一、引言
數(shù)控機床正在向精密、高速、復(fù)合、智能、環(huán)保的方向發(fā)展。精密和高速加工對傳動及其控制提出了更高的要求,更高的動態(tài)特性和控制精度,更高的進給速度和加速度,更低的振動噪聲和更小的磨損。問題的癥結(jié)在傳統(tǒng)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(lián)軸器、離合器等中間傳動環(huán)節(jié),在這些環(huán)節(jié)中產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)動慣量、彈性變形、反向間隙、運動滯后、摩擦、振動、噪聲及磨損。雖然在這些方面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,于是出現(xiàn)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(huán)節(jié)。隨著電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的發(fā)展,電主軸、直線電機、力矩電機的出現(xiàn)和技術(shù)的日益成熟,使主軸、直線和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)運動的“直接傳動”概念變?yōu)楝F(xiàn)實,并日益顯示其巨大的優(yōu)越性。直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)在機床進給驅(qū)動上的應(yīng)用,使機床的傳動結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了重大變化,并使機床性能有了新的飛躍。
二、直線電機進給驅(qū)動的主要優(yōu)點
進給速度范圍寬?蓮1(1)m/s到20m/min以上,目前加工中心的快進速度已達208m/min,而傳統(tǒng)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,目前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(tǒng)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(huán)控制,定位精度可達0.1~0.01(1)m。應(yīng)用前饋控制的直線電機驅(qū)動系統(tǒng)可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運動部件的動態(tài)特性好,響應(yīng)靈敏,加上插補控制的精細化,可實現(xiàn)納米級控制。 行程不受限制。傳統(tǒng)的絲杠傳動受絲杠制造工藝限制,一般4~6m,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。而采用直線電機驅(qū)動,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40m以上。
結(jié)構(gòu)簡單、運動平穩(wěn)、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(qū)動控制技術(shù)的進展
直線電機與普通電機在原理上類似,它只是電機圓柱面的展開,其種類與傳統(tǒng)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(yīng)異步直線電機,步進直線電機等。
作為可控制運動精度的直線伺服電機在上世紀(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,直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的進展表現(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(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及其驅(qū)動系統(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。
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