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电工基础及自动化

直线电机的发展

日期:2015-04-08 10:16:36 浏览次数:

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)品种复盖面广,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:德国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。直线电机进给驱动的主要优点:

1、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。

2、速度特性好。速度偏差可达(1)0.01%以下。

3、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。

4、定位精度高。采用光栅闭环控制,定位精度可达0.1~0.01(1)m。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。

5、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,更长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。

6、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。

  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,在参展的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,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。
  直线电机及其驱动控制系统在技术上已日趋成熟,已具有传统传动装置无法比拟的优越性能。过去人们所担心的直线电机推力小、体积大、温升高、可靠性差、不安全、难安装、难防护等问题,随着电机制造技术的改进,已不再是大问题。而驱动与控制技术的发展又为其性能拓展和安全性提供了保证。选择合适的直线电机及驱动控制系统,配以合理的机床设计,完全可以生产出高性能、高可靠性的机床。现在直线电机驱动进给速度100m/min,加速度1~2g的机床已很普遍,已有机床达到快进240m/min,加速度5g的指标(日本AMADA激光切割机)。日本Mazak公司宣称,该公司将在近期推出快移速度500m/min,加速度6g,主轴速度80000r/min切削速度8马赫的超音速加工中心。高速度高加速度的传动已在加工中心、数控铣床、车床、磨床、复合加工机床、激光加工机床及重型机床上得到广泛应用,这类机床在航空、汽车、模具、能源、通用机械等领域发挥着特殊的作用。在电加工机床上采用直线电机驱动可实现0.1(1)m的精密平稳移动。在微细加工及精密磨削中,可实现10um进给分辨率及20m/min的快移速度,加工表面粗糙度<1nm。在重型机床上采用直线电机驱数吨重的运动部件已不成问题。同步双驱动控制技术已成熟应用。这些都说明直线电机及其驱动控制技术在机床上的应用已经成熟,并在不断向前发展,会给人们带来更多的惊喜。此外,在国际上已有不同类型、不同规格的直线电机商品可提供,配套的驱动控制系统、检测装置及高速导轨、高速防护也都有相应产品供货。< span="">

 直线电机在机床上的应用已不是样品,不是个例。近几年已在几十家著名企业的几十类产品上推广应用。据有关资料介绍,1997年直线电机驱动的机床销售量已达300台。2001年,德国DMG公司已在28种机型上采用直线电机,年产量达1500台(约3000多根直线电机驱动轴),占其总产量的1/3。意大利JOBS公司自1999年开发出LinX直线电机驱动的龙门加工中心后,2003年该公司LinX系列产品已占全公司总产量的60%(年产50台大型龙门加工中心和龙门铣床),并成为公司的主要利润来源。有专家预测,2005年直线电机驱动的机床将达到3000台,到2010年世界上将有20%的数控机床采用直线电机进给驱动,而这些机床都是高档机床,因此其产业化前景是不言而喻的。

  我国在直线电机及驱动控制技术的研发、应用与世界水平相差甚远,至少有十年的差距。无论产品的性能、品种,还是在机床上的应用仅处于起步阶段,甚至大量是空白。如果我们不能抓住当前宏观经济形势大好,市场需求旺盛的机遇,在直线电机及其驱动控制技术的开发与应用上奋起直追,我国的高档数控机床会更加落后,这将不利于我国的国家安全和产业安全。

 在数控技术及关键功能部件中,开发直线电机产品(包括相应的驱动系统)。数控技术中应开发与直线电机驱动控制相匹配的软件技术,例如高速及高加速条件下的伺服控制及其调整,高速、高精度的插补技术,复杂加工程序的前瞻控制能力,机床动态特性参数优化模型,故障诊断与保证功能等。同时,相应开发与高速高加速运动相配套的高速导轨、高速防护、高速位置检测装置等。

 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,在这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,于是出现了“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。

来源:网络转载 


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