1、精密滚动导轨直线进给单元的结构选型摘要：精密加工技术作为一门新生、富有生命力的技术，越来越引起人们的关注。精密进给的关键技术所在，是开发出具有高进给速度、高加速度、高精度、高效率和高稳定性的精密进给单元。本设计采用直线电机直接驱动工作台做直线运动，相对传统的“旋转伺服电机+滚珠丝杆”的传动方式，省掉了中间传动环节，实现了进给系统的“零传动” 。 本设计通过对直线电机安装形式的几种方案的比较，选择双电机内垂直的的布置形式来设计该精密进给单元。根据设计要求选择电机型号，完成精密单元结构方面的选型。 本课题通过结合课题的设计要求，对精密进给单元的结构进行选型分析，为以后精密进给单元的伺服控制系统进行
2、了理论建模以及实现精密进给单元在 Matlab&Simulink 中的仿真奠定基础。 关键词：精密加工进给系统直线电机 中图分类号：TM3 文献标识码：A 文章编号： 1 绪论 随着生产技术的不断发展、演进，现代生产活动不满足于现状，开始了在航空、航天、汽车制造和其它工业中的发展历程，高效率、高质量的加工成为关键所在，对生产技术提出越来越高的要求。精密加工成为现代先进制造技术的发展方向之一。 1.1 课题背景及目的 到目前为止，切削和磨削加工仍是机械制造工业的主导加工方法，因此，提高切削的加工效率和质量，仍是机械制造业的重要课题。 从提高生产率的角度看，机床和生产过程自动化的实质，归根到底是以
3、加快空程动作的速度和提高零件生产过程的连续性、从而缩短辅助工时为目的的一种技术手段。为了进一步提高生产效率，必须大幅度提高切削速度和进给速度，以降低切削工时。目前，这一先进制造技术己开始进入工业应用，在汽车、航空航天、模具和一般机械工业中均己得到广泛的应用，并已取得重大的技术经济效益。1,4-5 1.2 课题研究方法 为实现精密加工，必须大幅度提高切削速度、高进给速度和高进给加速度，以降低切削工时。这就对机床的各项性能指标提出了越来越高的要求。特别是对机床进给系统的伺服性能提出了更高的要求：即要有很高的驱动推力、快速进给速度和有极高的快速定位精度。实现精密加工的关键就是设计出具有高速进给，高动
4、态响应特性和高定位精度的进给单元，才能使机床在高速运动条件下保证加工零件的高精度和高效率。传统“旋转伺服电机+滚珠丝杆” 的旋转电机、滚珠丝杠副等到工作台之间的有很多中间的传动环节，造成机械效率低下，在进给传动方式上受到了很大的限制，其有关伺服性能指标难以突破提高，难以实现精密加工。 本课题针对该项技术进行调查、研究，在理论上对其进行模型的结构选型。 2 总体方案设计 2.1 课题要求 本课题要求达到的推力不小于 2000N，进给速度大于 60m/min，行程500mm。根据课题的要求，我们可以看出所要设计的结构属于大推力、高进给速度的进给单元，所以必须寻找一种高效的进给传动方式。 2.2 进
5、给方式的选择 为了保证轮廓切削形状的高精度和小的加工表面粗糙度值, 要求进给系统具有优良的快速响应特性, 即最大限度地减小系统跟踪误差。为此, 精密机床进给系统必须实现高的加速度进给, 同时尽量提高伺服刚度和减小惯性。 在选定了刀具和切削用量的情况下，进给速度与主轴的转速成正比，同时，加速度也与主轴转速有关，因此，精密加工机床要求有高的进给速度和高进给加速度，则必须具有与之匹配的主轴高转速。 本课题中，采用了最近常用于机床进给系统的一种比较理想的驱动方式直线电机驱动。直线电机驱动避免了机床传动链中间环节的设计，将传动链长度缩短为零，所以称该传动方式为“直接驱动” ，或者“零传动” 。2,5 2
6、.3 直线电机进给特点 与传统的“旋转电机+滚珠丝杆”的进给单元相比，直线电机进给单元的技术和结构有以下的特点： (1) 结构简单，效率高。 (2) 定位精度高。 (3) 响应速度快。 (4) 无行程限制。 (5) 速度快，加减速过程短。 2.4 直线电机的安装形式 根据直线电机的安装方式的不同,分为水平布局和垂直布局两种基本方式。 水平布置形式的直线电机的初级和次级的磁吸引力在垂直方向上，跟重力同向，一旦工作台的刚度不够，就会使工作台变形，初级和次级之间的间隙减小，影响了电机的正常工作，这种布置形式只适合轻载的情况。 根据电机数量的不同，有单电机驱动和双电机驱动两种不同的形式。单电机的结构简
7、单，推力相对双电机的小，工作台跨距小，测量安装和维修方便，适合于推力要求不大的场合。 而双电机驱动的布置形式，合成推力大，但两导轨之间的跨距较大，工作台受重力和磁吸引力的变形大，对工作台的刚度要求高，安装困难，测试和控制较为复杂，一般应用于特殊场合。 在垂直布置形式中，为了抵消直线电机吸力对机床构件的影响, 一般采用双电机结构。它具有推力较大、工作台变形小、工作载荷对电机初级与次级的间隙影响小、运动精度高等优点,适合于载荷较大的高速运动场合。 它又可分为外垂直安装和内垂直安装两种方式。 外垂直安装方式,能保证机床的导轨跨距较小, 电磁吸力产生的弯矩与重力引起的弯矩方向相反, 减小了工作台的弯曲
8、变形, 对初级与次级间的间隙影响较小,但电机安装高度较高,工作台两端的悬伸较大,所占空间较大,工作台结构较复杂。 内垂直安装方式中两电机电磁力吸力方向相反, 消除了电磁引力对工作台弯曲变形的影响,保证初、次级的间隙量在进给调速过程中变化最小, 但两导轨间的跨距较大,安装维护困难,适合于大推力、高精度的应用场合。3 本课题中，为满足大推力、高精度的加工要求，保证工作台刚度的基础上，在结构上革新，采用双电机内垂直安装形式，能更好地满足设计要求。 2.6 导轨形式的选择 导轨按摩擦性质可分为滑动导轨和滚动导轨。 滑动导轨两导轨面之间是没有滚动体的，导轨副工作面之间的摩擦性质为滑动摩擦，为面与面之间的
9、摩擦，接触面积大，中间填充适当的介质，以减少摩擦。 而滚动导轨副工作面之间装有各种形状的滚动体，是两导轨面之间形成滚动摩擦，使摩擦面积变小，可通过加油脂、润滑油等润滑剂更进一步地减少摩擦。 比较两种形式的导轨，相对来说，滚动导轨的摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，不易产生爬行，在导向精度上由于滑动导轨性能比较差，而为了适合精密进给单元的设计，保证其精密性，故选择滚动导轨。3 结论 本课题是对精密进给单元设计，在结构上采用双电机内垂直的新结构形式，该设计能很好的满足精密进给单元对稳定性和动态性能的要求，能很好地符合设计要求。 1、采用双电机内垂直布置的形式，可使两电机电磁力吸力方向相反, 消除了
10、电磁引力对工作台弯曲变形的影响,保证初、次级的间隙量在进给调速过程中变化最小,满足大推力、高精度的设计要求。 2、采用高速精密四向等载滚动导轨，摩擦小、刚度大、承载能力强，能有效地减少摩擦力，保证了工作台的运动精度。 直线电机作为进给系统的一种崭新的驱动与传动方式，它在高速精密机床上的应用，已呈现出比传统的滚珠丝杠传动无比的优越性。它不但速度高、加速度大、启动推力也大，而且从根本上简化了机床的传动和结构，使机床的稳定性、定位精度、重复定位精度大大提高。直线电机驱动有望成为 21 世纪高速精密加工中心的标准传动方式。 参考文献 1 刘玉荣. 高速进给单元刚度与定位精度的研究D.广东:广东工业大学,2000. 2 吴南星,孙庆红. 直线电机与高速精密数控机床进给系统的研究J.制造业自动化,2003,10:1-2. 3 马平，张伯霖，程光华，李锻能，肖曙红. 高速直线进给单元设计J.组合机床与自动化加工技术，1998,9：3-5. 4 张伯霖,张志润,肖曙红. 超高速加工与机床的零传动J.中国机械工程,1996,5:1-3. 5 张伯霖,潘珊珊,于兆勤,程光华,朱炳森. 直线电机及其在超高速机床上的应用.中国机械工程,1997,8:85-88.
