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直线电机在数控机床中的应用

发布时间:2016-4-21 点击:1267 字体大小: 返回

直线电机在数控机床中的应用

一、引言

数控机床正在向精密、高速、复合、智能、环保的方向发展。精密和高速加工对传动及其控制提出了更高的要求,更高的动态特性和控制精度,更高的进给速度和加速度,更低的振动噪声和更小的磨损。问题的症结在传统的传动链从作为动力源的电动机到工作部件要通过齿轮、蜗轮副,皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间传动环节,在些环节中产生了较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损。虽然在这些方面通过不断的改进使传动性能有所提高,但问题很难从根本上解决,于出现了“直接传动”的概念,即取消从电动机到工作部件之间的各种中间环节。随着电机及其驱动控制技术的发展,电主轴、直线电机、力矩电机的出现和技术的日益成熟,使主轴、直线和旋转坐标运动的“直接传动”概念变为现实,并日益显示其巨大的优越性。直线电机及其驱动控制技术在机床进给驱动上的应用,使机床的传动结构出现了重大变化,并使机床性能有了新的飞跃。

二、直线电机进给驱动的主要优点

进给速度范围宽。可从1(1)m/s到20m/min以上,目前加工中心的快进速度已达208m/min,而传统机床快进速度<60m/min,一般为20~30m/min。

速度特性好。速度偏差可达(1)0.01%以下。

加速度大。直线电机最大加速度可达30g,目前加工中心的进给加速度已达3.24g,激光加工机的进给加速度已达5g,而传统机床进给加速度在1g以下,一般为0.3g。

定位精度高。采用光栅闭环控制,定位精度可达0.1~0.01(1)mm。应用前馈控制的直线电机驱动系统可减少跟踪误差200倍以上。由于运动部件的动态特性好,响应灵敏,加上插补控制的精细化,可实现纳米级控制。

行程不受限制。传统的丝杠传动受丝杠制造工艺限制,一般4~6m,更的行程需要接长丝杠,无论从制造工艺还是在性能上都不理想。而采用直线电机驱动,定子可无限加长,且制造工艺简单,已有大型高速加工中心X轴长达40m以上。

结构简单、运动平稳、噪声小,运动部件摩擦小、磨损小、使用寿命长、安全可靠。

三、直线电机及其驱动控制技术的进展

直线电机与普通电机在原理上类似,它只是电机圆柱面的展开,其种类与传统电机相同,例如:直流直线电机,交流永磁同步直线电机,交流感应异步直线电机,步进直线电机等。

作为可控制运动精度的直线伺服电机在上世纪80年代末出现后,随着材料(如永磁材料)、功率器件、控制技术及传感技术的发展,直线伺服电机的性能不断提高,成本日益下降,为其广泛的应用创造了条件。

近年来,直线电机及其驱动控制技术的进展表现在以下方面:(1)性能不断提高(如推力、速度、加速度、分辨率等);(2)体积减小,温升降低;(3)品种覆盖面广,可满足不同类型机床的要求;(4)成本大幅度下降;(5)安装和防护简便;(6)可靠性好;(7)包括数控系统在内的配套技术日趋完善;(8)商品化程度高。

目前世界上直线伺服电机及其驱动系统的知名供应商主要有:德Siemens公司,Indramat公司;日本FANUC,三菱公司;美国Anorad,科尔摩根公司;瑞士ETEL公司等。

具有代表性的直线电机产品的技术指标:

FANUC L17000C3/2is;最大推力17000N;连续推力3400N(自然冷)/4080N(气冷)/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;连续推力8100N(水冷);最大速度253m/min。

在控制系统方面,Siemens、FANUC等系统供应商都可提供与直线电机控制相对应的控制软件和接口。由于欧洲机床上应用直线电机较多,因此采用Siemens系统(如8l0D,840D)最多。

中国科学院电工所、浙江大学、沈阳工业大学等对直线电机开展了多年研究,江苏、哈尔滨、广东等一些公司已有小功率直线电机产品。

清华大学在“十五”攻关项目中研制成功交流永磁同步直线电机及其伺服系统,其最大运动速度60m/min,最大加速度5g,最大推力5000N,目前已与江苏瑞安特公司开始合作生产。

四、直线电机进给驱动在机床上的应用情况

表1 直线电机驱动的国产机床部分典型产品 机床类型 型号 厂商 主要特点

电火花成形机床 GV754L 北京机床研究所 快进速度24m/min

加速度1.5g

立式加工中心 VS1250 北京机电院高技术

股份公司 X/Y轴直线电机,

快进80/120m/min

加速度0.8/1.5g

立式加工中心 XH716/5X-SM 江苏多棱数控机床有限责任公司 X轴直线电机

车铣中心 沈阳机床集团 X轴直线电机,

快进60m/min

活塞车床 G-CNCP200 清华大学 X轴直线电机

凸轮磨床 北京航空航天大学 头架驱动用直线电机,

精度提高,无振纹

自1993年德国Ex-Cell-O公司研发出世界上第一台直线电机驱动工作台的加工中心以来,直线电机已在不同种类的机床上得到应用。2001年、2003年欧洲机床展,2002年、2004年日本机床展及美国机床展上每次都有几十家公司的展品采用直线电机驱动系统。以2002年日本机床展JIMTOF为例,在展的524台数控机床中,有25家公司41台机床采用直线电机进给驱动[3>,其中,加工中心11台(立式8台,卧式3台),电加工机床7台(线切割4台,成形机2台,小孔机1台),磨床6台(一般磨床4台,齿轮磨床1台,坐标磨床1台),非球面加工机和微型微细加工机5台,车床4台,专用机床3台,激光加工机2台,车磨复合机床1台,铣削加工单元(FMC)l台。

目前,世界上最知名的机床厂家几乎无一例外地都推出了直线电机驱动的机床产品,品种覆盖了绝大多数机床类型。此外,在压力机、坐标测量机、水切割机、等离子切割机、快速原型机及半导体设备的X-Y工作台上直线电机都有应用。

此外,浙江大学直线电机与现代驱动研究所开发了直线电机驱动的压力机、锯床、雕刻机、线切割机床。

北京机电院高技术股份有限公司承担的“十五”攻关项目《直线电机驱动的高速立式加工中心》,于2003年研制成功国内第一台直线电机驱动的加工中心,并在2003年北京国际机床展览会展出。该机床X/Y轴采用直线电机驱动,行程分别为1250/630mm,最大快移速度80/120m/min,最大加速度O.8/1.5g。机床在设计中对减轻运动部件质量、加强机床刚性、解决高速高加速运动下的抗冲击性、直线电机的防护,以及控制系统、伺服系统与直线电机的匹配和优化调试等方面做了有益的探索并取得了成功。为解决处于工作台下方的Y轴直线电机的防护问题,设计了密封的直线驱动轴部件,并获得了国家专利。经测定,该机床精度达到精密级加工中心标准,并有充分裕量。一年多来该机床工作稳定可靠。课题组还对直线电机初级线圈与次级磁铁(定子)的温升进行了试验。以X轴为例:X轴运动部件质量>1000kg,加速度设定为O.8g,快移速度设定为70m/min,连续往复运动1小时以上。试验结果:10分钟后初级线圈(水冷)温升趋于平衡,工作温度稳定在69℃左右,远远低于允许工作温度(12℃)。电机次级磁铁温升约2℃。可见直线电机初级线圈与次级磁铁(定子)的温升对机床的热影响有限,可通过补偿消除。

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