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解析數(shù)控機(jī)床中直線電機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢


日期:2009年07月07 來源:本站原創(chuàng) 關(guān)鍵字:數(shù)控機(jī)床

一、引言

數(shù)控機(jī)床正在向精密、高速、復(fù)合、智能、環(huán)保的方向發(fā)展。對數(shù)控機(jī)床的精密和高速加工對傳動(dòng)及數(shù)控機(jī)床的控制提出了更高的要求,更高的數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性和控制精度,更高的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給速度和加速度,更低的振動(dòng)噪聲和更小的磨損。問題的癥結(jié)在傳統(tǒng)的傳動(dòng)鏈從作為動(dòng)力源的電動(dòng)機(jī)到工作部件要通過齒輪、蝸輪副,皮帶、絲杠副、聯(lián)軸器、離合器等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié),在這些環(huán)節(jié)中產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、彈性變形、反向間隙、運(yùn)動(dòng)滯后、摩擦、振動(dòng)、噪聲及磨損。雖然在這些方面通過不斷的改進(jìn)使傳動(dòng)性能有所提高,但問題很難從根本上解決,于是出現(xiàn)了“直接傳動(dòng)”的概念,即取消從電動(dòng)機(jī)到工作部件之間的各種中間環(huán)節(jié)。隨著電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展,電主軸、直線電機(jī)、力矩電機(jī)的出現(xiàn)和技術(shù)的日益成熟,使主軸、直線和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的“直接傳動(dòng)”概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),并日益顯示其巨大的優(yōu)越性。直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)上的應(yīng)用,使機(jī)床的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了重大變化,并使機(jī)床性能有了新的飛躍。

二、直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)

進(jìn)給速度范圍寬?蓮1(1)m/s20m/min以上,目前加工中心的快進(jìn)速度已達(dá)208m/min,而傳統(tǒng)機(jī)床快進(jìn)速度<60m/min,一般為2030m/min。

速度特性好。速度偏差可達(dá)(1)0.01%以下。

加速度大。直線電機(jī)最大加速度可達(dá)30g,目前加工中心的進(jìn)給加速度已達(dá)3.24g,激光加工機(jī)的進(jìn)給加速度已達(dá)5g,而傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)給加速度在1g以下,一般為0.3g。

定位精度高。采用光柵閉環(huán)控制,定位精度可達(dá)0.10.01(1)m。應(yīng)用前饋控制的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)特性好,響應(yīng)靈敏,加上插補(bǔ)控制的精細(xì)化,可實(shí)現(xiàn)納米級控制。

行程不受限制。傳統(tǒng)的絲杠傳動(dòng)受絲杠制造工藝限制,一般46m,更長的行程需要接長絲杠,無論從制造工藝還是在性能上都不理想。而采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng),定子可無限加長,且制造工藝簡單,已有大型高速加工中心X軸長達(dá)40m以上。

結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小,運(yùn)動(dòng)部件摩擦小、磨損小、使用壽命長、安全可靠。

 

直流直線電機(jī),交流永磁同步直線電機(jī),交流感應(yīng)異步直線電機(jī),步進(jìn)直線電機(jī)等。

作為可控制運(yùn)動(dòng)精度的直線伺服電機(jī)在上世紀(jì)80年代末出現(xiàn)后,隨著材料(如永磁材料)、功率器件、控制技術(shù)及傳感技術(shù)的發(fā)展,直線伺服電機(jī)的性能不斷提高,成本日益下降,為其廣泛的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

近年來,直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)展表現(xiàn)在以下方面:(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)品種復(fù)蓋面廣,可滿足不同類型機(jī)床的要求;(4)成本大幅度下降;(5)安裝和防護(hù)簡便;(6)可靠性好;(7)包括數(shù)控系統(tǒng)在內(nèi)的配套技術(shù)日趨完善;(8)商品化程度高。

目前世界上直線伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的知名供應(yīng)商主要有:德國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(jī)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo):

FANUC L17000C3/2is;最大推力17000N;連續(xù)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(xù)推力8100N(水冷);最大速度253m/min。

在控制系統(tǒng)方面,Siemens、FANUC等系統(tǒng)供應(yīng)商都可提供與直線電機(jī)控制相對應(yīng)的控制軟件和接口。由于歐洲機(jī)床上應(yīng)用直線電機(jī)較多,因此采用Siemens系統(tǒng)(8l0D840D)最多。

中國科學(xué)院電工所、浙江大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等對直線電機(jī)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(jī)產(chǎn)品。

清華大學(xué)在“十五”攻關(guān)項(xiàng)目中研制成功交流永磁同步直線電機(jī)及其伺服系統(tǒng),其最大運(yùn)動(dòng)速度60m/min,最大加速度5g,最大推力5000N,目前已與江蘇瑞安特公司開始合作生產(chǎn)。

四、直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)在機(jī)床上的應(yīng)用情況

1 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的國產(chǎn)機(jī)床部分典型產(chǎn)品 機(jī)床類型  型號  廠商  主要特點(diǎn) 

電火花成形機(jī)床  GV754L  北京機(jī)床研究所  快進(jìn)速度24m/min

加速度1.5g 

立式加工中心  VS1250  北京機(jī)電院高技術(shù)

股份公司  X/Y軸直線電機(jī),

快進(jìn)80/120m/min

加速度0.8/1.5g 

立式加工中心  XH716/5X-SM  江蘇多棱數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司  X軸直線電機(jī) 

車銑中心   沈陽機(jī)床集團(tuán)  X軸直線電機(jī),

快進(jìn)60m/min 

活塞車床  G-CNCP200  清華大學(xué)  X軸直線電機(jī) 

凸輪磨床   北京航空航天大學(xué)  頭架驅(qū)動(dòng)用直線電機(jī),

精度提高,無振紋

1993年德國Ex-Cell-O公司研發(fā)出世界上第一臺直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺的加工中心以來,直線電機(jī)已在不同種類的機(jī)床上得到應(yīng)用。2001年、2003年歐洲機(jī)床展,2002年、2004年日本機(jī)床展及美國機(jī)床展上每次都有幾十家公司的展品采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。以2002年日本機(jī)床展JIMTOF為例,在參展的524臺數(shù)控機(jī)床中,有25家公司41臺機(jī)床采用直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)[3],其中,加工中心11(立式8臺,臥式3),電加工機(jī)床7(線切割4臺,成形機(jī)2臺,小孔機(jī)1),磨床6(一般磨床4臺,齒輪磨床1臺,坐標(biāo)磨床1),非球面加工機(jī)和微型微細(xì)加工機(jī)5臺,車床4臺,專用機(jī)床3臺,激光加工機(jī)2臺,車磨復(fù)合機(jī)床1臺,銑削加工單元(FMC)l臺。

目前,世界上最知名的機(jī)床廠家?guī)缀鯚o一例外地都推出了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床產(chǎn)品,品種覆蓋了絕大多數(shù)機(jī)床類型。此外,在壓力機(jī)、坐標(biāo)測量機(jī)、水切割機(jī)、等離子切割機(jī)、快速原型機(jī)及半導(dǎo)體設(shè)備的X-Y工作臺上直線電機(jī)都有應(yīng)用。

 

X軸運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量>1000kg,加速度設(shè)定為O.8g,快移速度設(shè)定為70m/min,連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)1小時(shí)以上。試驗(yàn)結(jié)果:10分鐘后初級線圈(水冷)溫升趨于平衡,工作溫度穩(wěn)定在69左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于允許工作溫度(12)。電機(jī)次級磁鐵溫升約2?梢娭本電機(jī)初級線圈與次級磁鐵(定子)的溫升對機(jī)床的熱影響有限,可通過補(bǔ)償消除。

五、發(fā)展趨勢

技術(shù)日益成熟

直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在技術(shù)上已日趨成熟,已具有傳統(tǒng)傳動(dòng)裝置無法比擬的優(yōu)越性能。過去人們所擔(dān)心的直線電機(jī)推力小、體積大、溫升高、可靠性差、不安全、難安裝、難防護(hù)等問題,隨著電機(jī)制造技術(shù)的改進(jìn),已不再是大問題。而驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的發(fā)展又為其性能拓展和安全性提供了保證。選擇合適的直線電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng),配以合理的機(jī)床設(shè)計(jì),完全可以生產(chǎn)出高性能、高可靠性的機(jī)床,F(xiàn)在直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給速度100m/min,加速度12g的機(jī)床已很普遍,已有機(jī)床達(dá)到快進(jìn)240m/min,加速度5g的指標(biāo)(日本AMADA激光切割機(jī))。日本Mazak公司宣稱,該公司將在近期推出快移速度500m/min,加速度6g,主軸速度80000r/min切削速度8馬赫的超音速加工中心。高速度高加速度的傳動(dòng)已在加工中心、數(shù)控銑床、車床、磨床、復(fù)合加工機(jī)床、激光加工機(jī)床及重型機(jī)床上得到廣泛應(yīng)用,這類機(jī)床在航空、汽車、模具、能源、通用機(jī)械等領(lǐng)域發(fā)揮著特殊的作用。在電加工機(jī)床上采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)0.1(1)m的精密平穩(wěn)移動(dòng)。在微細(xì)加工及精密磨削中,可實(shí)現(xiàn)10um進(jìn)給分辨率及20m/min的快移速度,加工表面粗糙度<1nm。在重型機(jī)床上采用直線電機(jī)驅(qū)數(shù)噸重的運(yùn)動(dòng)部件已不成問題。同步雙驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)已成熟應(yīng)用。這些都說明直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)在機(jī)床上的應(yīng)用已經(jīng)成熟,并在不斷向前發(fā)展,會(huì)給人們帶來更多的驚喜。此外,在國際上已有不同類型、不同規(guī)格的直線電機(jī)商品可提供,配套的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、檢測裝置及高速導(dǎo)軌、高速防護(hù)也都有相應(yīng)產(chǎn)品供貨。

成本不斷下降,性能價(jià)格比更好

近年來,直線電機(jī)系統(tǒng)成本不斷下降,在機(jī)床成本中的比重明顯下降。DMG公司的DMC64V linear加工中心 (X軸采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)),國內(nèi)報(bào)價(jià)僅61.4萬元人民幣。但目前采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)仍比傳統(tǒng)的傳動(dòng)裝置價(jià)格要高。因此,直線電機(jī)的應(yīng)用應(yīng)著眼于高性能機(jī)床,特別是精密高速加工機(jī)床、特種加工機(jī)床、大型機(jī)床,解決傳統(tǒng)傳動(dòng)方法不能解決的問題。另外,提高加工精度和加工效率也會(huì)提升機(jī)床的價(jià)值。例如,美國Gincinnati公司的HYPCR MACH高速加工中心,X軸長達(dá)46m,采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)后,加工大型薄壁飛機(jī)零件,用傳統(tǒng)方法加工一件要8小時(shí),而用該機(jī)床只需30分鐘。DMG公司介紹其采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的DMCCTX、GMCGMX系列產(chǎn)品生產(chǎn)效率可提高20%。據(jù)意大利JOBS公司介紹,該公司生產(chǎn)的LinX系列產(chǎn)品保證了龍門加工中心在長距離移動(dòng)上的超高性能[4],最大程度減少軸轉(zhuǎn)換操作的無效時(shí)間,其德國用戶采用LinX龍門加工中心(三軸均為直線電機(jī)驅(qū)動(dòng))加工模具,由于無效時(shí)間大為縮短等因素,加工效率比未采用直線電機(jī)的同類機(jī)床效率提高40%,而且由于傳動(dòng)部件無磨損,使用更可靠,運(yùn)行費(fèi)用更低。JOBS在生產(chǎn)LinX產(chǎn)品時(shí)采用直線電機(jī)的成本只增加百分之幾,但由于性能提高,售價(jià)可增加15%20%,機(jī)床利潤率明顯增加。

產(chǎn)業(yè)化趨勢明顯

直線電機(jī)在機(jī)床上的應(yīng)用已不是樣品,不是個(gè)例。近幾年已在幾十家著名企業(yè)的幾十類產(chǎn)品上推廣應(yīng)用。據(jù)有關(guān)資料介紹,1997年直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床銷售量已達(dá)300臺。2001年,德國DMG公司已在28種機(jī)型上采用直線電機(jī),年產(chǎn)量達(dá)1500(3000多根直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸),占其總產(chǎn)量的1/3。意大利JOBS公司自1999年開發(fā)出LinX直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的龍門加工中心后,2003年該公司LinX系列產(chǎn)品已占全公司總產(chǎn)量的60%(年產(chǎn)50臺大型龍門加工中心和龍門銑床),并成為公司的主要利潤來源。有專家預(yù)測,2005年直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床將達(dá)到3000臺,到2010年世界上將有20%的數(shù)控機(jī)床采用直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng),而這些機(jī)床都是高檔機(jī)床,因此其產(chǎn)業(yè)化前景是不言而喻的。


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