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        線性馬達在機床上的應用與展望
        作者:廣州依納  發表時間:2013-03-04  點擊:90
        線性馬達在機床上的應用與展望1 前言   隨著電子技術突飛猛進的發展,高速度多功能的或專用的微處理器及信號處理器的大量涌現(如DSP),直線電機在機床領域的應用迎來了它的高潮。從1996年的美國芝加哥機床展覽會IMTS`96,日本第18屆國際機床展覽會,到1999年巴黎國際EMO博覽會等一系列國際有影響的展覽會上,美國的Ingerell milling公司,德國的西門子(IFNI),日本三精公司,美國的Kollmorgen公司等國際知名企業向人們展示了直流電機應用于各類機床的強大的魅力,這預示著直線電機開辟的新時代已經到來。   2 在機床領域的應用   2.1 在高速與超高速精密加工中的應用   為了提高生產效率和改善零件的加工質量而發展起來的高速和超高速加工,現在已成為機床發展的一個重大趨勢。一個反應靈敏、高速輕便的驅動系統,速度要提高到40-50m/min以上,加減速也要求提高到25-50m/s2,傳統的“旋轉電機+滾軸絲杠”的傳動形式顯然是不行的,這是由它自身的弱點決定的,因為中間傳動環節的存在首先使剛度降低,彈性變形可使系統的階次變高,從而系統的魯棒性降低,伺服性能下降。彈性變形更是數控機床產生機機械諧振的根源。其次中間傳動環節的存在,增加了運動體的慣量,使得位移和速度響應變慢。另外諸如間隙死區、摩擦、誤差積累等因素,使得這種傳統的方式所能達到的最高進給速度為30m/min,加速度僅3m/s2。   而直流電機直接驅動所具有的優點則恰恰可以彌補傳統傳動方式的不足,其速度是滾軸絲桿副的30倍;加速度是滾軸絲桿副的10倍,最大可達10g,剛度提高了7倍;另外,直線電機直接驅動工作臺,所以無反向工作死區;由于電樞慣量小,所以由其構成的直線伺服系統可以達到較高的頻率響應(如100Hz)。    通過上述的比較,在高速和超高速精密加工中,直線電機的應用有著廣泛的前景。目前,滿足機床大推力進給部件要求的主要是交流直線電機,從勵磁方式分,可分為永磁(同步)式和感應(異步)式兩種。永磁式的次級(定子)是永久磁鋼,在機床上應用時,需在機床的床身上鋪設永久磁鋼,在工作臺下部反裝著三相通電繞組,形成直線電機的初級(動件)。而感應式初級與永磁式相同,但其次級是用電柵條來代替磁鋼,相當于把感應式旋轉電機的“鼠籠”沿其圓周展開。   永磁式直線電機在單位面積推力、功率因數、可控性等方面均要優于感應式,但價格較昂貴,安裝調試、防塵等方面均不如感應式。美國Ingersoll銑床公司生產的高速臥式加工中心HVM800的X、Y、Z軸均采用永磁式同步直線電機,最大進給速度為76.2m/min,加速度α=1~1.5g。   感應式直線電機在性能上已接近于永磁式電機的水平,再加上其自身的優點,所以越來越受到歡迎。在應用方面典型例子是德國Ex-cell-o公司開發的XHC240型高速臥式加工中心,三個進給軸均采用Indramat公司的感應式直線電機直接驅動進給部件,快速移動速度最高為60m/min,最大加速度為1g。   在高速與超高速加工領域中,直線電機除廣泛應用于高速銑床、曲軸車床、超精車床、磨床、激光車床等外,現在比較熱門的研究是將它應用于高速化的并聯機構,即六軸、三軸并聯結構機床,通過多根滑動柱塞的伸縮來控制刀具,實現對復雜型面的高速加工。蘇黎世高等工業大學開發出了具有新型結構的六滑塊機床,它將直線驅動技術應用在該機床的高效銑削中。另外,俄羅斯的Lapik公司和美國的Ingersoll公司等均在這方面開展了研究,并且形成了產品。   2.2 在超精密加工中的應用   超精密加工是制造業中的前沿科學,在工作尤其是國防工業中起著舉足輕重的作用,巡航導彈的慣性制導裝置陀螺儀,雷達的關鍵器件波導管,衛星儀表上的精密軸承、大型集成電路等無不涉及到超精加工。在超精機床中,為進行機床加工誤差的在線補償,以提高加工的形狀精度;為進行某些特殊的非軸對稱表面的加工,都需要微量進給裝置,高精度微量進給裝置現已成為超精機床的重要關鍵裝置。   目前,壓電陶瓷直線電機在精密微進給裝置中有著廣泛的應用,其原理就是利用電致伸縮效應。電致伸縮效應的變形量和電場強度的平方成正比。它能實現高剛度的無間隙位移;分辨力可達1.0~2.5nm;且變形系數大;有很高頻率,其響應時間達100μs。為增大行程,一般電機都是由多片晶體串疊在一起粘合使用,尺蠖式壓電陶瓷電機則是通過三個單獨控制的管狀陶瓷壓電器件組成,其中A、B作徑向伸縮,以便夾緊和松開電機軸,而器件C作軸向伸縮,使電機軸產生軸向位移,實現步進直線運動。   美國LLL國家實驗室的DTM-3大型金剛石車床和LODTM大型光學金剛石車床、英國Cranfieid公司的OAGM2500大型精密機床都已采用了電致伸縮式微量進給裝置。   超聲波電動機(USM)是國內外日益受到重視的一種新型直接驅動電機,廣義地說也是一種壓電陶瓷電動機,它利用壓電陶瓷的逆壓電效應,將材料的微觀變形通過共振放大和摩擦耦合轉換成轉子或者滑塊的宏觀運動,壓電陶瓷在適當的電壓作用下可以形成單一方向的運動的行波。轉子以適當的壓力作用于彈性體表面上,則將在質點摩擦力的驅動下產生運動。改變行波方向,則轉子反向。   在超精密加工中,為了要加工出形狀精度高的非球曲面,要求超精機床的進給驅動系統有很高的分辨力,達到每脈沖移動量為0.01μm,國外已有幾家著名大公司擁有該產品,但對我國禁運。目前國內國防科技大學、哈爾濱工業大學、清華大學等正開展此方面的研究。超聲波電動機具有小型輕量、響應速度快、無電磁干擾以及低速大轉矩等特點,行程在10cm范圍內可取代傳統的電磁電機。帶有反饋閉環控制的步進驅動超聲電動機,其步進分辨率約0.01μm,有望代替機械式摩擦驅動方式。日本東京大學研制的聲表面波式直線USM,步進分辨力高達5nm。   2.3 在異形截面加工領域中的應用   采用直線電機的直線運動,運動機構由于具有響應快、精度高的特點,已成功地用于異型截面工件(汽車發動機活塞、波瓣形軸承外環滾道、活塞環及凸輪等)的計算機控制的精密車削和磨削加工。與傳統的采用“靠模”加工異型內外圓輪廓的方法相比,具有編程修改靈活、加工精度高的特點,十分適合多品種、小批量產品的加工。   3 直線電機在機床上的應用實例   下面以加工發動機活塞為例來說明。   活塞是發動機最關鍵部件之一,它在往復工作狀態下頭部和裙部各處溫升不同,變形嚴重不均勻。因此在常溫下把活塞截面設計成異型(近似橢圓)。寧波軸承有限公司供應微型至中型深溝球軸承、圓錐滾子軸承、短圓柱滾子軸承、平面推力軸承、英制系列軸承、帶座球面軸承、及各種特制非標軸承等。電話:0574-87220315 87220319 郵箱:web@bearing.com 地址:寧波市麗園北路1730——1736號 
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