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采用线性电机的高速数控切割机的发展
Seamus Gordon 1, Michael T. Hillery lowast;
爱尔兰利默里克利默里克大学制造与运营工程系
2001年4月18日收到; 于2001年12月6日以修订形式收到; 于2003年8月6日接受
摘要： 构造数控机床的传统方法是使用旋转驱动电机和滚珠丝杠来实现工作台运动。与这种方法相比，直线电机提供了几个优点，包括低惯性，更好的性能，更高的精度和更低的复杂性。本文介绍了如何使用线性电机构建低成本高速切割机，以便对复合材料进行加工测试。机器配置是龙门式X/Y运动系统，其上安装了高速电主轴。两者都与一个独立的CNC控制器接口，其中基于Microsoft Windows的界面是用C 编写的。该机器具有CNC路由器的常用功能，工作台速度超过40m/min，主轴转速可达30,000r/min。这台机器被用来进行工具磨损监测测试，作为大学正在进行的研究项目的一部分。
关键词：高速加工; 数控切割机; 直线电机; C
1.介绍
术语“高速加工”（HSM）已经用了很多年，用于描述在高转速下使用小直径刀具进行端铣。用于定义HSM的标准各不相同[1]。除了转速以外还可以使用各种标准，如外围切削速度，材料去除率和进给速率来定义HSM。此外，[2,3]切割操作类型和使用的工具以及工件材料可能会限制可达到的速度。
然而,对于传统的机械加工工艺，似乎有一种共识，[4–6]即主轴转速通常为10000r/min至1000000r/min，尽管在某些铣削操作中允许低至5000r/min的转速[7]。高转速通常与高台面进给速度结合在一起，[1]轮廓加工通常在15-60m/min的范围内进行。
高速加工的优势包括提高材料去除率，减少刀具磨损，改善表面光洁度，加工薄壁零件的能力以及加工硬质材料的能力[1-8]. 高速机床价格昂贵，因为它们在传统数控机床的构造中需要更加严格，并且需要比通常规格的数控系统更高的加工精度来加工复杂轮廓，这在高速模具和模腔工作中经常见到。传统的机床制造方法是使用旋转电机和驱动螺杆来实现运动。这类机器性能的限制因素是有限的最大转速，惯性，饱和，反冲和滞后[8]。线性电机就是一个由两个由直线轴承支撑的刚性部件组成的电磁致动器。 线性电机比传统驱动系统具有显着的优势。 速度超过6m/s和加速度为100m/s2是常见的，[8] 而速度为11m/s，加速度为200m/s2.由于除了电机块外没有移动部件，重复性和精度也得到提高[8]. 此外，线性驱动技术的简单机械安排和相对较低的成本使其成为开发用于高速铣削的工作台运动系统的基础。
2.机器设计和施工
机器的设计由以下任务组成，这些任务按照给定的顺序执行：
(a)高速电主轴的规格；
(b)线性电机系统和CNC控制的有效载荷和规格的计算；
(c)机器底盘的制造；
(d)电主轴与CNC控制器的接口；
(e)为系统提供基于PC的用户界面。
2.1.电主轴
主轴速度可用转速和额定功率来表示。控制主轴转速和使用寿命的因素包括所用轴承的类型和尺寸，所使用的润滑系统和动力装置[1]。热增长是影响主轴性能的重要因素[10,11] 制造冷却系统是必要的。选择的主轴是Faemat 110 CU 5.1 kW液冷式电主轴，转速在500转/分至30,000转/分之间，由变频器控制。主轴连接到PLC，而PLC又需要连接到CNC控制器。该系统允许主轴转速和旋转方向由20 V数字量和0-5 V模拟量输入控制。主轴总质量为29千克，总有效载荷为35千克，包括辅助设备。
2.1.1.工具持有
多年来，加工中心通常使用通常称为“ISO锥度”（ISO 297，BS1660 Part 4，DIN69871）的陡锥锥度夹头卡盘，并且有多种尺寸可供选择，最普通的锥度尺寸是30,40,45和50.使用的锥角是7:24。卡盘和机床主轴锥角根据（ISO 1947，BS4500，DIN7178）指定的不同精度制造，从而产生从AT1（高公差）到AT6（低公差）范围的“AT”数字范围。 标准机床根据AT3或AT4制造。建议在高速加工应用中使用AT2锥度控制或更好的控制[12]。 ISO锥形卡盘在高转速下使用时有一些缺点。 它们具有较大的质量和尺寸，并且容易因离心力而变形。另外，由锥形界面上的不准确引起的运行会导致振动。 由于系统使用单个锥形来提供位置，因此在换刀之间可重复性会出现一些错误。
2.2.直线电机系统
上面列出了直线电机在旋转系统上的优点。传统上，直线电机的设计是通过“旋出平面”来旋转相应的元件[8]。这与通过传统电机电枢和旋转定子切割并将其平放的假想等价物相同。这种方法的变化包括线性步进电机，台式直线电机，线性感应电机和U型线性无刷电机。有许多供应商，包括GE Fanuc，三菱电机，THK America，派克/ Compumotor等。 Linear Drives Ltd.生产的电动机基于磁性推力管和运动圆形线圈的移动推力块。这种设计的优点是机械简单，不需要精确的气隙或对准。 它也不同于上面提到的设计，因为它不是#39;平面布置#39;设计。当磁性线圈环绕定子磁体时，更多地使用磁通量来提供更好的性能。当安装在轴承轨道上时，它可以用作滚珠螺杆的“下入”替换件[13]。
2.2.1.电机规格
选择的电机配置是三台线性驱动器供电电机模块，采用龙门式布置。动力电机模块是一个独立单元，包括安装在挤压铝基座上的电机管，模块，线性轴承和编码器，如图所示图 1和2。主轴或X轴的长度为2米，由双驱动
图1.直线电机和轴承
图2.电机细节。
平行电机对设置为1米。然后将Y轴（横轴）安装在它们的顶部。这反过来又带有垂直的Z轴滑道和电主轴。Z轴是由传统的旋转伺服电机和滚珠丝杠驱动，以尽量减少重力对系统的影响。所需的运动包线为1500毫米*1000毫米*75毫米。 为了计算电机尺寸，X轴上的50kg和Y轴上的35kg的有效负载基于35kg的主轴质量和Y轴的15kg的质量
电机和龙门结构设计选用：
选择的电机是Linear Drives LD 3806管状线性电机。 性能特征总结如下，并在中显示图3。
|
峰值力（N） |
750 |
|
峰值速度（m/s） |
4.5 |
|
峰值加速度（m/s2） |
170 |
图3.负载为40 kg的LD3806直线电机的时间与位移。
对于X轴（质量= 45 kg），可能有以下加速度：
最大受力
=33.33m/s2或33.9g
质量
在0.02s的时间内，最大横移速度为40m/min，距离3.3mm。同样，对于Y轴最大加速度为21.42 m/s2计算出相当于2.18g，在0.03s内给出10mm的斜坡距离,这些值与报告的值一致[5-14]。
电机由三个线性驱动器LDA 3103200W无刷伺服放大器供电。线性磁编码器结合在两个轴上。编码器节距为0.001毫米，分辨率为0.005毫米。Z轴仅用于定位，并由Baldor BSM 63A无刷交流伺服电机驱动，该电机由Baldor DBSC 104放大器供电。位置分辨率为0.001毫米。机器布局显示在图4和5。
2.3 机器底盘
机器底盘由两部分组成。为了在高轴加速度下保持机器的稳定性，机台需要具有较大的质量。该表测量为2米*1.2米*0.3米，质量约为1500千克。桌子用钢筋混凝土浇铸成一块。将便于真空夹紧系统的气道浇铸到台面的顶部表面。为了提供连接线性电机的方法，在工作台中还嵌入了预制挤压铝框架。这提供了用于夹紧的平坦表面和T形槽电机。总体显示在图6。将一张tufnol层压塑料材料拧到台面上，然后加工成平面以提供基准面。
times; times;
该机器的底座由100毫米空心型钢制成，并用螺栓固定在混凝土基座下方。 提供八英尺可调节垫以方便找平。
图4.机器布局。
2.4.CNC控制
使用的控制器是Baldor Nextmove BX 3轴伺服运动控制器，该控制器配备了线性电机系统。该控制器是一个独立的单元，通过RS-232串行链路与终端模式下的PC进行通信。该控件能够存储和执行整个程序以及通过终端接口由个别键入的命令控制。此外，还提供了八个光电隔离数字输入和输出以及两个模拟输出，可用于与其他设备连接。 使用的编程语言是MINT，它是为运动控制应用程序设计的BASIC结构形式[15]。 除了常规的BASIC语法之外，它还内置了附加的动作特定关键字，用于控制轴的位置，速度和轴的同步。表格1显示了一个典型的MINT程序的片段。MINT还可用于提升和降低单个数字输出以及测试输入。例如，命令OUT.1 = 1：PAUSE IN.3将升高输出1，然后等待输入3升高。
图5.电主轴和滑动装置。
图6.机器混凝土基座：（a）顶部; 和（b）底部。
2.4.1.连接控制器和主轴
电主轴系统提供20 V输出，对应于以下功能：主轴切换到CNC；主轴关闭； 和目标速度下的主轴。可用的输入是开始主轴和停止主轴。此外还使用一个0-5 V输入的模拟量来控制主轴转速。一旦主轴连接到控制器，可以写入MINT子程序来启动和停止主轴。这些子程序在设定速度和开始运动之前测试了主轴是否处于自动模式，因此，除非主轴在运行，否则将防止轴运动。模拟输出由控制器内置的14位数模转换器（DAC）控制，最大分辨率为8192个增量，导致主轴转速增量为3.6转/分。
表格1
示例MINT代码
COMMSMODE.tmRS232 = 1
RA
ACTIVEINLEVEL = 0xF8FF
ERRORIN [0,1,2] = 8,9,10
REPEAT
HM[0,1]=0.00,0.00
PAUSE ID [0,1]
UNTIL VEL[0,1]=0
SERVOC[0,1]
SPEED[0,1]=100,100
MOVEA [0,1] = 300.00,0.00:GO
2.4.2.机器调整
在最低级别的控制软件中，控制器软件产生的瞬时轴位置需求必须转化为电机需求。 这是通过电机的闭环控制实现的。 控制器比较期望位置和实际位置并计算电机的正确需求。 转矩由比例积分微分速度反馈和速度前馈（PIDVF）算法计算得出。 这被称为伺服回路。该循环在NextMove控件上每500微秒执行一次。
闭环算法的公式如下：
GN是伺服环路增益； D是错误的导数； e是正交计数中的跟随误差； tau;是伺服更新周期（采样时间）；KV是速度反馈增益； v是实际的轴速度；KF是速度前馈增益； V是需求轴速度；KI是积分反馈。
为确保令人满意的闭环控制，有必要设置PIDVF回路的参数以匹配系统惯量和电机/编码器组合。 这是通过使用连接到控制器上的模拟位置输出的示波器测量系统的速度曲线并将其与理想速度曲线进行比较来凭经验进行的。最关键的参数如下：
(i)伺服回路增益参数（GN）控制与后续误差成比例的电机力。这会导致电机朝期望的位置移动。如果没有其他的力发挥作用，马达会趋于超调并在期望位置摆动。 GN的高值会导致电机提供更高的推力，但增加的趋势变得不稳定。
(ii)速度反馈增益是一个阻尼项，它提供与电机速度成比例的力，并与GN所支配的力方向相反。该参数设置用于抵消由高增益值引起的不稳定性。 理想情况下，系统应该严格抑制，以免发生过冲或振荡。
(iii)引入积分反馈KI项以减少电机的建立时间和稳态误差。积分反馈提供随时间增加的力，并倾向于将马达移动到期望的位置。
用于调谐系统的方法是首先增加伺服环路增益，直到开始或不稳定，然后增加速度反馈直到阻尼为止。这是逐步完成的，直到达到令人满意的速度曲线。 最后，积分反馈值通过在静止时将轴偏离一个小的位置（0.02mm）推动，然后测量轴移回原位所需的时间来设定。
2.5.用户界面
机器提供一个用户界面被认为是可取的，它将尽可能地提供与常规机床控制系统相同的功能。决定在界面中加入以下功能（图7）：
1.通过交互式程序编辑屏幕支持ISO#39;G-Code#39;程序;
2.机器归位，手动点动
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