直线电机在高档数控机床上的应用

2016年11月15日

1 引言

  直线电机驱动技术至诞生发展至今已越来越成熟,它以精度高、无磨损、噪音低、效率高、响应快、节省空间等突出优点使其在高档数控机床领域应用广泛,且应用此项技术还可使机床布局更加紧凑,结构更多变,易于实现整机高刚性,增加机床的总体性能。随着高速加工技术的迅速发展,对传动及控制系统的要求越来越高,使直线电机驱动技术的研究力度在逐步加大。因此,加大对直线驱动技术的研究既是技术向更高更快发展的趋势,同时也更能满足市场需要,带来更大的经济效益,成为未来机床发展的必然趋势。

2 应用现状

  目前国外一些大型机床厂商都在加大直线驱动技术的研发力度,如日本的森精机、大隈,德国的DMG等。较为突出的DMG公司近年来一直致力于推广具有代表性的直线驱动应用产品,涵盖车床、车铣复合及加工中心等多款机床,并取得了显著效果,在行业内引起广泛关注。随着直线电机驱动技术的日益完善,目前,应用直线电机的高档机床,最大快移速度可达120m/min,加速度2×9.8m/s2,虽然直线电机的实验加速度可达10x9.8m/s2,但由于所驱动部件的质量及惯性问题等影响,使直线电机的使用加速度大大降低。可以采取固定质量较大零部件方式减少总体驱动质量及采用密度较低的材料作为移动零部件的方法,尽量减少驱动质量,以提高加速度。未来加速度的提升还有很大空问。

  在我国,以清华大学、浙江大学、中国科学院电工所等为代表的多家院校及研究所也一直致力于开发更快更好的直线驱动技术,并通过校企结合等方式应用到实践中来,为此项技术在我国的应用与发展做出不懈的努力,并取得了很大进步。但我们同样需要正视自己的不足,与目前国际先进水平相比,我国目前机床业依旧存在经济型机床偏多、产品技术含量不高的问题,具有较高技术含量的高档数控机床较少,技术水平与世界先进国家存在一定差距。因此,需要我们加大机床基础技术和关键技术研究力度,努力追赶国际先进水平,研发出适合我国国情的高档直线电机及相应的控制系统等配套产品,满足高档数控机床产品需要,提高自身总体竞争力。

3 应用难点分析

  由于目前直线电机定子多采用永磁材料,本身具有较强磁性,因此在应用直线电机时将会存在一些特异性的问题,合理解决这些问题将成为能否成功应用的关键,具体应用时需注意以下几个方面:

  (1)保证动子与定子间的装配尺寸。直线电机动子与定子的间隙是重要参数,它的微小变化可以引起电机性能的很大改变,间隙过大将直接影响直线电机的出力情况,间隙过小可能会由于磁性吸附杂物对电机造成损坏。因此,在安装时必须严格控制,保证电机正常使用。目前,此间隙一般在1mm左右。机床设计时,可使用有限元分析软件进行优化分析,设计保证使用间隙,但在装配环节中如何保证此间隙将成为一个重要问题。

  (2)减少磁吸力。目前,直线电机的定子多为稀土永磁体,而稀土永磁体对铁磁性材料的吸力为自身质量的几百倍,且对铁磁性材料具有极强的磁化能力。实验表明,直线电机永磁定子的法向磁吸力是电机可提供持续推力的10倍左右,且定子的磁吸力与电机动子是否通电无关。磁吸力存在于定子与动子之间及定子与安装件之间。布置单电机通常采用平行于部件导轨的方式,此时磁吸力使直线导轨承受力大大增加,致使产生较大的变形,影响了数控机床的加工精度,同时也增大了导轨与滑块之间的压力,进而使滑块移动摩擦力增大,可能会产生推力波动,影响机床的动态性能。因此,合理减小电机的磁吸力将是一个突出问题。

  (3)防磁及抗干扰。由于直线电机磁场是敞开的,金属灰尘、切屑粉末等磁性材料很容易被电机磁场吸住而妨碍正常工作,甚至损坏电机,因此应对其进行隔磁处理。另外还需要考虑机床冷却液、润滑油、电缆线等的防护,信号线屏蔽处理,负载干扰与系统控制问题。由于直线电机驱动系统没有中间传动环节,工件质量、切削力的变化等干扰直接作用于电机,同时,直线电机的边端效应也增加了系统控制难度,所以需要控制器具有较强抗干扰能力,且稳定性好。

  (4)发热问题。直线电机在工作状态下,由于线圈做功的能量损失,将产生很大热量,如果驱动部分空间较小,将使电机动子温度急剧增加,而动子一般处在机床导轨附近,过高的热量将引起机床导轨温度变化太大,致使导轨产生热变形,进而影响机床的工作精度。同时,动子的温升将引起内部线圈绕组电阻值的增大,如系统需要保持出力不变,必将需要更大的电流,而电流的增大同时伴有更多的能量损耗,使温度更加升高,从而形成恶性循环。因此,必须采取有效的冷却措施,将温度控制在合理范围内,保证电机正常使用。

4 面向装配的解决方法

  针对以上应用中出现的问题,可采用以下解决方法:

  (1)保证定子与动子的间隙。定子与动子的间隙较小,且使用中要求表面平行,当行程较大时,在加工中较难保证。因此可在动子与移动部件间加装10—20ram厚电工纯铁垫片,不仅可以减少动子通电产生对连接部件的磁吸力,同时方便调节,采用配磨方法进行调整,保证定子与动子间的平行及间隙。

  (2)克服定子磁吸力方法。直线电机理想应用方式为采用水平放置的双边型布局结构,两个电机定子布置于运动模块的两侧,组成倒“v”字型结构。工作时定子与动子间的磁吸力水平方向的分力抵消为零,垂直方向的分力可抵消移动部件部分重力,减小滑块承载力及滑块与导轨间的摩擦。定子、动子的连接部分可采用梯形截面设计,保证驱动部分更容易安装在床身、立柱等部件上。然而,大部分隋况下驱动部分无法做成双边驱动型,因此在进行机床结构设计时,必须要考虑减小磁吸力问题。装配定子时,强磁吸力的干扰给装配及使用带来不便,可在定子下面加装20mm厚电工纯铁垫片,采用磨削方式达到装配要求精度。研究表明20mm电工纯铁可将定子的磁吸力减小90%,大大降低了磁吸力的影响,给装配带来方便。在装配直线电机时,可采用增加辅助导轨或采用分段安装方式进行装配,即先安装部分定子,然后安装动子,将带有动子的部分移动到已装定子上方,再安装余下定子,可最大程度减少定子与动子间磁吸力对装配的影响。此外,为保证电机出力平稳,驱动部分布局应尽量做成对称结构。

  (3)隔磁与防护。为避免直线电机的强磁效应带来不良的影响,必须采取措施进行隔磁处理。可以在定子表面加防护套,或采用折叠式密封防护罩将直线电机的磁场完全封闭起来;也可在驱动部分内部安装喷气装置,从内部向外喷出空气,达到灰尘、切屑粉末不被吸入的目的。此外,其它部件所需信号电缆及动力电缆等虽然具有屏蔽膜,仍要尽量远离直线电机磁场区域,避免磁场给控制系统带来干扰。为保证控制系统的稳定性,应用直线电机驱动的机床必须采用全闭环控制。

  (4)冷却方式。常用的冷却措施为水冷,使用冷却水泵将水注入直线电机动子内,水流经过动子线圈绕组旁的冷却水套迂回流出,将动子产生的热量带走,实现冷却循环。实际应用中,具体冷却参数的确定将视电机参数及其要求而定。

5 结语

  直线电机在高档数控机床上的应用已呈加速增长态势,随着直线电机驱动技术的日益改进与完善,未来直线电机将逐步取代传统的丝杠传动方式,使直线驱动技术成为高档数控机床的必备传动形式。因此,必须逐步完善直线电机使用及维护等其它配套技术,满足多变的市场需要,增加自己的市场竞争能力。

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来源:东莞市恒鼎自动化设备有限公司
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