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）

15、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1然后等待 有人提出，直到输入3。 2.4.1。 接口控制和主轴 电主轴系统提供20 V输出对应 以下功能：切换到数控主轴， 主轴

16、关闭;和目标速度的主轴。 输入的功能有 启动主轴，停止主轴。 此外 0-5 V输入模拟被用来管理主轴 速度。 一旦主轴有线控制器，可以用 MINT子程序来实现主轴的启动和停止。 表1 Mint代码示例 COMMSMODE。 tmRS232 = 1 类风湿性关节炎 ACTIVEINLEVEL = 0xF8FF ERRORIN 0,1,2 = 8,9,10 重复 HM 0,1 = 0.00,0.00 暂停编号0,1 直到VEL 0,1 = 0 SERVOC 0,1 速度0,1 = 100,100 MOVEA 0,1 = 300.00,0.00：GO 第6页 326 S.戈登，Hillery吨/材料

17、加工技术166（2005）321-329 这些子程序测试主轴在设置速度和开始运动前是否在自动模式下， 是为了防止轴的运动，除非主轴运行中。 模拟输出是由14位数字 模拟转换器（DAC），内置控制，这给 最高分辨率的8192递增，这导致 3.6转/分的主轴转速的增量。 2.4.2。 机调整 在最低层次的控制软件中，控制器的软件所产生的瞬轴位置要求必须 转换成电机的需求。 这是由封闭 电机的闭环控制实现的。 控制器对其理想和实际位置进行比较，并计算出正确的电机需求。 转矩通过比例，积分，衍生的速度反馈和速度前馈（PIDVF“）算法来计算。 这被称为伺服回路。 这 循环由NextMove控制，500

18、微秒执行一次。 封闭循环算法的计算公式如下： 需求= GN E - D - KV V +氟化钾至五 +碘化钾 其中GN是伺服回路增益，D是错误的衍生; 正交计数错误;是伺服更新周期 （采样时间）;KV 是反馈增益; v是实际轴 速度;氟化钾是速度饲料正向增益，V是需求轴 速度;和KI为积分反馈。 为了确保令人满意的闭环控制，有必要成立为PIDVF循环参数相匹配的体制的惯性和电机/编码器组合。凭经验使用示波器连接到模拟位置输出控制测出速度剖面，并与理想速度剖面比较。个人资料。 最关键的参数如下： （一）伺服回路增益参数（GN）控制电机 的力与以下错误成正比。 这使得 电机迈向理想的位置。 如果没

19、有其他 力作用，电机往往会产生超调和在理想位置左右摆动 。 GN的高值 将导致电机提供更高的推力 但有增加电机变得不稳定趋势。 （二）速度反馈增益是一个阻尼项由 一个与电机速度成正比的力和， 在相反方向由GN管辖的力提供。 此 参数设置，以抵消高造成的不稳定。 理想的系统应该严格的减幅达到没有超调或震荡的发生的地步。 （三）引入积分回馈KI项是用来减少 电机的稳定时间和稳定的状态错误。 “ 积分反馈提供了一种与时间成函数关系的力，使电机趋于理想位置。 调整系统所采用的方法是先 增加伺服环路增益，直到发病或不稳定 然后增加速度反馈，直到获得阻尼 。 这样慢慢增加，直至获得满意 的速度剖面。 最后

20、，在静止状态，将轴由原始位置移动很小数值（0.02毫米），然后测量轴移动到原位置时的时间就是积分反馈值。 2.5。 用户界面 为机器提供一个用户界面，尽可能地提供常规机床控制所具有的功能。 它决定纳入以下特点 接口（ 图 7）： 1。 ISO的G代码程序的支持与互动 程序编辑画面; 2。 归航机，手动慢跑和基准设置; 3。 图形仿真程序; 4。 机床轴的位置读数。 2.5.1。 程序设计语言 在C + +的应用程序接口源代码 （API）， 16 T帽子提供通信支持 控制。 一类的源代码包括HI- 显示层级，允许类CNextMoveBX的实例 需要申报。 这可以被看作是一个控制器OB Ject的

21、。 的CNextMoveBX对象的成员函数， lowed数据传输和进行其他功能 通过串行RS-232之间的控制环节的控制 一台主机。 它决定创建一个Microsoft 基于Windows系统的图形用户界面。 “ 编程环境是用Borland C + + Builder 3中， 这使得程序的可视化开发跨 而集成的API的源代码和面对 编写任何额外的代码。 该界面显示 图 8。该方案的主要特点是现在讨论。 2.5.2。 软件功能 前端方案为特色的数字键 控制机功能，文字和图形双赢 道琼斯指数。 如机轴慢跑或程序运行或功能 受到影响，停止发送相应的ASCII字符串 控制使用的CnextMoveBX的成

22、员函数 对象时，按下相应的按钮。 该方案， 除非当他们的使用是适当的，禁用这些功能 tions。 2.5.2.1。 NC零件编程语言，它决定 采取部分使用一个通用的G代码编程语言 字地址格式。 因为有许多这样的变化 在使用系统根据机器类型和控制器，它 决定实施在GE使用的类似版本 Fanuc控制和也被广泛运用在许多 其他控制器。 零件程序可以输入或手动修改 接口方案文本窗口或其他加载 第7页 S.戈登，Hillery吨/材料加工技术166（2005）321-329 327 图 7。 机器底盘。 磁盘上的文件。 测试机使用的部分程序 weregeneratedusingSmartCAMsoftw

23、are.Animportantfea- 是常规翻译G代码程序TURE 薄荷下载前的部分程序。 2.5.2.2。 当程序运行的翻译功能。 功能被执行，检查是否 方案文本窗口的内容发生了变化。 如果是这样， 程序文本是作为一个ASCII文件，然后保存到磁盘 传递给翻译解释代码的例程 然后写了这是在同等的薄荷方案 打开写入到磁盘上的ASCII文件。 这个文件是再往下 加载的控制和使用的API执行描述 以上。 翻译功能是基于一个反面开关 结构的程序文件，通过一个字符 一段时间。 如图所示的简化版本 。 4。开关 工作，如果字符是公认的原则， 如G，X，Y，M等，那么其相应的参数值 然后从文件中读取和存

24、储。 当换行符 （ n）的字符遇到的NextMove（）函数是 称为处理收集到的信息在预 割让的代码块。 由不承认任何字符 开关被忽略，从而使程序健壮。 一个列表 支持代码在 表2 给出 。 表3秒 hows几秒钟之内 TION的G代码程序和由此产生的造币代码后 翻译。 图 8。 人机界面。 第8页 328 S.戈登，Hillery吨/材料加工技术166（2005）321-329 表2 G代码支持名单 G0 快速移动 G1的 线性插值 G2的 弧云水 G3的 弧CCLW 指令G28 家 G90， 绝对 G91时 增量 ，X，Y，Z轴 轴标签 F 进给速度，毫米/分钟 小号 主轴，转/分 M03

25、的 主轴启动 M05 主轴停止 2.5.2.3。 轴的位置读数和基准设置。轴位置 TION读数通过讯问时控制 任何手动按钮被释放。 这个值就可以 显示在读出框的文本字符串。 如果基准 组要求，读数值被写入到一个文件 检索启动和字符串POS.0 = 0，POS.1 = 0 发送到控制，现在的位置设置为ORI 杜松子酒。 供电系统，机器可以发送 硬件位置，并从磁盘读出的值 发送到控制，从而恢复先前设置 基准。 2.5.2.4。 图形程序显示，这是实现 以类似的方式来翻译的程序，除了 输出是一系列图形例程的调用，而不是 文本输出。 2.6。 测试 在设计阶段，以预测的刚度 机器，进行了有限元分析 龙

26、门使用妖精的软件。 结果表明， 表3 G代码程序以及由此产生的造币方案的比较 指令G28 X0 Y0 Z0 暂停IN.6 = 1 S12000供应M3 DAC.3 = 3276 G0 X100.0 Y50.0 Z0.0 OUT.0 = 1 G1 X500.0 F18000 暂停IN.12 G3 I500.0 J100.0 A90.0 速度0,1,2 = 33,33,16 G1 X550.0 Y500.0 MOVEA 0,1 = 100.00,50.00：GO G3 I500.0 J500.0 A90.0 暂停空闲0,1 G1 X100.0 Y550.0 速度0,1,2 = 300300150

27、G3 I100.0 J500.0 A90.0 VECTORA 0,1,2 = 500.00,50.00，-0.00：GO G1 X50.0 Y100.0 暂停空闲0,1,2 G3 I100.0 J100.0 A90.0 CIRCLEA 0,1 = 500.00,100.00,90.00：GO 指令G28 X0 Y0 Z0 暂停空闲0,1 VECTORA 0,1,2 = 550.00,500.00，-0.00：GO . . 意法半导体0,1 暂停空闲0,1 SERVOFF 0,1 完 1.2千牛的作用力，这是相当于马克西 妈妈，联合电机推力，适用于一端 龙门。 这可以忽略不计偏转。 在完成的机器

28、，可重复性和内插 相关特征研准确性进行测试，使用千分表 1球杆仪系统。 所取得的成果为位置 tioning，垂直度和规模不匹配是令人满意的。 至 日，该机已广泛用于开展截止 婷Durostone热电联产3，玻璃纤维/聚合物/矿产测试 由赞助公司在其使用的复合材料 制造工艺。 测试进行了在自旋 DLE速度可达30000转/分和表送入了 40,000毫米/ min.Noproblemswithstiffnessorvibrationwere 可见一斑。 3。 结论 初步测试机器上被看好。 切削试验 进行了一系列高的速度和饲料表明 cated上面没有遇到任何问题。 一 潜在的问题是与系统之间的吸引力

29、 铁颗粒和磁电机推力杆， 这是暴露无遗。 从保护绑腿 制造商在另外一个复合过程，适用于 aprotectivecoatingtotheinsideofthemotorblocks.Theuser 界面的表现令人满意。 特别是G代码 翻译功能被证明有用，并允许程序 使用标准的CAD / CAM系统生成软 洁具。 致谢 该项目的部分资金由爱尔兰企业有限公司 Quadco设计有限公司 参考文献 1钢筋混凝土Dewes，阿斯平沃尔的DK，杂木智者，高速加工 的切削工具和机床的要求，在：论文集 第三十一次会议斗牛士，曼彻斯特，英国，1995年，第 455-461。 2的A. Kaldos，中频Dagil

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