【文章內容簡介】 控技術及其裝備發(fā)展趨勢之一是高速、高效、高精度。從 80 年代開始，由于數(shù)控機床的主軸、進給系統(tǒng)等功能部件的突破，數(shù)控機床的主軸轉速和進給速度都大幅度提高，以及制造技術的全面進步，使金屬切削加工進入了高速切 9 削的新階段。 90 年代以來，歐、美、日各國爭相開發(fā)應用新一代高速數(shù)控機床，加快機床高速化發(fā)展步伐。高速電主軸單元轉數(shù)在 30000r/min(有的高達 1179。 105r/min)以上 。工作臺的移動速度 (進給速度 ):在分辨率為 1181。m 時 ,在 100m/min(有 的到200m/min)以上 , 在分辨率為 時，在 24m/min 以上。 為了實現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如大功率高速電主軸、高加 /減速度直線電機驅動進給部件以及高性能控制系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展，應用領域進一步擴大。 超高速加工是繼數(shù)控技術之后，使制造技術產生第二次革命性飛躍的一項高新技術。超高速機床是實現(xiàn)超高速加工的物質基礎，而高速主軸單元則是超高速機床的 “ 核心 ” 部件，它的性能直接決定了機床的超高速加工性能。最佳適合高速運轉的主軸形式是將主軸電機的定子、轉子直接裝入主軸組件的內部，形成電主 軸，實現(xiàn)機床主軸系統(tǒng)的一體化、 “ 零傳動 ” 。電主軸具有結構緊湊、重量輕、慣性小、動態(tài)特性好等優(yōu)點，并可改善機床的動平衡，避免振動和噪聲，在超高速切削機床上得到了廣泛的應用。 電主軸的工作轉速極高，這對其結構設計、制造和控制提出了非常嚴格的要求，并帶來了一系列技術難題，如主軸的散熱、動平衡、支承、潤滑及其控制等。在應用中，必須妥善解決這些技術難題，才能確保電主軸高速運轉和精密加工的可靠性。 電主軸一體化所融合的技術包括 : a. 高速電機技術 。 電主軸是電動機與主軸融合在一起的產物，電動機的轉子即為主軸的旋轉 部分，理論上可以把電主軸看作一臺高速電動機。關鍵技術是高速度下的動平衡 。 b. 高速軸承技術 。 電主軸通常采用復合陶瓷滾動軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍 。有時也采用電磁懸浮軸承或靜壓軸承，內外圈不接觸，理論上壽命無限 。 c. 油霧潤滑 。 電主軸的潤滑一般采用定時定量油氣潤滑 。也可以采用脂潤滑，但相應的速度要打折扣。所謂定時，就是每隔一定的時間間隔注一次油。所謂定量，就是通過一個叫定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的油量。而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起 不到潤滑作用 。太多，在軸承高速旋轉時會因油的阻力而發(fā)熱。 d. 冷卻裝置 。 為了盡快給高速運行的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。 10 e. 內置脈沖編碼器 。 為了實現(xiàn)自動換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內置一脈沖編碼器，以實現(xiàn)準確的相角控制以及與進給的配合。主軸系統(tǒng)所用的位置編碼器分辨率也已達到 360000p/r。 f. 高頻變頻裝置 。 要實現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉的轉速，必須用一高頻變頻裝置來驅動電主軸的內置高速電動機，變頻器的輸出頻率必須達到上千或幾千 Hz。 當前高速高精加工機床一般都使用矢量控制的變頻驅動電主軸，常內置一脈沖編碼器，以實現(xiàn)準確的相位控制以及與進給的準確配合，電機定子和主軸軸承用恒溫水循環(huán)冷卻。所使用的主軸軸承主要是定時定量油氣潤滑的高精度陶瓷球角接觸球軸承，轉速不太高的機床也有采用脂潤滑的。主軸與刀具的接口以適合高速加工的 HSK 等接口為主，但也可選擇傳統(tǒng)的 7:24 錐孔。對精度的要求，主軸徑向跳動小于 2181。m，軸向竄動小于 1181。m，軸系不平衡度達到 級。預計在 2020 年前，油氣潤滑的陶瓷球軸承電主軸依然是主流，空氣靜壓軸承、電主軸和磁懸浮軸承電 主軸仍會比較少。 主軸傳動用電動機和進給傳動一樣，經歷了從普通三相異步電動機傳動到直流主軸傳動，而隨著微處理器技術和大功率晶體管技術的進展，現(xiàn)在又進入了交流主軸伺服系統(tǒng)的時代，目前已很少見到在數(shù)控機床上有使用直流主軸伺服系統(tǒng)了。 當代電主軸所使用的電機，不僅有異步交流感應電機，還有永磁同步電機，后者在相同功率下，外形尺寸較小，且轉子為永久磁鐵不發(fā)熱。 高速主軸單元技術在一些工業(yè)發(fā)達國家已經發(fā)展到較高水平，并被廣泛應用于高速機床行業(yè)，已經產生了巨大的經濟效益。為了滿足國內發(fā)展高速、高精度數(shù)控機床的需求，在 “ 九五 ” 期間通過攻關，我國開發(fā)出了主軸功率為 ～ 29kW、扭矩為 4～ 、能應用于數(shù)控機床和加工中心的電主軸，并且已裝備了部分國產數(shù)控機床。但是從總體上講，國產的電主軸和國外產品相比較，無論是性能、品種和質量都有較大差距，所以目前國產的高轉速、高精度數(shù)控機床和加工中心所用的電主軸，仍然主要從國外進口。而高速電主軸單元技術是制約我國超高速加工技術的瓶頸。為了趕上高速加工技術發(fā)展的潮流，我國正在不斷加大對超高速加工關鍵功能部件 — 電主軸單元的研究力度。目前，國家高效磨削工程技術研究中心承擔了國家“ 十 五 ” 攻關計劃課題 “ 高速主軸單元的研究開發(fā)與應用 ” ，正在為提升我國的電主軸單元技術水平而不斷努力。 11 (4) 以直線電動機直接驅動的直線伺服進給技術已趨成熟 高速高精加工機床的進給驅動，主要有傳統(tǒng)的 “ 旋轉伺服電機 +精密高速滾珠絲杠 ” 和新型的 “ 直線電機直接驅動 ” 兩種類型。 滾珠絲杠由於工藝成熟，應用廣泛，不僅精度能達到較高 (ISO3408 1 級 )，而且實現(xiàn)高速化的成本也相對較低，所以迄今仍為許多高速加工機床所采用。當前使用滾珠絲杠驅動的高速加工機床最大移動速度 90m/min，加速度 。但滾珠絲杠畢竟是機 械傳動，從伺服電機到移動部件間有一系列機械元件，勢必存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應造成運動滯后和其它非線性誤差，目前滾珠絲杠副的移動速度和加速度已提高較多，再進一步提高的余地有限。自 1993 年，在機床進給上開始應用直線電機直接驅動，它是高速高精加工機床特別是其中的大型機床更理想的驅動方式。目前使用直線電機的高速高精加工機床最大快移速度已達 208m/min，加速度 2g(Mazak 的 HMCF3660L 加工中心的水平 )，并且還有發(fā)展余地。 與滾珠絲杠傳動相比，直線電機直接驅動的優(yōu)點是 : a. 高剛度 。 直 線電機直接和負載連接，沒有間隙，有更高的動態(tài)剛度。 b. 更寬的速度范圍 。 現(xiàn)代電機技術，很容易實現(xiàn)寬調速，速度變化范圍可達1:10000 以上。例如，美國科爾摩根公司 DDL 永磁直線電機高速大于 5m/s，低速1181。m/s。 c. 加速特性好、運動慣量小、有更高動態(tài)響應性能。運行平穩(wěn)，位置精度高 (基本上取決于位置反饋檢測元件 )。 d. 無行程限制 。 采用模塊結構 , 可接長適應不同行程要求。 采用直線電機直接驅動省去了一切中間機械傳動，從根本上減小了機械摩損與傳動誤差，減少維護工作。 e. 軌跡誤差小，高速下可 獲得良好的定位精度。電機直接驅動的優(yōu)點正好彌補滾珠絲杠傳動的不足，與滾珠絲杠傳動相比，其速度提高 30 倍，加速度提高 10 倍，最大達 10g，剛度提高 7 倍，最高響應頻率達 100Hz。 直線電機直接驅動也存在一些缺點和問題，除控制難度大 (中間沒有緩沖環(huán)節(jié)和存在端部效應 )外，還存在強磁場對周邊產生磁干擾，影響滾動導軌副的壽命，同時給排屑、裝配、維修帶來困難，以及發(fā)熱大、散熱條件差。需解決散熱、隔磁、足夠的推力、自鎖和移動部件輕量化等方面的問題，才能在機床上實際應用，同時成本較高也影響其推廣應用。目前這些問題都已得到不 同程度的解決，采用者愈來愈 12 多。交流直線伺服電機也有感應 (異步 )式和同步式兩大類，同步式 (次級為永久磁鋼 )由于效率高、推力密度大、可控性好等優(yōu)點，盡管其對隔磁防塵要求較高和裝配較困難，現(xiàn)在也已成為機床用直線電機的主流。例如，美國 Ingersoll 銑床公司生產的HVM800 高速臥式加工中心， X、 Y、 Z 三軸都采用永磁同步直線伺服電機，最大進給速度可達 ，最大加速度 。 在高速高精加工機床領域，直線電機驅動和滾珠絲杠驅動雖然還會并存相當長一段時間，但總的趨勢是直線電機驅動所占比重會愈來愈大， 將來很有可能成為此種機床進給驅動的主流。現(xiàn)在世界各國的知名機床制造商 (比如以發(fā)展?jié)L珠絲杠驅動聞名于世的日本 Mazak 公司和韓國的大宇公司 )都紛紛推出直線電機驅動的機床，而德國的 DMG 公司， 2020 年便已銷售裝有直線電機的機床約 1000 臺， 2020 年要翻番，計劃為 2020 臺。種種跡象表明，直線電機驅動在高速高精加工機床上的應用已進入加速增長期。 13 2 相關技術 簡介 ARM 原理簡介 ARM 處理器概述 ARM 公司自 1990 年正式成立以來，在 32 位 RISC(Reduced Instruction Set Computer)開發(fā)領域不斷取得突破，其結構已經從 V3 發(fā)展到 V6?，F(xiàn)在設計、生產ARM 芯片的國際大公司已經超過 50 家，國內中興通信和華為等公司也已經購買ARM 公司的芯核用于通信專用芯片的設計。 ARM 微處理作為典型 32 位 RISC 架構的處理器，廣泛運用于工控設備、智能儀表、汽車電子、網絡設備、電子商務、信息家電、智能玩具、通信設備、移動存儲以及軍事電子領域。具有以下幾個主要特點： 、低功耗、低成本； Thumb(16 位 )和 ARM(32 位 )雙指令集，能很好地兼容 8/16 位器件； ，指令執(zhí)行速度快； ； ，執(zhí)行效率高； ； 。 隨著 ARM 技術的發(fā)展，新的 ARM 處理器還集成了以下幾個主要特點。 ： 16 位指令集，用以改善代碼密度； 2. DSP：用于 DSP 應用的算術運算指令集； ：允許直接執(zhí)行 Java 代碼的擴充。 目前， ARM 處理器有以下幾個系列的產品： ARM7TDMI、 StrongARM ARM720T、 ARM9TDMI、 ARM922T、 ARM940T、 RM946T、 ARM966T、 ARM10TDM1 等。自 V5 以 后， ARM 公司提供 Piccolo DSP 的芯核給芯片設計者，用于設計 ARM＋ DSP 的SoC(System on Chip)結構的芯片。 14 ARM7 處理器是低功耗的 32 位微處理器，最適合于對價位和功耗要求較高的消費類應用，廣泛運用于工業(yè)控制、網絡設備、數(shù)據(jù)通信等領域。目前， ARM7 處理器包括 ARM7TDMI、 ARM7TDMIS、 ARM7EJS 和 ARM720T。 ARM9 微處理器是 ARM7 處理器的升級，是高性能和低功耗處理器的代表，采用 ，廣泛運用于無線設備、儀用儀表、數(shù)字成像、數(shù)字機頂盒和網絡產品中。目前， ARM9 系統(tǒng)微處理器主要有 ARM920T、 ARM922T、ARM940T 等產品。 ARM9E(E 表示增強 DSP 指令 )處理器作為可綜合的處理器，使用單一的處理器內核，提供微處理器、 DSP、 Java 應用系統(tǒng)的解決方案，廣泛運用于工業(yè)控制、無線通信設備、數(shù)字消費電子產品、網絡通信設備等領域。目前， ARM9E 系統(tǒng)微處理器主要有 ARM926EJS、 ARM946ES、 ARM966ES。 ARM11 囊括了 Thumb CoreSight、 TrusZone 等眾多業(yè)界領先技術，同時由單一的處理器內核向多核發(fā)展，為高端的嵌入式應用提供了強大的處理平臺。 ARM SecurCore 系列微處理器專為安全需要而設計，提供了完善的 32 位 RISC技術的安全解決方案，具有低功耗、高性能的特點以及對安全解決方案的支持，廣泛應用于對安全性要求較高的應用產品及應用系統(tǒng)中，如電子商務、電子政務、電子銀行業(yè)務、網絡和認證系統(tǒng)等領域。目前的 ARM SecurCore 系列微處理器包含SecurCore SC100、 SecurCoreSC1 SecurCore SC200 和 SecurCore SC210。 基于 ARM 的 Intel 處理器包括 StrongARM 和 XScale 兩類產品，其融合了 ARM 處理器和 Intel 公司設計方案。 StrongARM 廣泛運用于消費電子、通信產品、掌上電腦等領域； XScale 則廣泛運用于移動數(shù)字電話以及網絡產品中。 ARM 硬件體系結構 （ 1） 馮 178。 諾依曼體系和哈佛總線 眾所周知，早期的微處理器內部大多采用馮 178。 諾依曼結構，以 Intel 公司的 X86系統(tǒng)微處理器為代表，如圖 所示，采用馮 178。 諾依曼結構的微處理器的程序空間和數(shù)據(jù)是合在一起的，即取指令和取操作數(shù)都是在同一條總線上，通過時分復用的方式進行的，其每條指令的執(zhí)行周期為： T＝ TF(取指令 )＋ TD(指令譯碼 )＋ TE(執(zhí)行指令 )＋ TS(存儲時間 ) 15 在高速運行時，不能達到同時取指令和取操作數(shù)的目的，從而形成了傳輸過程的瓶頸。 馮 178。 諾依曼結構被大多數(shù)微處理器所采用，其中， ARM7 處理器即采用此體系結構。 隨著微電子技術的發(fā)展，以 DSP 和 ARM 為應用代表的哈佛 總線技術應運而生，如 圖 所示，在采用哈佛總