數(shù)控活塞車床直線伺服刀架的設(shè)計(jì)*

宋東超

(安陽鑫盛機(jī)床股份有限公司，河南安陽 455000)

數(shù)控活塞車床直線伺服刀架的設(shè)計(jì)*

宋東超

(安陽鑫盛機(jī)床股份有限公司，河南安陽 455000)

活塞裙部異型外圓加工是活塞加工的關(guān)鍵，文章針對(duì)活塞裙部非圓加工的特點(diǎn)，提出一種由兩套直線電機(jī)背對(duì)背安裝的結(jié)構(gòu)形式，研制出一種可以實(shí)現(xiàn)高頻響微進(jìn)給大推力的直線伺服刀架。該刀架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試操作方便，為我國(guó)高檔活塞的加工提供一種有效的加工設(shè)備。

數(shù)控活塞車床;直線伺服刀架;直線電機(jī);中凸變橢圓活塞

0 引言

使用數(shù)控車削方法加工中凸變橢圓活塞，在主軸高速旋轉(zhuǎn)的情況下，要求刀具在軸向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，徑向保持高速高精度往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以加工出橢圓截面和中凸曲線，并具有高速、高頻響的特性，為了滿足以上要求，刀具的徑向直線運(yùn)動(dòng)需要一種能夠提供高速度、高加速度、高精度運(yùn)動(dòng)的直線驅(qū)動(dòng)裝置。國(guó)內(nèi)外目前已開發(fā)出多種微進(jìn)給伺服刀架如電液伺服式、電磁吸鐵式、伺服電機(jī)-滾珠絲杠式、壓電執(zhí)行裝置等。但存在傳動(dòng)間隙無法消除、精度低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、噪音大、能耗高等問題，無法滿足高頻響、高精度非圓加工的需求。

1 數(shù)控活塞車床加工活塞原理

中凸變橢圓活塞數(shù)控車削加工原理如圖1所示。利用車床車削外圓的特性，使用刀具車削出角度為θ的多段插值曲線(直線、弧線、樣條曲線等)來逼近設(shè)計(jì)的橢圓曲線。在數(shù)控車削加工中凸變橢圓活塞時(shí)，主軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，X、Y、Z軸按照程序設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。同時(shí)高頻響直線電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)刀具做高頻高精度往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而加工出橢圓截面。

圖1 中凸變橢圓活塞數(shù)控車削示意圖

首先根據(jù)活塞加工的特點(diǎn)對(duì)機(jī)床所需的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析?；钊庸に璧臋C(jī)床運(yùn)動(dòng)可分為成形運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)，其中成形運(yùn)動(dòng)包括工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及X軸、Y軸和Z軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用X，Y軸疊加的復(fù)合進(jìn)給系統(tǒng)。其中X軸的徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用高精度滾珠絲杠和高精度交流伺服進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng);Y軸為高頻振蕩軸，采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，是活塞加工中最重要的部分，X、Y、Z均配備高精度直線導(dǎo)軌和高精度光柵尺;可以完成三軸聯(lián)動(dòng)，并且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)?；钊庸ぶ?，依靠該刀具的往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成對(duì)活塞表面的橢圓部分進(jìn)行加工。

2 直線伺服刀架的設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

直線伺服刀架結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要有6個(gè)部分組成，包括底座、運(yùn)動(dòng)滑板、左、右直線電機(jī)、直線導(dǎo)軌、壓塊等。為了提高直線伺服刀架的高頻響特性，必須從以下兩個(gè)方面考慮:①對(duì)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì);②提高運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)特性。

圖2 直線伺服刀架結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)部件單元的輕量化設(shè)計(jì)

直線伺服刀架運(yùn)動(dòng)部件主要包括運(yùn)動(dòng)滑板、直線導(dǎo)軌滑塊、直線電機(jī)磁板等;由于刀架行程較短，直線電機(jī)的磁板重量比線圈重量輕很多，且磁板不發(fā)熱，因此采用了磁板移動(dòng)、線圈固定的結(jié)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)滑板材料采用鎂鋁合金，這種材料溫度變形系數(shù)較小、硬度高、不易變形，經(jīng)輕量化設(shè)計(jì)后重量只有3.5kg。通過以上方面的設(shè)計(jì)，達(dá)到了運(yùn)動(dòng)部件的輕量化目的。

2.1.2 提高運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)特性

為了提高直線伺服刀架的動(dòng)態(tài)特性，首先進(jìn)行了結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，對(duì)直線電機(jī)安裝采用雙電機(jī)對(duì)稱結(jié)構(gòu)安裝，最大發(fā)揮直線電機(jī)的功能。直線電機(jī)安裝方式有單電機(jī)布置和雙電機(jī)布置等方式。單電機(jī)布置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件易加工、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn);但是推力小，且工作臺(tái)受電磁吸力變形較大，同時(shí)影響運(yùn)動(dòng)部件的加速度。雙電機(jī)對(duì)稱布置結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，由于電機(jī)對(duì)稱布置，能夠消除兩電機(jī)磁板和線圈之間磁吸引力的影響。保證運(yùn)動(dòng)滑板不變形。具有推力大、運(yùn)動(dòng)精度高的優(yōu)點(diǎn);可以提供高的速度和加速度。

考慮到直線導(dǎo)軌的行程較短，并且頻響很高，在直線導(dǎo)軌的選擇上充分考慮了直線導(dǎo)軌的壽命對(duì)整體刀架的影響。本導(dǎo)軌采用帶保持器的直線導(dǎo)軌，鋼球之間不直接發(fā)生碰撞，同時(shí)鋼球由保持器引導(dǎo)，朝循環(huán)方向排列，潤(rùn)滑充分、運(yùn)動(dòng)順暢，可以實(shí)現(xiàn)短行程的平滑而穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。

經(jīng)過以上兩個(gè)方面的考慮本刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足直線伺服刀架高頻響、高精度的要求。

2.2 直線伺服刀架的計(jì)算

2.2.1 推力計(jì)算

考慮活塞加工特點(diǎn)，主軸每旋轉(zhuǎn)一周，刀具需要做兩次往復(fù)運(yùn)動(dòng)。故在主軸1500r/min，刀架往復(fù)運(yùn)動(dòng)50次/s(50Hz)，主軸3000r/min，刀架往復(fù)運(yùn)動(dòng)100次/s(100Hz)。

振蕩頻率:最高100Hz(即1/200s完成一次加/減速過程)，常規(guī)50Hz;

振蕩距離:0.1mm(100Hz);1mm(50Hz);(振蕩距離隨振蕩頻率升高而縮短);

運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量為:直線電機(jī)0.9kg+滑板3.5kg+其他運(yùn)動(dòng)部件4.02kg=7.12kg;

摩擦系數(shù)(導(dǎo)軌):0.005;

額定推力:由于該軸始終處于振蕩狀態(tài)，即加/減速狀態(tài)，因此，在加速過程中的推力(最大推力)應(yīng)該在電機(jī)的額定推力范圍內(nèi)。FANUC LiS900A1/4電機(jī)的額定推力為600N;有效推力為:600N。

(1)100Hz振蕩頻率下的計(jì)算情況:

振蕩距離為0.1mm

根據(jù)L=(1/2)a×t×t可知 a=2L/t2

故:

根據(jù)F=m×a可得F=7.12×8=56.96N

(2)50Hz振蕩頻率下的計(jì)算情況:

振蕩距離為1mm

根據(jù)L=(1/2)a×t×t可知 a=2L/(t×t)

故:

根據(jù)F=m×a可得F=7.12×20=142.4N

因此，600N＞142.4N。

故最大切削力在行程為1mm時(shí):

2.2.2 切削力計(jì)算

該機(jī)床精加工時(shí)，進(jìn)給率 f=0.15mm/r;切深ap=0.1mm;

粗加工時(shí)，進(jìn)給率 f=0.15mm/r;切深 ap=0.2mm;

因?yàn)樾⌒突钊牧现饕獮殇X合金，單位切削力:

故最大切削力為FZ:

故2臺(tái)直線電機(jī)iS900A1/4可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的高精度數(shù)控活塞車床直線伺服刀架應(yīng)用在我公司開發(fā)的ADG15P數(shù)控活塞車床上經(jīng)過切削實(shí)驗(yàn)，在主軸轉(zhuǎn)速2500r/min，加工活塞長(zhǎng)短軸變化量可以達(dá)到0.3mm?；钊共枯喞?.002mm，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，加工的活塞零件表面粗糙度、精度一致性良好。

通過直線伺服刀架的設(shè)計(jì)，為了進(jìn)一步提高直線伺服刀架的性能參數(shù)指標(biāo)，需要在更輕質(zhì)的運(yùn)動(dòng)部件，更大推力的直線電機(jī)，更耐磨的直線導(dǎo)軌做大量的工作。

［1］李緒成.直線電機(jī)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)［J］.世界制造技術(shù)與裝備，2005(6):71-73.

［2］蔣朝霞.直線電機(jī)在數(shù)控車床上的應(yīng)用［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2007，34(10):57-59.

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The Design on Linear Servo Toolpost of CNC Piston Lathe

SONG Dong-chao
(Anyang Xinsheng Machine Tool Co.，Ltd，Anyang Henan 455000，China)

Piston skirt is a key problem in the processing piston turning.This paper focus on the characteristic of noncircular turning，put forward a sort of configuration with two Linear Motor installed back to back，developed a high frequency micro-feed Linear servo carriage system.The carriage structure is simple，operation and commissioning easy.For China’s high-grade piston processing provides a set of idea processing equipment.

CNC piston lathe;linear servo toolpost;linear motor;middle-convex and ellipse piston

TH16;TG65

A

1001-2265(2012)01-0093-03

2011-04-18;

2011-07-05

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”項(xiàng)目(2011ZX4002-132)

宋東超(1969—)，男，河南安陽人，安陽鑫盛機(jī)床股份有限公司研發(fā)中心高級(jí)工程師，從事數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)、工藝管理工作，(E-mail)weifg366@163.com。

(編輯 趙蓉)