直線電機(jī)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)
一魔呈、引言 數(shù)控機(jī)床正在向精密悉种、高速掏父、復(fù)合捣潭、智能房匆、環(huán)保的方向發(fā)展。精密和高速加工對(duì)傳動(dòng)及其控制提出了更高的要求砌庄,更高的動(dòng)態(tài)特性和控制精度封拧,更高的進(jìn)給速度和加速度,更低的振動(dòng)噪聲和更小的磨損硫狞。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信轿、蝸輪副,皮帶妓忍、絲杠副虏两、聯(lián)軸器、離合器等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)世剖,在這些環(huán)節(jié)中產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量充贿、彈性變形、反向間隙菲贝、運(yùn)動(dòng)滯后差炮、摩擦、振動(dòng)威跟、噪聲及磨損戴砍。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往茄,于是出現(xiàn)了“直接傳動(dòng)”的概念枯邓,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)展乘占,電主軸掰媚、直線電機(jī)、力矩電機(jī)的出現(xiàn)和技術(shù)的日益成熟笔畜,使主軸习棋、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)越性呐粘。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)用满俗,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作岖。 二唆垃、直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn) 進(jìn)給速度范圍寬五芝。可從1(1)m/s到20m/min以上降盹,目前加工中心的快進(jìn)速度已達(dá)208m/min与柑,而傳統(tǒng)機(jī)床快進(jìn)速度<60m/min,一般為20~30m/min蓄坏。 加速度大涡戳。直線電機(jī)最大加速度可達(dá)30g结蟋,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渔彰,而傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)給加速度在1g以下嵌屎,一般為0.3g。 定位精度高胯挚。采用光柵閉環(huán)控制滴督,定位精度可達(dá)0.1~0.01(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倍以上咨桶。由于運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)特性好瘫碾,響應(yīng)靈敏,加上插補(bǔ)控制的精細(xì)化椎敞,可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)控制奴爷。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)雕擂、噪聲小,運(yùn)動(dòng)部件摩擦小贱勃、磨損小井赌、使用壽命長、安全可靠贵扰。 三仇穗、直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)展 直線電機(jī)與普通電機(jī)在原理上類似流部,它只是電機(jī)圓柱面的展開,其種類與傳統(tǒng)電機(jī)相同纹坐,例如:直流直線電機(jī)枝冀,交流永磁同步直線電機(jī),交流感應(yīng)異步直線電機(jī)耘子,步進(jìn)直線電機(jī)等果漾。
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)谷誓、功率器件绒障、控制技術(shù)及傳感技術(shù)的發(fā)展,直線伺服電機(jī)的性能不斷提高蕾崔,成本日益下降场恬,為其廣泛的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。
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公司绘证;日本FANUC隧膏,三菱公司;美國Anorad嚷那,科爾摩根公司胞枕;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魏宽;最大推力17000N腐泻;連續(xù)推力3400N(自然冷)/4080N(氣冷)/6800(水冷);最大速度240m/min(4m/s)队询;最大加速度30g派桩;分辨率0.01(1)m构诚。
•Siemens 1FN3:最大推力20700N;連續(xù)推力8100N(水冷)铆惑;最大速度253m/min范嘱。
在控制系統(tǒng)方面,Siemens员魏、FANUC等系統(tǒng)供應(yīng)商都可提供與直線電機(jī)控制相對(duì)應(yīng)的控制軟件和接口斤间。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)(如8l0D沫跨,840D)最多仿扩。
中國科學(xué)院電工所、浙江大學(xué)祖销、沈陽工業(yè)大學(xué)等對(duì)直線電機(jī)開展了多年研究种鳖,江蘇、哈爾濱夕荆、廣東等一些公司已有小功率直線電機(jī)產(chǎn)品哈滥。
表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(hào) 廠商 主要特點(diǎn)
快進(jìn)60m/min
自1993年德國Ex-Cell-O公司研發(fā)出世界上第一臺(tái)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的加工中心以來浪蹂,直線電機(jī)已在不同種類的機(jī)床上得到應(yīng)用抵栈。2001年、2003年歐洲機(jī)床展坤次,2002年古劲、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為例缰猴,在參展的524臺(tái)數(shù)控機(jī)床中产艾,有25家公司41臺(tái)機(jī)床采用直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)[3],其中滑绒,加工中心11臺(tái)(立式8臺(tái)闷堡,臥式3臺(tái)),電加工機(jī)床7臺(tái)(線切割4臺(tái)蹬挤,成形機(jī)2臺(tái)缚窿,小孔機(jī)1臺(tái)),磨床6臺(tái)(一般磨床4臺(tái)锤塘,齒輪磨床1臺(tái)妨舟,坐標(biāo)磨床1臺(tái)),非球面加工機(jī)和微型微細(xì)加工機(jī)5臺(tái)伦够,車床4臺(tái)邦叶,專用機(jī)床3臺(tái),激光加工機(jī)2臺(tái)绅厘,車磨復(fù)合機(jī)床1臺(tái)尺笼,銑削加工單元(FMC)l臺(tái)。
目前缤纽,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)品林下,品種覆蓋了絕大多數(shù)機(jī)床類型。此外讨绝,在壓力機(jī)腋芜、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、水切割機(jī)脸学、等離子切割機(jī)花炭、快速原型機(jī)及半導(dǎo)體設(shè)備的X-Y工作臺(tái)上直線電機(jī)都有應(yīng)用。
此外躲履,浙江大學(xué)直線電機(jī)與現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)研究所開發(fā)了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓力機(jī)见间、鋸床、雕刻機(jī)工猜、線切割機(jī)床米诉。
北京機(jī)電院高技術(shù)股份有限公司承擔(dān)的“十五”攻關(guān)項(xiàng)目《直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速立式加工中心》,于2003年研制成功國內(nèi)第一臺(tái)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心域慷,并在2003年北京國際機(jī)床展覽會(huì)展出荒辕。該機(jī)床X/Y軸采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng),行程分別為1250/630mm犹褒,最大快移速度80/120m/min抵窒,最大加速度O.8/1.5g。機(jī)床在設(shè)計(jì)中對(duì)減輕運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量叠骑、加強(qiáng)機(jī)床剛性李皇、解決高速高加速運(yùn)動(dòng)下的抗沖擊性、直線電機(jī)的防護(hù)宙枷,以及控制系統(tǒng)掉房、伺服系統(tǒng)與直線電機(jī)的匹配和優(yōu)化調(diào)試等方面做了有益的探索并取得了成功。為解決處于工作臺(tái)下方的Y軸直線電機(jī)的防護(hù)問題昏个,設(shè)計(jì)了密封的直線驅(qū)動(dòng)軸部件蟋扩,并獲得了國家專利捉肄。經(jīng)測(cè)定,該機(jī)床精度達(dá)到精密級(jí)加工中心標(biāo)準(zhǔn)南翻,并有充分裕量常苍。一年多來該機(jī)床工作穩(wěn)定可靠。課題組還對(duì)直線電機(jī)初級(jí)線圈與次級(jí)磁鐵(定子)的溫升進(jìn)行了試驗(yàn)绵布。以X軸為例:X軸運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量>1000kg鸵丸,加速度設(shè)定為O.8g,快移速度設(shè)定為70m/min肪禾,連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)1小時(shí)以上贪焊。試驗(yàn)結(jié)果:10分鐘后初級(jí)線圈(水冷)溫升趨于平衡,工作溫度穩(wěn)定在69℃左右袁羔,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于允許工作溫度(12℃)惦肴。電機(jī)次級(jí)磁鐵溫升約2℃∧悠#可見直線電機(jī)初級(jí)線圈與次級(jí)磁鐵(定子)的溫升對(duì)機(jī)床的熱影響有限链患,可通過補(bǔ)償消除。 五瓶您、發(fā)展趨勢(shì)
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)上已日趨成熟麻捻,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)推力小呀袱、體積大贸毕、溫升高、可靠性差夜赵、不安全明棍、難安裝、難防護(hù)等問題寇僧,隨著電機(jī)制造技術(shù)的改進(jìn)摊腋,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嘁傀。選擇合適的直線電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)兴蒸,配以合理的機(jī)床設(shè)計(jì),完全可以生產(chǎn)出高性能细办、高可靠性的機(jī)床〖涓瑁現(xiàn)在直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給速度100m/min,加速度1~2g的機(jī)床已很普遍认施,已有機(jī)床達(dá)到快進(jìn)240m/min鹅址,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妨谦,加速度6g巡雄,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)已在加工中心显而、數(shù)控銑床屠睡、車床、磨床其摘、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)用烘俱,這類機(jī)床在航空均天、汽車、模具绘辈、能源恢着、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)财破。在微細(xì)加工及精密磨削中掰派,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左痢。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)部件已不成問題靡羡。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)成熟俊性,并在不斷向前發(fā)展略步,會(huì)給人們帶來更多的驚喜。此外定页,在國際上已有不同類型趟薄、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)典徊、檢測(cè)裝置及高速導(dǎo)軌杭煎、高速防護(hù)也都有相應(yīng)產(chǎn)品供貨。
近年來枝徙,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顺丸。DMG公司的DMC64V linear加工中心 (X軸采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng))东呻,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)格要高骂蒙。因此草吠,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)床燎隅、大型機(jī)床程堤,解決傳統(tǒng)傳動(dòng)方法不能解決的問題。另外扁奔,提高加工精度和加工效率也會(huì)提升機(jī)床的價(jià)值谍线。例如,美國Gincin-nati公司的HYPCR MACH高速加工中心暖谚,X軸長達(dá)46m工斤,采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)后,加工大型薄壁飛機(jī)零件节猿,用傳統(tǒng)方法加工一件要8小時(shí)票从,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DMC滨嘱、CTX峰鄙、GMC、GMX系列產(chǎn)品生產(chǎn)效率可提高20%太雨。據(jù)意大利JOBS公司介紹吟榴,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)間囊扳,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))加工模具吩翻,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%锥咸,而且由于傳動(dòng)部件無磨損仿野,使用更可靠,運(yùn)行費(fèi)用更低她君。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脚作,但由于性能提高,售價(jià)可增加15%~20%狈合,機(jī)床利潤率明顯增加卓瞻。
產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)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)例捏描。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)用更扰。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(tái)肘蜘。2001年装呢,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臺(tái)(約3000多根直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸)讽空,占其總產(chǎn)量的1/3乌烫。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(tái)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忍症。有專家預(yù)測(cè)蔑枣,2005年直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床將達(dá)到3000臺(tái),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)稽及,而這些機(jī)床都是高檔機(jī)床仿吞,因此其產(chǎn)業(yè)化前景是不言而喻的。
六捡偏、建議
我國在直線電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的研發(fā)唤冈、應(yīng)用與世界水平相差甚遠(yuǎn),至少有十年的差距银伟。無論產(chǎn)品的性能你虹、品種,還是在機(jī)床上的應(yīng)用僅處于起步階段枣申,甚至大量是空白。如果我們不能抓住當(dāng)前宏觀經(jīng)濟(jì)形勢(shì)大好看杭,市場(chǎng)需求旺盛的機(jī)遇忠藤,在“十一五”期間加大投入,在直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用上奮起直追楼雹,我國的高檔數(shù)控機(jī)床會(huì)更加落后模孩,這將不利于我國的國家安全和產(chǎn)業(yè)安全。為此贮缅,建議在“十一五”規(guī)劃中對(duì)直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用予以充分考慮榨咐。
在機(jī)床基礎(chǔ)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)研究中,研究直接傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用
1)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)部件和力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)部件的設(shè)計(jì)研究焕鲸;2)高速忿韧、高加速度運(yùn)動(dòng)下機(jī)床剛性及抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);3)吸振落寡、抗振成止、隔熱材料的應(yīng)用(如聚合物混凝土);4)輕型材料(如碳素纖維)在運(yùn)動(dòng)部件中的應(yīng)用痒仆;5)直線電機(jī)的安裝工藝及防護(hù)揣蒿;6)控制系統(tǒng)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械部件的匹配及合理配置豪服,運(yùn)動(dòng)部件的加速度刨德、速度調(diào)整及運(yùn)動(dòng)特性的優(yōu)化。
開發(fā)應(yīng)用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高檔數(shù)控機(jī)床
在基礎(chǔ)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)研究基礎(chǔ)上吁巫,開發(fā)應(yīng)用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的高檔數(shù)控機(jī)床及工藝裝備汰日,以滿足高速精密復(fù)合加工的需求。鼓勵(lì)機(jī)床企業(yè)將這類機(jī)床做為自己的工作母機(jī),在實(shí)際應(yīng)用中不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)裕坊,探索加工工藝包竹,向用戶提供展示和服務(wù),并推向市場(chǎng)籍凝,逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化周瞎。
以上工作為少走彎路,可完全選購國際上先進(jìn)饵蒂、成熟的直線電機(jī)功能部件及其控制系統(tǒng)声诸,以使整機(jī)盡快達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平。 開發(fā)直線電機(jī)產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù)
在數(shù)控技術(shù)及關(guān)鍵功能部件中退盯,開發(fā)直線電機(jī)產(chǎn)品(包括相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))彼乌。數(shù)控技術(shù)中應(yīng)開發(fā)與直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制相匹配的軟件技術(shù),例如高速及高加速條件下的伺服控制及其調(diào)整渊迁,高速慰照、高精度的插補(bǔ)技術(shù),復(fù)雜加工程序的前瞻控制能力琉朽,機(jī)床動(dòng)態(tài)特性參數(shù)優(yōu)化模型毒租,故障診斷與保證功能等。同時(shí)箱叁,相應(yīng)開發(fā)與高速高加速運(yùn)動(dòng)相配套的高速導(dǎo)軌凳渗、高速防護(hù)、高速位置檢測(cè)裝置等裹依。
2006年即將開始“十一五”規(guī)劃,從企業(yè)到行業(yè)帐捺,從地方到中央都在制定新的規(guī)劃框碾。就機(jī)床的發(fā)展而言,直線電機(jī)無論作為功能部件還是其相關(guān)技術(shù)在機(jī)床中的應(yīng)用赫捕,都應(yīng)該得到足夠重視惋蛉。企業(yè)和研究部門應(yīng)根據(jù)自己的客觀條件選擇相關(guān)課題開展研究,從戰(zhàn)略高度考慮發(fā)展直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制的機(jī)床產(chǎn)品脸鸿,并逐步形成產(chǎn)業(yè)鹅但,占領(lǐng)高檔數(shù)控機(jī)床的重要制高點(diǎn)。建議行業(yè)和政府相關(guān)規(guī)劃中予以大力支持显艘。 |
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