r t sa r em a n u f a c t u r i n gb yg e n e r a lm a c h i n i n gp r o c e s s，r e s u l t i n gh i g hc o s t so ft o o l i n ga n dl o n gs e
5、 t-u pt i m e W i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y,t h en o n c i r c u l a rt u r n i n gp r o c e s sh a se m e r g e da sas u c c e s s f u la l t e r n a t i v et ot h em a n u f a c t u r i n go p e r a t i o n sm e n t i o n e da b o v e I na l l u s
6、 i o nt od o m e s t i cn o n c i r c u l a rs e c t i o np a r t sp r o c e s s i n g，t h i sa r t i c l eb r i n gf o r w a r dan e wp r o c e s s i n gm e t h o dw i t hw h o l en u m e r i cc o n t r 0 1 T h i sm e t h o di su s i n gt h es o f tp r o f i l i n gw h i c hi sf o r m e dw i t ht h
7、 ea n g l ei n f o r m a t i o nc o l l e c t e db yb a s i cs h a f tr o t a t e dc o d ed e v i c ea n dt h er a d i a ld i s p e r s i o no ft h el i n e a rm o t i o na c t u a t o ri n s t e a do ft h eh a r dp r o f i l i n gt of i n i s ht h em a n u f a c t u r i n gp r o c e d u r eo ft h e
8、p i s t o nr i n gf r e em o l d e dl i n e s P e n m a ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dan u m e r i cc o n t r o le x t e r n a lc i r c u l a rl a t h e ro fp i s t o nr i n gb a s e do nt h i sm e t h o d A n dc u t t i n gs o m es p e c i a lp a r t so ft h en o n-c i r c u l a rc r o s
9、 s s e c t i o nt ov e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo ft h em a c h i n e T h ep r i m a r ys t u d yc o v e r a g eo ft h i sa r t i c l ei s：1 U s i n gt h eh a r m o n i ca n a l y s i sp r i n c i p l et oa n a l y z es u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h en o n c i r c u l a rc o
10、 n t o u rp a r t sa n dt u r n i n gp r o c e s sw h e nc u t t i n gt h ep a r t s，i n c l u d i n gt o o lm o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s，f e e ds p e e da n df e e da c c e l e r a t i o n 2 C h o o s i n gt h ed i r e c td r i v eo fl i n e a rs e r v om o t o ra n dd e s i g n i n
11、 gt h es t r u c t u r eo ft h ef e e ds y s t e mb a s e do na n a l y z i n gs e v e r a lc u r r e n tm a i nf e e dd r i v es y s t e m s M a k i n ga n a l y s i so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so nt o o lh o l d e ra n dw o r kp l a t f o r ma n da n a l y s e sc u t t i n gc a p a c
12、i t yo ft h ef e e ds y s t e mb yv e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft u r n i n gp i s t o nr i n g，o v a la n dh e x a g o nn o n-c i r c u l a rc r o s s-s e c t i o np a r t s 3 C o n t r o ls y s t e mo ft h et o o la r ed e s i g n e d A n dd e s i g n i
13、 n gt h ee l e c t r o n i cc a mb a s e do na n a l y z i n gt h eo p e nC N Cs y s t e ma st h ec o r eo fI P Ca n dP M A C P L Cp r o g r a m sa r ed e s i g n e d，b u i l ta n dd e b u g g e d 4-T e s tt h em a c h i n a b i l i t yo ft h ef e e dd r i v es y s t e mo nt h en o n c i r c u l a r
14、t u r n i n gl a t h eb yc u t t i n gt h r e es p e c i a ln o n c i r c u l a rc o n t o u rp a r t sp r a c t i c a l l yi n c l u d i n gp i s t o nr i n g，o v a la n dh e x a g o n K e yw o r d s：N o n c i r c u l a rt u r n i n g；N Cm a c h i n e；F e e ds y s t e m；L i n e a rm o t o r；S o f t
15、p r o f i l i n g汀军高速响廊非恻切削数控乍床的研制与试验研究1 1 非圆切削加工的研究现状第一章绪论如图1 1 所示，在机械产品设计过程中，一些机械零件为了满足某种工作性能的需要，常常设计成椭圆、多边形、自由截面形状等非圆截面。譬如，活塞环是内燃机的关键零件之一，其截面形状为自由型线，工作时被压缩为近似圆嵌套在活塞环槽内，起着密封、传热、导向和刮油的作用。活塞环的截面形状由其所承受的工作压力所决定，它直接影响内燃机功率大小、油耗高低以及排放、噪声和寿命等性能。厶硝羔图I I 几种非圆截面零件1 1 1 非圆截面零件的常规成形技术非圆截面零件的成形通常有如F 几种成形技术：直接
16、成形法，如铸、锻、冲压成形等；运动合成切削加工成形法，如通过车、铣、刨、磨等切削成形；特种加 法，如采用线切割、电火花、激光加工成形等。直接成形法是非圆截面零件最常用成形方法之，但由于其制造精度较低，表面粗糙度较大，故这种成形方法不能作为非圆截面零件的虽终加工手段，常作为其毛坯制作的手段，如曲轴、连杆等毛坯的制造等。特种加工是借助于电能、光能、热能或化学能等多种能量或组合以实现材料的切除。特种加工法可加工形状较复杂的非圆截面零件，特别适合于难加工材料，以及如薄壁、弹性等特殊零件的加工。非圆截面零件的运动合成切削加工成形法是日前获得高精度的主要途径。如图1 2所示，在圆柱坐标系中，零件截面形状则
17、可用向径p 与向位角目表示，若非圆截面零件表面形状函数为墨，横截面函数为S，则有式S=f(R、口、x)和S=g(R、曰)。由该式2一扬州大学硕十论文可知，任何非圆表面均可由x(t)、O(t)、R(t)三个运动合成轨迹包络而成。因此，为了满足非圆截面零件表面成形要求，加工设备备有R(t)、x(t)两个直线运动以及o(t)一个回转运动的运动机构。从理论上说，切削运动合成成形法可适用于各种非圆截面零件的加工。IY一1一。R(0)!f?e弋I-。一JX，k、厶一图1 2 非圆截面零件描述在实际生产过程中，车、铣、磨、刨等加工工艺是最常见的运动合成加工方法，都能加工一定复杂形状的零件。而这些加工方法的选
18、择则取决于被加工表面的几何形状与精度要求，最终评价指标是加工成形的经济效率。铣削和刨削用于非圆截面零件的加工，在目前阶段尚难获得较高的加工精度。磨削加工是常用的精密加工方法，具有较高的加工效率，但进行非圆截面零件磨削加工时，尚存如下一些问题：磨削软质有色金属及其合金时，切屑容易吸附在砂轮表面堵塞其表面的气孔，从而降低磨削效率和表面质量；若工件表面曲率半径小于砂轮表面曲率半径时，难以用磨削实现；磨削过程需要频繁地修整砂轮。车削是最基本、最常用的一种精密切削加工工艺方法。在车削过程中，零件表面形状是由车刀沿切削运动轨迹包络而成。整个车削过程也可以看成是以零件横截面为轨迹，沿工件回转中一t l,线平
19、移而成。与规则回转体零件的车削比较，非圆截面零件的轨迹往往是变化的，其母线也常常不是简单的直线。与其它加工工艺方法比较，车削加工具有如下特点：车削刀具的刀尖圆弧半径很小，可加工表面曲率半径很小的复杂形状零件；由于车刀的使用寿命较长，耐磨性好，易于保证工件表面的加工质量和尺寸精度；为了防止积屑瘤形成，可以在较高速切削条件下进行，具有较高的加工效率。综上所述，车削是一种较为理想的非圆截面零件的切削加工方法。然而，非圆截面零件的车削加工要求刀具进给系统跟随工件的回转按非圆截面切削要求作精确的往复进给运动，并且随工件回转速度的提高，要求机床进给系统有较高的汪军高速响应1 卜圆切削数控车床的研制与试验研
20、究三响应加速度。以椭圆形截面零件加工为例，工件转速为n=3 0 0 0 r m i n，若椭圆截面大小径变化量为a b=1 m m 时，则要求刀具进给系统响应加速度为3 9 4 m s 2。由此可见，进行非圆截面零件高速切削时，不仅要求机床进给系统具有较高的位置控制精度，还必须有较高的加减速响应能力，否则将造成零件截面形状的失真。1 1 2 非圆截面零件车削加工技术的发展盟3 1非圆截面零件的切削加工一直受到人们的关注，先后推出了多种加工工艺方法。从成形机理分析，可将现有的非圆截面零件加工工艺方法分为机械运动合成法、靠模仿形法以及数控加工成形法几种类型4 m 3。l、机械运动合成法机械运动合成
21、法是通过对工件多个方向切削运动的合成，形成非圆零件截面。根据运动合成的机构不同，又有套车法、偏心法、周转轮系法等非圆截面零件的车削方法。(1)套车法套车法是一种专门针对椭圆截面零件车削加工的工艺方法。该方法的成形原理如图1-3 所示，车刀的回转轴线相对于工件轴线摆动一个口交角，车刀绕自身轴线高速回转以形成主切削运动，这样通过调整刀盘的直径d 和摆动角口的大小，便可加工出满足长短径要求的椭圆截面来，可获得较高的加工效率与加工精度。(2)偏心法刀盘刀具工件夹具图1-3 套车法成形原理4一扬州大学硕十论文偏心法成形的刀具运动驱动机构如图卜4 所示，它是个曲柄滑块机构，连杆的两端分别与偏心轮和刀架联接
22、，相对于机床主轴按传动比工进行转动，通过调节偏心距的大小获取所需的刀具切削运动轨迹。偏心轮n 厂一愁竹。r 赫k汐图1 4 偏心轮驱动机构原理图件当工件随主轴回转时，刀具的运动轨迹方程为：x：e c o s O+4 1 2 一e 2s i n 2 口秒=2 x n i t 6 0式中，e 为偏心距；9 为偏心轮角位移；，为连杆的长度；n 为主轴的转速；i 为主轴与偏心轮之间的传动比；t 为时间。加工后所得到的工件截面向径尺(鼠)为：尺(幺)=r o+e c o s O+4 1 2 一P 2s i n 2 秒q=O i式中，为非圆零件基圆半径；q 为主轴角位移。(3)周转轮系法周转轮系加工非圆截
23、面方法的成形原理如图卜5 所示，设轮4 装在轮H 上，其轴心偏心为e，它一方面绕轴D 2 以角速度公转，另一方面又在轮5 的作用下以角速度吐绕自身中心O l 旋转。当工件与轮4 同轴旋转时，通过调节q 轴的偏心距e 以及角速度、纰便可加工出所需的非圆截面零件。汪军高速响应1 卜圆切削数控车床的研制与试验研究三图1 5 工作原理示意图从而可见，上述几种机械运动合成法非圆截面零件加工工艺方法，可以获得较高的生产效率和加工精度。然而，这些加工成形方法均需要专用的机床机构，进给运动形式是由这些运动机构来保证，加工设备的制造成本高；柔性较差，一种机构只能加工一类非圆截面零件，难以满足多品种小批量生产的需
24、要。2、靠模仿形法靠模仿形法是利用靠模来控制车刀与工件的相对运动，以形成所需的非圆截面零件表面形状，如图1-6 所示。靠模图1-6 靠模仿形法非圆零件刀具刀架与机械运动合成车削法相比，用靠模仿形实现非圆截面零件的成形加工具有以下特占、1)适应的加工范围较广。对于不同的非圆截面零件，只需更换靠模便可进行车削加工，因此靠模仿形法能完成多种非圆截面零件的车削加工。2)可实现大进给量的切削，具有较高的加工效率。6一扬州人学硕士论文3)适合于非圆截面零件的粗、精加工。由于此类加工方法需要凸轮靠模来控制刀具的切削运动，其机械结构复杂，因而也存在如下的不足：1)响应速度低，不适合于非圆截面零件的高速切削。2
25、)机械结构环节较多，各环节的制造与装配误差及其刚性均影响到非圆截面零件的车削加工精度。3)更换零件类型需要重新进行靠模的设计，而靠模的生产准备周期较长，不利于产品的更新。4)难以用靠模法难以加工出复杂的非圆截面零件。3、数控加工成形法自上世纪8 0 年代初，国外一些公司开始研制非圆截面零件的数控加工车床，是通过一套数控车削系统控制非圆截面零件的切削成形，因而有人将这种车床称之为无凸轮加工车床。英国A E 集团生产的非圆活塞数控车床采用金刚石车刀完成非圆截面零件的切削加工，其主轴转速可达2 5 0 0 r m i n，并一次加工成形。与传统加工设备相比，产品的更换极为方便，更换周期大幅度缩短，生
26、产效率得到了极大的提高。日本株式会社大限铁工所研制了B L 9 C A M 非圆数控车床，在加工非圆零件时主轴转速可高达3 0 0 0 r m i n，其加工效率提高三倍以上，仅需改变控制程序便可实现各种非圆截面零件的自动车削加工。美国I n g e r s o l l 公司也研制了非圆截面零件无靠模数控车床，采用在线检测技术稳定地保证了产品质量，并大大提高了生产效率。美国C r o s s 公司相继开发了P T M 2 0 0 0 和3 0 0 0型非圆加工数控车床，在加工变椭圆活塞时，成产率可达1 5 0 件d,时，加工误差小于3 8 a m。在我国，对非圆截面零件的研究也取得了较大进展，
27、并且研制出相应的数控N-r 设备。如长沙国防科技大学于1 9 9 0 年初用T P 8 0 1 单板机开发了软靠模活塞加工控制装置，将活塞的中凸型线和椭圆型线根据工艺设计要求转换成计算机控制数据存放在E P R O M中，通过对普通车床C 6 2 5 0 的改造和切削试验表明，当工件直径为1 1 0、机床转速为7 0 0 r r a i n、纵向进给量为0 2 m m r 时，活塞的头部和裙部可在一次装夹中加工出来，椭圆度误差为1 0 a m。清华大学于1 9 9 8 年成功研制了用于加工中凸变椭圆活塞等非圆截面零件的开放型数控系统，该系统用控制软件代替了传统的硬靠模，采用脉冲油缸驱动实现车刀
28、的往复进给车削运动，当加工椭圆度为0 3 8-0 4 8 r a m、中凸度为0 2 4 m m 的变汪军高速响应1 F 圆切削数控车床的研制与试验研究二椭圆活塞时，椭圆度误差为O O l m m，椭圆轮廓误差为0 0 1 4 r a m；由上述可见，数控机床的问世解决了传统工艺难以解决的复杂零件加工问题，它通过自动化加工手段，改变了传统工艺制造周期长、生产效率低的局面。同时，数控柔性化加工设备能够满足多品种、小批量生产的自动化，大大提高了对市场的响应能力。表1 1 为各种非圆截面零件加工方法的比较。从该表可以看出，与机械运动合成法和靠模仿形法相比，数控车削法是最有前途的一种非圆截面加工方法，
29、它具有如下的特点：1)加工范围广，可实现各种非圆截面零件的自动车削；2)生产效率高；3)可获得较高的加工精度和质量的稳定性；4)较大的柔性，特别适合于多品种小批量的自动化生产，当3 h i 对象改变时，仅需调用不同的整数加工程序即可。表1 1 加工方法比较加工柔加工可加工稳定自动化车削方法加工精度范同性效率复杂程度性程度机械运动一般窄差较高低一般一般合成法 1 0u m较低靠模仿形法一般较低一般较差一般 1 0,t z m般高数控加j【宽好最高高好高 馨R o渣g蜊dC、一一，。罂羚蜊蚶士-0r lZ 士_ I3 t l士-0f lZ f l3“4“频率f频率f(a)(b)图2-6 幅频关系曲
30、线图若工件的截面为椭圆形状如图2 3 所示时，若8 b 1，则其对应的幅频关系曲线如图2-6 b 所示，由石和正二根谱线构成。由上述分析可得到以下结论：l、幅频关系曲线的频带宽度z：罢，与车床的主轴转速刀成正比，转速越高，则O U频带越宽，对进给机构的动态特性要求越高。2、每一种伺服进给系统都有自身的幅频特性，这一关系曲线能较清楚地反映出进给系统位移跟踪能力。在对非圆截面零件车削时，对于给定的工件转速刀，利用谐波分析方法可确定进给机构的幅频关系曲线Y(f)，而每一进给系统都有相应的最大进给幅值一频率特性曲线s(f)，当S(f)完全包容Y(f)时，才能够利用该进给机构完成非圆截面零件在转速刀时的
31、车削加工。由此，进给系统的加工可行性判据可定义为：S(Z)一】，(Z)0式中f-O，1，脚。2 3 非圆截面车削时的运动特性分析在非圆车削机床进给机构中，刀架系统是由进给机构直接驱动的。由于刀架与进给机构采用刚性联接，使刀具与进给机构能够保持一致的运动关系。因此，通过分析刀具在切削过程中的运动特点，便可确定进给机构的运动特性，包括进给运动速度和加速度特征。2 0扬州I 大学硕+论文2 3 1 非圆截面车削进给运动特点由上节分析可知，在非圆截面零件车削过程中，进给机构的运动轨迹取决于工件截面的型线函数。根据式2 8 可得非圆切削机构径向运动轨迹方程为s(f)=c o+Cs i n(i c o t
32、+q，,)，i=1 2 m”1(2-9)2 z r n=一6 0式中，S(t)为进给机构的径向运动位移，甩y g-r _ 件转速(r m i n)。若工件为一半径为R 的圆柱体时，则有s(t)=R(2 1 0)当工件截面形状为一标准椭圆时，长短轴半径为a 和b，当字 1 时，椭圆方程为可近似表示为)=6+a 2-b、1+c o s 2 纠)(2-1 1)【缈=2 万玎6 0对于圆柱零件，车削过程中不需要作往复性的周期运动，其往复幅值为O；对于椭圆截面零件，进给机构在工件转一周内往复运行两次，往复幅值为向b)2；由此可知，工件截面型线函数所包含的谐波阶次为m 时，则进给机构在车削过程中往复进给系
33、数为聊(次转)，m 越高，则往复进给频率越高，且进给幅值与各次谐波幅值成分成正比。2 3 2 进给运动速度分析速度响应是衡量进给机构跟随特性的一项重要指标，若进给机构及其控制系统的速度响应不能满足非圆截面车削的进给速度要求，则不能加工出所需的工件形状及所要求的加工精度。在车削非圆截面零件时，进给机构的径向进给速度可由式2-9 求得V(t)=c o f C，c o s(i c o t+(a,)l=12 z t n6 0汪军高速响应非圆切削数控车床的研制与试验研究型当工件为圆柱体时，则V(t)=S(f)=0。即在车削圆柱体时，进给机构沿径向的往复进给速度为零。当工件截面为椭圆时，由式2 1 l，可
34、得胖)_ 弋：b)妒8 i 舵研(2-1 2)l 国=2 x n 6 07由上述分析可知，进给机构的往复运动速度取决于回转速度玎与工件截面型线函数，当型线函数的谐波幅值越大，谐波阶次及工件转速，2 越高时，则往复进给速度越大，对进给系统的进给速度特性要求越高。2 3 3 进给运动加速度分析加速度也是衡量进给系统的一项重要的运动特性指标，它意味着在给定的行程内进给机构能够获得的最短定位时间。进给机构允许的运动加速度越大、制动时间越短，则在给定的时间内可获得的移动距离就越长。因此，进给机构的加速度响应在满足非圆截面车削所要求的进给运动加速度前提下应尽可能提高。由进给机构的运动轨迹方程求得进给机构的
35、加速度方程为r用=-0 3 2 善f c,s i n(i o t+q o,)(2-1 3)l 缈=2 x n 6 0当车削圆柱形工件时，进给加速度为a(t)=0。当车削椭圆形工件时，则有a(t)=-2(a-b)-(2 x n 6 0)2 c o s 2 0 r(2 1 4)由上式可以看出，切削加工时，进给机构的往复运动加速度的大小与主轴转速n 的平方值和型线函数的谐波阶次成正比，当转速门谐波阶次增加时，则进给机构往复进给加速度值也需要相应提高，从而保证进给系统切削加工非圆截面零件时的加速度特性要求。2 4 本章小结本章介绍了谐波分析的基础，对非圆截面零件表面特征以及非圆截面车削进给运动过程作了
36、谐波分析，分析了非圆截面车削时的运动特性，包括车削进给运动的特点、速扬州人学硕士论文度分析以及加速度分析。汗军高速响应非圆切削数控车床的研制与试验研究垄第三章非圆切削数控车床高速响应进给机构的设计非圆零件的车削加工要求作高频往复进给运动，需要种高频往复进给机构的支持。本章在分析常用进给机构驱动形式的基础上，选择了直线电机直接驱动结构形式作为非圆切削数控车床的进给机构，对所用直线电机进行了选择，设计了进给系统的机械结构，对进给系统中的刀架和工作平台这两个关键件进行力学性能和振动模态分析。3 1 非圆切削车床刀架进给机构驱动形式的选择3 1 1 各种进给驱动方式的比较刀架是车削加工时的执行元件，刀
37、架的驱动有多种结构形式。除了在第一章中所介绍的丝杠螺母、加工靠模以及直线伺服电机驱动形式外，还有电液伺服、电磁伺服、压电陶瓷等不同的驱动结构形式。表3 1 是对目前国内外几种主要的驱动进给方式的性能指标进行了比较【3 1 1。表3 1 不同驱动方式的比较非圆车削驱动进给加工驱动驱动刚性频响控制难度机构范嗣效率精度伺服电机+滚珠丝杠宽较低较低较高较低较易电液伺服密较高较低高最低较难金属靠模较窄低较低较高低易直线电机较宽高高较高较高难从表3 1 中可以看出，伺服电机加滚珠丝杠、电液伺服和金属靠模这三种驱动方式的刚性较好，控制难度较低，容易实现控制，但其频响低，难以保证较高的加工效率和加工精度；直线
38、伺服电机驱动方式控制难度较大，但其频响高，能够达到较高水平的加工效率和加工精度，其加工范围较宽，并能够直接产生直线进给运动，避免了由中间机械传动环节所产生的间隙、磨损、弹性变形等不利因素，实现了所谓的“零传动 直线进给运动。由于电磁铁驱动需要更为复杂的控制策略，因而本文选择相对成熟的直线伺服电机作为非圆切削数控车床的进给驱动方式。2 4_ 一扬州人学硕士论文3 1 2 直线电机驱动方式原理及其应用直线电机是一种将电能直接转化成直线运动的机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置【3 2 1。如图3 1 所示，直线电机的初级和次级分别由旋转电机的定子和转子沿径向剖开展直而成。当多相交流电通入电机
39、绕组时，在直线电机的初、次级间的气隙中产生呈正弦分布的平移磁场，由此磁场便产生了电磁推力。如果将电机初级固定，那么电机次级就沿磁场方向作直线运动。直线电机作为传动元件，具有如下优点：高响应能力。一般来讲，电气元件的动态响应频率要比机械传动件高几个数量级。由于采用直线电机作为“零传动”进给机构，可使系统的动态响应能力得到大大的提高，反应速度灵敏、快捷。(a)旋转电机结构1 定子2 转子3 磁场方向(b)直线电机结构1 初级2 次级3 行波磁场图3-1 直线电机驱动原理高精度。由于取消了一些机械传动惯性元件，减少了系统运动的跟随误差，可大大提高机床的运动精度。传动刚度高、推力平稳。“零传动 结构取
40、消许多中间传动环节，提高了传动系统刚度。进给速度快、加减速过程短。由于“零传动”的高速响应性，使其加、减速过程大大缩短，从而可实现在极短时间内达到所设定的高速，可使机床运动速度可达到3 0 0 r e r a i n，加速度2 l O g。行程长度不受限制。直线电机驱动将不受行程的限制，可根据实际加工的需要，通过串接不同的直线电机初级元件，就可任意延长电机的行程长度。运行噪声小。由于取消了中间机械传动环节，减少了机械部件的摩擦，使运动噪声得到大大改善。汀军高速响向北恻切削数控午床的研制与试验研究工作效率高。由于无中问传动环节，减轻了机械摩擦时的能量损耗。综上所述，直线电机“零传动”机构具有响应
41、频率高、控制精度好、无反向间隙、加工行程不受限制等特点，能够满足高速机床对驱动进给系统的要求，能够解抉非圆截面零件加工中所遇到的高速响应能力差的难题。嚣鬻蕊蝴一f 蕊蕊零愁脚3 0 直线也规机床机栅蚓图3-2 为扁平形直线电机驱动工作台的横截面示意图，这是一种比较典型的应用在机床 的直线电机驱动结构图口，其结构主要包括工作台、直线电机、光栅尺和直线导轨。直线电机永磁体与转子绕组分别安装在床身和工作台卜，光栅尺安装在侧面用来测量电机的位移并反馈给系统。工作时，转子绕组通人电流后，在承磁体产生的行波磁场作用下，便产生电磁推力，在电磁推力作用下工作台开始运动，从而实现径向迸给运动。直线电机的使用必须
42、解决如下几个关键技术问题。电机的冷却。作用于直线电机的电能除了做有效功Z 外，必定还有一部分转换成有害的热能。加之直线电机安装于密封的机床内部，散热条件较差，在长时f l T 作时，其热量无法散发出，轻则影响电机的工作性能，蕈则会烧毁电机。因此，直线电机的冷却是电机使用时必须解决的问题。隔磁防护。由于永磁直线伺服电机的磁场足丌敞式的，在加工铁磁性材料时，切屑粉末极易被电机吸附，影响电机性能，甚至使电机无法工作。冈此，直线电机使用时必须采取有敏隔磁防护措施。电机负载重量。直线电机负载的重量对电机的动态特性有着很大的影响。负载重量越大，惯性越丈，电机动态响应功能越差。负载重量减轻，可提高进给系统的
43、响应能力，然而会导致进给系统的刚性不足，容易产生系统变形。所以，在进行直线伺服电机驱动系统设计时必须在保证系统刚性的同时尽量减轻驱动系统重量。扬州人学硕士论文电机的走线。由于在进行活塞环自由型线切削加工时工作行程很小，而且选用电机作高频的往复运动，因此直线电机的电览线很容易在高频往复运动中断裂，因此需要进行很好的防护。3 1 3 直线伺服电机的选用原则合适的直线电机选择，主要取决于以下几个方面：所需的最大功率与持续力；所期望的速度与加速度；可供使用的安装空间；所需要的冷却方式。图3 3 为直线电机选择的一般流程图。-q确定边界条件工负载循环的设定值工测定电机力、屉大功率和持续力工选抒合适的切级
44、部件工确定次级部什数量选择功率模块上计算供电功率(纺耗)图3 3 直线电机配置流程图可见，直线电机选择过程是一个不断叠代计算的过程。本文根据非圆车削加工的需要选用了S i e m e n s 公司1 F N 3 系列直线电机1 F N 3 1 5 0 4 N B 8 0 0 B A l，其工作行程为1 0 0 m m，连续推力为1 8 1 0 N，最大推力为3 0 6 0 N，额定推力下的最大速度为2 0 0 m m i n，加速度1 0 9。所选用直线电机结构如图3-4 所示。从图示可见，该直线电机包括初级、次级以及初级冷却部件和次级防护等。汗军高速响麻非凼切削数控1 棘的研制与试验研究奄孓
45、 一幽3-4 前门于1F N 3 系列直线电机3 2 直线伺服电机驱动的非圄切削进给系统设计3 2 1 径向进给系统的总体结构【3 9】图3-5 为本文所设计的非圆切削车床径向进给系统。由图示可见，在该进给系统中直线电机的次级以及基座固定在机床的床鞍上，在摹座上安装有直线导轨，用于支撑车削刀架和工作平台。直线电机初级固定在工作平台L，这样直线电机可直接驱动车削刀架进行切削加工。在该进给系统上设置有限位开关和机械限位挡块，通过两缄安全防护，确保工作台不致因误操作而冲出导轨。工作平台上安装有直线光栅测量和H A L L 传感器反馈装置，用于反馈直线电机的实际位移和运动方向。系统设置有全密封防护罩，
46、可以防止油污和铁削进入系统内部，起着隔磁和防护的目的。此外，在直线电机初级附设有主冷却器与精密冷却器，通过串行联接对直线电机进行冷却，不致使电机温升影响机床加工精度。7891 0l i1 21 31 4床鞍2 电机次级3 电机韧级4 基序5 直线光栅6 直线导轨7 防护罩8 限位开关9l 怍平台O 刀架1 1 刀具1 2 精密拎却器13 慢限位1 4H A L L 传感器幽3-5 直线电机驱动的径向进给机构扬卅人学硕+论文在所设计的进给系统中，直线电机的次级、工作平台以及刀架是非圆切削加工中的运动部件，其质量的大小对进给系统的动态性能有很大的影响。若设直线电机工作所允许的最丈加速度为。删根据牛
47、顿定律可计算系统所能承受的动态力为：F。=q(州+m 2+m 3)(31)式中：E。为直线电机所承受的动态力；研1 为直线电机初级和精密冷却器的质量：m 2为工作平台质量；卅3 为刀架和刀具质量。由式(3 1)可见，卅1 是出直线电机给定的，这样所设计进给系统的动态性能直接与工作平台和刀架质量有关，其质量越轻，系统的动态响应能力就越好。所以，在保证系统刚性的前提下，应尽量减轻运动部件的质量，以获得较好的系统动态特性。图3-6 和3 7 为所设计的工作平台和刀架的结构，选用的为硬铝合金材料。由于铝质金属度相对钢质材料要小，也具有较好的刚性，这样在减轻系统运动部件质量的同时，也能满足系统的刚性要求
48、。剀37 刀架汪军高速响应非圆切削数控车床的研制与试验研究丝3 2 2 直线伺服电机的推力校核1、工况分析在金属车削加工中，作为走刀机构的直线电机驱动工作台，主要承受切削力和导轨副运动时的摩擦力作用。如图3 8 所示，在车削加工时切削力主要来源于如下三个方面【4 1】：被加工材料的弹性变形抗力；被加工材料塑性变性抗力；刀具前后刀面的摩擦力。可将车削加工中的切削力，分解为如图3 8 所示的三个分力，即主切削力F、轴向进给力五、径向进给力巧。本文采用球墨铸铁和4 5#钢作为工件材料，采用硬质合金刀具进行加工。工件为球墨铸铁时，设工件直径5 0 m m，进给量厂=0 5 m m r，取刀具前角y=0
49、。，主偏角K r=4 5。，刃倾角2 s=O。，切削深度a p=1 5 r a m。应用经验公式计算得到：1 5,=1 0 7 1(N)、E=3 2 1(N)、E=5 3 6(N)，其合力F 1 2 4 0(N)；在同样条件下，工件采用4 5#钢，应用经验公式计算得到：E=1 4 3 7(N)、E=4 3 1(N)、E=7 1 8(N)，其合力F 1 6 6 3(N)。图3-8 切削合力和分力2、推力校核假设所设计进给系统的速度曲线如图3-9 所示，图中，切削加工非圆截面零件时，、t：、f 3 分别为加速时间、匀速运行时间、减速时间；为晟大运动速度。3 0_ 一扬州人学硕十论文图3-9 进给系
50、统的速度曲线设进给机构运动件总质量m=铂+朋，其中为直线电机初级和精密冷却器的质量；m：为工作平台质量；m 3 为刀架和刀具质量；为直线导轨副摩擦系数。则所设计进给系统所要求的最大加速度口1 和最大减速度分别为：a I=t I(m s 2)(3-2)a 3=t 3(m s 2)(3 3)，l 和，3 时间段，水平方向受到径向进给力、摩擦力和动态力的作用，直线伺服电机所需要的推力分别为：E l=巧+z(m g+巧)+m q(3-4)E 3=E+a(m g+E)一m(2 3(3 5)，2 时间阶段，水平方向只受到径向进给力和摩擦力的作用，要求直线伺服电机所需要的推力为：E 2=巧+z(r a g+