淺析直線電機(jī)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用

點(diǎn)擊數(shù)：20362020-05-01 00:00:00　來(lái)源: 惠州市譽(yù)東沅智能設(shè)備有限公司

  高速、高效、高精加工是數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)，也是提高生產(chǎn)力和改善加工質(zhì)量的關(guān)鍵。在機(jī)床行業(yè)，高速主軸和快速進(jìn)給系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床高速加工的關(guān)鍵技術(shù)，其中對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)提出了以下要求：進(jìn)給速度必須與高速主軸匹配，達(dá)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(nèi)達(dá)到要求的高速度，至少1-2g；動(dòng)態(tài)性能要好，能實(shí)現(xiàn)快速的伺服控制和誤差補(bǔ)償，具有較高的定位精度和剛度。直線電機(jī)能滿足這種快速進(jìn)給系統(tǒng)的要求，因?yàn)樗∠嗽磩?dòng)力和工作臺(tái)部件之間一切中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，使得機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度為零,這就是所謂的“直接驅(qū)動(dòng)”或“零傳動(dòng)”，能提高快速響應(yīng)、定位精度、剛度和加工精度。

2直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析
  直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研發(fā)開(kāi)辟了控制軸運(yùn)動(dòng)高速化的新領(lǐng)域，它與伺服旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的性能對(duì)比如下表所示。

1.進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)如下:
(1)速度高  由于直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái),無(wú)任何中間機(jī)械傳動(dòng)元件,無(wú)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),不受離心力的作用,可容易地實(shí)現(xiàn)高速直線運(yùn)動(dòng)。
(2)加速度大  直線電機(jī)的啟動(dòng)推力大,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕,運(yùn)動(dòng)變換時(shí)的過(guò)渡過(guò)程短,可實(shí)現(xiàn)靈敏的加速和減速,其加速度可高達(dá)(1-2)g。
(3)定位精度高  直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)用光柵尺作為位置測(cè)量元件,采用閉環(huán)控制,通過(guò)反饋,對(duì)工作臺(tái)的位移精度進(jìn)行精確的控制。
(4)行程不受限制  由于直線電機(jī)的次級(jí)是一段一段地連續(xù)鋪在機(jī)床床身上,“次級(jí)”鋪到哪里,“初級(jí)”(工作臺(tái))就可運(yùn)動(dòng)到哪里,不管有多遠(yuǎn),對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的剛度不會(huì)有任何影響。如美國(guó)CincinnatiMilacron公司為航空工業(yè)生產(chǎn)了一臺(tái)HyperMach大型高速加工中心,主軸轉(zhuǎn)速60000r/min,主電機(jī)功率80kW。采用了直線電機(jī),其X軸行程長(zhǎng)達(dá)46m,工作臺(tái)最高進(jìn)給速度60m/min,快速行程100m/min,加速度2g。在這種機(jī)床上加工一個(gè)大型薄壁飛機(jī)零件只需30min;而同樣的零件在一般高速銑床上加工,費(fèi)時(shí)3h；在普通數(shù)控銑床上加工,則需8個(gè)h。
(5）沒(méi)有機(jī)械接觸，傳動(dòng)力是在氣隙中產(chǎn)生的，除了導(dǎo)軌外沒(méi)有其它摩擦。
(6）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，以最小的零部件數(shù)量實(shí)現(xiàn)直線驅(qū)動(dòng)，而且是只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件。
(7）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)  這是因?yàn)槌似鹬巫饔玫闹本€導(dǎo)軌或氣浮軸承外,沒(méi)用其它機(jī)械連接或轉(zhuǎn)換裝置的緣故。
(8）維護(hù)簡(jiǎn)單,由于部件少,運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)機(jī)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(hù),使用壽命更長(zhǎng)。
   
2.當(dāng)然，任何事情都是一分為二的，直線電機(jī)也不例外，它也存在著一些不足之處，其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾方面：
(1）與同容量旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，直線電機(jī)（主要是感應(yīng)式直線電機(jī)）的效率和功率因數(shù)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，一是直線電機(jī)的初次級(jí)氣隙一般都比旋轉(zhuǎn)電機(jī)的氣隙大，因此所需的磁化電流就比較大，損耗增加；二是由于直線電機(jī)初級(jí)鐵心兩端開(kāi)斷，產(chǎn)生了所謂的邊端效應(yīng)，從而引起波形畸變等問(wèn)題，其結(jié)果也導(dǎo)致?lián)p耗增加。但從整個(gè)裝置或系統(tǒng)來(lái)看，由于采用直線電機(jī)后可省去中間傳動(dòng)裝置，因此系統(tǒng)的效率有時(shí)還是比采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的高。
(2）直線電機(jī)特別是直線感應(yīng)電機(jī)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(wěn)定或改變電機(jī)的有關(guān)特性來(lái)減少或消除這種影響。
(3)直線電機(jī)除上述缺點(diǎn)外,還有安裝困難、需要隔磁、成本高等不足。

3.直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題
   直線電機(jī)用于數(shù)控機(jī)床控制軸的驅(qū)動(dòng)上成為數(shù)控機(jī)床向高速化、精密化發(fā)展的一項(xiàng)重要技術(shù)支持，也引起了機(jī)床研究人員和機(jī)床制造廠對(duì)其應(yīng)用技術(shù)的關(guān)注，并已在一些高速數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品上應(yīng)用，但在直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中主要有下列一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題應(yīng)高度重視：
  (1)隔磁與防護(hù)問(wèn)題  和旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同，直線電機(jī)的磁場(chǎng)是敞開(kāi)的,因而采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床對(duì)環(huán)境要求就比較嚴(yán)格。尤其是采用永磁式直線電機(jī)時(shí),在機(jī)床床身上要安裝一排強(qiáng)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電機(jī)的定子和動(dòng)子之間的氣隙(一般只有0.3～1mm),電機(jī)就會(huì)發(fā)生故障。因此要把直線電機(jī)、導(dǎo)軌和床身用三維折疊和耐熱的高速防護(hù)罩加以防護(hù),以確保直線電機(jī)的運(yùn)行安全。
   (2)散熱冷卻問(wèn)題  直線電機(jī)安裝在工作臺(tái)和導(dǎo)軌之間，處于機(jī)床的腹部,散熱條件不好。因此必須采取強(qiáng)有力的冷卻措施，把直線電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量迅速帶走。否則將會(huì)直接影響機(jī)床的工作精度，降低直線電機(jī)的推力。一般可在初級(jí)和次級(jí)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電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。
   (3)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  機(jī)床工作臺(tái)是進(jìn)給單元的運(yùn)動(dòng)部件,其質(zhì)量大小對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有很大影響。在直線電機(jī)推力不變的情況下，減小移動(dòng)部件(工作臺(tái))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(tǒng)的響應(yīng)能力。
   (4)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇  由于直線電機(jī)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度高，機(jī)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(dǎo)軌的摩擦特性還會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)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(dǎo)軌。一般推薦采用“四方等載荷型”高速滾動(dòng)導(dǎo)軌，其摩擦系數(shù)僅為0.01。
  (5)重力加速度問(wèn)題  當(dāng)直線電機(jī)應(yīng)用于垂直或傾斜進(jìn)給機(jī)構(gòu)時(shí)，必須要解決好直線電機(jī)斷電時(shí)的自鎖問(wèn)題和通電工作時(shí)重力加速度對(duì)其影響問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題比較復(fù)雜，不是簡(jiǎn)單地加平衡配重塊就能解決的，必須在電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)控制模塊上采取相應(yīng)的措施。

4.在實(shí)際應(yīng)用中關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的具體解決方法
   以一種型號(hào)數(shù)控機(jī)床為例來(lái)說(shuō)明直線電機(jī)在數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中上述問(wèn)題是如何解決的：
   該機(jī)床采用德國(guó)西門(mén)子公司的永磁同步交流直線電機(jī)，采取如圖1所示典型的機(jī)床結(jié)構(gòu)：

  直線電機(jī)初級(jí)與次級(jí)分別安裝在工作臺(tái)與機(jī)床床身上，工作時(shí)，直線電機(jī)產(chǎn)生巨大的電磁吸力，垂直作用在工作臺(tái)上，并由工作臺(tái)下部的二根滾動(dòng)導(dǎo)軌支承，類(lèi)似于雙支點(diǎn)梁受力狀態(tài)。電機(jī)正常工作時(shí),間隙一般為0.3mm～1mm。工作臺(tái)的垂直變形將直接影響直線電機(jī)初級(jí)與次級(jí)之間的間隙，從而影響電機(jī)的工作性能。工作臺(tái)剛度嚴(yán)重不足時(shí)，甚至可能發(fā)生初級(jí)與次級(jí)相接觸，燒毀電機(jī)的事故。直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)對(duì)工作臺(tái)的要求是:在保證必要的剛度下,應(yīng)盡量減少其質(zhì)量。為滿足進(jìn)給系統(tǒng)對(duì)工作臺(tái)的上述要求，可以從二方面著手：(1)采用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，如炭素纖維增強(qiáng)塑料等,其強(qiáng)度、剛度比鋼高，但密度只有鋼的1/5以下，且不受電機(jī)的電磁吸力的作用。(2)對(duì)工作臺(tái)截面形狀和尺寸進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，以求得滿足動(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，并且其性能也能滿足進(jìn)給系統(tǒng)的要求。該機(jī)床采用第二種方法，對(duì)初步設(shè)計(jì)的機(jī)床工作臺(tái)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行剛度的有限元分析，為工作臺(tái)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
  直線電機(jī)、導(dǎo)軌和床身采用耐熱、隔磁的折疊高速防護(hù)拉罩。
  由于該數(shù)控機(jī)床是斜床身結(jié)構(gòu)，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(tǒng)通過(guò)加鎖緊塊解決了直線電機(jī)斷電時(shí)的自鎖問(wèn)題；直線電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊能夠控制通電工作時(shí)重力加速度對(duì)其影響問(wèn)題。
  冷卻問(wèn)題是應(yīng)用直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)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(jī)操作沒(méi)有水冷，那么由于熱擴(kuò)散和熱輻射的作用，額定電機(jī)力就會(huì)下降；同時(shí),次級(jí)部構(gòu)芯不應(yīng)超過(guò)60℃的最高溫度，不然的話永磁體就有被消磁的危險(xiǎn)。
  西門(mén)子直線電機(jī)除了用主冷卻器進(jìn)行水冷之外，由于電機(jī)的高力密度會(huì)在初級(jí)部構(gòu)芯內(nèi)部產(chǎn)生高達(dá)120℃的高溫。為了防止這種對(duì)機(jī)床精度有負(fù)面影響的高溫，電機(jī)完全能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)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(jí)部構(gòu)芯冷卻器和精密冷卻器就可以達(dá)到熱封閉的功能

 主冷卻器和精密冷卻器的混合冷卻系統(tǒng)需要熱交換器支持。為了計(jì)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(jì)算在滿負(fù)荷下所需要的冷卻功率
   Pcool.full.load=0.86kcal/hW (1600W+145W+95W)=1583 kcal/h
   假設(shè)直線電機(jī)操作中的連續(xù)電機(jī)力是1150牛，額定電機(jī)力是1580牛,所以P實(shí)際冷卻=P滿負(fù)荷冷卻X(1150N/1580N)2=838.6kcal/h

5 結(jié)束語(yǔ)
   在數(shù)控機(jī)床上采用直線電機(jī)，不僅能夠簡(jiǎn)化機(jī)床結(jié)構(gòu)，而且能大幅度地提高生產(chǎn)效率，并能實(shí)現(xiàn)高精度加工，提高機(jī)床的經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)能力。隨著新型磁性材料和電機(jī)專(zhuān)用冷卻方法的出現(xiàn)，直線電機(jī)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用必將更加廣泛。