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精密滚动导轨直线进给单元的结构选型

摘要: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。

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,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,所以必须寻找一种的进给传动方式。

2.2进给方式的选择

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]

2.3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。

标签:滚动导轨

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