基于直线电动机驱动的2X-Y联动进给轴圆轮廓误差测试研究

　　现代数控机床正朝着精密、高速、复合、智能的方向发展，高精度、高速切削加工对数控机床的进给机构及其控制都提出了更高的要求。在传统进给系统中，旋转电动机带动滚珠丝杠副的传动机构存在反向间隙、惯性、摩擦力和刚性不足等问题，保证一定精度要求需要以牺牲速度为前提。而直线电动机是一种没有任何中间转换机构的传动装置，直接将电能转换成直线运动机械能，主要具有进给速度快、加速度大、快速响应、定位精度高、无行程限制、效率高、运动噪声低等优点[1]，应用直线电动机驱动高速机床正成为新一代数控机床的具有代表性的先进技术之一[2]。

　　采用龙门柱固定的传统龙门机床难以获得高的加速度，同时又受到工作台的长度和工作场所限制[3]。由双直线电动机驱动的龙门移动式机床让工作台与工件保持静止，龙门立柱质量相对较小，可以获得较高的加速度特性，发挥了直线电动机快速响应的优越性[4]。因此，基于直线电动机驱动的2X-Y联动轴进给机构是当前高速机床的一个重要发展方向，它的驱动特性也成为一个必要的研究课题。

　　精密、超精密加工已经成为现代制造业中技术竞争的关键领域，而高速切削带来的突出问题之一是轮廓精度随加工速度的提高而下降，轮廓精度直接影响到工件的加工精度。圆轮廓是切削加工过程中的一种典型轮廓，其精度直接影响工件的圆度和圆柱度。文献[5]探讨了直线电动机在超精密加工技术中的应用和发展，文献[6]对一台由旋转电动机驱动的加工中心圆轮廓误差与圆半径、进给速度之间的关系进行了研究。而对于由直线电动机驱动的数控机床圆轮廓误差特性少有相关研究。

　　本文以自构建的直线电动机驱动进给实验台为对象，围绕直线电动机驱动的2X-Y联动进给轴平面圆轮廓误差进行测试研究，给出分析结果以指导实际加工，推动直线电动机在数控机床上的应用。

　　1 2X-Y联动进给轴圆轮廓误差评定

　　1.1 构建2X-Y联动进给轴实验平台

　　本实验测试研究的龙门移动式实验平台如图1所示，其中龙门柱在X方向上配备2台直线电动机，龙门横梁上的立式加工刀架在Y方向上配备1台直线电动机，直线电动机为西门子公司的扁平型短初级系列，型号为1FN3300-3NC40和1FN3300-3NC10。

　　该直线电动机试验台配备了西门子840D数控系统，系统组成如图2所示。西门子840D数控系统的功能由以下4部分构成: 人机界面HMI、可编程控制器PLC、数控内核NCK、数字式交流伺服驱动SIMODRIVE611D。硬件结构主要包括840D操作面板(MMC103)、机床控制面板(MCP)、手持单元(HHU)、PLC模块、数字控制单元(NCU)、611D主电源模块和功率模块。在位置定位方面，X轴配备2套、Y轴配备1套海德汉NLC183型号的光栅尺，构成进给轴的全闭环定位控制系统。