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（2）高速进给系统 ）
2）直线电动机 1993年德国 -cell_O公司在汉诺威国际机床博览会展出了世界上 1993年德国Ex-cell_O公司在汉诺威国际机床博览会展出了世界上 年德国Ex 第一台直线电动机驱动工作台的HSC—240型超高速加工中心 型超高速加工中心， 第一台直线电动机驱动工作台的HSC—240型超高速加工中心，主轴 转速24000r/min，最大进给速度60m/min 转速24000r/min，最大进给速度60m/min 直线电动机的动子和工作台固连，定子则安装在机床床身上，取消滚 直线电动机的动子和工作台固连，定子则安装在机床床身上， 珠丝杠和其他一切中间机械传动环节，实现了加工中心进给系统“零 珠丝杠和其他一切中间机械传动环节，实现了加工中心进给系统“ 传动” 传动”。 最大进给速度可达80~Байду номын сангаас80m/min 速度高 ，最大进给速度可达80~180m/min 加速度大，2~10g 加速度大，2~10g 定位精度高，以光栅尺为位置测量元件，采用闭环反馈控制系统， 定位精度高，以光栅尺为位置测量元件，采用闭环反馈控制系统，工 作台定位精度高达0.1~0.01微米 微米。 作台定位精度高达0.1~0.01微米。 行程不受限制。美国Cincinnati公司开发的 公司开发的SuperMach大型高速 行程不受限制。美国Cincinnati公司开发的SuperMach大型高速 加工中心， 轴的行程长达46m,采用直线电动机 采用直线电动机. 加工中心，其X轴的行程长达46m,采用直线电动机.
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5.1高速加工中心的速度指标 高速加工中心的速度指标
国外文献：对高速切削有两种表述方法：一种叫High 国外文献：对高速切削有两种表述方法：一种叫High Speed Machining (HSM),另一种叫High Velocity Machining(HVM) (HSM),另一种叫 另一种叫High 高移速加工 一种观点：比传统的切削速度高时，就可以称HSM， 一种观点：比传统的切削速度高时，就可以称HSM，当切削速度达 一定值，才可以称HVM 一定值，才可以称HVM 高速加工比较合理说法：切削速度达到一个相对高的量级，不仅材料 高速加工比较合理说法：切削速度达到一个相对高的量级， 切除率大大提高，切削力下降，工件的温升较低，热变形小，刀具的 切除率大大提高，切削力下降，工件的温升较低，热变形小， 耐用度高。 耐用度高。
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3.高速加工中心的基本特征 高速加工中心的基本特征
加工中心和普通数控机床的主要区别有以下四点： 加工中心和普通数控机床的主要区别有以下四点： 1）有自动换刀装置，能实现工序间的自动换刀，这是加 有自动换刀装置，能实现工序间的自动换刀， 工中心标志性结构。 工中心标志性结构。 2）三坐标以上的全数字控制 3）多工序功能，一次装夹中，尽可能完成多工序加工 多工序功能，一次装夹中， 4）配置自动更换的双工作台，实现机床上、下料的自动 配置自动更换的双工作台，实现机床上、 化。 辅助工时大大缩短， 辅助工时大大缩短，机床的工艺可能性和加工精度也达到 高精度。 高精度。
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（2）高速进给系统 ）
图中直线电动机与滚珠丝杠加速度性能比较。滚珠丝杠从0 图中直线电动机与滚珠丝杠加速度性能比较。滚珠丝杠从0至 25m/min，需时0.5s；而直线电动机从0至75m/min，只需 25m/min，需时0.5s 而直线电动机从0 75m/min， 0.05s 电动机优良的加速性能较好。 0.05s。电动机优良的加速性能较好。 直线电动机缺点：电动机发热、 直线电动机缺点：电动机发热、磁场对切屑和铁屑工具有吸附作用以 及成本较高。 及成本较高。
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2.“零传动理论” “零传动理论”
以往的机床，不论是普通机床还是数控机床，从动力源到执行部件， 以往的机床，不论是普通机床还是数控机床，从动力源到执行部件， 要经过一系列的带、齿轮、离合器、联轴器、丝杠、螺母等中间环节， 要经过一系列的带、齿轮、离合器、联轴器、丝杠、螺母等中间环节， 转动惯量，元件要弹性变形，摩擦磨损和反向间隙） （转动惯量，元件要弹性变形，摩擦磨损和反向间隙）影响对运动指 令的快速反应。 令的快速反应。 解决方法：根本上解决问题， 解决方法：根本上解决问题，则最好取消从电动机到工作部件之间的 一切中间传动环节，使电动机和机床的工作部件合二为一， 一切中间传动环节，使电动机和机床的工作部件合二为一，从而使传 动链的长度等于零，实现机床的“零传动” 动链的长度等于零，实现机床的“零传动” 零传动是现代高速机床的基本特征， 零传动是现代高速机床的基本特征，它不但大大简化机床的传动与结 更重要提高机床动态灵敏度、加工精度和工作可靠性。 构，更重要提高机床动态灵敏度、加工精度和工作可靠性。 电主轴是实现高速机床主运动系统“零传动”的典型结构。 电主轴是实现高速机床主运动系统“零传动”的典型结构。 直线电动机高速进给单元是高速机床进给系统实现“零传动” 直线电动机高速进给单元是高速机床进给系统实现“零传动”的典型 代表。 代表。
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（3）自动换刀技术的改进 ）
1）高动作速度，采用机械凸轮式的换刀机构 高动作速度， 2）设计和布置刀库与换刀装置 3）采用新的方法进行刀具快速交换。可以考虑不用刀库和机械手方 采用新的方法进行刀具快速交换。 式。 4）采用适合高速加工的HSK刀柄 采用适合高速加工的HSK刀柄
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3）并联（虚拟轴）机构 ）并联（虚拟轴）
为了实现任何的坐标移动，牵动电主轴的六根实轴都必须运动。 为了实现任何的坐标移动，牵动电主轴的六根实轴都必须运动。 六根杆的伸缩既可用滚珠丝杠，也可用直线电动机。 六根杆的伸缩既可用滚珠丝杠，也可用直线电动机。 这种并联机构也有速度高、加速度大和刚度好等优点。 这种并联机构也有速度高、加速度大和刚度好等优点。
教师：高永祥 2009年 2009年9月
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高速切削机床和加工中心
背景 采用枪和炮来做高速切削实验 高速电主轴单元的研制成功 真正实现高速、 真正实现高速、高加速进给运动的直线电动机在机床上的 成功应用 高速机床的应用则是现代机床工业的第二次革命
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1。高速加工对机床的特殊要求 。
高速机床与普通机床的区别 （1）主轴转速高、功率大 主轴转速高、 转速：一般大于10000r/min 主电动机功率：15~80KW 转速：一般大于10000r/min 主电动机功率：15~80KW （2）进给量和快速行程速度高 进给量：60~100m/min，常规10倍左右 进给量：60~100m/min，常规10倍左右 （3）主轴和工作台运动都有极高的加速度 主轴从启动到最高转速只用1~2S 工作台加、 主轴从启动到最高转速只用1~2S。工作台加、减速也由常规数控机 床的0.1~0.2提高到 床的0.1~0.2提高到1~8g。（没有高的加速度，工作部件的高速度 提高到1~8g。（没有高的加速度， 没有高的加速度 是没有意义的）“速度设计”进行“加速度设计”的时代 是没有意义的） 速度设计”进行“加速度设计” 机床要有优良的静、 （4）机床要有优良的静、动态特性和热态特性 机床各运动部件之间作速度很高的相对运动， 机床各运动部件之间作速度很高的相对运动，运动副接合面之间将发 生急剧的摩擦和发热 快速刀具交换、 快速刀具交换、快速工件交换以快速排屑等装置
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4.加工中心的高速化 加工中心的高速化
数控机床生产总量中，加工中心占有50%的份额。 的份额。 数控机床生产总量中，加工中心占有50%的份额 加工中心主轴转速达到60000~80000r/min 加工中心主轴转速达到60000~80000r/min 使用直线电动机的快速进给超过100m/min 使用直线电动机的快速进给超过100m/min 加减速度可达到3g~6g。 加减速度可达到3g~6g。 高速度、高精度、 高速度、高精度、高刚度就成为对现代高速加工中心的基 本要求。 本要求。 欧州国家生产的高速加工中心，标准定位精度为8 例：欧州国家生产的高速加工中心，标准定位精度为8微 重复定位精度为4微米。 米，重复定位精度为4微米。 大批量零件的生产线上， 大批量零件的生产线上，高速加工中心不仅实现了柔性生 产。
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高速加工中心的典型结构
1.立式高速加工中心 1.立式高速加工中心 刀具主轴垂直设置。 刀具主轴垂直设置。 运用电主轴 工作台运动变成刀具主轴（立柱）作进给移动，工作台固定不动。 工作台运动变成刀具主轴（立柱）作进给移动，工作台固定不动。 为了减轻运动部件的质量，刀库和换刀装置ATC不宜再装在立柱的侧 为了减轻运动部件的质量，刀库和换刀装置ATC不宜再装在立柱的侧 而把它固定安装在工作台的一侧， 面，而把它固定安装在工作台的一侧，由立柱快速移动至换刀位置进 行换刀。 行换刀。
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5.高速加工中心的技术特征 高速加工中心的技术特征
1.提供高旋转速度的主轴部件， 1.提供高旋转速度的主轴部件，高移动速度的进 提供高旋转速度的主轴部件 给系统以及相关的元部件和技术就构成了高速加 工中心的基本技术体系。 工中心的基本技术体系。 高速加工中心的技术特征： 高速加工中心的技术特征： 一高速切削的技术指标； 一高速切削的技术指标； 二是实现高速切削的机床结构特征。 二是实现高速切削的机床结构特征。
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（2）高速进给系统 ）
目前高速进给系统主要有三种方案： 目前高速进给系统主要有三种方案： 1）滚珠丝杠 “旋转电动机+滚珠丝杠”仍是加工中心和其他数控机床进给系统的 旋转电动机+滚珠丝杠” 一统天下” “一统天下”。 缺点：转动惯量大、扭转刚度低，传动误差大、摩擦磨损和发热严重、 缺点：转动惯量大、扭转刚度低，传动误差大、摩擦磨损和发热严重、 弹性变形引起工作台爬行。最大直线速度为30~60m/min， 弹性变形引起工作台爬行。最大直线速度为30~60m/min，加速 度只有0.2~1g. 度只有0.2~1g. 解决：采用大导程的滚珠丝杠，可提高进给速度，但发热大大增加， 解决：采用大导程的滚珠丝杠，可提高进给速度，但发热大大增加， 造成严重的热变形， 造成严重的热变形，可以采用空心丝杠通冷却油的方法来减少热变形 误差。 误差。