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直线电机在世界制造技术与装备业中的应用与发展

时间:2010-9-4  点击数:2947

1、概述

      直线与旋转是世界上主要的两种运动方式,许多直线驱动装置或系统往往都是采用旋转电动机通过中间转换装置,如链条、钢丝绳、皮带、齿条或丝杆等机构转换为直线运动。由于这些装置或系统有中间转换传动机构,所以整机机构往往较为复杂,体积较大,速度和精度不能进一步满足人们的更高要求。直线电机是一种将电能转换成直线运动机械能,而不需任何中间转换机构的传动装置,它具有结构简单,无接触运行,噪声低,速度和准确度高,控制容易,维护方便,可靠性高等优点。它是20世纪下半叶以来电工领域中具有新原理、新理论的新技术。目前,直线电机技术在各种直线驱动装置与系统中得到了越来越广泛的应用,例如高速磁浮列车、磁浮船,各种物流输送线,各种自动化设备如绘图机、打印机、复印机、扫描仪,各种民用、军用设备等,尤其在工业制造技术与装备业中,应用直线电机更为广泛和突出,特别是近年来,直线电机所具有的结构简单、无接触、高速、易控制和精度高等优点更推动了它在该领域的发展应用。在国外,直线电机在机应床业的应用甚至成了一种“热点”,而得到了人们的广泛关注。

2、直线电机在国外制造装备业中的应用与发展

2.1、直线电机在机床中应用的优点

      直线电机在国外制造装备业中的应用首先在机床设备方面,传统机床的驱动装置依赖丝杆驱动,丝杆驱动本身就具有一系列不利因素,包括:长度限制、机械背隙、磨擦、扭曲、螺距一周期误差、较长的振动衰减时间、与电机的耦合惯量以及丝杠的轴向压缩等。所有这些因素均限制了传统驱动装置的效率和精度。当设备磨损时,得进行不断的调节以确保所需精度。直线电机驱动技术可以保证相当高的性能水准以及比传统的、将旋转转化为直线运动的电机驱动装置具备更高的简便性。由于直线电机直接与移动负载相连,因此在电机和负载之间没有背隙,而且柔量很小。

      利用直线驱动装置可以很容量地达到小于1μm/s或高达5m/s的速度。直线驱动系统可以保证恒定的速度特性,速度偏差优于±0.01%。在需要较高加速度的应用中,较小的直线电机可以方便地提供大于10g的加速度,而传统电机一般产生的加速度在1g范围内。直线驱动电机的精度只受反馈分辨率、控制算法以及电机结构的限制。采用前馈控制的直线电机系统可以减少跟踪误差200倍以上,而传统的驱动系统却受前述各因素的制约,此外还受机械系统限制。

      直线电机结构简单,由很少组件组成,因此需要的润滑也较少(直线导轨需要定期润滑)。这意味着它的使用寿命较长以及运行比较干净。相比而言,传统的驱动系统由20多个零部件组成,包括电机、联轴器、滚珠丝杠、U形块、轴承、枕块以及润滑系统。每个零部件都需要装配时间、调整时间以及预防性维护。相反,直线电机结构很简单,它是一个电磁执行机构,该执行机构是由两个支承在一个直线导轨上的刚体零件组成。

      直线电机的其他优点包括较低的作用力和较小的速度波纹,从而保证较平稳的运动轮廓。当然,这依赖于电机的结构、磁板以及驱动软件。为了利用直线电机固有的动态制动的优点,驱动放大器应该有效地监控逆电动势(EMF),即使系统电源可能关断也要这样。多个直线电机可以用“背靠背”的方式安装以保证提高作用力。还可以增设额外的磁板以保证实质性的延长行程(受反馈设备和电缆长度限制)而不损失精度。

      法国雷诺自动化公司的工程主管Jean-Paul Bugaud认为“直线电机已日趋成熟,它的精度决非滚珠丝杆驱动的机床所能匹敌。两三年以后,它在高精密与高精度加工中将是一种标准的选择。温度的变化已不再令人焦虑,它们能在10℃或40℃的运转中得到相同的精度。几年以后,估计除了廉价机床外,将不再采用滚珠丝杆了。

2.2、直线电机在机床设备中的应用

     日本沙迪克(SODICK)公司早在1996年,就开始在电火花成形机上采用直线电机,自行研制了专用的直线电机及与直线电机相匹配的NC系统,将直线伺服电机作为驱动元件组成的直线伺服系统首先开发在电火花成形机上应用,继后又迅速扩展应用到电火花切割机上。并于1999年投放市场,该系统已具有进入网络的新功能,它们推出的型号有AM55L(2轴直线电机)和AQ351(X,Y,Z三轴直线电机),这种直线电机伺服系统使加工性能明显改善,其特点是:

(1)把以往由旋转电机的旋转来实现的直线运动改变为轴直接的直线运动,省去了丝杠传动环节,保证了轴的高速运动,可以在0.1μm的控制当量下使轴的移动速度达36m/min,与原控制方式相比,轴的移动速度提高数倍至数十倍。Z轴的高速移动,可实现在加工过程中的电极快速跳跃,使放电间隙中的流体作用力加大,排屑充分,改善了加工条件,提高了放电利用率,可在不冲液加工的情况下,获得较高的加工速度。例如:利用快速跳跃免冲液处理的深窄型腔加工,电极的断面尺寸为1mm×38mm,电极锥度为1”的石墨片电极加工钢,型腔深度为70mm,总的加工时间为3小时40分,其中粗加工时间为2小时10分,精加工时间为1小时30分。加工后的表面粗糙度Ramax10μm;而采用传统的加工方法,2小时加工40mm深,再也无法加工下去。证明在深窄小型腔加工中显示出明显的优越性。

(2)直线电机伺服系统采用了直线电机与溜板一体化的结构,溜板的位移是直线电机的直接移动,两者之间无任何环节,这就消除了中间环节的机械响应滞后现象。因此,直线电机的动态响应时间与传统的交直流电机带滚珠丝杠系统相比减少了一个数量级。高的响应速度可提高伺服系统的灵敏度,以保证加工的稳定性。

(3)直线电机伺服系统的运动方式决定了伺服单元得采用直线位置反馈元件作为位置检测环节,控制和驱动是一个全闭环系统,直接检测溜板的直线位移,没有丝杠螺距误差和传动链零件磨损等因素,导向采用响应速度较快的滚动导轨,因此,更有利于实现精密定位控制,并提高了机床的精度保持性。

(4)由于快速跳跃时机床受力较大,与传统的机床相比,得提高机床的刚度,并改变机床的结构,以适应高速直线伺服运动的需要。沙迪克公司直线伺服电机驱动的NCEDM,除提高机床的刚度外,还采用了固定式工作台及X,Y,Z轴均在立柱上的滑枕式结构。


(5)为避免磁场的影响,溜板采用陶瓷材料,在溜板两侧装有永磁铁(电枢),在主轴两侧固定支撑上安装定子绕组,为降低因高速往复运动及交变电磁场等产生的热量,还装有油冷却管。


(6)为了解决在高速运动(加速运动)时Z轴失去平衡的问题,Z轴采用了汽缸式的平衡装置,其特点是:①在加工时,由于汽压的平衡作用,直线电机运行在低功耗状态,只有在快速跳跃时,直线电机才大功耗运行。②汽压平衡装置和气压夹紧(制动器)使在驱动器失压后,Z轴锁定可靠。

    (信息源来自网络)

Linear Motor