歡迎訪(fǎng)問(wèn)譽(yù)東沅智能設備有限公司官方網(wǎng)站!
0752-3203911 0752-3202511
網(wǎng)址:www.maryloukelly.com
地址:廣東.惠州.仲愷高新區.陳江大道.寶德科技園
點(diǎn)擊數:18782020-05-01 00:00:00 來(lái)源: 惠州市譽(yù)東沅智能設備有限公司
高速、高效、高精加工是數控機床的發(fā)展趨勢,也是提高生產(chǎn)力和改善加工質(zhì)量的關(guān)鍵。在機床行業(yè),高速主軸和快速進(jìn)給系統是實(shí)現數控機床高速加工的關(guān)鍵技術(shù),其中對進(jìn)給系統提出了以下要求:進(jìn)給速度必須與高速主軸匹配,達到60m/min或更高;加速度更大,這樣才能在最短的時(shí)間和行程內達到要求的高速度,至少1-2g;動(dòng)態(tài)性能要好,能實(shí)現快速的伺服控制和誤差補償,具有較高的定位精度和剛度。直線(xiàn)電機能滿(mǎn)足這種快速進(jìn)給系統的要求,因為它取消了源動(dòng)力和工作臺部件之間一切中間傳動(dòng)環(huán)節,使得機床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(cháng)度為零,這就是所謂的“直接驅動(dòng)”或“零傳動(dòng)”,能提高快速響應、定位精度、剛度和加工精度。
2直線(xiàn)電機進(jìn)給系統的優(yōu)缺點(diǎn)分析
直線(xiàn)電機驅動(dòng)技術(shù)的研發(fā)開(kāi)辟了控制軸運動(dòng)高速化的新領(lǐng)域,它與伺服旋轉電機+滾珠絲杠驅動(dòng)的性能對比如下表所示。
1.進(jìn)給驅動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)如下:
(1)速度高 由于直線(xiàn)電機直接驅動(dòng)工作臺,無(wú)任何中間機械傳動(dòng)元件,無(wú)旋轉運動(dòng),不受離心力的作用,可容易地實(shí)現高速直線(xiàn)運動(dòng)。
(2)加速度大 直線(xiàn)電機的啟動(dòng)推力大,結構簡(jiǎn)單重量輕,運動(dòng)變換時(shí)的過(guò)渡過(guò)程短,可實(shí)現靈敏的加速和減速,其加速度可高達(1-2)g。
(3)定位精度高 直線(xiàn)電機進(jìn)給系統用光柵尺作為位置測量元件,采用閉環(huán)控制,通過(guò)反饋,對工作臺的位移精度進(jìn)行精確的控制。
(4)行程不受限制 由于直線(xiàn)電機的次級是一段一段地連續鋪在機床床身上,“次級”鋪到哪里,“初級”(工作臺)就可運動(dòng)到哪里,不管有多遠,對整個(gè)系統的剛度不會(huì )有任何影響。如美國CincinnatiMilacron公司為航空工業(yè)生產(chǎn)了一臺HyperMach大型高速加工中心,主軸轉速60000r/min,主電機功率80kW。采用了直線(xiàn)電機,其X軸行程長(cháng)達46m,工作臺最高進(jìn)給速度60m/min,快速行程100m/min,加速度2g。在這種機床上加工一個(gè)大型薄壁飛機零件只需30min;而同樣的零件在一般高速銑床上加工,費時(shí)3h;在普通數控銑床上加工,則需8個(gè)h。
(5)沒(méi)有機械接觸,傳動(dòng)力是在氣隙中產(chǎn)生的,除了導軌外沒(méi)有其它摩擦。
(6)結構簡(jiǎn)單,體積小,以最小的零部件數量實(shí)現直線(xiàn)驅動(dòng),而且是只有一個(gè)運動(dòng)部件。
(7)運動(dòng)平穩 這是因為除了起支撐作用的直線(xiàn)導軌或氣浮軸承外,沒(méi)用其它機械連接或轉換裝置的緣故。
(8)維護簡(jiǎn)單,由于部件少,運動(dòng)時(shí)無(wú)機械接觸,從而大大降低了零部件的磨損,只需要很少甚至無(wú)需維護,使用壽命更長(cháng)。
2.當然,任何事情都是一分為二的,直線(xiàn)電機也不例外,它也存在著(zhù)一些不足之處,其缺點(diǎn)主要表現在以下幾方面:
(1)與同容量旋轉電機相比,直線(xiàn)電機(主要是感應式直線(xiàn)電機)的效率和功率因數較低,尤其在低速時(shí)比較明顯。其原因主要是兩個(gè)方面引起的,一是直線(xiàn)電機的初次級氣隙一般都比旋轉電機的氣隙大,因此所需的磁化電流就比較大,損耗增加;二是由于直線(xiàn)電機初級鐵心兩端開(kāi)斷,產(chǎn)生了所謂的邊端效應,從而引起波形畸變等問(wèn)題,其結果也導致?lián)p耗增加。但從整個(gè)裝置或系統來(lái)看,由于采用直線(xiàn)電機后可省去中間傳動(dòng)裝置,因此系統的效率有時(shí)還是比采用旋轉電機的高。
(2)直線(xiàn)電機特別是直線(xiàn)感應電機的起動(dòng)推力受電源電壓的影響較大,故需采取有關(guān)措施保證電源的穩定或改變電機的有關(guān)特性來(lái)減少或消除這種影響。
(3)直線(xiàn)電機除上述缺點(diǎn)外,還有安裝困難、需要隔磁、成本高等不足。
3.直線(xiàn)電機進(jìn)給系統設計需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題
直線(xiàn)電機用于數控機床控制軸的驅動(dòng)上成為數控機床向高速化、精密化發(fā)展的一項重要技術(shù)支持,也引起了機床研究人員和機床制造廠(chǎng)對其應用技術(shù)的關(guān)注,并已在一些高速數控機床產(chǎn)品上應用,但在直線(xiàn)電機進(jìn)給系統設計過(guò)程中主要有下列一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題應高度重視:
(1)隔磁與防護問(wèn)題 和旋轉電機不同,直線(xiàn)電機的磁場(chǎng)是敞開(kāi)的,因而采用直線(xiàn)電機驅動(dòng)的機床對環(huán)境要求就比較嚴格。尤其是采用永磁式直線(xiàn)電機時(shí),在機床床身上要安裝一排強力永久磁鐵,因此必須采取可靠的防磁措施,否則會(huì )吸住加工中的切屑、金屬工具和工件等。若這些微粒被吸入直線(xiàn)電機的定子和動(dòng)子之間的氣隙(一般只有0.3~1mm),電機就會(huì )發(fā)生故障。因此要把直線(xiàn)電機、導軌和床身用三維折疊和耐熱的高速防護罩加以防護,以確保直線(xiàn)電機的運行安全。
(2)散熱冷卻問(wèn)題 直線(xiàn)電機安裝在工作臺和導軌之間,處于機床的腹部,散熱條件不好。因此必須采取強有力的冷卻措施,把直線(xiàn)電機工作時(shí)產(chǎn)生的熱量迅速帶走。否則將會(huì )直接影響機床的工作精度,降低直線(xiàn)電機的推力。一般可在初級和次級上加裝冷卻板。工作時(shí),冷卻板中通以一定壓力和流量的冷卻水,用以吸收和帶走直線(xiàn)電機內部產(chǎn)生的熱量。
(3)工作臺的結構設計 機床工作臺是進(jìn)給單元的運動(dòng)部件,其質(zhì)量大小對進(jìn)給系統的動(dòng)態(tài)特性有很大影響。在直線(xiàn)電機推力不變的情況下,減小移動(dòng)部件(工作臺)的質(zhì)量,不僅可以獲得較高的加速度,而且可以提高進(jìn)給系統的響應能力。
(4)導軌結構類(lèi)型的選擇 由于直線(xiàn)電機工作臺的運動(dòng)速度高,機床工作時(shí)將承受很大的動(dòng)靜載荷,并受到多方面的顛覆力矩,導軌的摩擦特性還會(huì )影響進(jìn)給系統的加速度和發(fā)熱。因此必須選用高精度、高剛度和承載能力大的高速導軌。一般推薦采用“四方等載荷型”高速滾動(dòng)導軌,其摩擦系數僅為0.01。
(5)重力加速度問(wèn)題 當直線(xiàn)電機應用于垂直或傾斜進(jìn)給機構時(shí),必須要解決好直線(xiàn)電機斷電時(shí)的自鎖問(wèn)題和通電工作時(shí)重力加速度對其影響問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題比較復雜,不是簡(jiǎn)單地加平衡配重塊就能解決的,必須在電機和伺服驅動(dòng)控制模塊上采取相應的措施。
4.在實(shí)際應用中關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的具體解決方法
以一種型號數控機床為例來(lái)說(shuō)明直線(xiàn)電機在數控機床伺服進(jìn)給系統中上述問(wèn)題是如何解決的:
該機床采用德國西門(mén)子公司的永磁同步交流直線(xiàn)電機,采取如圖1所示典型的機床結構:
直線(xiàn)電機初級與次級分別安裝在工作臺與機床床身上,工作時(shí),直線(xiàn)電機產(chǎn)生巨大的電磁吸力,垂直作用在工作臺上,并由工作臺下部的二根滾動(dòng)導軌支承,類(lèi)似于雙支點(diǎn)梁受力狀態(tài)。電機正常工作時(shí),間隙一般為0.3mm~1mm。工作臺的垂直變形將直接影響直線(xiàn)電機初級與次級之間的間隙,從而影響電機的工作性能。工作臺剛度嚴重不足時(shí),甚至可能發(fā)生初級與次級相接觸,燒毀電機的事故。直線(xiàn)電機進(jìn)給系統對工作臺的要求是:在保證必要的剛度下,應盡量減少其質(zhì)量。為滿(mǎn)足進(jìn)給系統對工作臺的上述要求,可以從二方面著(zhù)手:(1)采用高強度的輕質(zhì)材料,如炭素纖維增強塑料等,其強度、剛度比鋼高,但密度只有鋼的1/5以下,且不受電機的電磁吸力的作用。(2)對工作臺截面形狀和尺寸進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設計,以求得滿(mǎn)足動(dòng)靜剛度條件下的最小質(zhì)量。第一種方法可以得到比較好的性能,但是成本太高;第二種方法雖然不能完全得到與第一種方法同樣的效果,但是成本較低,并且其性能也能滿(mǎn)足進(jìn)給系統的要求。該機床采用第二種方法,對初步設計的機床工作臺結構,進(jìn)行剛度的有限元分析,為工作臺的進(jìn)一步優(yōu)化設計提供理論依據。
直線(xiàn)電機、導軌和床身采用耐熱、隔磁的折疊高速防護拉罩。
由于該數控機床是斜床身結構,所以X軸存在斷電自鎖問(wèn)題和通電時(shí)重力加速度問(wèn)題。采用平衡油缸阻尼大,速度上不去,最后,進(jìn)給系統通過(guò)加鎖緊塊解決了直線(xiàn)電機斷電時(shí)的自鎖問(wèn)題;直線(xiàn)電機伺服驅動(dòng)模塊能夠控制通電工作時(shí)重力加速度對其影響問(wèn)題。
冷卻問(wèn)題是應用直線(xiàn)電機進(jìn)給系統中最重要的問(wèn)題,也是最關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。如果電機操作沒(méi)有水冷,那么由于熱擴散和熱輻射的作用,額定電機力就會(huì )下降;同時(shí),次級部構芯不應超過(guò)60℃的最高溫度,不然的話(huà)永磁體就有被消磁的危險。
西門(mén)子直線(xiàn)電機除了用主冷卻器進(jìn)行水冷之外,由于電機的高力密度會(huì )在初級部構芯內部產(chǎn)生高達120℃的高溫。為了防止這種對機床精度有負面影響的高溫,電機完全能夠實(shí)現相對周?chē)h(huán)境的熱封閉。這就是按熱三明治原理,使用特殊訂貨的次級部構芯冷卻器和精密冷卻器就可以達到熱封閉的功能
主冷卻器和精密冷卻器的混合冷卻系統需要熱交換器支持。為了計算熱交換器的冷卻功率,個(gè)體冷卻器中的熱散失/功率損失必須按照下列公式相加。
Pcool=0.86(Pk1+Pk2+…+Pkn)
Pki: 冷卻器的熱散失/功率損失[W]
Pcool: 冷卻回路冷卻功率[kcal/h]
計算在滿(mǎn)負荷下所需要的冷卻功率
Pcool.full.load=0.86kcal/hW (1600W+145W+95W)=1583 kcal/h
假設直線(xiàn)電機操作中的連續電機力是1150牛,額定電機力是1580牛,所以P實(shí)際冷卻=P滿(mǎn)負荷冷卻X(1150N/1580N)2=838.6kcal/h
5 結束語(yǔ)
在數控機床上采用直線(xiàn)電機,不僅能夠簡(jiǎn)化機床結構,而且能大幅度地提高生產(chǎn)效率,并能實(shí)現高精度加工,提高機床的經(jīng)濟效益和競爭能力。隨著(zhù)新型磁性材料和電機專(zhuān)用冷卻方法的出現,直線(xiàn)電機在數控機床上的應用必將更加廣泛。