进给传动方式影响CNC机床的功率 - 文章

进给传动方式影响CNC机床的功率

作者：Dieter Foerste、Wolfgang Mueller

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直线运动的送给轴和单独传动是CNC机床的特征。对于机床的功率、精度及可靠性有很大的影响。如果能够使这些部件尽可能好地与加工任务相适应，并且充分利用革新性的传动方案，则提高加工效率是可能的。

一般说来，切削加工用的CNC机床是装备单独传动机构来驱动进给轴的。下面将详细叙述直线运动的进给轴，它已成为CNC机床的另一典型特征。

机床的能力在很大程度上取决于进给传动方式的定性和定量特征。传统的机电传动系统，越来越多地被不包含机械元件的直线电动机传动所取代。

为了达到经外切削的目的，例如在一台高精度铣床样机上，
采用直线传动方式并不一定总是最好的解决方案

施加作用力应不降低位置稳定性

对于CNC机床现代进给传动方式的要求可以归纳为以下一些基本特征：

1. 施加必要的进结力和必须的进给力矩时，必须能够持久，而且不能明显地影响其位置稳定性(高静态载荷刚度、动态载荷刚度和热负荷刚度)。
2. 进给传动要能在很宽的范围内产生均匀的进给速度，包括很高的快速行程时。与此相关，要求与其他随动轴位移能得到精确的座标(忠实于行程轮廓曲线)。
3. 要求高定位精度和短定位时间，而且不能有共振问题。与之相关，要求在进给速度或进给负荷(动态要求)变化时能够快速反应(无延迟)。
4. 安装元件所必需的空间应尽量小，避免安装困难。
5. 尽量减少维护保养工作，最好采用不需保养的元件。
6. 希望尽可能低的元件价格。

由于采用的元件发展水平很高，所以表现在现代CNC机床上也是高水平。可以通过两个例子定量地说明这种情况。

中等尺寸的加工中心(托盘尺寸从400mmx400mm～800mmx800mm)目前可以实现最高达50m/min的进给速度(快速行程速度)；达到30kN的进结力已不成问题；在Z轴上这个值还要高；轴的加速度已可达0.5g，相当于两次切削之间的时间可以少于7s；定位的不准确度可以限制在10µm以下。

中等尺寸的高速(HSC)加工中心(托盘尺寸从250mmX 250mm～630mm x 630mm)一般可以达到的进给速度为80m/min，当采用直线电动机时在有些情况下还可以更高；进给力可以达到10kN；最大的轴加速度为2g；切屑到切屑的换刀时间在5s以内已不是罕见的了；定位不准确度大约在7µm或更低。

三种设计原理

机电进给传动方式的基本结构如图1中的上面两个原理图(A、B)所示。其中A图示出由一个转速可调的伺服电动机直接驱动机械传动元件。该元件由滚动螺旋传动器(滚珠丝杠)组成。电动机的转动被变换成导向机械部分(溜板，滑台或工作台)的直线运动，而同时也把驱动力矩转换成进给力Fx。

图1 机电进给传功(A和B)和直线电动机进给传动(C)；
Fx进给力，nsp丝杠转速，Mn电动机力矩，Msp丝杠力矩，
a电动机，b机械变换器/(滚珠丝杠)，c和d导轨部分，e适配传动

B图示出利用电动机通过一个增速比为i的适配传动来驱动一根丝杠。利用这种位于中间的单级增速机构，使传动力矩能够与轴的要求相匹配。一般应使速比i小于1，以便能够增大电动机的公称力矩。

这种传动方式可以减少费用。传动机构的适配方式是利用齿式皮带传动。它不仅可以传递精确的转角，而且具有良好的阻尼作用，产生的噪声也小。从结构上来看，这种间接传动方式为电动机的安装提供了较大的自由空间，从而也可以缩短整个部件的结构长度。

图1下面的原理图C表示了直线电动机直接传动。在传动链中不存在中间环节b和e了。直线马达安装在运动件(C)和静止机器零件(d)上。由于直线电动机传动不像传统传动方式A和B的知名度那么高，因此下面将进一步加以叙述。

直线电动机直接传动可缩短力的作用线

与普通旋转式电动机一样，直线电动机的型式也分为图3安装在机床进结轴中的直线电动机异步和同步电动机两类。永磁式直线电动机(同步式结构)是把这种结构形式的旋转式电动机径向分割并滚动展开成直线的结构。初级部分包含了激磁线圈，设计成比较短。在运动件上，例如机床工作台上安装初级部分。在静止部分，例如床身上安装由永久磁铁形成的次级部分，其长度超过行程长度(图2)。

图2 一个同步结构直线马达的基本结构

图3 安装在机床进给轴中的直线电动机

在本来应产生转动力矩的地方，由电动机直接产生的是进给运动的推动力，这样就不存在为了将旋转运动变换成直线运动所需的中间环节了(丝杠螺母或齿轮齿条系统)。这时产生的力的作用线短而且大幅度减少了运动质量。与旋转驱动一样，也有很多制造厂生产各种型号和系列的直线电动机。

轻结构方案

与传统传动方式不同，直线电动机的加速度大小在很大程度上与进给部件运动部分的质量有关。为了提高直线电动机的加速度(特别是当快速行程和高进给速度时)，则要设法在机械方面相应地采用轻型结构。特别是对于高速加工机床，这方面的努力已经在进行。

由于在初级部分产生很多的热量，因此要求采取强烈而昂贵的冷却，而在循环过程中是通过外接热交换器散热。在电动机的初级部分中安装了相应的导热板，上面接有冷却剂输入与输出用的管接头(图3)。其他在使用过程中需要考虑的结构特点是永久磁铁的磁吸力。这种磁吸力明显地增加了导轨的负担。进结力与磁吸力之比值约为1:4～1:5。此外，为了实现切屑和灰尘的防护也增加了费用。从另一方面来看，磁场的作用范围比较小，只要离开几厘米的距离，就不会有切屑被吸住了。

在进行电动机装配时，永久磁铁的吸力也增加了困难。在个别情况下，已经实现了加速度3g以上，快速行程速度可达120m/min。

从方案对比中得出不同的结论

进给传动方案特征的对比

特征	带有滚珠丝杠的机电传动方案	直线电动机传动方案
设计参数	公称力矩M_N	持续公称力F_N
	M_N≥ M_en	FN ≥M_erf
	加速力矩	最大作用力
	M_max 约为 2～3M_N
	适用于t ≥ t_EIN	Fmax
	t_EIN约为200～300ms	力─速度─曲线
机械极限和热极限	滚珠丝杠传动	机身结构内的发热
	折弯安全性
	弯曲临界转速	导轨的永久负荷(使用寿命)
	螺母区域的发热(使用寿命)
	轴向刚度
	系统的机械自振频率

虽然初看起来直线电动机直接传动的方案优点很显著，但是认真对比之后会发现它也有缺点，有不如机电传动方式之处。机电传动是一种设计师熟练掌握的可靠解决方案，从成本观点来看也是传统机电传动低得多。用传统传动技术装备起来的机床，大约要比直线电动机装备起来的同样机床便宜大约30%。

只有当出现下列应用条件时才考虑把直线电动机直接传动作为代用方案，即要求机床具有很高的加速度，一般是说大于1g，而且要求行程速度超过80m/min时。

动态特性取决于位置调节回路的稳定性。对于机电传动方案来说，由于机电传动部分的零件刚度低，以及较低的机械自振频率的限制，使k系数最高只能达到6m/min/mm。相反，由于直线电动机直接传动中取消了可能导致刚度降低的中间环节零件，因此可以毫无困难地使k系数达到20～30m/min/mm。k系数(速度强化系数)是轴进给过程中拖行误差的主要影响因素。

表中列出了从机械和热的角度进行对比的特征。传统机电系统的明显弱点在于机电传动。为了改善其动态特征和热特性，已经开始了研究与开发工作。研究内容主要涉及螺母传动，丝杠的内冷却以及改善球铰系统和反馈系统等。

直线电动机方案成功用于刀具和模具制造业

应用结果和经验表明，直线电动机直接传动适用于HSC高速切削机床，特别是用于刀具和模具高速铣削加工的机床。一些外围问题已经出现，例如适用于导轨的防护罩和机身结构的稳定性等，今后类似的问题还会更多。

本文作者:科隆专科大学机床试验室主任 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/13/2004)


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