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直线电机高速数控切断机的发展摘要：传统的方法来构建数控机床已使用旋转驱动电机和滚珠丝杠实现工件的表面运动。直线电机通过这个方法提供几方面的优势，包括低惯性，更好的性能，提高精度和降低复杂性。本文描述了一个为了进行加工实验复合材料采用直线电机的低成本高速切断机。本机配置一个在高速电主轴上安装的龙门式XY运动系统。两者都连接一个独立的控制器，采用微软窗口界面编写。该机具有正常功能的速度超过40m/min和主轴转速为30000r/min的数控路由器。作为大学正在进行中的研究项目，该机是用来进行刀具磨损监测的测试的。关键词：高速加工，数控切断机，直线电机，C语言。1. 简介 “高速加工”已经使用多年来描述高速端铣工件直径，使用的标准定义的不同。除了转速，各种切割速度标准，材料去除速度和进给率可以用来定义技术。此外，切割操作的类型和使用的工件材料可能施加限制。虽然转速为5000r/min是允许在某些铣削操作中进行的，但是传统的加工过程似乎有一种共识：主轴转速10000r/min.高速切削加工的优点包括增加材料去除率，减少刀具磨损，提高表面光滑度。高速机床是昂贵的，因为他们需要建设传统的数控机床和需要高于正常规格的数控机床控制复杂的轮廓。传统的做法，建筑机械工具已通过旋转电机和驱动器螺丝来实现运动。限制因素的性能，这种类型的机器是有限的最大旋转速度。直线电机是一个单纯的电磁致动器，由两根刚性部分支持一个线性轴承。直线电机提供重要的驱动系统。速度超过6m/s和100m/s的加速度是常见的，而速度为11m/s和200m/s的加速度已在文献中表示出来。由于没有移动部件，除了运动阻滞，重复性和准确性也改进了。此外，简单的机械装置和成本较低的线性驱动技术使人们以吸引力为基础发展了一种表面运动系统的高速切削。2. 机器的设计与制造机器的设计包括以下按给定顺序进行的任务： 高速转轴的规格；计算载荷和规格的直线电机系统和数控控制系统；制作机器底盘电主轴与数控系统提供电脑的用户界面系统2.1 电主轴主轴涵盖范围防范的旋转速度和额定功率，主轴转速是由轴承的类型大小，润滑系统的使用和功率单元决定的。热增长是一个重要因素，影响主轴的性能。主轴的速度是由速度为500r/min和30000r/min的变频器控制。主轴连接到PLC，这反过来又需要连接到CNC上控制。该系统允许20v数字和0-5v模拟输入方式管辖的主轴转速和旋转方向，主轴的整体质量为29kg，以及包括辅助设备在内的35kg的有效载荷。2.1.1 刀柄 弹簧夹头俗称为“ISO锥度”（ISO 297, BS1660 Part 4,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为30,40,45和50.锥度使用的是7:24， 该夹头及机床主轴锥度角均使用不同程度精确的定点。标准机床工具制造的追独角是3或4。锥度的控制推荐用于高速加工的应用 ，标准锥形夹头有一些缺点是使用的高旋转速度，他们有一个大质量和大小容易变形的离心力。此外，因使用不准确而造成的锥形接口可以产生振动。由于系统采用单锥度提供位置，可以有一些重复性工具变化的错误。 HSK工具保持系统已经在近几年获得了普及。这个名称是一个缩写的空心短锥，在1993年第一次由德语翻译而成。该系统采用空心锥度1 : 10。它大规模的常规工具使用接触表面来提供位置从而增加重复性。在高转速离心力作用的内面，该工具具有越来越多的夹紧压力，大小是50，63，80和100，对应国际标准化组织分别为30，40，45和50。刀柄可在乙，丙，丁，戊纳入法兰尺寸变化中形成驱动键，冷却管和手动或自动换刀。然而，该系统有一些消极的方面。此外，短锥可能意味着更长的刀具伸出可能在某些情况下导致稳定性问题。主轴选择具有一个特大型法兰和驱动键。2.2 直线电机系统使用直线电机在旋转系统上的概述已经在上文中表述出来了。传统上，直线电机已经设计的开放平台的旋转 。这是作为假想等价的通过传统的电机定子和电枢和旋转放平。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。有一些电气发动机，三菱电机全美国线性驱动电机有限公司制造，基于电磁推力管和移动推力块线圈。在本次设计中本文所述的优点为机械简单，不需要精密的空气间隙或路线。它也不同于设计上面提到的意义它不是一个平面布局设计。由于磁线圈围绕定子磁铁，更为磁通量提供更好的性能。当安装在轴承轨道，它可以被用来作为一个下降替换为滚珠丝杠。2.2.1 马达规格电机的安排选择三直线驱动器驱动电机模块。动力电机模块是一个自给自足的单位组成的电机管，直线轴承和编码器安装在挤压铝基1和2上。本机器X轴2米长，而且是由一个双电动机并联双100分开，这反过来将垂直轴滑槽与电主轴分开。轴是由传统的旋转伺服电机和滚珠丝杠来来尽量减少影响的严重性。 图1 直线电机及轴承 图2 马达详解图 运动包络是1500100075mm。计算电机尺寸的有效载荷为50kg， X轴和Y轴在35kg的基础上估计主轴的质量为35kg和15kg的质量为Y轴电机和龙门结构。电动机的选择是一个线性驱动激光器3806直线电机，性能特点的总结如下面的图3所示。 图3 ld3806负载为40kg直线电机的时间与位移曲线 对于x轴（质量=45kg）,一下的加速度是可能的： 加速度=峰力/质量=33.33m/s当距离为3.3mm，时间为0.02min的时候，最大一定速度40m/min是可以实现的。同样，y轴最大加速度为21.42m/s，相当于2.18g计算，这些值均符合这些报告。发动机采用三线性驱动器激光3103200w无刷伺服放大器。线性磁编码器被纳入双方的轴。编码器音高0.001 mm,一个分辨率为0.005mm。轴上用于定位的不仅是由BS63无刷交流伺服马达也是由一个动态平衡计分104放大器决定的。位置分辨率为0.001mm。机器布局显示在图4和图5中。 图4 设备的布局2.2 机器的底盘 机器底盘制造零件。本机械需要维护机器稳定性加速度。表2 2m1.2m0.3m在约1500kg力的作用下。该表是在一块钢筋混凝土上计算得出的结果。航空公司为方便真空夹持系统投入的表顶部表面。提供一个附加的直线电机，预制铝挤压帧也嵌入在表中。这提供了一个平坦的表面和通槽夹紧电机。如图6所示。一个层压塑料材料构成螺纹的表面，然后加工单位提供一个基准面。 图6 混凝土基础：（a）顶部，（b）底部 机器的基础是由100mm空心钢和被固定到下方的混凝土基座构成的。2.3 数控系统控制使用的是三轴伺服运动控制器，这提供了线性电机系统。该系统独立单位的沟通与电脑终端模式通过RS - 232串口连接。控制能够存储和执行整个计划以及由个人控制输入的命令通过一个终端接口。此外，八个光隔离数字输入和输出以及2个模拟输出提供可用于连接的其他设备。编程语言是一种结构形式的基本设计运动控制中的应用。除了正常的基本语法，它有额外的运动特定内置的关键字，使控制轴的位置，速度和轴线保持同步。表1显示一个典型的程序片段。编辑按语言可用于提高和降低数字输出以及测试输入。 表12.4.1 接口控制和主轴 该电主轴系统提供12V输出功能，切换到数控主轴上。另外一个模拟05v输入用来规范主轴速度。一旦主轴连接到控制器，可以编写子程序的开始和停止。这些子程序测试是否主轴是在自动模式设置之前的速度下起动。模拟输出是由一个14位数字到模拟转换器（数模转换器）建成的控制，使最高分辨率8192递增，导致主轴转速3.6r/min递增。2.4.2 机器调整 在最低水平的控制软件，瞬时轴位置要求所产生的控制器软件必须转化为电机的要求。扭矩计算的比例，积分，微分反馈速度和速度前馈算法被称为伺服回路。这个循环执行一次500微妙上下控制。方程的封闭循环算法如下： demind=G-D/-+ 在设计伺服回路增益中，D是误差导数是跟随误差；e是正交计数；T是伺服更新周期；KV是速度反馈增益；V是实际轴速度；KF是速度前馈增益；V是需求轴速度；KI是积分反馈。为了确保令人满意的闭环控制，有必要建立参数匹配系统惯性和电机/编码器的组合。最关键的参数如下：(1) 伺服回路增益参数与控制电机的力成正比的很多错误。这将导致运动走向理想的位置。如果没有其他作用力，运动往往会超过振荡所需的位置。(2) 速度反馈增益是一个术语，阻尼力与电机的速度和在相反方向的力成正比。此参数设置为抵消不稳定造成的高增益值。(3) 积分反馈减少沉淀时间和稳态误差的运动。积分反馈提供的力增加了作为时间函数趋于移动电机所需位置。调整系统所采用的方法是先增加伺服环路增益，然后增加速度反馈，直到达到合适的阻尼。2.5.1.编程语言在VC + +的应用程序接口提供了支持与沟通控制。包括一个层次，使一个类的实例被宣布。这可以被认为是一个“控制器”目标。成员函数的对象允许数据传输等功能来进行的控制通过一个串行RS - 232链路之间的控制和计算机主机。这是决定创建一个微软视窗的图形用户接口的系统。编程环境使用C +3，这使得可视化程序的开发接口，结合任何额外的代码编写。界面如图8所示。程序的主要功能现在正在被探讨。2.5.2软件功能前端程序，精选了一些按钮控制机器的功能和一个文本和图形窗口。机器功能或程序运行或停止受到发送相应的字符串的控制，使用成员函数对象时，相应的按钮被按下。除非他们使用这项计划是适当的，否则这些功能是禁止使用的。数控编程语言。这是决定采取部分编程语言使用一个通用的G字地址格式。有许多变化，这个系统的使用取决于机器类型和控制器，它是决定实施一个版本类似用于通用电气控制，这也是广泛使用在许多其他控制器中的。计划的一部分可以进入文本窗口的界面或从磁盘上的文件加载。部分程序用于测试CAM软件。图7。机底盘。翻译功能。当程序运行的函数被执行，检查是否程序内容文本窗口已经改变。如果是这样，程序文本作为一个ASCII文件保存到磁盘，然后传递给翻译常规解释代码，然后写了一个相当于Mint程序依次写入到磁盘上的ASCII文件。然后下载这个文件的控制和使用上述API执行。在翻译功能的基础上，程序文件通过一个开关控制，一次一个字符。如一个简化版本见图4。交换机的工作原则，如果字符是公认的，即G，X，Y，M等，那么其相应的参数值，然后从文件中读取和存储。当换行符遇到（ n）的字符，下一步的行动函数是称为过程的信息聚集在前面的代码块中。开关不识别任何被忽视的字符，从而保证程序的坚固性。表2中给出了代码支持列表。表3显示了第一个G代码程序和翻译后的Mint代码。图8 机器接口 表 轴的位置读数与基准设置。轴的位置读数获得通过询问时，手动按钮被释放。如果一个数据集是必要的，读出的值被写入一个文件检索启动和字符串pos.0=0，pos.1=0发送给控制系统，现在的位置为原点设置。供电系统，可以发送硬件的位置从磁盘读取和发送到控制器上从而恢复先前设定的基准。 图形显示程序。这是以一个类似的方式实现的翻译程序，除了输出是一系列调用程序代替的文字输出。2.6.测试 在设计阶段，为了方便预测刚度，有限元软件分析进行了使用。结果表明，1.2kN的作用力相当于结合电机推力的最大值。这个偏转可以忽略不计。在本机上完成，可重复性和插值的精度使用百分表和球杆仪器系统进行了测试。定位，垂直度和规模不匹配得到的结果是令人满意的。迄今为止，机器已广泛用于开展玻璃纤维，聚合物。赞助公司在其生产过程中已使用矿物复合材料进行了切削试验。测试进行了主轴转速高达30000r/min和高达40,000 mm / min。 表33.结论：最初的测试机是有希望的。切削试验进行了一系列的高速切断实验，一个潜在的问题是系统之间的吸引力和电机的推力杆。另外一个复合过程，适用于电机内部保护涂层的保护绑腿是由厂家提供的。用户界面的表现令人满意。在特定的G代码转换功能被证明是有益的，并允许程序生成系统使用标准的CAD/CAM。文献：1 R.C. Dewes, D.K. Aspinwall, M.L.H. Wise, High speed machiningcutting tools and machine requirements, in: Proceedings ofthe Thirty-first MATADOR Conference, Manchester, UK, 1995, pp.455461.2 A. Kaldos, I.F. Dagiloke, A. Boyle, Computer aided process parameterselection for high speed milling, J. Mater. Process. Technol. 61(1996) 219224.3 T.J. Schuett, Advanced controls for high speed machining,in:Proceedings of the SME High Speed Machining Conference, Chicago, IL, USA, 1996.4 R.C. Dewes, A.M. Abrao, D.K. Aspinwall, The effects oftool/workpiece interface temperature on tool wear and cutting performancewhen turning and high speed end milling hardened steel using PCBN and conventional tooling, in: Proceedings of the EuropeanConference on Advances in Hard Materials Production, Stockholm,Sweden, 1996, pp. 479486.5 R.C. Dewes, D.K. Aspinwall, A review of ultra high speed milling of hardened steels, J. Mater. Process. Technol. 69 (1997) 117.6 R.C. Dewes, D.K. 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