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1、分析并评价高速数控机床三种进给系统冯青凯沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 摘要:明确高速加工对机床进给系统的要求。比较和分析滚珠丝杠、直线电机和并联虚拟轴机构等三种高速进给系统 的性能、特点、存在问题及其解决办法，并指出它们各自的适用范围和应用前景。关键词:高速数控机床；进给系统；滚珠丝杠；直线电机；并联虚拟轴机构Analysis and evaluation on three feed drive systems ofCNC high speed machine toolFeng Qingkaimechanical engineering College of Shenyang Univer
2、sity, LiaoningAbstract:Determine the request of high speed machining to the feed system.Compare and analyse the ball screw,linear motor and parallel virtual mechanism used in high speed feed system in their performance,characteristic,problem and its solution.Their application and development trend a
3、re pointed out.Key words:High speed machine tool;feed system;ball screw;linear motor;parallel virtual mechanism0 前言高速加工的切削速度为常规切速的10 倍左 右。为保证零件的加工精度、表面质量和刀具的 耐用度,刀具每齿进给量基本保持不变 ,则进给 速度也必须相应提高 10 倍左右,达到 60m/min 以上,有的甚至高达120m/min。大的进给量和快 速移动速度, 本身也缩短了切削工时和辅助工 时。当机床加工零件时, 工作行程一般只有几十 至几百毫米, 因此只有瞬间达到高速和在高
4、速行 程中瞬间准停, 高速运动才有意义。这就要求高 速机床不但进给速度高,而且加速度大,最大加 速度值要达到（18）g。实现高速进给, 除了继续采用经过改进的滚 珠丝杠以外,最近几年又出现了“直线电机”和 “并联虚拟轴机构”等新型的高速进给方式,从 结构、性能到总体布局, 三者之间都有很大的差 别, 形成了三种截然不同的高速进给系统。本文结合国内外高速加工技术的最新发展 和应用情况, 比较、分析了这三种高速进给系统 的特点、问题和适用范围,希望能得出一些比较 全面、比较客观的评价意见, 供读者参考。1 对高速进给系统的基本要求高速进给系统是高速数控机床的关键部件 之一。随着高速加工技术和高速数
5、控机床的不断 发展，对高速机床进给系统的要求越来越高。目 前对高速机床进给系统的要求可概括为以下几 个发面：（1）高速度。由于高速机床的主轴转速比 常规机床要的多，因此为了保证高速切削的顺利 进行，要求进给系统必须提供足够高的进给速 度。目前，高速机床对进给速度的基本要求为 60m/min以上，特殊情况可达120m/min,甚至更 高。（2）高加速度。机床加工零件的工作行程 一般只有几十至几百毫米, 如果不能提供大的加 速度（瞬间达到高速）和在高速行程中瞬间准停, 高速度是没有意义的。这就要求高速机床要有很 大加速度大。目前，高速机床要求进给加速度为 12g，某些超高速机床要求进给加速度达到2
6、 10g。（3）高精度。精度是机床的关键技术指标， 高速机床对精度的要求尤为突出。在高速运动 时，进给驱动系统的动态性能对机床的加工精度 影响很大，再设计高速机床进给系统是应充分的 重视。（4）高可靠性和高安全性。进给伺服系统 是数控机床强、弱电之间的接口环节，其故障率 较高，对机床整体的可靠性影响较大；进给系统 包含运动部件，高速下失控，将非常危险。因此， 提高高速进给系统的可靠性和安全性对机床的 整机性能具有重要意义。（5）合理的成本。进给系统的成本在高速 机床总体成本中占有比较大的比重，因此采取有 效措施降低进给系统的成本，对控制整机成本具 有重要意义。2 高速滚珠丝杠普通的滚珠丝杠的直
7、线运动速度一般为2030m/min,加速度（0.20.3）g。然而，随着数控机床向高速发展，传统的滚珠丝杆副已显出 一定的不适应性。常规滚珠丝杆螺母副传动系统 的刚度低，受临界转速等的限制，难以提高系统 的动态特性，限制了速度和加速度的提高；高速 发热比较严重，影响机床精度；受疲劳强度的限 制，高速工作时寿命较低。为此, 国内外有关制 造厂商不断采取措施 , 提高滚珠丝杠的高速性 能。主要措施有:2.1 提高系统刚度高的动、静刚度是实现高速进给传动的基 础。为提高滚珠丝杠螺母传动系统的进给速度和 加速度，必须首先在提高丝杆扭曲刚度和轴向刚 度上下工夫。这方面的主要措施有：丝杆采用中 空结构，并
8、进行预拉伸处理，同时，提高丝杆的 支撑刚度。此外，通过优化设计和采用先进的制 造工艺，使滚珠与滚道的适应度处于最佳状态， 从而有效提高接触刚度。2.2 适当增大滚珠丝杠的转速、导程和螺纹头数 滚珠丝杠副的直线运动速度为丝杠导程与丝杠转速的乘积。提高丝杠转速对加大进给量有 利, 但滚珠丝杠是一种细长的非刚性元件 , 提高 转速会加剧丝杠副的温升、热变形、振动和噪声, 如果接近其临界转速,还有产生共振的危险。因 此,丝杠转速的提高有一定的限制。而加大滚珠 丝杠的导程,即使转速相同,也可实现更高速的 进给。但是导程越大,导程精度越难保证。从兼 顾速度与精度两方面考虑,滚珠丝杠导程也只能 适度加大,一
9、般高速精密滚珠丝杠导程可加大至 丝杠直径的1/2左右,螺纹升角高达917。 目前常用大导程滚珠丝杠名义直径与导程的匹配 dp 为：40mmx20mm、 50mmx25mm、 50mmx30mm0n等, 其进给速度均可达到 60m/min 以上。为了提 高滚珠丝杠的刚度和承载能力, 大导程滚珠丝杠 一般采用双头螺纹 , 以增加滚珠的有效承载圈 数。2.3 改进结构,提高滚珠运动的流畅性(1) 对螺母结构进行特殊设计。适当减小 滚珠直径，钢球采用空心结构，将滚珠链中的钢 球按一大一小间隔排列等。此外，通过对螺纹滚 道和反向装置(回珠器)进行优化设计，采用三 维造型的导珠管或回珠器, 真正做到沿着内
10、螺纹 的导程角方向将滚珠引进螺母体中, 使滚珠运动 的方向与滚道相切而不是相交，可改善滚珠快速 滚动时的流畅性。这样可把冲击损耗和噪声减至 最小。(2) 采用陶瓷等新材料制造滚珠。陶瓷材料 (如Si3N4等)具有硬度高、密度小、弹性模量大、线膨胀系数小、耐磨损、寿命长等突出优点。 高速滚珠丝杠中滚珠的自旋速度、公转速度很 大。采用小直径氮化硅(Si3N4)陶瓷球，可减小 滚珠的离心力和陀螺力矩，从而有效提高滚珠丝 杆副传动系统的高速性能。并用特殊树脂材料一 做滚珠的保持架, 把相邻滚珠隔开, 以避免滚珠 之间的摩擦、碰撞和挤压。树脂保持架对滚动体 还有润滑作用, 可减少丝杠副的发热与噪声。(3
11、) 对螺母预加载荷进行自适应控制。在滚 珠丝杆传动系统运行过程中，通过传感器对螺母 预加载荷进行动态控制, 使之在滚珠丝杠的全行 程范围内保持不变。该装置一般包括传感器和压 电晶体调节器两部分, 将其安装在双螺母之间。 当预紧力在工作中发生变化时, 传感器就发出信 号, 通过机床的 CNC 系统产生控制指令, 利用压 电晶体调节器的膨胀或收缩, 适时对滚珠丝杠副 的预紧力进行补偿和控制, 使其总是保持在给定 值上。这样，就可以保证滚珠丝杆副工作在最佳 状态，有利于在高速下长时间可靠运行。2.4 实施强制冷却，减小发热的影响 高速滚珠丝杠在运转时由于摩擦产生温升, 造成丝杠的热变形, 直接影响高
12、速机床的加工精 度。采用“空心强冷”技术, 就是把恒温冷却液 通人空心丝杠的孔中, 对滚珠丝杠进行强制冷却, 保持滚珠丝杠副温度的恒定。这个措施是提高 中、大型滚珠丝杠高速性能和工作精度的有效途 径。2.5 可采用丝杠固定、螺母旋转的传动分配方式 此时, 螺母一边转动、一边沿固定的丝杠作 轴向移动, 螺母支架带着机床进给部件实现高速 进给。由于丝杠不动,可避免受临界转速的限制, 避免了细长滚珠丝杠高速运载时出现的种种问 题。螺母惯量小、运动灵活,可实现的转速高。 国外有的公司甚至把伺服电机的转子做成空心 结构,与滚珠螺母刚性连接,并以 3000r/min 的 速度旋转,带动工作台可实现 90m
13、/min 以上的高 速直线运动。总之,通过采取上述种种措施后 ,可在一定 程度上克服传统滚珠丝杠存在的一些问题。日本 和瑞士在滚珠丝杠高速化方面一直处于国际领 先地位，其最大快移速度可达60m/min。,个别情 况下甚至可达90m/min。加速度可达1.5g。由于 滚珠丝杠历史悠久、工艺成熟、应用广泛、成本 较低,因此在中等载荷、进给速度要求不十分高、 行程范围不太大（小于45m）的一般高速加工 中心和其他经济型高速数控机床上仍然经常被 采用。3 直线电机滚珠丝杠由于是一种机械传动元件,其物理 机械性能有一定的极限。在高速下其“先天性” 缺陷（转动惯量大、摩擦磨损和发热严重、扭转 刚度低、存在
14、传动误差、反向死区引起非线性误 差和弹性变形引起工作台爬行等）逐渐暴露出来, 影响机床的动态性能,不能很好地满足高速加工 的要求。一种崭新的实用型传动方式直线电机驱 动的高速进给系统就应运而生。它把机床进给传 动链的长度缩短为零,取消了从电动机到工作台（溜板） 之间的一切中间机械传动环节,实现了机 床进给系统的“零传动”。世界上第一台采用直线电机的数控机床是 德国 Ex-Cell-O 公司于 1993 年生产的 HCS-240 型高速加工中心,采用了德国 Indramat 公司开 发成功的感应式直线电机。该机床的最主轴高转 速为24000r/min,工作台最大进给速度为 60m/min。几乎与
15、此同时，美国Ingersoll公司也 研制成功 HVM-800 型高速加工中心,采用美国 Anorad 公司生产的永磁式直线电机。该机床最 主轴高转速为20000r/min,工作台最大进给速 度为76.2m/min。此后，世界各工业发达国家纷 纷投人巨资, 大力研究开发直线电机驱动的高速 机床, 直线电机在高速机床上的应用就像“雨后 春笋”般迅速发展起来。图 1 所示为感应式直线电动机高速进给单 元的工作原理图。初级次级初级冷却板工作台滾动导轨次级冷却板位置测量系统滚动导轨图 1 直线伺服电动机驱动的高速进给单元3.1 直线电机用于机床进给系统的优点（1）速度高。直线电机直接驱动工作台, 无任
16、 何中间机械传动，无旋转运动, 不受离心力的作 用, 容易实现高速直线运动，最大进给速度可达 90180m/min。(2) 加速度大。由于进给系统中取消了一些 机械传动件(如丝杠),加上直线电机启动力大, 结构简单,质量轻,反应极其灵活快捷,可容易实 现灵敏的加速和减速，其最大加速度高达2 10g。(3) 定位精度高。进给系统一般以光栅尺为 定位测量元件,采用闭环反馈控制系统 ,工作台 的定位精度高达 0.10.01mm。(4) 行程不受限制。直线电机的次极是一段 一段连续铺在机床床身上的 ,次极铺到哪里 ,初 极(工作台)就可运动到哪里,不管有多长,对整 个进给系统的刚度没有任何影响,这是滚珠丝杠 不能比的。例如,最近美国 Cincinnati Milacron 机床公司为航空航天工业开发成功开
