直线电机装配工艺的研究与应用
2012-3-16来源：数控机床市场网作者：沈一车床厂冯楠周宁一．引言
近年来，就如何提高企业制造技术，加快新技术的开发，以被越来越多企业所重视。随着高速切削、超精密加工等先进制造技术的发展，对机床各项性能指标提出了越来越高要求。同时也对机床进给系统的伺服性能提出了更高的要求：要有很高的驱动推力、快速进给速度和极高的快速定位精度。高速度、高加速度和高精度是现代伺服的要求及发展趋势。直线电动机高速进给单元的应用使进给传动链及其结构发生深刻的变化，机床进给系统形成了直线电机直接驱动为主的发展方向。直线电机的机械结构虽然简单，但制造工艺要求却非常严格，为加快我国高速加工技术的发展与应用，加速我厂数控机床的更新换代，组织力量对直线电机装配工艺过程进行攻关是必要的。
二．直线电机简介
直线电机是将直线位移机构的传动元件和执行元件相结合。按能量转换定理，进给机构的直线电机可分为同步电动机和异步电动机。直线电机结构紧凑、功率损耗小、快移速度高、加速度高、运动噪声低等优点，直线电机驱动方式与旋转电机驱动方式的最大区别是，取消了从电动机到工作台之间的一切机械中间传动环节，实现了“零传动”，避免了丝杠传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚性不足等缺点，使机床的性能大大提高。这项新技术国际上只有几家较大的机床公司把它应用到机床行业，而我国直线电机的设计制造技术刚刚起步，尚末形成批量生产规模，直线电机各项性能指标和国外尚有较大差距。
我厂在数控车床上应用直线电机在国内是第一家，所以说直线电机在CKS6125数控车床X轴上的应用，是我们对这项新技术的尝试，这项新技术研制的成功，为以后的机床开发和应用打下了基础。由于该项技术为我厂首次试制，直线电机的装配应处在探索中。
CKS6125数控车床X轴直线电机采用的是西门子1FN3永磁同步直线电机，是将初级部构芯（线圈）安装在滑板上，次级部构芯（磁铁）安装在床鞍上而成的一个完整内装式电机。其结构如图1：
图1
1FN3永磁同步直线电机主要有初级部分、次级部分、初级部构芯型材、精密冷却部分组成，其结构如图2：
图2
床鞍导轨采用依纳公司的2RUE3SDNLFEG3W2/920滚柱滑块组合导轨，滑块采用自润滑，另带2-BKESX35DHO锁紧快，其结构如图3：
图3
三．直线电机装配工艺的关键技术及工艺方案
3.1直线电机装配工艺的关键技术
根据直线电机的结构特点，直线电机零件加工和装配的主要关键：
a)初、次级部构芯安全装配。
b)安装直线电机所需工装选择。
c)安装直线电机螺钉紧固扭矩选择。
d)直线电机初、次级部芯装配。
e)直线电机装配后检查与运车。
3.2直线电机装配工艺方案确定
直线电机机械结构较为简单，但其装配工艺却非常严格。由于直线电机次级构芯的永磁体有一个强大的静态磁场和相当高铁铁磁极力，这对于人的健康和安全有直接的影响，因此装配过程中既要考虑如何保证直线电机的装配精度，也要重视人身安全。按照上述要求制定直线电机装配工序流程为：
装配前准备→将床鞍安装在床身、安装床鞍导轨→预装滑板调整机床精度→将次级部构芯冷却安装在床鞍上并试漏→安装次级部构芯→安装次级部构芯磁性盖板→将初级部构芯冷却器安装在滑板上→安装初级部构芯→安装滑板→检验直线电机安装情况（手动）→连接各冷却和液压管路→完善各部
3.3直线电机装配过程的分析
由于直线电机装配后，拆装非常困难，因此必须做好装配前准备工作。装配前应按目录清点零件,收集所需工装，清洗零件，按图纸对零件进行检测。按照直线电机装配工艺流程进行装配。
1、如何实现直线电机安全装配
由于直线电机次级构芯的永磁体有一个强大的静态磁场和相当高铁磁极力，因此装配过程中要求做到：
a.磁性材料距次级部构芯距离必须保证＞100mm。
b.手表、磁性材料（磁卡、软盘等）要远离。
c.安装、维修、维护设备时要带工作手套。
d.带心脏起搏器的人员不得在此设备上工作。
e.不能将强磁体放在次级部构芯附近。
装配直线电机时，为了应急，应最少应准备两个高强度、非磁性材料制造的楔形物（如：不锈钢扁铲），一把锤子（重3kg），用于吸到次级部构芯零件的分开
f.装配前才能拆掉次级部构芯包装箱。
g.装配时至少有2人操作。
h.永远不能把初级部构芯直接放到次级部构芯上。
i.使用钢制工具时要握紧工具，从侧面接近次级部构芯。
j.次级部构芯装好后又做其他工作，要用20mm以上厚的非金属材料（如木头）把它盖好。
k.在初级部构芯和次级部构芯已被装好在直线导轨上之后，要防止由于磁力作用在移动方向上移动。
l.要使用专用安装工具和设备。
2、如何选择安装直线电机所用工装
由于直线电机初级部构芯具有很强的磁力，所以安装直线电机所用工具应采用不锈钢或非金属工具，安装初、次级部构芯时，为防止磁力作用造成的伤害，而采用专用安装装置，所需工装如下：
a.拆卸/安装装置（非磁性材料）。
b.手锤1把（非磁性材料）。
c.（楔形物）2把（非磁性材料）。
d.扳手（不锈钢）。
3、如何选择安装直线电机螺钉和紧固扭矩
安装直线电机为避免磁性，选用了不锈钢A2螺钉，为保证螺钉安装牢固，规定螺钉拧入的深度不少于1.0×d，为增加螺钉的夹持力，给螺钉涂上MoS2润滑脂，为保证初、次级线圈受力均匀，冷却板安装时不变形，紧固螺钉时用扭矩扳手按要求对角紧固。
安装1FN3直线电机用螺钉紧固扭矩单位：N.m
4、如何安装直线电机
由于直线电机拆装较困难，为保证无杂质，安装前将零件清洗干净。为保证螺钉安装时不蹩进，将螺钉孔进行校正。由于初、次级部构芯气槽尺寸直接影响初、次级部构芯吸引力和进给力，为不减弱直线电机功能，保证初、次级部构芯安装后之间的槽隙为0.8mm，安装前对各零件尺寸链进行校正。为保证直线电机安装精度，安装直线电机前先将滑板与床鞍进行预装，调整好精度后，再将滑板拆下，分别安装初、次级部构芯。
1.次级部构芯的装配
a.用螺钉把次级部构芯固定到床鞍上，将组合分配器轴向放在冷却型材的插头上，将组合分配器螺钉拧上，为防止冷却型材扭曲变形，不要拧紧螺钉。安装另一端组合分配器，拧紧螺钉。检查次级部构芯冷却系统是否漏油。试漏时采用好冷却介质,避免在直线电机构件上形成冷凝水、湿气。
b.安装次级部构芯。每块次级部构芯紧固后，用防磁板盖上，然后再安装另一块次级部构芯，避免因磁力造成的伤害。次级部构芯共由四块串联在一起，装配时必须保证贴在次级部构芯支持板上的标示字母“N（北极）”都要对着相同的方向。
c.安装将次级部构芯磁性盖板。安装时先将次级部构芯磁性盖板一端固定在次级部构芯端块上，另一端与最后一块次级部构芯的外边沿大约45º角从上部定位，抽出隔磁盖板，然后将次级部构芯磁性盖板降下来与次级部构芯对准。当下降时，磁性力能被感觉到盖板马上被释放，然后“喀嚓”一声进入正确位置。检查一下盖板装的位置是否正确，然后将次级部构芯磁性盖板另一端固定在另一块次级部构芯端块上。
2.初级部构芯的安装
a.将初级部构芯精密冷却装置、初级部构芯安装在滑板。
b.将拆卸/安装装置固定在滑板两侧，保证拆卸/安装装置在
最大极限位置。c.将隔垫放在次级部构芯上，在将滑板放在床鞍上，保证拆卸/安装装置与床鞍接触可靠，慢慢松动螺钉，使滑板慢慢与床鞍导轨块接触，保证螺纹孔对正，用高强度螺钉将滑板紧固在导轨块上。
d.不能把次级部构芯直接放到次级部构芯上。
e.次级部构芯已被装好在直线导轨上之后，要防止由于磁力作用在移动方向上移动。
5、装配运车试验
a.检查直线电机各冷却、液压接头是否连接好，电线连接是否正确，各保护开关安装是否可靠。
b.直线电机进行耐压、绝缘试验。
c.接通冷却液和液压油，手动移动滑板，移动要均匀，摩擦要小，不允许有卡住现象，确保在整个行程上都能移动平滑。当手动移动滑板时，均匀有节奏的力的波动因电机结构的不同，这并不表明电机装配或者安装不正确。
d.电机通电后，先在低速下运行，待运行无误后，在逐渐升高
速度。不能用机床的冷却液或润滑剂来冷却直线电机。冷却介质可采用水加防腐剂或低粘度油。
e.介质必须是清洁、过滤过的，最大允许颗粒为100μm。
f.任何环境下，都要防止在直线电机构件上形成冷凝水湿气，
要选择好冷却介质流进温度，一般选择最大流进温度在环境温度以下3℃。如果电机的连续进给力用到100%，那么流进温度应最大限制在35℃。
g.次级部构芯的最高温度不能超过60℃，否则永磁体会被永久消磁。
h.冷却回路的最大压力：10bar。
四.结论
采用上述方法装配出的直线电机进给系统，经过运车试验，其快速移动速度可达到60m/min,加速度可达1g，定位精度达到0.006mm,重复定位精度达到0.003，满足了试验要求，达到预期目的，直线电机试装的成功，为我厂机床更新换代，经济的发展起到了积极的推动作用。<br/><br/>摘录自<astyle='color:blue;font-size:13px;'href='http://www.skjcsc.com'>数控机床市场网</a>
由于每台伺服电机后端部都安装有旋转编码器，它是一个十分易碎的精密光学器件，过大的冲击力肯定会使其损坏。
高性能加工中心与高速加工中心的区别在于它除有一个能高速旋转的主轴，还设计了高精度的直线运动导轨、大功率主轴电机、精密主轴轴承、滚珠丝杠、高效伺服驱动电机以及先进的CNC系统等。因而使加工中心在高效率下加工出高精度的零件，大大提高市场竞争力。
1.直线运动导轨
加工中心的各轴向运动的速度和精度，对实现高速切削至关重要。JoeKraemer博士在为高性能加工中心下定义时指出，在机床主轴转速与刀具系统不变和保证满足加工零件精度的前提下，如果各轴向运动不能达到f＝7.62-11.43m/min的进给速度，那就不能称之为高性能加工中心。但是要达到如此高的进给速度，采用普通机床的方形导轨是远远不能实现的。必须选用直线运动导轨。试验证明，直线运动导轨的磨擦系数仅为普通方形导轨的1/20。由于直线运动导轨的滚柱与导轨间的接触面积远远小于方形导轨，因而使功率消耗也降低为方形导轨的1/20，且能保持长时间的很少磨损，大大提高导轨的使用寿命。精密的直线运动导轨具有一个淬火硬度为HRC58-62的经精密导轨磨床磨削的直线形导轨，而不像普通方形导轨那样最少有一个V型导轨。因为两条直线形导轨的结构简单，因此容易加工、装配、测量以及能选择合适的滚柱直径等。
在机床开始沿直线运动时，直线运动导轨只需166kg力的力矩克服静摩擦，需69.2kg力的力矩克服动摩擦。而方形导轨则需346kg力的力矩克服静摩擦，103.8kg力克服动摩擦。因而，采用直线运动导轨可使机床的最高进给速度达63.5m/min，其中38.1m/min的进给速度用得最多。使加速度能在0.6-1.0g范围内。力口之直线运动导轨具有高的刚度，与工作台之间无间隙存在，因而很少产生振动，能加工出低表面粗糙度的零件表面，延长刀具的使用寿命。
2.精密的滚珠丝杠
机床滚珠丝杠直径及螺距的大小直接影响加工零件的精度，尤其是在进给量的切削条件下，采用直线运动导轨的高性能加工中心都选择小直径的细牙螺距的单头滚珠丝杠。也有的采用粗牙螺距的多头滚珠丝杠。一般采用伺服电机驱动滚珠丝杠的传动方案。但是，滚珠丝杠在工作中，滚动体作螺旋运动其自转轴线的方向是变化的，因而会产生陀螺运动。当陀螺运动中的陀螺力矩Mf超过滚珠体与滚道间的摩擦力时，滚动体将产生滑动，从而造成剧烈摩擦，使丝杠温度升高，同时振动和噪音增大，缩短了丝杠寿命，降低了滚珠丝杠的传动品质。为此开发出一种新型的高性能的滚动丝杠——行星滚柱丝杠，较好地解决了以上技术难题。
随着新技术的不断发展，在超高进给的情况下，工作台加速度将达到3g以上，因此移动件的惯性力也相当大。在进行机械部分设计时必须力求减小移动件的质量和回转件的转动惯量，进一步提高进给系统的刚度、灵敏度和精度。目前在加工中心上已采用由德国Ex-cell-o公司发明的大功率直线伺服电机，直接驱动工作台作直线运动，并与由碳素纤维增强塑料制成的轻型结构工作台和直线滚动导轨副匹配，实现高进给速度和高精度加工。
3．大功率机床主轴电机
在诸多影响选择机床主轴电机功率大小的因素中，最主要的有主轴锥度、加工中选择的切削用量(切除率)、零件大小和刀具尺寸等。选择大锥度主轴，能进行大功率切削，但是，有时为了快速地加速和减速，也可以采用大功率电机驱动小锥度主轴的方案。
对于大切除率加工，必须选用大锥度主轴和大功率机床主轴电机。零件材料对选择机床主轴电机功率影响不大。例如，对于锻件和铸件，并不要求大功率切削。但是选择在机床主轴高转速下加工，必须选择大功率电机。大零件加工也要选择大功率驱动是因为它需选用大直径刀具加工。
4.主轴轴承
切削实验证明，在主轴前端安装一排向心止推轴承和一排滚珠轴承，在主轴后端安装两排滚珠轴承，为最佳的装配组合方案。它能保证在通常切削条件下主轴有好的刚性，能承受很大的侧向切削力，又能满足高速切削加工的需要。
主轴轴承的种类和规模大小必须能满足使用条件。尺寸大的轴承能提供高强度和高刚度。但是大尺寸轴承有两个缺点：
由于大轴承的质量大和轴承间的接触面积大，因而在高主轴转速下产生大量的热量。在大量的热量长时间地作用下会引起主轴尺寸—涨大，影响加工精度。
大质量的主轴还需要大功率电机才能驱动。尽管轴承内圈加有润滑油冷却，但是大轴承在高转速下使承载量和旋转惯量增大，因而所需功率加大。尤其是当主轴转速增加时，功率消耗增大。可是并不是所有的功率都消耗在切削加工上。例如，具有40马力的主轴，只能有15—20马力的功率作用于刀头上，其余则都用以旋转主轴。对于一个高功率主轴，它能尽可能地将大量的功率作用在切削工件上，能用很小的功率去驱动最高转速的主轴。作用在主轴上的功率大小，根据空载下旋转主轴的最高转速即可计算出机床所消耗的功率。因为在高速下切削，夹头和刀具在切削力作用下产生径向偏斜，不同心等引起附加力增大或产生不平衡的离心力等。
切削实践证明，用多排小直径轴承代替两排大直径轴承，将取得好的加工效果。因为小直径轴承重量轻，消耗功率小，发热量也小。使用多排小直径轴承，并不使主轴刚度受到影响，而且还对主轴轴承的载荷预加相当有利。轴承预加载荷通常指主轴在静态下作用在轴承上的压力大小，一般采用预加载荷来改善主轴刚度和加大切削能力。但是由于作用在轴承上的压力增大，发热量增大，因而也加速了轴承磨损。
为了提高刀具的切削性能和延长刀具的使用寿命，对多排轴承预加较小的压力，即能提高机床主轴的刚度，达到以，上目的。
从长远的观点上看，对磁力、气动和静压轴承的市场需求量将会大大增加。但是，目前在高速切削中，最常用的还是以下两种：向心止推轴承和滚珠轴承。在标准的机床主轴转速条件下，在主轴前端经常安装一排滚珠轴承和—排向心止推轴承，在主轴后端安装两排滚珠轴承。因为在主轴前端安装—排滚珠轴承能极好地提高主轴刚度增加主轴的承载能力。这一点对于重载切削至关重要。但是，因为滚珠轴承有较大的接触面积，比向心止推轴承的重量重，因此消耗功率大，产生热量大，容易引起主轴尺寸涨大，功率利用低。高速切削可减少作用在主轴和刀具上的径向力，这样，在主轴前端安装的向心止推轴承提供了足够的刚度和稳定性，避免了机床主轴受热而产生的尺寸膨胀。
合理地选择轴承材料同轴承种类同样重要。虽然由轴承钢制成的轴承目前仍被广泛使用，但实践证明，高速切削使用陶瓷轴承将表现出许多的优点。尽管轴承钢制成的轴承价格便宜，便其重量远比同样规格的陶瓷轴承重得多。由于重量重，高速切削中发热量大，必须配置复杂的冷却润滑系统。同时随着主轴转速的提高，使作用在轴承上的向心力增大，使轴承温度升高，引起主轴尺寸增大，影响加工零件的尺寸精度，同时使机床主轴所需功率增加。陶瓷轴承由于重量轻，将较好地解决这一技术难题。切削试验证明，陶瓷轴承使主轴尺寸增大的速度只为轴承钢轴承的1/40。原因是它在高速下切削只有很小的向心力作用在轴承上。
同时，为了提高机床主轴刚度和切削能力，在陶瓷轴承上还可施加很大的预加载荷。由于陶瓷轴承有以上特点，因而使其使用寿命增长。
现代机床主轴技术允许机床根据主轴转速，方便地调整作用在主轴轴承上的预加载荷。当机床主轴转速增加时，由于向心力增加，作用在轴承广的载荷也增加。反之，作用在轴承上的载荷减小。因而，使轴承上的热量减少，轴承尺寸膨胀减小。当然在高速切削下，也允许给轴承预加很小的载荷，这样作用在刀具上的切削力很小，因此可降低对机床刚度的要求。在低主轴转速下，给轴承预加较大的载荷，仍是必要的，因为在增加刀具切削力同时，作用在主轴上的作用力也增大了。