BAILEY NTAI-03

BAILEY  NTAI-03

应用于数控机床的直线电机形式

       在数控机床上应用的直线电机主要是交流直线电机，交流直线电机又分为直线感应电机和永磁直线同步电机。

       直线感应电机结构有平面型和圆筒型两种。对于直线行程小于500mm的场合，一般采用圆筒型。对于较长行程的场合通常采用平面型结构。直线感应电机一般由 SPWM变频器供电，采用矢量控制及其它一些智能控制方式并针对直线电机的特点，增加一些补偿办法。永磁直线同步电机一般由逆变器供电，通过PWM调制，采用PID调节控制及DSP等控制方式。两种型式各有优劣。从总体性能上，永磁式直线同步电动机具有较大优势，但从价格和防磁、防尘角度看，则感应式直线异步电动机具有它的优势。

       永磁直线同步电机兼有直线电机和永磁电机的双重特点，具有推力大、响应速度快、体积小等特点，是构成高速直线进给系统的机型。永磁材料性能的不断提高及其价格的降低使永磁直线同步电机的优点更加明显。所以，永磁直线同步电机更适合用于直线电机驱动技术，它提高了驱动系统的移动速度、加速度和运动精度，在高速、数控机床中的应用越来越广泛。下面仅对永磁直线同步电机在数控机床上的应用技术进行分析。 永磁直线同步电机在数控机床上应用的关键技术分析

       2.1 法向磁吸力

       永磁直线同步电机除了产生平行于运动方向的推力之外，还会在动子与定子之间产生一个垂直于进给运动方向的法向磁吸力，其数值为推力的10倍左右。因为电机的定子是由永磁体组成的，所以无论电机动子中是否通电，法向磁吸力都存在。单边型永磁直线同步电机驱动系统产生的法向磁吸力使承受垂向力的直线导轨产生较大的变形，影响了数控机床的加工精度。法向磁吸力还增大了直线导轨和滑块之间的压力，进而使两者之间的摩擦力增加，会使推力产生波动，降低了数控机床的动态性能。目前主要通过采用双变型结构的设计方法来解决法向磁吸力引起的问题。

       针对此问题，可将永磁直线同步电机的动子、定子与机床直线导轨副结合起来设计，如图1所示，1为直线电机座，2为定子连接块，3为电机定子，4为电机动子，5为动子连接块，6为直线导轨，7为工作台，8为滑块，9为底座。

图1 双直线电机水平进给平台主视图

图2 双直线电机水平进给平台立体结构图

       如图2所示，两个永磁直线同步电机分别布置在工作台运动模块的两侧，组成A字型结构水平进给平台。利用动子与定子之间的法向磁吸力来实现了两个永磁直线同步电机法向磁吸力水平方向的分力抵消为零，垂直方向的分力抵消了工作台的部分重力，减小了滑块和直线导轨之间的摩擦力。定子连接块、动子连接块横截面的梯形设计可以在数控机床的床身、立柱等基础部件不改变的情况下地安装该水平进给平台。

       2.2 电机发热问题

       永磁直线同步电机运行时，由于铜损和铁损，线圈会发热，其温度将会超过100℃，永磁直线同步电机本身由于结构简单，其散热效果还是比较好的。但是当电机应用于数控机床时，通常安装在机床内部，造成散热困难。 为了克服连杆模具制造采用传统的电火花加工(EDM)会出现微小裂纹、表面质量差和生产效率低的不足,基于功能强大的UGCAM软件系统平台,使用高速加工(HSM)技术制造连杆型腔模具,提出了相应的加工策略,并介绍了连杆模具的高速加工方法,从而缩短了加工时间,提高了模具精度。

       连杆是发动机的重要运动部件之一。在传统的连杆模具制造中,为了提高模具的加工性能和使用寿命,一般都采用高强度的耐磨材料制造,这些材料经过热处理后硬度更高,很难采用常规的机械加工方法进行加工。过去都是采用电火花加工(EDM)技术来完成模具型腔的制造,但这种靠放电烧蚀的/微切削0的加工过程非常缓慢,生产效率极低,并且还会在型腔表面产生微小裂纹,粗糙度往往也达不到模具的具体要求,因此在电加工后还要进行费时的手工研磨和抛光处理。

       高速切削(HSM)是采用高转速、快进给、小切深和小步距来提高加工效率的一种加工方式,对淬硬模具材料、薄壁零件和三维自由曲面的加工具有显著的优势 [2] 。高速切削加工的技术优势:(1)能直接对淬硬模具材料进行精加工,可省略传统模具加工中的电火花加工;(2)加工精度高,不再需要手工抛光,缩短了加工时间;(3)高速切削加工的每次切除量很小,切削力低,热变形小,可以采用小直径刀具直接加工复杂型腔和薄壳零件。

       UG是一套功能强大的CAD/CAM软件,从产品的概念设计直到产品建模、分析和制造过程,都可以与高速切削技术紧密地结合起来,从而形成高速加工CAD /CAM/HSM集成系统。UGCAM系统具有较高的编程效率,便于快速编程和调试程序;具有自动防过切和刀柄干涉检查功能;可以优化刀具路径和实现特殊的加工策略;具有直接输出样条曲线(NURBS)插补功能,可快速加工出复杂而极其光滑的曲面。

       本文以UGNX6.0为二次开发平台实现连杆模具的高速加工制造。

图1 连杆模具凹模型腔

       1 连杆模具的高速加工策略

       图1所示是某发动机连杆模具凹模型腔。它采用高速切削技术直接加工该零件的模具钢材料,可以获得较高的表面质量,并可达到的尺寸和形位精度。因此,可以省略常规模具加工的电火花加工和大量手工修磨等工序,缩短了工艺流程,地提高了加工生产效率。

       1.1保持切削载荷的恒定和轻便  在高速切削过程中保持恒定的切削载荷非常重要。为了使刀路轨迹光滑,在加工过程中应注意以下几点:(1)采用小步距和浅切削深度(刀具直径的10%左右) 进行加工;(2)使用圆弧或螺旋线方式实现进退刀具;(3)大量采用等高分层加工代替仿形加工;(4)切除率尽量保持为常数;(5)在粗加工时,不但要求刀具以圆弧或螺旋线方式进入工件材料,而且使进给率和机床转速之比达到佳,从而避免急剧变化的刀具运动以及在外形轮廓上直接进刀和退刀。

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