基于直线电机的高速进给平台研究-论文

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基于直线电机的高速进给平台研究

陆龙福,罗进生,袁喜林

(黄冈职业技术学院,湖北黄冈438002)

摘㊀要:设备再加工制造及改造是目前中小型企业降低设备购买费用的一个途径㊂改造的设备如果配备了高性能的数控系统,其精度可以大幅上升㊂以华中控818系统四轴加工中机床的直线交流伺服系统工作平台为研究对象,对平台进行运动精度㊁速度㊁行程和受力等的分析,对进给平台的关键部件尺寸进行分析研究,并对主要结构设计进行论证㊂

关键词:控制系统;参数研究;受力分析

中图分类号:TM359.4㊀㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀㊀文章编号:1672-1047(2014)05-0114-03DOI :10.3969/j.issn.1672-1047.2014.05.341㊀高速进给平台基本结构

高速进给平台主要由运动控制器㊁上位机㊁驱动器和电机四个部分组成㊂运动控制器采用MPC2810㊂运动控制器是在整个高速进给平台中等同于人的大脑㊂人体对外界的感知通过人脑进行分析,高速进给平台运动控制处理需要靠MPC2810运动器来完成,平台运动的误差计算和误差补偿,都由MPC2810来完成,同时在运动系统中,伺服电机要接受MPC2810发出的控制信号㊂高速进给平台的控制系统框图如图1所示㊂

图1㊀平台控制系统框图

㊀㊀反馈环节对系统的测量精度决定了整个高速进给系统的定位精度,在设计高速进给平台的时候,要考虑如何选择合适的测量装置㊂测量装置选择的好坏直接影响高速进给平台的运动性能,分辨率是测量装置能够测到的最小位移量,他受测量元件大小的影响,还受测量电路的影响㊂系统在设计

的时候要保证运动单元要比分辨率低一个量级,目前设计测量反馈装置应用较多的是光栅㊂

光栅除了可以用来检测位移,也可以用作转角的检测㊂光栅检测的输出型号是数字脉冲㊂光栅测量的范围比较大,精度比较高,测量精度仅次于激光干涉㊂工作台最终结构如图2所示㊂

图2㊀工作台结构图

2㊀高速进给平台设计要求

工作平台其工作环境为:加工气门杆部,采用

高速车削,普通情况下车削速度是10000r /min,气门杆底部有锁夹槽,加工过程中要精确控制运行位置,不能损坏槽部结构,主轴功率10kW,转矩80N㊃m,平台上所能够加工的气门杆部直径最小的是φ8,最大φ35mm㊂气门所配车型不同,直径加工精度有所不同㊂根据气门加工质量要求,进给平台水平进给,进给采用直线电机驱动㊂

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411㊃第16卷第5期

2014年10月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀

黄冈职业技术学院学报Journal of Huanggang Polytechnic

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Vol.16No.5

Oct.2014ʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏ

∗收稿日期:2014-09-09

㊀㊀㊀基金项目:黄冈职业技术学院科研项目 基于华中数控818系统四轴后置处理程序的开发 (C2022107)㊂㊀㊀㊀作者简介:陆龙福,男,贵州独山人,讲师㊂研究方向:机械模具㊂

根据上述进给平台运行环境,制定工作台伺服轴设计指标要求见表1㊂

表1㊀伺服轴设计指标

伺服轴全行程定位精度重复定位精度工进速度快进速度加速度负载

Z轴900mm5μm3μm10m/min90m/min10m/s2500kg 3㊀进给平台受力分析

首先对刀具进行受力分析,将切削力进行分解,如图3所示,得到切削力三个分力㊂

图3㊀切削力示意图

受力分析经验公式如下:

F Z=9.81C F Z a p xF Z f yF Z v nF Z KF Z

F Y=9.81C F Y a p xF Y f yF Y v nF Y KF Y

F X=9.81C F X a p xF X f yF X v nF X KF X

对加工过程进行分析,加工对象材料是40Cr,切削速度是3650m/min,得到上述公式中的各项系数,将所选择的系数和加工受力条件代入公式进行计算,可以得到切削力在三个方向的分力㊂F X= 165N,F Z=376N,F Y=96N㊂

直线电动机的初级和工作台连为一个整体,可以直接对工作台进行受力分析㊂受力模型如图4所示㊂

图4㊀受力分析

直线电机运动模块在水平方向所受的力的平衡方程为:

F L=F C+F R+F ACC

上式中:

F L为直线电机水平推力;

F C切削力;

F R摩擦力;

F ACC惯性力;

F C根据加工条件通过相关公式进行计算㊂高速进给平台运行所受摩擦力为F R,由力学性能分析可知道,平台在运行时摩擦力与移动件质量有关㊂采用直线电机驱动,电机初级次级间有吸力,也会影响到高速进给平台运行所受摩擦力的大小,因此,图4中平台运行所受摩擦力为两力的合力,其大小由下式求出:

F R=(mg+F Att)u

上式中:

m为移动部件总质量;

g为重力加速度;

F Att为直线电机初级与次级直接的垂直吸引力; u为摩擦系数;

F ACC仅在运动运动的加㊁减速期间产生,可用以下公式计算:

F ACC=ma

a为运动加速度;

电机额定推力F e须满足:

F eȡK F K eff

式中:

K F为推力储备系数;

K eff为在一个周期内直线运动单元所要求的平均有效推力

K eff可以用下式计算

K eff=

ð(F Li2t i)

ðt i

式中:

F Li为在一个时间间隔内系统所要求的推力; t i为时间间隔;

要注意的是,这种超过额定推力F e的负载的持续时间和数值必须控制在直线电机说明书限定的安全范围内㊂

直线电机的特性曲线如图5所示㊂

图5㊀直线电机特性曲线

根据特性曲线可知,直线电机在到达最大速度

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第5期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀基于直线电机的高速进给平台研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第16卷ʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏ