001高速立加的主轴平横和驱动方式解析.docx
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001高速立加的主轴平横和驱动方式解析
高速立加直线电机驱动结构及Z轴平衡的探讨
摘要:
高速切削加工能显著提高生产效率、提高加工精度和表面光洁度及降低切削阻力,收到各厂家的广泛关注和研究。
本项目研发的高速立加BVG80采用龙门框架刚性结构、直线电机驱动、闭环伺服系统控制、高转速电主轴,这样就要求机床构件有良好的刚性和吸振性能,高响应的主轴平衡机构,可靠的安全防护。
本文就直线电机的特殊性重点讨论直线电机驱动结构、掉电保护和Z轴平衡。
关键词:
高速立加直线电机掉电保护平衡机构
一、引言20世纪90年代以后,随着以高效率和高精度为基本特征的高速加工概念的提出,直线电机开始作为进给系统出现在加工中心中。
由于直接驱动进给系统具有传统进给系统无法比拟的优点和潜力,受到极大重视,掀起一轮的研究热潮。
我公司承担的数控机床重大专项项目BVG系列高速立式加工中心,就是采用直线电机驱动的高速立式加工中心。
二、机床概况
工作台宽度630mm;
X轴行程1250mm,Y轴行程800mm,Z轴行程600mm;
快速进给速度60m/min,加速度1g;
主轴最高转速18000r/min;
定位精度X:
0.010mm,Y、Z:
0.008mm;
重复定位精度X:
0.006mm,Y、Z:
0.005mm。
BVG系列高速立式加工中心总体布局为轻型龙门式结构,机床的总体布局为双龙门结构,其设计为自主创新。
如图2.1所示,
图2.1总体布局图
床身为整个机床的基础,床身中间上面是X轴进给驱动系统,驱动工作台;中间分别有左右两个立柱,滑动箱在立柱上面前后运动,通过立柱上面的Y轴和Y’轴双轴同步驱动系统驱动滑动箱;滑动箱采用箱中箱结构,主轴箱在中间上下运动,通过安装在滑动箱中的Z轴驱动系统驱动主轴箱。
该整体框架结构稳定牢固,刚性高,稳定性好。
在设计过程中对关键零件进行有限元分析和结构优化,以最小的构件质量获得最高的刚度,从而有效减少了运动部件的重量,而且使移动部件的驱动点与运动部件的重心更靠近。
工作台进给运动为X轴,主轴实现Y、Z两个直线轴的运动,滑动箱在龙门框架上运动这种结构使Y轴直线电机远离切削区,避免加工铁屑及切削液进入直线电机。
X、Y、Z三轴均采用直线电机驱动。
直线电机使传动系统简化,保障机床在高速进给时的定位精度有效提高,为零件的高精度高效率加工提供了可靠保障。
三、XYZ三轴的驱动结构
高速主轴和快速进给系统是实现加工中心高速的两项关键技术。
其中对进给系统提出的要求是:
进给速度高;加速度大;动态特性好;具有较高的定位精度。
直线电机能实现“零间隙传动”,直接产生直线机械运动,符合快速进给系统的要求。
自1993年德国Ex-Cell-O公司生产出第一台直线电机驱动的加工中心以来,直线电机技术在十几年内又有了很大发展。
直线电机进给驱动系统的主要优点如下:
速度特性好。
速度偏差可达±0.01%以下。
加速度大。
直线电机最大加速度可达30g,目前加工中心的进给加速度已达3.24g,激光加工机的进给加速度已达5g,而传统机床进给加速度在1g以下,一般为0.3g。
定位精度高。
采用光栅闭环控制,定位精度可达0.1~0.01μm。
应用前馈控制的直线电机驱动系统可减少跟踪误差200倍以上。
由于运动部件的动态特性好,响应灵敏,加上插补控制的精细化,可实现纳米级控制。
行程不受限制。
传统的丝杠传动受丝杠制造工艺限制,一般4~6m,更长的行程需要接长丝杠,无论从制造工艺还是在性能上都不理想。
而采用直线电机驱动,定子可无限加长,且制造工艺简单,已有大型高速加工中心X轴长达40m以上。
结构简单、运动平稳、噪声小,运动部件摩擦小、磨损小、使用寿命长、安全可靠。
XYZ三轴均采用直线电机驱动,取消了丝杠等机械结构产生的传动间隙和误差,减少了因传动链上弹性环节造成的跟踪误差,同时使用高精度的HAIDEHAN直线光栅尺作为闭环反馈,从而大大提高机床的定位精度;采用西门子的高性能SIMODRIVE611D驱动配合使用,实现高动态刚性,对变化的切削力有快速的响应,从而获得很好的轮廓精度。
在保证良好精度的前提下,直线电机驱动轴所能实现的高速度高加速度是传统的丝杠传动无法实现的。
由于无接触传动,因此机床运行的噪声也相对较小。
三轴均采用全闭环控制。
主轴采用进口西门子大功率高速电主轴,最高转速18000r/min,刀柄采用HSK63A短锥高速刀柄,以适应高速切削的要求。
由于直线电机的特点,主要技术有以下几点:
●机械部件的结构和强度;
●突然断电条件下直线电机轴的快速制动;
●主轴箱的平衡系统;
●直线电机的防护及机床整体防护;
直线电机驱动的机床由于进给速度比较快,并且采用直线滚动导轨,阻尼很小,容易产生振动,其振动模型近似如下:
式中:
m—运动部件的质量;
M—机床不动件的质量;
k—机床的静刚性;
v—运动部件快速进给速度;
Amax—机床最大振幅。
由上式可以看出,减小m和增大M、增加k都可减小机床最大振幅Amax,其中增大机床不动件重量的方法较少使用,因为增大机床不动件M会降低机床的固有频率
,使机床共振频率偏低。
同时为了保证进给加速特性,也需要减小m,因此在铸件设计时采取薄壁加筋的办法,安排合理的断面形状和尺寸,尽量减小移动部件质量,以增加机床刚性,减小振动。
图3.1
图3.1表示出X轴进给单元结构。
直线电机初级通过过渡板安装于工作台底部,直线电机次级安装于床身上。
工作时,电机产生巨大电磁吸力,垂直作用于工作台上,由工作台下的两根滚动导轨支承,电机正常工作时,间隙为0.9mm。
因此,对工作台的自身刚度和导轨的支撑刚度及耐磨性都有较高要求。
先将直线电机初级固装于过渡板上,使之成为一体,然后再将过渡板安装于工作台底部,这种安装方法增加了工作台的刚度,使之有抵抗变形的能力。
四、主轴平衡机构
因为立式机床的主轴部件与垂直运动部件设计为一体,向下运动时的驱动力与重力方向一致,向上运动时的驱动力与重力方向相反,所以如果不消除重力的影响,不仅影响部件的运动平稳性,而且影响机床加工精度的保持性,同时可能会导致在一定工况条件下,对运动部件、刀具、工件产生破坏性的危害。
该机床采用直线电机驱动,没有自锁功能,当控制系统失电时,运动部件会因重力而下滑,这是很危险的。
因此,必须对Z轴采用平衡机构和掉电自锁保护。
对比加工中心常用的几种平衡机构:
1、重锤平衡机构
图4.1
如图4.1,这种方法是目前传统加工中心应用广泛的一种平衡方式,运动部件的平衡是由链条通过其两头的耳环分别连接在主轴箱m1和重锤m2上,并通过安装在支架上的导轮来实现,为使重锤上下运动平稳,在重锤的两侧面开有导向槽。
这种平衡方法结构简单,安装方便,一般用于固定立柱结构的机床,但由于加入了重锤,使垂向运动部件的惯量增大而不利于高速运动。
由受力分析:
F=(m1+m2)*a,
(m1+m2)*a=(m1+m2)*(v12-v02);
要使速度增大,在电机推力不变的情况下,必须使质量减小,所以该机构不适合高速机床采用,并且重锤体积较大需要占地空间大,高速动作时会抖动。
可见重锤平衡机构不适合高速运动机床。
2、蓄能器平衡机构
图4.2
这种方法是采用台湾颖立鸥公司的自动补偿平衡系统产品,利用了液氮蓄能器吸收和释放能量的功能来实现的。
工作原理如图1所示,在蓄能器上方阀口把氮气通过阀打进蓄能器,达到提前计算好的系统所需的压力后,关掉进气阀。
在平衡油缸和管路里充满液压油,将蓄能器和液压缸连接,打开压力阀,液压油进入油缸下腔,油缸和主轴箱相连接。
当垂向运动部件作向下运动时,平衡油缸的有杆腔中的液压油被挤压,进入蓄能器,运动部件运动过程中产生的压力被转换为受压液体而输入到蓄能器中成为储备能量,这时蓄能器气囊中的氮气被压缩,使液体的压力与气囊的压力相同而获得能量储备,达到对垂向运动部件的平衡作用。
这种结构使系统运动部件的响应速度很快,且对机床的结构型式没有限制,但受到平衡油缸运动速度的约束。
所以该系统也不宜用在高速机床上。
3、液压平衡机构
图4.3
液压平衡机构原理如图4.3所示,系统压力经单向阀1后,溢流阀2控制主油路压力,系统主油路经平衡阀5到平衡油缸6下腔,压力继电器7和继电器8作为信号源,时时监控系统油压的压力范围,低于或者高于某个压力区间会有报警提示。
如果发生这个提示报警,电动机将被封锁而不能运行。
控制油路在压力阀9的作用下,控制着主油路上平衡阀5回油路开口的大小.从而起到平衡油缸在z轴上下运动的作用。
平衡阀5开口的大小是由压力阀9远程控制口的压力大小所控制,当机床给定指令处于z轴上升时,接通电磁阀12中的a端,回油路经溢流阀10产生某个压力值回油.此时主油路的系统压力为溢流阀10的设定压力。
当机床给定指令处于Z轴下降时,接通电磁阀12中的b端,回油路经溢流阀11产生另一个设定值的压力回油,此时主油路的系统压力为这个溢流阀11的设定值。
该液压系统可以使Z轴滑枕在上下运动时的油压相对稳定,可以提供给z轴在精确定值时,有一个良好的平衡效应。
该系统中液压管路较多控制阀较多,对高速运动的响应时间较长,所以也不合适用在高速机床上。
4、气压平衡机构
以上几种平衡机构都不是很符合高速加工中心高响应速度的要求,在项目中我们采用了气压平衡机构:
气压平衡机构的优点是响应速度高,缺点是占地面积大。
因为该机床的Z轴并不是很重(700kg),根据滑动箱采用的箱中箱结构这些特点,我们采用双平衡气缸,双储气罐左右对称布置,合理安排空间布局,如图4.4示
图4.4
具体计算选型:
(1)高速立加Z轴参数
Z轴行程H:
H=800mm,
快速移动速度v:
v=60m/min
Z轴移动部件的重量W:
W=700kg
选用日本SMC高速气缸
气缸行程820mm
气缸的摩擦力F1:
F1=60N
图4.5
(2)气动系统气路配管
如图4.5所示压缩空气由气源1通过增压阀2到精密减压阀3减压到设定压力,通过单向阀4进入两个气罐7、8,气罐通过通径一寸的胶管和高速气缸9、10分别连接相通。
压力表5实时显示系统压力,当系统压力低于设定值时,增压阀2会及时补压保证平衡系统稳定。
气缸活塞直径D=80mm
活塞杆直径d=25mm
气缸有效作用面积S:
S=π(D2-d2)/2
气罐预选数量2个,气罐总容积V0
(3)计算气罐选型
假定Z轴电机负载上下变动10%,即电机在主轴上升到顶端和下降到底端时Z轴电机负载变化10%。
气缸活塞停在中间位置时,理论设定气缸压力P:
P=W/(2S)=7.717kgf/cm2
气缸活塞移动到上升顶端时压力P1
P1=0.9W/(2S)=6.9459kgf/cm2
气缸活塞随主轴箱移动到下降底端时压力P2
P2=1.1W/(2S)=8.4895kgf/cm2
(4)气罐选择:
气缸容积45.35x800=3.628L
主轴在上升端:
(7.717+1.033)x(Vt+3.628)=(6.9459+1.033)x(Vt+3.628x2)
计算得Vt=33.917L
主轴在下降端:
(7.717+1.033)x(Vt+3.628)=(6.9459+1.033)x(Vt+0)
计算得Vt=41.093L
取裕度1.5:
Vtx1.5=60L60/2=30L
所以取气罐容积每只30升。
在实际生产过程中,管路布置和管路密封是很关键的。
如果管路布置不合理的话,会导致瓶颈存在不能及时补压;如果整个平衡系统的密封不好的话,会导致整个系统的不稳定,从而导致主轴的不稳定,切削粗糙度不良。
通过现场反复调试,该平衡方式取得了良好的预期效果。
五、主轴箱掉电保护
由于直线电机没有自锁制动功能,在突然失电的情况下,
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