材料加工技术doc

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1、材料加工技术166（2005）321-329 高速数控切割机采用直线电机的发展 谢默斯戈登 1 ，迈克尔T。Hillery * 制造和工程业务，利默里克大学，利默里克，爱尔兰 收到2001年4月18日，在2001年12月6日收到;接受2003年8月6日 摘要 构建数控机床的传统方法已经使用旋转驱动电机和滚珠丝杠来实现工作台的运转。 线性 电机提供了这种方法的几个优势，包括低惯量，更好的性能，提高精度和降低复杂性。 本文介绍了一种低成本，高速切割机，采用线性电机，以便进行加工测试 复合材料。 机器的配置是龙门的X / Y型运动系统，其中安装高速电主轴。 均与基于Microsoft Windows

2、的界面是运用C+语言写在一个独立的CNC控制器接口。 本机具有 通常的CNC路由器的功能和速度超过40米/分和30000转/分的主轴转速表。 本机 用于刀具磨损监测，作为一个在大学里正在进行的研究项目的一部分进行测试。 2004爱思唯尔BV保留所有权利。 关键词：高速加工，数控切割机;直线电机的C + + 1。 介绍 “高速加工（HSM），已使用 若干年来形容与小端铣 直径在高转速工具。 使用的标准 在除了转速，用来定义HSM的准则各不相同1。 除了转速，各种标准，如周边的切割速度，材料去除率率和饲料率，可用于定义的HSM。 此外， 2,3 他切割操作的类型和使用的工具和工作 片材，可以并处速

3、度达到极限。 然而，处理有传统的加工 似乎是一个共识，主轴转速 通常为10000转/分至100,0000转/分的， 4-6 虽然 在某些铣削操作允许使用低转速为5000转/分 7。 高转速，通常适用 高工作台进给率，轮廓加工通常 在15-60范围内的地方米/分 1。 * 通讯作者。 电话：+353 61 202852传真：+353 61 202913。 E-mail地址：seamus.gordon ul.ie（S.戈登） michael.hillery ul.ie（吨Hillery）。 1 电话：+353 61 202888。 高速机床的优点包括提高材料切除率，减少刀具磨损，提高平 面光洁度，

4、机薄壁部件的能力; 机硬质材料的能力 1,8。 高速机床是昂贵的，因为他们需要 更严格的构造，然后常规数控机床 并需要高于正常规格的数控控制， 错综复杂的轮廓机，它通常存在于 在高速行驶时的模具和模具型腔工作。 传统的 设计机床的方法已经使用旋转 电机和驱动器的螺丝来实现运转。 这种类型的机器的性能限制因素是有限的最大 旋转速度，惯性，发条，间隙和回程 直线电机是一个简单的电磁促动器 8。 由支持两个由直线轴承的刚性零件组成。 直线电机比传统的驱动系统具有显着的优势，。 速度超过6米/秒和加速度 100米/秒 2 是常见的， 8 而11米/秒的速度和 200米/秒的加速度， 2 已被声称 9。

5、 没有移动部分除运动阻滞，重复性 和准确性也有所改善 8。此外，简单的 线性PLE机械安排和相对低廉的驱动技术成本 ，使得它在作为 发展高速铣削运动系统的基础上更具吸引力。 0924-0136元/ -看到前面的问题2004爱思唯尔BV保留一切权利。 DOI：10.1016/j.jmatprotec.2003.08.009 第2页 322 S.戈登，Hillery吨/材料加工技术166（2005）321-329 2。 机械设计与施工 机床的设计包括以下几个任务 其中按给定的顺序进行： （一）高速度电主轴说明书; （二）有效载荷的计算和线性 电机系统和数控说明; （三）制造机机箱; （四）接口CN

6、C控制电主轴; （e）提供的电脑系统的用户界面。 2.1。 电主轴主轴，涵盖了广泛的旋转速度和额定功率。 ， 主轴转速和寿命决定了使用轴承的类型和大小 ，润滑系统和功率1。 热增长是影响主轴性能的重要因素，所以需要安装10,11 冷却系统 。 选择的主轴是1 110 Faemat CU 5.1千瓦 的液冷电主轴，运转速度在 500转/分和30000转/分之间，由频率转换器控制 。 主轴连接到PLC，依次连接到 所需CNC控制。 系统 允许的主轴转速和旋转方向 由20 V数字,0-5 V模拟 输入。 主轴的整体质量为29公斤 导致总体在35公斤的有效载荷，包括附属 设备。 2.1.1。 刀柄 弹

7、簧夹头纳入陡峭的锥形，俗称为“ISO锥度（ISO297，BS1660第4部分，DIN69871）一直在加工中心共同使用多年，并在尺寸范围内，最常见的锥形大小30，40，45和50。 锥度 角度使用的是7:24。夹头及机床主轴锥角制造指定（ISO1947，BS4500，DIN7178），引起了不同的精度“AT”的数字范围从AT1（高宽容）AT6（低公差。标准机床制造，AT3或的AT4。 AT2的锥度控制或更好推荐用于高速加工应用12。 在高转速时,ISO锥度夹头有一些缺点，。 他们的质量和规模较大，并 容易发生离心力失真。 此外，用完 在锥度接口不正确造成的可能会引起 振动。 由于该系统采用了单

8、锥度提供位置 ，可能在工具的变化之间有一些重复性错误近年来HSK刀柄系统(ISO/DIN 12164-1, ISO/DIN 12164-2)在高速加工中已经获得了普及。 这个称号是“空心短锥的缩写 从德语翻译，并在1993年首次出现。该系统采用空心柄和1:10的锥度。它有一半常规刀柄的质量和使用两个接触面，从而增加重复性提供位置。 在高速行驶时的离心力作用于内部的面孔 刀柄，夹紧压力增加。 “ 尺寸是50，63，80和100，分别对应 ISO 30，40，45和50，分别。HSK刀柄形式，A，B，C，D，E和F以法兰尺寸上的变化，驱动器键，冷却液管住宿为手动或自动工具的变化。 然而，该系统具有

9、一些消极方面。 “ 该系统对污垢是比较敏感的11 ，可用排列有时被认为是太多。 此外，在某些情况下，为确保稳定性，可能意味着需要一个较长的刀具悬短锥。 主轴配备了HSK 50表格B， 它拥有一个特大型凸缘而没有驱动 键。 2.2。 直线电机系统 旋转系统，直线电机的优势 已经被上文所述。传统上，直线电机已通过“开放平面的旋转同行8。 这相当于削减通过传统的电机电枢和旋转定子和他们铺设了平坦的想象是相同的。 这种方法包括线性变化 步进电机，滚筒式直线电机，直线感应 电机和U形线性无刷电机。 有一些供应商包括GE FANUC，三菱电子数 TRIC，THK美国帕克/ Compumotor的和其他人。

10、 线性 驱动器有限公司生产的电机，基于磁性推力 管和携带移动的推力块圆形线圈。 “ 说这种设计的优点是，它是机械 简单，不需要精密的 空气间隙或对齐。 这也从设计不同上面提到的在这个意义上 这不是一个布局扁平设计。由于电磁线圈包围定子磁铁，更多地利用磁通量提供更好的性能。 当安装在 轴承导轨时，它可以用来更换为“降” 滚珠丝杠 13。 2.2.1。 电机规格 电机安排是由三个线性驱动器的供电电机模块在龙门上 的安排所决定的。 电机供电模块是一个自包含的单元组成一个 电机管，块，直线轴承和编码器安装在一个 挤压铝基地，在 图 所示 。 1和2 。 小学或X轴的长度是2米，是由一个平行双电机对驱动

11、设置1米外图 1。 直线电机和轴承。 第3页 S.戈登，Hillery吨/材料加工技术166（2005）321-329 323 图 2。 汽车细节Y轴（横轴） 然后装上这些顶尖。 这反过来安装 垂直 Z轴滑道和电主轴。 Z轴 由一个传统的旋转伺服电机和滚珠丝杠来驱动 尽量减少系统上的重力效应。 该方案所需的外壳是1500毫米1000毫米 75毫米。 计算电机的尺寸，有效载荷50公斤 估计的基础上的 X轴和Y轴35公斤 主轴的质量和35公斤，15公斤为Y轴的质量 电机和龙门式结构。 电机是直线驱动器的LD 3806肾小管 直线电机。 性能特点归纳如下图图。 3。 峰值力（N） 750 峰值速度（

12、米/秒） 4.5 峰值加速度（米/秒 2 ） 170 图 3。 LD3806直线电机与负载的时间与位移 40公斤。 对于 X轴（质量= 45公斤）下面的加速度 是可能的： 加速度= 峰力 质量 = 33 33米/秒 2 （ 三）39 最大移动速度40米/分，达到- 能够在0.02秒的时间超过3.3毫米的距离。 同样，对于Y轴最大加速度21.42 m/s2相当于2.18g在0.03秒10毫米的斜坡距离计算。 这些值与文献报道的线 5,14。 供电由三个LDA的线性驱动电机 3103200W无刷伺服放大器。 线性磁 编码器被纳入在两个轴。 编码器 间距为0.001毫米0.005毫米的决议。 Z轴仅

13、用于定位，保德BSM63A无刷交流伺服电机，由保德DBSC的104放大器供电驱动。 位置 精度为0.001毫米。 机器的布局所示 图。 4和5。 2.3。 机机箱 机器底盘制造两部分。 “ 机械表需要有一个大质量，为了维持高轴加速度下了机器的稳定性 工作台测量2米1.2米0.3 m的质量约1500公斤。表格被抛在一个钢筋混凝土块。 为方便真空夹持系统气道被安置在工作台表面。为了提供用于连接直线电机的方法，一个预制挤压铝框也嵌入在工作台。 这为夹紧电机提供了一个平坦的表面和三通插槽。第4页 324 S.戈登，Hillery吨/材料加工技术166（2005）321-329 图 4。 机布局。 该底

14、座如图所示 。 6 。拧一张tufnol层压塑料材料的工作台面为机械加工平面提供基准面。 机器的底座是由100毫米中空型钢制造， 用螺栓连接下方混凝土基座。 提供了8可调垫脚 以方便整平。 2.4。 CNC控制 使用的控制是Baldor公司的NextMove BX 3轴伺服 运动控制器，由直线电机系统提供 。 该控件是一个独立的单位，传达 与PC机通过RS-232串行 链路终端模式。 “ 该控件是能够存储和执行整个程序， 图 5。 electrospindle和幻灯片安排。 第5页 S.戈登，Hillery吨/材料加工技术166（2005）321-329 325 图 6。 机混凝土基础：（一）上方;及（b）底部。 以及通过终端接口实现个别类型的命令控制 。 此外，提供了8个光电隔离数字输入和输出以及两个模拟输出 ，可用于与接口其他 设备。 所使用的编程语言是MINT，是一种 运动控制程序设计的基本结构形式 15。除了正常的基本语法， 有额外的运动，它的特定的关键字， 允许轴的位置，速度和同步控制 轴。 表1 S 展示了一个典型的MINT程序片段。 MINT也可用于提高和降低个人数字 输出以及测试输入。 例如，命令 OUT.1 = 1：暂停英寸3将产量提高