运动增强机床性能

生产高质量、公差严格的零件需要良好控制的三维运动。

加工高度精确的部件具有极其紧密的性能规格。有一段时间该技术比科学更有艺术，用户准备耐心等待。不再。如今，广泛的商业应用，即使随着性能要求收紧，也会在高批量生产压力下为求职商店施加求职。运动控制提供了从铝，黄铜，铜和镍与光学晶体和其他外部的各种材料的经济生产复杂部件的最佳解决方案。

机床典型的特点是在一个轴上有一个刀具，在另外两个轴上有定位设备。在车床上，通常用于生产旋转对称零件，高速主轴旋转工件，而切削钻头在其他轴上平移。该刀具可平行于主轴平移，从轴的外部去除材料或在轴上切割螺纹。它可以垂直于主轴移动，从工件表面切割材料，或与主轴平行钻孔。通过将z轴上的旋转切削钻头与x、y轴上的定位工作台组合在一起，铣床可以生产非旋转对称零件。

计算机数字控制(CNC)机床利用运动控制来快速和重复地生产更复杂的三维轮廓。例如，数控金刚石车床可以快速、经济地制造出用于红外成像应用的球形金属透镜。CNC设计可以包括水平轴和垂直轴，以及多轴版本。这些机器可以生产公差从几百微米到几纳米的RMS的零件。由于对精度的重视，他们利用速度而不是扭矩来每次只移除少量的材料。

通过这些设计，轴数可以快速安装。CNC机器建筑物Murata Machinery USA，Inc。将基本车削机与X，Y，Z龙门装载机集成在一起，也由运动控制驱动。例如，典型的双轴机将在每个主轴上具有X和Z轴切割动作，以及具有X-，Y和Z轴能力的龙门装载机，总共七轴，全部位于伺服电机。添加第二个龙门，轴的总数跳跃最多10。

加载/卸载能力是必不可少的，因为今天的机床是生产环境的一部分。“金刚石车削行业已基本演化在过去10年或20年的实验室环境中,时间真的不重要情况现在很多这些系统的使用在生产环境中,“帕特赫斯特说,工程经理数控金刚石车削机builder摩尔纳米技术系统有限公司。

“如果切割主轴不动，客户就赚不到钱，”杰夫·卡尔巴赫说，他是Muratec机床部的工程经理。循环时间从8秒到几分钟不等，取决于零件的大小，从一公斤到100多公斤不等。“如果我们有一个切割时间为30秒的单龙门机器，龙门在切割周期中是不断移动的。因此，研究的重点是优化龙门装载与切削主轴。

优化的一部分包括安全技术，尤其适用于具有多个机架的系统。“可以根据正在进行的工作设置和定制安全区域，”Kalmbach说。“内部与控制系统进行了相当多的沟通，以确保两个机架之间不会有任何重叠。”

为紧密公差设计
电机的转矩脉动或齿槽效应会影响数控机床生产的零件的质量。改变主轴转速可以帮助这一点，可以高杆计数汽车．

对于真正要求苛刻的应用，控制和反馈可能提供最好的解决方案。摩尔生产的机器，除其他用途外，用于加工玻璃的光学元件，用于可视波长的应用，以及更奇特的材料，如硒化锌和锗，用于红外应用。该机器可以提供零件的表面光洁度要求紧密到1nm rms。要实现这种水平的结果，需要在所有轴上进行超平滑的运动，再加上高空间分辨率的反馈。对于x, y, z运动，机器采用空气轴承或静压轴承驱动线性马达．空气轴承帮助平滑任何齿槽介绍的电机和反馈回路做其余的。

“直线电机有一些齿槽，但它们是正弦换向的，这意味着我们在电机中绘制的理论力曲线非常接近所提供的，”摩尔的高级控制工程师Jeff Lowe说。“除此之外，还取决于我们的伺服回路来关闭回路并将非线性系统线性化。”

该团队使用插值方法将137 nm的信号音高转换为34 pm的测量分辨率。“在直线电机的世界里，很难得到一个良好的速度信号来稳定回路，”Lowe说。“我们解决这个问题的方法是通过插入反馈编码器来获得速度信号。这提高了系统的阻尼和抗干扰能力，并帮助我们获得1nm范围内的测量结果。”

这些机器通常加工尺寸从小于一毫米到450毫米不等的零件。制造球形部件需要纯粹的旋转运动。制造能减少光学像差的球体，不仅需要旋转，还需要振动运动。在大型球形零件的情况下，制造可能需要长达10个小时。

所有这些振动往往会引起振动，这会给要求超高平滑度的工作带来重大问题。解决这个问题的出发点是在初始机器设计中实现刚性和顺应性之间的平衡。在这里,机电整合建模技术可以提供很大的帮助。各种系统元素，如静压轴承，甚至底盘材料可以起到阻尼任何幸存的振动，控制系统也可以。将机器安装在隔振元件上进一步提高了性能。

机器设计也可以适用于研磨应用，主要是生产模具。在磨削时，除去的材料量与施加的力成正比。根据材料和峰 - 峰面表面变化，令人惊讶的低力量可用于调节表面图和光洁度。例如，熟练的眼镜师可以通过用指尖作为玻璃转动轻轻按压从光学器的边缘从光学边缘移除脊。在毫米级光学的情况下，施加力的敏感性急剧增加。将3mm到10 mm的磨轮安装在轴承主轴上，允许使用每次通过的力受到严格限制和调节。

在运动控制应用中，热是一个长期关注的问题。考虑到生产这些零件所涉及的公差，热管理就变得至关重要。电动机必须过小，这样它们就不会产生可能改变零件物理参数的热量。“当你试图保持50- 100纳米的表面轮廓- ?/10(或者你可以说“波长的十分之一”，如果你不能做希腊符号)-在高达几百毫米的部件上，热量是整个过程的杀手，”Lowe说。“如果我们能避免过热(通过过度驱动)马达，我们就会这么做。此外，保持机器的热外壳变得至关重要。”

运动控制变得越来越复杂，为机床界提供了各种复杂的平台，方便地生产多功能机床(见图2)。随着数控制造渗透到越来越多的应用领域，对性能和吞吐量的需求将继续上升。有了运动控制的帮助，原始设备制造商和终端用户将没有问题保持同步。