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快速数控平面磨床进给系统

发布时间:2020-1-8
  1.对快速磨床进给系统的要求
进给驱动(伺服系统)系统包括速度控制、位置控制、伺服电动机及机械传动部件。数控磨床对进给驱动提出了很高的要求,主要有五个方面的要求:
  (1)调速范围宽 调速范围r。是指进给电动机提供的最低转速/'Lmin和最高转速/zmax之比。在各种数控平面磨床床中,由于加工用刀具、被加工材料、主轴转速以及零件加工工艺要求的不同,为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件,就要求进给驱动系统必须具有足够宽的无级调速范围(通常大于1:10000)。尤其在低速(如小于0.1r/min)时,要仍能平滑运动而无爬行现象。
  脉冲当量为1um情况下,最先进的数控平面磨床床的进给速度从0~240m/min连续可调。磨床在1:24000调速范围内,速度要均匀、稳定,无爬行现象;在零速度时,即工作台停止运动时,要求电动机有电磁转矩,以维持定位精度,即应处于伺服锁住状态。
  (2)定位精度高要求进给驱动系统具有较好的静态特性和较高的刚度,从而达到较高的定位精度,以保证机床具有较小的定位误差与重复定位误差(目前进给伺服系统的分辨率可达1um或0.1um,甚至0.01txm);同时进给驱动系统还要具有较好的动态性能,以保证机床具有较高的轮廓跟随精度。
  (3)快速响应为了提高生产率和保证加工质量,除了要求有较高的定位精度外,还要求有良好的快速响应特性,即要求跟踪指令信号的响应要快。一方面,在起、制动时,要求加、减加速度足够大,,以缩短快速磨床进给系统的过渡过程时间,减小轮廓过渡误差。一般电动机的速度从零变到最高转速,或从最高转速降至零的时间在200ms以内,甚至小于几十毫秒。这就要求快速磨床进给系统要快速响应,但又不能超调,否则将形成过切,影响加工质量;另一方面,当负载突变时,要求速度的恢复时间也要短,且不能有振荡,这样才能得到光滑的力n-r.表面。
  要求进给电动机必须具有较小的转动惯量和大的制动转矩,尽可能小的机电时间常数和起动电压。电动机应具有4000r/sz以上的加速度。
  (4)低速大转矩,过载能力强数控平面磨床床要求进给驱动系统有非常宽的调速范围,例如在加工曲线和曲面时,拐角位置某轴的速度会逐渐降至零。这就要求进给驱动系统在低速时保持恒力矩输出,无爬行现象,并且具有长时间内较强的过载能力,和频繁的起动、反转、制动能力。一般,伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力,在短时间内可以过载4~6倍而不损坏。
  (5)高可靠性数控平面磨床,特别是自动生产线上的设备要求具有长时间连续稳定工作的能力,同时数控平面磨床床的维护、维修也较复杂,因此,要求数控平面磨床床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好,具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力,具有很强的抗干扰的能力。
  2.高速磨床直线电动机快速磨床进给系统
  高效数控磨床快速反应的快速磨床进给系统且前一般有两种:伺服电动机滚珠丝杠系统和直线电动机系统,它们的系统的比较见表。
  直线电动机是直接产生直线运动的电动机。它可以看成是旋转电动机演化而来的。与旋转电动机相对应,直线电动机按机种分类可分为直线感应电动机、直线同步电动机、直线直流电动机和其他直线电动机(如直线步进电动机等)。旋转电动机的定子和转子,在直线电动机中称为初级和次级。为了在运动过程中始终保持初级和次级耦合,初级侧或次级侧中的一侧必须做得较长。在直线电动机中,直线感应电动机应用最广泛,因为它的次级可以是整块均匀的金属材料,即采用实心结构,成本较低,适宜于做得较长。
  LMCF平板直线电动机(图6)主要应用在数控磨床上。产品特点:连续、峰值推力大;纹波推力小;内置水冷和过热保护;模块化设计,行程可任意延长等。直线电动机优点如下:
  
  图6 LMCF平板直线电动机
  1)静/动态刚度高。采用直线电动机驱动,电动机直接和负载连接,不存在中间机械传动间隙(齿轮间隙,丝缈螺母间隙),即零间隙;高刚度(低柔性):同时避免了高速运动时在起动、变速和换向阶段因多个传动环节的弹性变形导致的机械谐振现象,整个伺服执行机构的静态刚度和动态刚度均大大提高,从而容易获得较高的K因子。
  2)高速动态响应。由于系统中取消了丝杠等一些响应时间常数较大的机械传动件,使运动惯量变小,伺服环(速度环,位置环)可以有较高的闭环宽带。高带宽使系统动态响应性能大大提高,表现为极快的响应速度和更强的抗负荷扰动能力。闭环控制系统的整体伺服性能大幅提高,反应异常灵敏快捷。
  3)高精度且稳定性好。没有中间环节的传动误差。减少了插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过位置检测反馈控制,即可大大提高定位精度。其定位精度完全取决于位置反馈检测元件的精度。
  4)极佳的速度控制性。直线电动机能满足其所需的超高/低速要求,可以获得小于1μm/s的低速和获得5m/s以上的高速。其高速响应性熊使加减速过程大大缩短,可实现瞬间连到高速,高速运行时又能瞬时准停,最高速的加速度可达10g。而且力矩线性度好,调速范围更宽,速度变化范围甚至可以达到l:10000以上。
  5)静音运行。由于直线电动机没有传动丝杠、变速箱等部件产生的机械摩擦,导轨也可以采用滚动导轨或磁悬浮轨道(无机械接触),因此其高速运动时传动平稳,无振动,运行噪声大大降低,听觉噪声一般可降低20dB左右,可以实现静音运行的效果。
  3.伺服电动机滚珠丝杠进给驱动系统的控制形式
  进给驱动系统分为开环控制和闭环控制两种控制方式,根据控制方式,把进给驱动系统分为步进驱动系统和进给伺服驱动系统。开环控制与闭环控制敝主要区别为是否采用了位置和速度检测反馈元件组成了反馈系统。闭环控制_般采用伺服电葫机作为驱动元件,根据位置检测元件所处在数控平面磨床床不同的位置,它可以分为半闭环、全闭环和混合闭环三种。
  (1)开环控制无位置反馈装置的控制方式就称为开环控制,采用开环控制作为进给驱动系统,则称开环数控系统。如图7所示,一般使用步进驱动系统作为伺服执行元件,所以也叫步进驱动系统。在开环控制系统中,数控装置输出的脉冲,经过步进驱动器的环形分配器或脉冲分配软件的处理,在驱动电路中进行功率放大后控制步进电动机,最终控制步进电动机的角位移。步进电动机再经过减速装置带动丝杠旋转,通过丝杠将角位移转换为移动部件的直线位移。因此,控制步进电动机的转角与转速,就可以间接控制移动部件的移动。
  
  图7开环控制的进给驱动系统
  采用开环控制系统的数控平面磨床结构简单,制造成本较低,但是由于系统对移动部件的实际位移量不进行检测,因此无法通过反馈自动进行误差检测和校正。另外,步进电动机的步距角误差、齿轮与丝杠等部件的传动误差,最终都将影响被加工零件的精度。特别是在负载转矩超过输出转矩时,将导致加工出错。因此,开环控制仅适用于加工精度要求不高,负载较轻且变化不大的简易、经济型数控平面磨床床上。
  (2)半闭环控制 图28所示为半闭环控制系统的进给控制框图。半闭环位置检测方式一般将位置检测元件安装在电动机的轴上,用以精确控制电动机的角度,然后通过滚珠丝杠等传动机构,将角度转换成工作台的直线位移,如果滚珠丝杠的精度足够高,间隙小,精度要求一般可以得到满足。而且传动链上有规律的误差(如间隙及螺距误差)可以由数控装置加以补偿,因而可进一步提高精度,因此在精度要求适中的中、小型数控平面磨床床上半闭环控制得到了广泛的应用。
  半闭环控制方式的优点是它的闭环环路短,因而系统容易达到较高的位置增益,不发生置输出的脉冲,经过步进驱动器的环形分配器或脉冲分配软件的处理,在驱动电路中进行功率放大后控制步进电动机,最终控制步进电动机的角位移。步进电动机再经过减速装置带动丝杠旋转,通过丝杠将角位移转换为移动部件的直线位移。因此,控制步进电动机的转角与转速,就可以间接控制移动部件的移动。
  
  图8半闭环控制系统的进给控制框图振荡现象。它的快速性好,动态精度高,传动机构的非线性因素对系统的影响小。但如果传动机构的误差过大或误差不稳定,则数控系统难以补偿。例如,由传动机构的扭曲变形所引起的弹性变形,因其与负载力矩有关,故无法补偿。由制造与安装所引起的重复定位误差,以及由于环境温度与丝杠温度的变化所引起的丝杠螺距误差也不能补偿。因此,要进一步提高精度,只有采用全闭环控制方式。
  (3)全闭环控制
  全闭环控制方式直接从机床的移动部件上获取位置的实际移动值,因此其检测精度不受机械传动精度的影响。但不能认为全闭环方式可以降低对传动机构的要求。因闭环环路包括了机械传动机构,它的闭环动态特性不仅与传动部件的刚性、惯性有关,而且还取决于阻尼、油的粘度、滑动面摩擦因数等因素。这些因素对动态特性的影响在不同条件下还会发生变化,这给位置闭环控制的调整和稳定带来了困难,、导致调整闭环环路时必须要降低位置增益,从而对跟随误差与轮廓加工误差产生了不利影响。所以,采用全闭环控制方式时必须增大机床的刚性,改善滑动面的摩擦特性,减小传动间隙,这样才有可能提高位置增益。全闭环控制方式广泛应用在精度要求较高的大型数控平面磨床上。
  
  图9全闭环控制系统进给控制框图
  由于全闭环控制系统的工作特点,它对机械结构以及传动系统的要求比半闭环控制系统更高,传动系统的刚度、间隙和导轨的爬行等各种非线性因素将直接影响系统的稳定性,严重时甚至产生振荡。
  解决以上问题的最佳途径是采用直线电动机作为驱动系统的执行器件。采用直线电动机驱动,可以完全取消传动系统中将旋转运动变为直线运动的环节,大大简化机械传动系统的结构,实现了所谓的“零传动"。它从根本上消除了传动环节对精度、刚度、快速性和稳定性的影响,故可以获得比传统进给驱动系统更高的定位精度、快进速度和加速度。
  (4)混合式闭环控制 图30所示为混合闭环控制的进给驱动系统。混合闭环控制方式采用半闭环控制与全闭环控制结合的方式。它利用半闭环控制所能达到的高位置增益,从而获得了较高的速度与良好的动态特性。它又利用全闭环控制补偿半闭环控制无法修正的传动误差,从而提高了系统的精度。混合闭环控制方式适用于重型、超重型数控平面磨床床,因为这些机床的移动部件很重,设计时提高刚度较困难。
  
  图30混合闭环控制的进给驱动系统
  高效磨床的重要特征是可以增大相对加工工件的砂轮切入速度范围。也就是说以往采用的普通切入速度,根据91T_对象不同,外圆磨床一般是0.03~0.1mm/min,粗磨二般是0.4~1mm/min,精磨一般是0.03~0.1mm/min,但高效磨削粗磨使用的切入速度就要高得多,一般在10~30mm/min,但精磨使用的切入速度和过去相同。高效磨削进给速度范围要宽得多,一般在0.03~30mm/min,因此大多是采用伺服电动机驱动滚珠丝杠数控或直线电动机来实现。伺服电动机通过无间隙传动弹性联轴器驱动滚珠丝杠,滚珠丝杠螺母和砂轮架体壳连接在一起,滚珠丝杠的运动就带动了砂轮架的前进、后退、快速或慢速运动,由于采用伺服电动机,其进给速度可以在更宽的范围内实现,一般为0.01-3000mm/min.