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直线电动机在数控机床中的应用

数控产品网 www.cncproduct.com   2013-12-03   来源:网络转载   阅读:582次

 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动态特性和控制精度要求,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中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,在这些环节中存在如下问题:①刚度低、惯量大,难以获得高进给速度和高加速度;②传动误差较大,影响机床加工精度;③机械传动链结构复杂,特别是在重型机床和多坐标机床中尤为突出;④机械噪声大、传动效率低。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予以解决,于是,直线驱动伺服技术一零传动方式便应运而生。由于其消除了传统机械传动链所带来的一系列不良影响,极大地提高了进给系统的快速反应能力和运动精度,因而成为新一代数控机床中最具代表性的先进技术之一。直线电动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。

1 直线电动机在数控机床中应用的特殊问题

  1.1 电动机种类的选择

  目前,满足机床大推力进给部件要求的主要是交流直线电动机,从励磁方式分,可分为永磁(同步)式和感应(异步)式两种。

  永磁式直线电动机的优势在于效率和推力密度高、发热少、次级不需要冷却、可控制性相对较好。但永磁同步电动机装配较困难;永磁磁场吸引铁屑,实际应用时排屑困难,电动机必须加密封以防止铁屑阻塞气隙或进入运动副中;需通过位置传感器对电动机进行电流换向控制;永磁铁有可能退磁。美国Ingersoll铣床公司生产的高速卧式加工中心HVM800的x、y、z轴均采用永磁式同步直线电动机,最大进给速度为76.2m/min,加速度为1~1.5g。

  感应式直线电动机优势在于其次级结构简单、安装维修和除屑容易。缺点是采用电激磁,因此效率低,发热大,次级需要冷却;气隙公差严格,加工成本高;需要复杂的矢量变换技术,控制算法比直流永磁电动机的控制算法复杂。应用方面典型例子是德国Ex—Eell—O公司开发的XHC240型高速卧式加工中心,3个进给轴均采用Indramat公司的感应式直线电动机直接驱动进给部件,快速移动速度最高为60m/rain,最大加速度为1g。

  选择哪一种电动机作为机床的驱动部件,应扬长避短,根据实际情况来决定。

  1.2 机械简化导致控制难度增加

  直线电动机伺服系统与传统的“旋转电动机+滚珠丝杠”的进给方式相比,虽然消除了机械传动链所带来的一些不良影响,但却增加了电气电子控制上的难度。由于直线电动机的初、次级通常是与机床I作台、床身联在一起的,工作台等移动部件必然包含在闭环系统之内,也就是说直线电动机传动控制只能采用全闭环控制,这就使得各种干扰(如1件重量、切削力等的变化)不经过任何中间环节的衰减而直接传到直线电动机上。另外,在高精度微进给的加工领域,必须考虑对象的结构和参数变化、各种非线性的影响、运行环境的改变和干扰等时变和不确定因素,否则,零传动方式将失去原来所希冀的意义。这种机械上的简化,导致了控制上难度的增加,因此,必须采用更有效的控制技术加以解决。在目前的技术水平条件下,这种“转嫁”显然是合理的。用高速微控制器实现复杂有效的控制算法来取代对精度要求很高而又笨重的机械部件,以获得更优良的性能,无论如何这是值得的。

  1.3 控制策略的选取

  在高精度微进给运动中,必须站在更高的层次上,考虑到一些更细微的干扰因素对伺服性能的影响,必须采取有效的措施抑制这些扰动。在选取控制方法时,既要有基于对对象模型结构和参数基本清晰的认识,又要考虑模型摄动、负载扰动等未知的不确定性因素对系统稳定性和抗扰能力的影响。更重要的是,必须认识到直线电动机伺服系统是一个高度快速的动态系统,一些仿真结果完善的现代控制策略由于算法复杂,计算量大,造成响应速度慢,无法满足直线电动机伺服系统对实时性的要求。这就要求针对产生扰动的不同原因的特殊性,以相应见长的控制策略对付之。

  伺服系统第一重要的性能就是对其指令的跟踪能力,在理想情况下,输出能无延迟、无超调地跟踪输入指令的变化。一个成功的控制策略,必须针对具体对象的特点,满足主要功能要求的同时,兼顾跟踪能力和抗扰能力。

  现在见诸于刊物的控制策略很多,较常见的是滑模控制、鲁棒控制、神经网络控制和模糊控制,但成功应用于实际产品的,基本上还是以PID和前馈控制为基础的控制方法,形式上完备的现代控制方法和耗时费力的智能控制尚未在实际产品中应用。

  1.4 提高机床移动部件加速度的措施

  采用直线电动机驱动的高速机床,快移和最大进给速度一般为70~120 m/min,加速度1~29。虽然直线电动机的加速度可达10g,但机床移动部件的加速度由于受其本身质量和其上物品质量的影响而大大下降。为了提高机床的加速度,一方面是尽量使工作台不参加运动,故大多数直线电动机驱动的高速机床采用“箱中箱”结构,工作台固定不动,34"移动轴均在工作台一侧;另一方面是使用质量轻的铝合金和纤维增强塑料来制造其中某些移动构件。比如Ingersoll公司的HVM600、Huller、Hille公司的Spech500L等。图1所示为由直线电动机驱动的轻型铝合金十字滑架作x—1,轴运动,Z轴运动也由在滑架内的铝合金滑枕来完成(工作台不动)。这样不仅移动部件质量小,而且机床刚度也好。

HVM600

 1.5 摩擦的影响与消减

 

  在大型加工设备中,龙门移动式加工中心是最具有代表性的机床之一。在龙门移动式加工中心中,移动部件和静止导轨之间存在着摩擦,这种摩擦的存在有百害而无一利。①它增加了驱动部件的功率损耗,降低了效率,降低了运动副的精度和使用寿命,提高了维护费用;②高速时增加了运动噪声和发热,甚至可能使精密部件变形,限制了运行速度的提高;③限制了机床精度的提高。由于摩擦与运动速度问存在非线性关系,特别是在低速微进给情况下,这种非线性关系难以把握,可能产生所谓的尺蠖运动方式或混沌不清的极限环现象,严重破坏了对微迸给、高精度、高响应能力的进给性能要求;④两立柱问同步误差的削减由于摩擦存在而变得很困难。

  历来的研究都把消除或减少摩擦的不良影响,作为提高机床技术水平的努力方向之一。以往所采取的主要措施有静压技术和采用新材料构成低摩擦运动副。在上述减小摩擦方案的基础上,人们设计出先进的控制器,也取得了良好的效果,但对于更高精度、快速定位的要求来讲,还是不能满足。只有把具有一定重量的运动体悬浮起来,这才是解决摩擦问题的根本出路。在各类直线电动机中,都存在着垂直力,而且较推力大得多,一般在数倍到十几倍以上。对一般的直线电动机来说,是不希望垂直力的存在。而为了消除摩擦,可以利用这一悬浮能力设计直线电动机驱动。例如,就龙门移动式加工中心来讲,双龙门驱动的直线电动机在完成了同步直接驱动的同时,还可以充分利用垂直力悬浮立柱一横梁,用直线电动机产生的推力作伺服进给驱动,这就从根本上消除了摩擦对伺服运动的影响。可以实现无间隙、无磨损、免维护、无噪声的高精度的伺服定位和快速运动,创造出崭新一代的数控机床。当然实现这一目标有许多技术难题尚待解决。

  1.6 路径生成问题

  直线驱动的路径生成问题可以从三个方面进行讨论:加加速度、对加工程序段的预处理及插补。由于直线电动机具有很大的加速度,因此,在加工时可以用很高的进给速率对零件进行切削。但是在加、减速过程中,加速度的突变会对机床机械部分产生很大的冲击。为了防止这一点,可以在加、减速过程中引进加加速度(加速度对时间的一阶导数)概念,使加速度在加、减速过程中保持一定斜率,而不是无穷大。实际使用中,对于加加速度的设定既要考虑加工精度,又要保证避免对机床机械部分不必要的冲击。预处理的块长度在一般情况下不受限制。对于插补而言,传统上一般采用平面内直线插补、平面内圆弧插补(扩展的DDA圆弧插补、改进的DDA圆弧插补及角度逼近圆弧插补等)和空间直线插补算法来逼近加工路径,而直线驱动由于具有很高的动态特性,因此可以在加工过程中对自由曲面通过非均匀有理性B样条插补(NURBS)算法来获取精确而又平滑的加工路径。

  1.7 其他问题

  相比于旋转电动机,直线电动机仍存在价格昂贵、发热、进给力小、磁铁吸引金属尘埃等缺陷,但是这些问题正在逐步得到解决:对于价格昂贵,直线电动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Cincinnati公司的HYPGR MACH高速加工中心,x轴长达46 m,采用直线电动机驱动后,加工大型薄壁飞机零件,用传统方法加工一件要8h,而用该机床只需30 min。对于处于机床腹部的直线电动机发热问题,现在国外厂商已将冷却水套与直线电动机密封为一体出售,其中与Siemens公司直线电动机配套出售的双冷却系统,可使机床温升不超过2℃。又如进给力小的问题也有所改进,近年功率密度较大的同步直线电动机的最大进给力已增至14.5kN。而为了保证磁材加工时不出事故,有的机床(如Ex-Cell-O公司的高速加工中心)使用了恒进给力和气隙都较小的异步直线电动机。

2 直线电动机在数控机床中的应用现状

  2.1 在高速与超高速加工中的应用

  为了提高生产效率和改善零件的加工质量而发展起来的高速和超高速加工,现在已成为机床发展的一个重大趋势。在高速与超高速加工领域中,直线电动机广泛应用于高速铣床、曲轴车床、超精车床、磨床、激光车床等领域。

  日本神钢电动机株式会社采用直线电动机驱动高速多工序自动数控机床的工作台,其被驱动部分的质量为255 kg。试验结果表明,最大加速度为1.39。速度闭环的带宽为150 Hz,而传统的旋转电动机+滚珠丝杠的传动方式仅为0.39和80 Hz。国内南京四开公司研制开发的高速数控直线电动机车床,其x轴采用直线电动机直接驱动,光栅尺闭环反馈,anq-非圆截面异形螺纹,其刀具最大的加速度达到4~59,最大进给速度超过了100 m/min。在加工发动机活塞的中凸变椭圆裙部时,其最高转速可达3 000 r/min。现在比较热门的研究是将直线电动机应用于高速化的并联机构,即六轴、三轴并联结构机床,通过多根滑动柱塞的伸缩来控制刀具,实现对复杂型面的高速加工。苏黎世高等I业大学开发出了具有新型结构的六滑块机床,它将直线驱动技术应用在该机床的高效铣削中。

  2.2 在异形截面加工领域中的应用

  采用直线电动机的直线运动机构由于具有响应快、精度高的特点,已成功地用于异形截面工件(汽车发动机活塞、波瓣形轴承外环滚道、活塞环及凸轮等)由计算机控制的精密车削和磨削加工。与传统的采用“靠模”加工异形内外圆轮廓的方法相比,具有编程修改灵活、加工精度高的特点,十分适合多品种、小批量产品的加工。

3 发展趋势与前景

  目前直线电动机直接驱动技术的发展呈现出如下趋势:各功能部件(电动机、编码器、轴承、接线器、电缆、导轨等)集成化、模块化,以减小电动机尺寸;注重相关技术的发展,如位置反馈、控制技术等。随着直线电动机研究的进一步开展,它的种类也越来越多,除了电磁驱动以外,还有压电微驱动、热微驱动、直接光微驱动、超导微驱动、高分子微驱动等多种形式。直线电动机与DSP高速运动控制器的结合,更使数控机床的结构和综合性能发生了根本性的改变,使得机床多轴运动的速度、加速度与跟踪精度大大提高,并保持很高的运动精度。直线电动机的模块化结构可以使其行程和功率几乎不受限制。专家预测,直线电动机有望成为21世纪高速数控机床进给系统的基本传动方式。 

CncProduct.Com(编辑:小朱)
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