淺析直線電機在數控機床上的應用

點擊數：20382020-05-01 00:00:00　來源: 惠州市譽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，也是提高生產力和改善加工質量的關鍵。在機床行業(yè)，高速主軸和快速進給系統(tǒng)是實現數控機床高速加工的關鍵技術，其中對進給系統(tǒng)提出了以下要求：進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間和行程內達到要求的高速度，至少1-2g；動態(tài)性能要好，能實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。直線電機能滿足這種快速進給系統(tǒng)的要求，因為它取消了源動力和工作臺部件之間一切中間傳動環(huán)節(jié)，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”，能提高快速響應、定位精度、剛度和加工精度。

2直線電機進給系統(tǒng)的優(yōu)缺點分析
  直線電機驅動技術的研發(fā)開辟了控制軸運動高速化的新領域，它與伺服旋轉電機+滾珠絲杠驅動的性能對比如下表所示。

1.進給驅動的主要優(yōu)點如下:
(1)速度高  由于直線電機直接驅動工作臺,無任何中間機械傳動元件,無旋轉運動,不受離心力的作用,可容易地實現高速直線運動。
(2)加速度大  直線電機的啟動推力大,結構簡單重量輕,運動變換時的過渡過程短,可實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  直線電機進給系統(tǒng)用光柵尺作為位置測量元件,采用閉環(huán)控制,通過反饋,對工作臺的位移精度進行精確的控制。
(4)行程不受限制  由于直線電機的次級是一段一段地連續(xù)鋪在機床床身上,“次級”鋪到哪里,“初級”(工作臺)就可運動到哪里,不管有多遠,對整個系統(tǒng)的剛度不會有任何影響。如美國CincinnatiMilacron公司為航空工業(yè)生產了一臺HyperMach大型高速加工中心,主軸轉速60000r/min,主電機功率80kW。采用了直線電機,其X軸行程長達46m,工作臺最高進給速度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3h；在普通數控銑床上加工,則需8個h。
(5）沒有機械接觸，傳動力是在氣隙中產生的，除了導軌外沒有其它摩擦。
(6）結構簡單，體積小，以最小的零部件數量實現直線驅動，而且是只有一個運動部件。
(7）運動平穩(wěn)  這是因為除了起支撐作用的直線導軌或氣浮軸承外,沒用其它機械連接或轉換裝置的緣故。
(8）維護簡單,由于部件少,運動時無機械接觸,從而大大降低了零部件的磨損,只需要很少甚至無需維護,使用壽命更長。
   
2.當然，任何事情都是一分為二的，直線電機也不例外，它也存在著一些不足之處，其缺點主要表現在以下幾方面：
(1）與同容量旋轉電機相比，直線電機（主要是感應式直線電機）的效率和功率因數較低，尤其在低速時比較明顯。其原因主要是兩個方面引起的，一是直線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；二是由于直線電機初級鐵心兩端開斷，產生了所謂的邊端效應，從而引起波形畸變等問題，其結果也導致損耗增加。但從整個裝置或系統(tǒng)來看，由于采用直線電機后可省去中間傳動裝置，因此系統(tǒng)的效率有時還是比采用旋轉電機的高。
(2）直線電機特別是直線感應電機的起動推力受電源電壓的影響較大，故需采取有關措施保證電源的穩(wěn)定或改變電機的有關特性來減少或消除這種影響。
(3)直線電機除上述缺點外,還有安裝困難、需要隔磁、成本高等不足。

3.直線電機進給系統(tǒng)設計需解決的關鍵技術問題
   直線電機用于數控機床控制軸的驅動上成為數控機床向高速化、精密化發(fā)展的一項重要技術支持，也引起了機床研究人員和機床制造廠對其應用技術的關注，并已在一些高速數控機床產品上應用，但在直線電機進給系統(tǒng)設計過程中主要有下列一些關鍵技術問題應高度重視：
  (1)隔磁與防護問題  和旋轉電機不同，直線電機的磁場是敞開的,因而采用直線電機驅動的機床對環(huán)境要求就比較嚴格。尤其是采用永磁式直線電機時,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的定子和動子之間的氣隙(一般只有0.3～1mm),電機就會發(fā)生故障。因此要把直線電機、導軌和床身用三維折疊和耐熱的高速防護罩加以防護,以確保直線電機的運行安全。
   (2)散熱冷卻問題  直線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，把直線電機工作時產生的熱量迅速帶走。否則將會直接影響機床的工作精度，降低直線電機的推力。一般可在初級和次級上加裝冷卻板。工作時,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內部產生的熱量。
   (3)工作臺的結構設計  機床工作臺是進給單元的運動部件,其質量大小對進給系統(tǒng)的動態(tài)特性有很大影響。在直線電機推力不變的情況下，減小移動部件(工作臺)的質量，不僅可以獲得較高的加速度，而且可以提高進給系統(tǒng)的響應能力。
   (4)導軌結構類型的選擇  由于直線電機工作臺的運動速度高，機床工作時將承受很大的動靜載荷，并受到多方面的顛覆力矩，導軌的摩擦特性還會影響進給系統(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軌。一般推薦采用“四方等載荷型”高速滾動導軌，其摩擦系數僅為0.01。
  (5)重力加速度問題  當直線電機應用于垂直或傾斜進給機構時，必須要解決好直線電機斷電時的自鎖問題和通電工作時重力加速度對其影響問題。這個問題比較復雜，不是簡單地加平衡配重塊就能解決的，必須在電機和伺服驅動控制模塊上采取相應的措施。

4.在實際應用中關鍵技術問題的具體解決方法
   以一種型號數控機床為例來說明直線電機在數控機床伺服進給系統(tǒng)中上述問題是如何解決的：
   該機床采用德國西門子公司的永磁同步交流直線電機，采取如圖1所示典型的機床結構：

  直線電機初級與次級分別安裝在工作臺與機床床身上，工作時，直線電機產生巨大的電磁吸力，垂直作用在工作臺上，并由工作臺下部的二根滾動導軌支承，類似于雙支點梁受力狀態(tài)。電機正常工作時,間隙一般為0.3mm～1mm。工作臺的垂直變形將直接影響直線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，甚至可能發(fā)生初級與次級相接觸，燒毀電機的事故。直線電機進給系統(tǒng)對工作臺的要求是:在保證必要的剛度下,應盡量減少其質量。為滿足進給系統(tǒng)對工作臺的上述要求，可以從二方面著手：(1)采用高強度的輕質材料，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行有限元分析和優(yōu)化設計，以求得滿足動靜剛度條件下的最小質量。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給系統(tǒng)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，進行剛度的有限元分析，為工作臺的進一步優(yōu)化設計提供理論依據。
  直線電機、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軸存在斷電自鎖問題和通電時重力加速度問題。采用平衡油缸阻尼大，速度上不去，最后，進給系統(tǒng)通過加鎖緊塊解決了直線電機斷電時的自鎖問題；直線電機伺服驅動模塊能夠控制通電工作時重力加速度對其影響問題。
  冷卻問題是應用直線電機進給系統(tǒng)中最重要的問題，也是最關鍵的技術問題。如果電機操作沒有水冷，那么由于熱擴散和熱輻射的作用，額定電機力就會下降；同時,次級部構芯不應超過60℃的最高溫度，不然的話永磁體就有被消磁的危險。
  西門子直線電機除了用主冷卻器進行水冷之外，由于電機的高力密度會在初級部構芯內部產生高達120℃的高溫。為了防止這種對機床精度有負面影響的高溫，電機完全能夠實現相對周圍環(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(tǒng)需要熱交換器支持。為了計算熱交換器的冷卻功率，個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
   假設直線電機操作中的連續(xù)電機力是1150牛，額定電機力是1580牛,所以P實際冷卻=P滿負荷冷卻X(1150N/1580N)2=838.6kcal/h

5 結束語
   在數控機床上采用直線電機，不僅能夠簡化機床結構，而且能大幅度地提高生產效率，并能實現高精度加工，提高機床的經濟效益和競爭能力。隨著新型磁性材料和電機專用冷卻方法的出現，直線電機在數控機床上的應用必將更加廣泛。