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直線電機帶來新技術革命,機床無需傳動!

高速化、精密化和模塊化是現代製造技術的發展方向。新的切削理論認為:當切削速度達到一定程度(約500m/min)後,切削區溫度不再上升,並且切削力反而會減小,刀具磨損也減少。這樣在提高生產率的同時還能提高零件的表麵質量和加工精度。

一般來說,高速加工的切削速度和進給速度都比常規加工要高出一個數量級。因此高速主軸和快速進給係統是實現高速加工的兩項關鍵技術,其中對進給係統提出了以下新要求:

(1)進給速度必須與高速主軸相匹配,達到60m/min或更高;

(2)加速度要大,這樣才能在最短的時間和行程內達到要求的高速度,至少要1~2g;

(3)動態性能要好,能實現快速的伺服控製和誤差補償,具有較高的定位精度和剛度。

長期以來,數控機床的進給係統主要是“伺服電機+軸承+聯軸器+絲杠+構成該係統的支撐結構”,這種進給係統所能達到的最高進給速度為90~120m/min,最大加速度隻有1.5g。同時,由於從電動機主軸到工作台之間存在聯軸節、絲杠、螺母、軸承、支架等一係列中間環節,當進給部件要完成啟動、加減速、反轉、停車等動作時,這些機械元件產生的彈性變形、摩擦、反向間隙等,會造成進給運動的滯後和其它許多非線性誤差;這些中間環節也加大了係統的慣性質量,影響了對運動指令的快速響應;另外,絲杠是細長杆,在力和熱的作用下,會產生變形,影響加工精度。

為了克服傳統進給係統的缺點,簡化機床結構,滿足高速精密加工的要求,人們開始研究新型的進給係統,直線電動機就是最有前途的快速進給係統。它取消了源動力和工作台部件之間的一切中間傳動環節,使得機床進給傳動鏈的長度為零,這就是所謂的“直接驅動”或“零傳動”。

直線電機及其驅動控製技術在機床進給驅動上的應用,使機床的傳動結構出現了重大變化,並使機床性能有了新的飛躍。

直線電機進給驅動的主要優點:

1、高速響應:由於係統中直接取消了一些響應時間常數較大的機械傳動件(如絲杠等),使整個閉環控製係統動態響應性能大大提高,反應異常靈敏快捷。

2、精度:直線驅動係統取消了由於絲杠等機械機構產生的傳動間隙和誤差,減少了插補運動時因傳動係統滯後帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控製,即可大大提高機床的定位精度。

3、剛度高:由於"直接驅動",避免了啟動、變速和換向時因中間傳動環節的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯後現象,同時也提高了其傳動剛度。

4、速度快、加減速過程短:由於直線電動機最早主要用於磁懸浮列車(時速可達500Km/h),所以用在機床進給驅動中,要滿足其超高速切削的最大進個速度(要求達60~100M/min或更高)當然是沒有問題的。也由於上述"零傳動"的高速響應性,使其加減速過程大大縮短。以實現起動時瞬間達到高速,高速運行時又能瞬間準停。可獲得較高的加速度,一般可達2~10g(g=9.8m/s2),而滾珠絲杠傳動的最大加速度一般隻有0.1~0.5g。

5、行程長度不受限製:在導軌上通過串聯直線電動機,就可以無限延長其行程長度。

6、運動安靜、噪音低 :由於取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦,且導軌又可采用滾動導軌或磁墊懸浮導軌(無機械接觸),其運動時噪音將大大降低。

7、效率高:由於無中間傳動環節,消除了機械摩擦時的能量損耗,傳動效率大大提高。

直線電機及其驅動控製技術的進展表現在以下方麵:

(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)品種覆蓋麵廣,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)包括數控係統在內的配套技術日趨完善;

(8)商品化程度高。

機床利用直線電機的發展曆程

1993年,德國Ex-CELL-O公司推出一台加工中心HSC-240,采用的是直線電機進行驅動,這是世界上第一台直線電機機床。此後,直線電機逐漸的應用到各種機床中。

1996年,日本的沙迪克公司著手開發電火花成型機,終於開發出專門的直線電機及與其匹配的數控係統,沒過多久,他們又將這項技術應用到電火花切割機上。此外,日本的鬆浦機械所、東京芝浦電氣、森精機製作所和新日本工機等公司也研發出性能各異的直線電機機床。

1999年,意大利JOBS公司開發出龍口加工中心LinX,隨後開始全麵生產LinX係列產品。

2003年,這款產品占公司總產量的比值為60%,因此成為公司的主要利潤來源。法國Renault Automotion公司生產的rene20和rene25係列的加工中心坐標軸的運動均利用的是直線電機。

要探討直線電機機床領域一定要提到美國,美國的直線電機機床最大的優勢在於其超精密加工,這項技術一直處於世界領先地位。美國Precitech公司生產的超精密機床Nanoform200、Freeform700等均使用的直線電機,而且加工精度值得信賴,更為重要的一點是Precitech公司首先將直線電機作為工業標準。

直線電機傳動係統及其機床產品均出現在2001年的歐洲機床展、2002年的日本機床展以及2004年的美國機床展。目前,世界上直線伺服電機及其驅動係統的主要供應商有:

Siemens、Indramat、FANUC、三菱、安川、富士、日立、Anorad、AerMech、Baldor、Copley、ETEL、L.D和Kollmogen等。

國外直線電機伺服係統

對於國內來說,很可憐但也不意外(電機研發和製造一直在後麵跑),直線電機應用到機床上還處於初級階段,剛剛起步。許多高校研發出直線電機機床設備。

例如,清華大學研發出永磁直線伺服單元,可長距離運動;浙江大學研發出磨床、衝床、坐標測量機等;國防科學技術大學研發出直線電機刀具,用於在活塞中做非圓切削。同時有些科研單位與企業也研發了采用直線電機驅動的機床。北京機床研究所研製出電火花成型機床。

 


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