高速加工机床的设计与应用（三）

wangliyong888

　　改进回珠器和滚道的设计制造质量，使滚珠的循环更流畅，摩擦损耗更少；
　　采用滚珠丝杠固定，螺母与联结在移动部件上的伺服电机集成在一起完成旋转和移动，从而避开了丝杠受临界转速的限制等。
　　经过采取这些改进措施后，滚珠丝杠传动的进给方式可提供的进给/快移速度达60m/min~90m/min，加速度可达1~2g。但是由于受到原理结构的限制，要想进一步提高滚珠丝杠传动的运动速度和加速度很难了，而且受丝杠的可制造长度限制，滚珠丝杠传动所能提供的运动行程也是有限的。
! J! G. B5 I- C; H. x/ O　　与上述的通过滚珠丝杠间接传动的方式相比，采用直线电机直接驱动的主要特点和优点是将伺服电机的定子和动子分别直接与机床床身及移动部结合在一起，没有了中间环节，传动链的长度缩短为零，即实现了所谓的“零传动”，从而大大提高了机械刚度，减少了传动系统的惯量，获得更高的速度和加速度能力，并易于控制系统的阻尼力和动态特性，直线电机最高的进给/快速度可达120m/min乃至240m/min，加速度可达2~10g；行程长度可不受限制；适应性强，灵敏度高，随动性好，不存在反向间隙，可利用直线光栅尺作为测量反馈元件，实现全闭环控制，以获得更高的定位精度和跟踪精度等。
' q! p( c: x* [: {/ e　　但是，直线电机直接驱动也存在一些缺点：如效率低，功耗大，结构尺寸和自重也相对较大；工作过程温升高，要求强冷却；因受磁场力影响易于吸引铁屑和金属物，故需考虑防磁措施等，特别是要注意的是它的加速度值直接反比于运动部件的载荷量(工作台/滑座自重加上工件及其他外载荷)，即对运动载荷较敏感，故宜用于运动件载荷恒定或变化量不大的场合，在载荷变化重大的情况下，必需能在数控编程时予以考虑，否则不能保证加工所要求的效率和质量。另外，直线电机直接驱动不具自锁能力，设计和使用中应注意考虑外加制动措施，特别是在垂直轴进给系统中使用时，尤要注意。
　　二、各轴进给运动的相互结构联系
0 t: |0 ?0 g5 B0 |* x　　如同一般加工机床一样，高速加工机床一般都有2个以上，多至5个进给运动轴，这些运动轴间的相互结构联系，目前存在着串联，并联和混联三种型式。
　　串联结构是传统机床普遍采用的型式，其特点是各运动轴的布局采用笛卡尔直角坐标系，机床床身、立柱、溜板、工作台/转台和主轴箱等部件分别通过相应的导轨支承面串联在一起的，各轴运动均可单独地独立进行，由于是串联，各运动部件的重量往往都较大，且不一致，需特殊调整方可保持各轴加速度特性的一致性；进给系统的结构件不仅受拉、压力，而且受弯、扭力矩的作用，变形复杂，后运动部件受到先运动部件的牵动和加速，加工误差由各轴运动误差线性迭加而成，且受导轨精度的影响等，这些都是串联结构的缺点。然而由于串联结构较传统，有长期设计、制造和应用的经验，技术较成熟，故迄今仍为大多数高速加工机床所采用。但串联结构中还有着不同的各运动轴的相互组合配置方式，其所获得的应用效果是不一样的，设计时应以高速加工的特点及其对机床结构设计的要求出发来确定。
　　并联结构的典型代表是Stewart平台式的所谓虚拟轴机床。它的特点是运动部件是一个由伺服电机分别控制的6根可自由伸缩的杆子所支承的动平台，该平台可同时作6个自由度的运动，但没有像串联结构那样的物理上固定的X、Y、Z轴和相应的运动支承导轨，而且任何一轴运动都必须由6根可伸缩杆的协同运动来完成。一般刀具/主轴头就安装在该动平台上，工件则固定在机床的机架上，此外就不再有溜板、导轨等支承件了。与传统串联结构的机床相比，并联结构型式的机床主要有如下优点：
" D* E6 D9 h+ ?& @/ |4 u- @　　运动部件重量轻，惯量小，更有利于实现进给运动高的速度和加速度；
　　刀具主轴头可同时实现5轴联动，结构简单，且主要的6根伸缩杆具有相同的结构和驱动方式，便于模块化，标准化和系列化生产；
- {# s+ _! F! O! c( f/ G　　伸缩杆的两端分别由球铰和虎克铰链与相关件连结，使杆子只受拉、压力，不受弯扭力作用，刚度高，并易于通过预加载荷来提高整个进给系统的综合刚度。
8 Y2 y4 v% Y' e　　理论精度高，因为它不像串联结构那样，各轴运动误差有可能被累积和放大，故并联结构的进给运动的综合误差一般不会大于6根伸缩杆运动误差的平均值。
( D( i7 L" j8 a1 @3 {4 }　　并联结构的缺点是：
7 t# M! z3 Q! v. r　　在同一台机床上，其进给的行程随着各伸缩杆的伸出长度和动平台的位姿角变化而变化，故由行程所决定的可加工空间是非规则形，不方便应用；
6 H% L4 c; a! r) q- \2 v: U6 t! C　　因受球铰和虎克铰转角的限制，带主轴头的动平台所能倾斜的角度较小(一般只有±40°）从而影响了机床的可加工范围；
　　运动编程较复杂，而且在任一轴向上的简单直线运动，也要有6根杆的协调伸缩运动才能完成等。
/ t5 y7 I1 p/ ?( {5 W- k　　由于有这些问题的存在，并联结构的应用，目前尚不十分广泛，还有待于进一步研究和发展。
( `# \8 ]. \0 a! q* ?　　混联结构是在一台机床上同时采用有串联和并联结构型式的进给运动的结构联结，通常的做法是：3个移动坐标仍采用并联结构来完成，主轴加工时所需的另外2个转动坐标则由串联到固定工作台上的回转和可倾斜的工作台或由串联到并联结构的动平台上的旋转和摆动主轴头来实现。但是此时的并联结构的6根伸缩杆改成了3副定长杆，除杆的一端仍通过球铰与动平台相联外，杆的另一端则通过球铰成组地与滑座联结，滑座由伺服电机控制的滚珠丝杠(或直线电机)驱动在机床导轨上移动，从而改变动平台(主轴头)在三维空间中的位置，即X、Y、Z轴的运动行程。这样既克服了纯并联结构存在的加工空间不规则和动平台可倾角度过小的缺点，而且也减少了三套伺服驱动电机和滚珠丝杠，简化了结构，降低了成本。这应是并联机床结构改进的一个方向。
文章关键词：