运动提高机床性能

生产高质量、紧密公差的零件需要良好控制的三维运动。

高精度零件的加工呈现出极其严格的性能规格。曾经有一段时间，技术更像是艺术而不是科学，用户愿意耐心等待结果。没有更多的。今天，在性能要求收紧的情况下，广泛的商业应用使作业车间面临大量生产的压力。运动控制提供了最佳的解决方案，以经济生产复杂的组件，从铝，黄铜，铜，镍到光学晶体和其他异国的各种材料。

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。在通常用于生产旋转对称零件的车床中，高速主轴使工件旋转，而切削齿在其他轴上平移。刀具可以平行于主轴移动，从轴的外部去除材料或将螺纹切进轴。它可以垂直于主轴移动，从工件的表面切割材料，也可以垂直于主轴钻孔。铣床通过将z轴上的旋转切削齿与x、y轴上的定位工作台相结合，可以生产非旋转对称零件。

计算机数字控制(CNC)机床利用运动控制快速和重复地产生更复杂的三维轮廓。例如，数控金刚石车削机可以快速、经济地制造用于红外成像应用的球形金属透镜。数控设计可以包括水平和垂直主轴，以及多主轴版本。这些机器可以生产公差从几百微米到几纳米的零件。由于强调精度，它们利用速度而不是扭矩，在任何时间只去除少量材料。

有了这些设计，轴的数量可以迅速增加。数控机床制造商Murata Machinery USA, Inc.集成了基本的车床与x, y, z龙门装载机，也由运动控制驱动。例如，典型的双主轴机床将在每个主轴上具有x轴和z轴切割运动，再加上一个具有x轴、y轴和z轴功能的龙门装载机，总共有7个轴，全部由伺服电机定位。添加第二个龙门，轴的总数跳跃到10。

加载/卸载功能非常重要，因为现在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。

Muratec机床部门工程经理杰夫•卡尔巴赫(Jeff Kalmbach)表示:“如果切割主轴不动，客户就赚不到钱。”循环时间从8秒到几分钟不等，这取决于零件的大小，可以从一公斤的零头到100公斤以上。“如果我们在单龙门机器上有30秒的切割时间，龙门在切割周期中不断移动。因此，重点是优化龙门加载与切割主轴。”

优化的一部分包括安全技术，尤其适用于具有多个龙门的系统。“可以根据正在做的事情建立和定制安全区域，”Kalmbach说。“控制系统内部进行了大量的沟通，以确保两个龙门之间不会有任何重叠。”

设计紧公差
电机中的扭矩波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，因为可以高杆数汽车．

对于真正要求严格的应用程序，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，还用于加工用于可见波长应用的玻璃光学组件，以及用于红外应用的更奇特的材料，如硒化锌和锗。这些机器可以提供表面光洁度要求严格到1纳米的零件。要达到这一水平的结果，需要在所有轴上进行超平滑的运动，加上高空间分辨率的反馈。对于x, y, z运动，机器使用空气轴承或静压轴承驱动线性马达．空气轴承有助于消除电机引入的任何齿槽，反馈回路完成其余工作。

摩尔高级控制工程师杰夫•劳表示:“直线电机有一些齿槽，但它们是正弦转换的，这意味着我们绘制的理论力曲线非常接近所提供的力。”“除此之外，由我们的伺服回路来关闭回路，并将非线性系统线性化。”

该团队使用插值法将137纳米的信号间距转换为34 pm的测量分辨率。“在线性电机的世界里，很难得到一个好的速度信号来实现环路稳定，”Lowe说。“我们解决这个问题的方法是通过插值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，并帮助我们在1纳米范围内进行测量。”

这些机器通常加工的零件尺寸从小于一毫米到450毫米不等。制造球面组件需要纯粹的旋转运动。制造减少光学像差的球体不仅需要旋转，还需要振荡运动。在大型球形零件的情况下，制造可能需要长达10小时。

所有这些振动往往会引入振动，这可能对具有超高光滑要求的工作造成重大问题。解决这一问题的出发点是在最初的机器设计中找到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，甚至底盘材料都可以起到抑制任何残留振动的作用，控制系统也可以。将机器安装在隔振部件上，进一步提高了性能。

机器设计也可以适应磨削应用，主要是生产模具。当涉及到研磨时，被移除的材料的数量与施加的力成正比。根据材料和表面变化的不同，可以使用非常低的力来调整表面形状和光洁度。例如，当玻璃转动时，一个熟练的眼镜师只需用指尖轻轻按一下，就可以去掉光学眼镜边缘的脊线。在毫米级光学的情况下，对施加的力的灵敏度急剧跃升。安装3毫米到10毫米的砂轮在空气轴承主轴上允许力的程度严格约束和调整每一个通道。

热在运动控制应用中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，热管理变得至关重要。电动机的尺寸要小，这样它们就不会产生可能改变部件物理参数的热量。“当你试图在高达几百毫米的部件上保持50到100纳米的表面轮廓- ?/10[如果你不能用希腊符号，你可以说是“波长的十分之一”]，热量是整个过程的杀手，”劳说。“如果我们能避免过热(通过过度驱动)电机，我们就会这样做。此外，保持机器的热保护层变得至关重要。”

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，以方便地生产多功能机床(见图2)。随着数控加工进入越来越多的应用领域，对性能和吞吐量的需求将继续上升。在运动控制的帮助下，oem和最终用户将不会有任何问题保持同步。