直線電機在數控領域的應用

2018-06-16  來自: 東莞市木春實業有限公司 瀏覽次數:134

一、引言

數控機床正在向精密、高速、複合、智能、環保的方向發展。精密和高速加工對傳動及其控製提出了更高的要求,更高的動態特性和控製精度,更高的進給速度和加速度,更低的振動噪聲和更小的磨損。問題的症結在傳統的傳動鏈從作為動力源的電動機到工作部件要通過齒輪、蝸輪副,皮帶、絲杠副、聯軸器、離合器等中間傳動環節,在些環節中產生了較大的轉動慣量、彈性變形、反向間隙、運動滯後、摩擦、振動、噪聲及磨損。雖然在這些方麵通過不斷的改進使傳動性能有所提高,但問題很難從根本上解決,於出現了“直接傳動”的概念,即取消從電動機到工作部件之間的各種中間環節。隨著電機及其驅動控製技術的發展,電主軸、直線電機、力矩電機的出現和技術的日益成熟,使主軸、直線和旋轉坐標運動的“直接傳動”概念變為現實,並日益顯示其巨大的優越性。直線電機及其驅動控製技術在機床進給驅動上的應用,使機床的傳動結構出現了重大變化,並使機床性能有了新的飛躍。

二、直線電機進給驅動的主要優點

進給速度範圍寬。可從1(1)m/s到20m/min以上,加工中心的快進速度已達208m/min,而傳統機床快進速度<60m/min,一般為20~30m/min。

速度特性好,速度偏差可達(1)0.01%以下。

加速度大。直線電機最大加速度可達30g,加工中心的進給加速度已達3.24g,激光加工機的進給加速度已達5g,而傳統機床進給加速度在1g以下,一般為0.3g。

定位精度高。采用光柵閉環控製,定位精度可達0.1~0.01(1)mm。應用前饋控製的直線電機驅動係統可減少跟蹤誤差200倍以上。由於運動部件的動態特性好,響應靈敏,加上插補控製的精細化,可實現納米級控製。

行程不受限製。傳統的絲杠傳動受絲杠製造工藝限製,一般4~6m,更的行程需要接長絲杠,無論從製造工藝還是在性能上都不理想。而采用直線電機驅動,定子可無限加長,且製造工藝簡單,已有大型高速加工中心X軸長達40m以上。

結構簡單、運動平穩、噪聲小,運動部件摩擦小、磨損小、使用壽命長、安全可靠。

三、直線電機及其驅動控製技術的進展

直線電機與普通電機在原理上類似,它隻是電機圓柱麵的展開,其種類與傳統電機相同,例如:直流直線電機,交流永磁同步直線電機,交流感應異步直線電機,步進直線電機等。

作為可控製運動精度的直線伺服電機在上世紀80年代末出現後,隨著材料(如永磁材料)、功率器件、控製技術及傳感技術的發展,直線伺服電機的性能不斷提高,成本日益下降,為其廣泛的應用創造了條件。

直線電機及其驅動控製技術的進展表現在以下方麵:(1)性能不斷提高(如推力、速度、加速度、分辨率等);(2)體積減小,溫升降低;(3)品種覆蓋麵廣,可滿足不同類型機床的要求;(4)成本大幅度下降;(5)安裝和防護簡便;(6)可靠性好;(7)包括數控係統在內的配套技術日趨完善;(8)商品化程度高。

世界上直線伺服電機及其驅動係統的知名供應商主要有:德Siemens公司,Indramat公司;日本FANUC,三菱公司;美國Anorad,科爾摩根公司;瑞士ETEL公司等。

具有代表性的直線電機產品的技術指標:

FANUC L17000C3/2is:最大推力17000N;連續推力3400N(自然冷)/4080N(氣冷)/6800(水冷);最大速度240m/min(4m/s);最大加速度30g;分辨率0.01(1)m。

Siemens 1FN3:最大推力20700N;連續推力8100N(水冷);最大速度253m/min。

在控製係統方麵,Siemens、FANUC等係統供應商都可提供與直線電機控製相對應的控製軟件和接口。由於歐洲機床上應用直線電機較多,因此采用Siemens係統(如8l0D,840D)最多。

中國科學院電工所、浙江大學、沈陽工業大學等對直線電機開展了多年研究,江蘇、哈爾濱、廣東等一些公司已有小功率直線電機產品。清華大學在“十五”攻關項目中研製成功交流永磁同步直線電機及其伺服係統,其最大運動速度60m/min,最大加速度5g,最大推力5000N。

四、直線電機進給驅動在機床上的應用情況

表1 直線電機驅動的國產機床部分典型產品

 

機床類型

型號

主要特點

電火花成形機床

GV754L

快進速度24m/min 加速度1.5g

立式加工中心

VS1250

X/Y軸直線電機,快進80/120m/min加速度0.8/1.5g

 

立式加工中心

XH716/5X-SM

X軸直線電機,快進60m/min

活塞車床

G-CNCP200

頭架驅動用直線電機,精度提高,無振紋

 

自1993年德國Ex-Cell-O公司研發出世界上第一台直線電機驅動工作台的加工中心以來,直線電機已在不同種類的機床上得到應用。2001年、2003年歐洲機床展,2002年、2004年日本機床展及美國機床展上每次都有幾十家公司的展品采用直線電機驅動係統。以2002年日本機床展JIMTOF為例,在展的524台數控機床中,有25家公司41台機床采用直線電機進給驅動[3>,其中,加工中心11台(立式8台,臥式3台),電加工機床7台(線切割4台,成形機2台,小孔機1台),磨床6台(一般磨床4台,齒輪磨床1台,坐標磨床1台),非球麵加工機和微型微細加工機5台,車床4台,專用機床3台,激光加工機2台,車磨複合機床1台,銑削加工單元(FMC)l台。

世界上最知名的機床廠家幾乎無一例外地都推出了直線電機驅動的機床產品,品種覆蓋了絕大多數機床類型。此外,在壓力機、坐標測量機、水切割機、等離子切割機、快速原型機及半導體設備的X-Y工作台上直線電機都有應用。

此外,浙江大學直線電機與現代驅動研究所開發了直線電機驅動的壓力機、鋸床、雕刻機、線切割機床。

北京機電院高技術股份有限公司承擔的“十五”攻關項目《直線電機驅動的高速立式加工中心》,於2003年研製成功國內第一台直線電機驅動的加工中心,並在2003年北京國際機床展覽會展出。該機床X/Y軸采用直線電機驅動,行程分別為1250/630mm,最大快移速度80/120m/min,最大加速度O.8/1.5g。機床在設計中對減輕運動部件質量、加強機床剛性、解決高速高加速運動下的抗衝擊性、直線電機的防護,以及控製係統、伺服係統與直線電機的匹配和優化調試等方麵做了有益的探索並取得了成功。為解決處於工作台下方的Y軸直線電機的防護問題,設計了密封的直線驅動軸部件,並獲得了國家專利。經測定,該機床精度達到精密級加工中心標準,並有充分裕量。一年多來該機床工作穩定可靠。課題組還對直線電機初級線圈與次級磁鐵(定子)的溫升進行了試驗。以X軸為例:X軸運動部件質量>1000kg,加速度設定為O.8g,快移速度設定為70m/min,連續往複運動1小時以上。試驗結果:10分鍾後初級線圈(水冷)溫升趨於平衡,工作溫度穩定在69℃左右,遠遠低於允許工作溫度(12℃)。電機次級磁鐵溫升約2℃。可見直線電機初級線圈與次級磁鐵(定子)的溫升對機床的熱影響有限,可通過補償消除。

五、結語

現今已經進入高新技術日新月異的時代,從企業到行業,從地方到中央都在為發展應用更加節能安全的科技產品製定新的規劃。我們也正在行動。就機床的發展而言,直線電機無論作為功能部件還是其相關技術在機床中的應用,都應該得到足夠重視。各企業和研究部門都在審時度勢,根據自己的客觀條件選擇相關課題開展研究,從戰略高度考慮發展直線電機及其驅動控製的機床產品,並逐步形成產業。

關鍵詞: 直線電機           

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