隨著生產技術的不斷發展、演進，現代生產活動不滿足于現狀，開始了在航空、航天、汽車制造和其它工業中的發展歷程，率、高質量的加工成為關鍵所在，對生產技術提出越來越高的要求。精密加工成為現代先進制造技術的發展方向之一。

1.1課題背景及目的

到目前為止，切削和磨削加工仍是機械制造工業的主導加工方法，因此，提高切削的加工效率和質量，仍是機械制造業的重要課題。

從提高生產率的角度看，機床和生產過程自動化的實質，歸根到底是以加快空程動作的速度和提高零件生產過程的連續性、從而縮短輔助工時為目的的一種技術手段。為了進一步提高生產效率，必須大幅度提高切削速度和進給速度，以降低切削工時。目前，這一先進制造技術己開始進入工業應用，在汽車、航空航天、模具和一般機械工業中均己得到廣泛的應用，并已取得重大的技術—經濟效益。[1,4-5]

1.2課題研究方法

為實現精密加工，必須大幅度提高切削速度、高進給速度和高進給加速度，以降低切削工時。這就對機床的各項性能指標提出了越來越高的要求。特別是對機床進給系統的伺服性能提出了更高的要求：即要有很高的驅動推力、快速進給速度和有極高的快速定位精度。實現精密加工的關鍵就是設計出具有高速進給，高動態響應特性和高定位精度的進給單元，才能使機床在高速運動條件下保證加工零件的高精度和率。

傳統“旋轉伺服電機+滾珠絲桿” 的旋轉電機、滾珠絲杠副等到工作臺之間的有很多中間的傳動環節，造成機械效率低下，在進給傳動方式上受到了很大的限制，其有關伺服性能指標難以突破提高，難以實現精密加工。

本課題針對該項技術進行調查、研究，在理論上對其進行模型的結構選型。

2 總體方案設計

2.1課題要求

本課題要求達到的推力不小于2000n，進給速度大于60m/min，行程>500mm。根據課題的要求，我們可以看出所要設計的結構屬于大推力、高進給速度的進給單元，所以必須尋找一種的進給傳動方式。

2.2進給方式的選擇

為了保證輪廓切削形狀的高精度和小的加工表面粗糙度值, 要求進給系統具有優良的快速響應特性, 即最大限度地減小系統跟蹤誤差。為此, 精密機床進給系統必須實現高的加速度進給, 同時盡量提高伺服剛度和減小慣性。

在選定了刀具和切削用量的情況下，進給速度與主軸的轉速成正比，同時，加速度也與主軸轉速有關，因此，精密加工機床要求有高的進給速度和高進給加速度，則必須具有與之匹配的主軸高轉速。

本課題中，采用了最近常用于機床進給系統的一種比較理想的驅動方式—直線電機驅動。直線電機驅動避免了機床傳動鏈中間環節的設計，將傳動鏈長度縮短為零，所以稱該傳動方式為“直接驅動”，或者“零傳動”。[2,5]

2.3直線電機進給特點

與傳統的“旋轉電機+滾珠絲桿”的進給單元相比，直線電機進給單元的技術和結構有以下的特點：

(1) 結構簡單，效率高。

(2) 定位精度高。

(3) 響應速度快。

(4) 無行程限制。

(5) 速度快，加減速過程短。

2.4直線電機的安裝形式

根據直線電機的安裝方式的不同,分為水平布局和垂直布局兩種基本方式。

水平布置形式的直線電機的初級和次級的磁吸引力在垂直方向上，跟重力同向，一旦工作臺的剛度不夠，就會使工作臺變形，初級和次級之間的間隙減小，影響了電機的正常工作，這種布置形式只適合輕載的情況。

根據電機數量的不同，有單電機驅動和雙電機驅動兩種不同的形式。

單電機的結構簡單，推力相對雙電機的小，工作臺跨距小，測量安裝和維修方便，適合于推力要求不大的場合。

而雙電機驅動的布置形式，合成推力大，但兩導軌之間的跨距較大，工作臺受重力和磁吸引力的變形大，對工作臺的剛度要求高，安裝困難，測試和控制較為復雜，一般應用于特殊場合。

在垂直布置形式中，為了抵消直線電機吸力對機床構件的影響, 一般采用雙電機結構。它具有推力較大、工作臺變形小、工作載荷對電機初級與次級的間隙影響小、運動精度高等優點,適合于載荷較大的高速運動場合。

它又可分為外垂直安裝和內垂直安裝兩種方式。

外垂直安裝方式,能保證機床的導軌跨距較小, 電磁吸力產生的彎矩與重力引起的彎矩方向相反, 減小了工作臺的彎曲變形, 對初級與次級間的間隙影響較小,但電機安裝高度較高,工作臺兩端的懸伸較大,所占空間較大,工作臺結構較復雜。

內垂直安裝方式中兩電機電磁力吸力方向相反, 消除了電磁引力對工作臺彎曲變形的影響,保證初、次級的間隙量在進給調速過程中變化最小, 但兩導軌間的跨距較大,安裝維護困難,適合于大推力、高精度的應用場合。[3]

本課題中，為滿足大推力、高精度的加工要求，保證工作臺剛度的基礎上，在結構上革新，采用雙電機內垂直安裝形式，能更好地滿足設計要求。

2.6導軌形式的選擇

導軌按摩擦性質可分為滑動導軌和滾動導軌。

滑動導軌兩導軌面之間是沒有滾動體的，導軌副工作面之間的摩擦性質為滑動摩擦，為面與面之間的摩擦，接觸面積大，中間填充適當的介質，以減少摩擦。

而滾動導軌副工作面之間裝有各種形狀的滾動體，是兩導軌面之間形成滾動摩擦，使摩擦面積變小，可通過加油脂、潤滑油等潤滑劑更進一步地減少摩擦。

比較兩種形式的導軌，相對來說，滾動導軌的摩擦系數小，動、靜摩擦系數很接近，不易產生爬行，在導向精度上由于滑動導軌性能比較差，而為了適合精密進給單元的設計，保證其精密性，故選擇滾動導軌。

3 結論

本課題是對精密進給單元設計，在結構上采用雙電機內垂直的新結構形式，該設計能很好的滿足精密進給單元對穩定性和動態性能的要求，能很好地符合設計要求。

1、采用雙電機內垂直布置的形式，可使兩電機電磁力吸力方向相反, 消除了電磁引力對工作臺彎曲變形的影響,保證初、次級的間隙量在進給調速過程中變化最小,滿足大推力、高精度的設計要求。

2、采用高速精密四向等載滾動導軌，摩擦小、剛度大、承載能力強，能有效地減少摩擦力，保證了工作臺的運動精度。

直線電機作為進給系統的一種嶄新的驅動與傳動方式，它在高速精密機床上的應用，已呈現出比傳統的滾珠絲杠傳動無比的優越性。它不但速度高、加速度大、啟動推力也大，而且從根本上簡化了機床的傳動和結構，使機床的穩定性、定位精度、重復定位精度大大提高。直線電機驅動有望成為21世紀高速精密加工中心的標準傳動方式。