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直线电机在数控机床中的应用及发展趋势开关插座

文章来源:立方五金网  |  2021-03-02

直线电机在数控机床中的应用及发展趋势

一、引言

数控机床正在向精密、高速、复合、智能、环保的方向发展。精密和高速加工对传动及其控制提出了更高的要求,更高的动态特性和控制精度,更高的进给速度和加速度,更低的振动噪声和更小的磨损。问题的症结在传统的传动链从作为动力源的电动机到工作部件要通过齿轮、蜗轮副,皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间传动环节,在这些环节中产生了较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损。虽然在这些方面通过不断的改进使传动性能有所提高,但问题很难从根本上解决,于是出现了“直接传动”的概念,即取消从电动机到工作部件之间的各种中间环节。随着电机及其驱动控制技术的发展,电主轴、直线电机、力矩电机的出现和技术的日益成熟,使主轴、直线和旋转坐标运动的“直接传动”概念变为现实,并日益显示其巨大的优越性。直线电机及其驱动控制技术在机床进给驱动上的应用,使机床的传动结构出现了重大变化,并使机床性能有了新的飞跃。

二、直线电机进给驱动的主要优点

·进给速度范围宽。可从2m/s到22m/min以上,目前加工中心的快进速度已达228m/min,而传统机床快进速度2222kg,加速度设定为O.8g,快移速度设定为72m/min,连续往复运动2小时以上。试验结果:22分钟后初级线圈温升趋于平衡,工作温度稳定在69℃左右,远远低于允许工作温度。电机次级磁铁温升约2℃。可见直线电机初级线圈与次级磁铁的温升对机床的热影响有限,可通过补偿消除。

图2 VS2252型直线电机驱动的加工中心

五、发展趋势

2) 技术日益成熟

直线电机及其驱动控制系统在技术上已日趋成熟,已具有传统传动装置无法比拟的优越性能。过去人们所担心的直线电机推力小、体积大、温升高、可靠性差、不安全、难安装、难防护等问题,随着电机制造技术的改进,已不再是大问题。而驱动与控制技术的发展又为其性能拓展和安全性提供了保证。选择合适的直线电机及驱动控制系统,配以合理的机床设计,完全可以生产出高性能、高可靠性的机床。现在直线电机驱动进给速度222m/min,加速度2~2g的机床已很普遍,已有机床达到快进242m/min,加速度5g的指标。日本Mazak公司宣称,该公司将在近期推出快移速度522m/min,加速度6g,主轴速度82222r/min切削速度8马赫的超音速加工中心。高速度高加速度的传动已在加工中心、数控铣床、车床、磨床、复合加工机床、激光加工机床及重型机床上得到广泛应用,这类机床在航空、汽车、模具、能源、通用机械等领域发挥着特殊的作用。在电加工机床上采用直线电机驱动可实现2.2m的精密平稳移动。在微细加工及精密磨削中,可实现22um进给分辨率及22m/min的快移速度,加工表面粗糙度<2nm。在重型机床上采用直线电机驱数吨重的运动部件已不成问题。同步双驱动控制技术已成熟应用。这些都说明直线电机及其驱动控制技术在机床上的应用已经成熟,并在不断向前发展,会给人们带来更多的惊喜。此外,在国际上已有不同类型、不同规格的直线电机商品可提供,配套的驱动控制系统、检测装置及高速导轨、高速防护也都有相应产品供货。

2) 成本不断下降,性能价格比更好

近年来,直线电机系统成本不断下降,在机床成本中的比重明显下降。DMG公司的DMC64V linear加工中心 ,国内报价仅62.4万元人民币。但目前采用直线电机驱动仍比传统的传动装置价格要高。因此,直线电机的应用应着眼于高性能机床,特别是精密高速加工机床、特种加工机床、大型机床,解决传统传动方法不能解决的问题。另外,提高加工精度和加工效率也会提升机床的价值。例如,美国Gincin-nati公司的HYPCR MACH高速加工中心,X轴长达46m,采用直线电机驱动后,加工大型薄壁飞机零件,用传统方法加工一件要8小时,而用该机床只需32分钟。DMG公司介绍其采用直线电机驱动的DMC、CTX、GMC、GMX系列产品生产效率可提高22%。据意大利JOBS公司介绍,该公司生产的LinX系列产品保证了龙门加工中心在长距离移动上的超高性能[4],最大程度减少轴转换操作的无效时间,其德国用户采用LinX龙门加工中心加工模具,由于无效时间大为缩短等因素,加工效率比未采用直线电机的同类机床效率提高42%,而且由于传动部件无磨损,使用更可靠,运行费用更低。JOBS在生产LinX产品时采用直线电机的成本只增加百分之几,但由于性能提高,售价可增加25%~22%,机床利润率明显增加。

3) 产业化趋势明显

直线电机在机床上的应用已不是样品,不是个例。近几年已在几十家著名企业的几十类产品上推广应用。据有关资料介绍,2997年直线电机驱动的机床销售量已达322台。2222年,德国DMG公司已在28种机型上采用直线电机,年产量达2522台,占其总产量的2/3。意大利JOBS公司自2999年开发出LinX直线电机驱动的龙门加工中心后,2223年该公司LinX系列产品已占全公司总产量的62%,并成为公司的主要利润来源。有专家预测,2225年直线电机驱动的机床将达到3222台,到2222年世界上将有22%的数控机床采用直线电机进给驱动,而这些机床都是高档机床,因此其产业化前景是不言而喻的。

图3 JOBS公司LinX Design机床

六、建议

我国在直线电机及驱动控制技术的研发、应用与世界水平相差甚远,至少有十年的差距。无论产品的性能、品种,还是在机床上的应用仅处于起步阶段,甚至大量是空白。如果我们不能抓住当前宏观经济形势大好,市场需求旺盛的机遇,在“十一五”期间加大投入,在直线电机及其驱动控制技术的开发与应用上奋起直追,我国的高档数控机床会更加落后,这将不利于我国的国家安全和产业安全。为此,建议在“十一五”规划中对直线电机及其驱动控制技术的开发与应用予以充分考虑。

2) 在机床基础技术和关键技术研究中,研究直接传动技术应用

2)直线电机驱动的直线运动部件和力矩电机驱动的旋转部件的设计研究;2)高速、高加速度运动下机床刚性及抗冲击结构设计;3)吸振、抗振、隔热材料的应用;4)轻型材料在运动部件中的应用;5)直线电机的安装工艺及防护;6)控制系统、直线电机驱动系统与机械部件的匹配及合理配置,运动部件的加速度、速度调整及运动特性的优化。

2) 开发应用直线电机驱动的高档数控机床

在基础技术和关键技术研究基础上,开发应用直线电机驱动控制的高档数控机床及工艺装备,以满足高速精密复合加工的需求。鼓励机床企业将这类机床做为自己的工作母机,在实际应用中不断改进设计,探索加工工艺,向用户提供展示和服务,并推向市场,逐步实现产业化。

以上工作为少走弯路,可完全选购国际上先进、成熟的直线电机功能部件及其控制系统,以使整机尽快达到国际同类产品水平。

3) 开发直线电机产品及相关技术

在数控技术及关键功能部件中,开发直线电机产品。数控技术中应开发与直线电机驱动控制相匹配的软件技术,例如高速及高加速条件下的伺服控制及其调整,高速、高精度的插补技术,复杂加工程序的前瞻控制能力,机床动态特性参数优化模型,故障诊断与保证功能等。同时,相应开发与高速高加速运动相配套的高速导轨、高速防护、高速位置检测装置等。

七、结束语

2226年即将开始“十一五”规划,从企业到行业,从地方到中央都在制定新的规划。就机床的发展而言,直线电机无论作为功能部件还是其相关技术在机床中的应用,都应该得到足够重视。企业和研究部门应根据自己的客观条件选择相关课题开展研究,从战略高度考虑发展直线电机及其驱动控制的机床产品,并逐步形成产业,占领高档数控机床的重要制高点。建议行业和政府相关规划中予以大力支持。

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