加工机床领域伺服电机技术的发展及其优缺点分析

2009-11-03 20:00:23来源: 中国传动网

  高速高精加工机床的进给驱动,主要有传统的“旋转伺服电机和精密高速滚珠丝杠”和新型的“直线电机直接驱动”两种类型。

  滚珠丝杠由於工艺成熟,应用广泛,不仅精度能达到较高(iso34081级),而且实现高速化的成本也相对较低,所以迄今仍为许多高速加工机床所采用。当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min,加速度1.5g。但滚珠丝杠毕竟是机械传动,从伺服电机到移动部件间有一系列机械元件,势必存在弹性变形、摩擦和反向间隙,相应造成运动滞后和其它非线性误差,目前滚珠丝杠副的移动速度和加速度已提高较多,再进一步提高的余地有限。自1993 年,在机床进给上开始应用直线电机直接驱动,它是高速高精加工机床特别是其中的大型机床更理想的驱动方式。目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快移速度已达208m/min,加速度2g(mazak的hmcf3-660l加工中心的水平),并且还有发展余地。

  直线电机直接驱动的优点是: 1.高刚度。直线电机直接和负载连接,没有间隙,有更高的动态刚度。2.更宽的速度范围。现代电机技术,很容易实现宽调速,速度变化范围可达,1:10000以上。例如,美国科尔摩根公司ddl永磁直线电机高速大于5m/s,低速1μm/s。3.加速特性好、运动惯量小、有更高动态响应性能。4.运行平稳,位置精度高(基本上取决于位置反馈检测元件)。5.无行程限制。采用模块结构,可接长适应不同行程要求。采用直线电机直接驱动,省去了一切中间机械传动,从根本上减小了机械摩损与传动误差,减少维护工作。6.轨迹误差小,高速下可获得良好的定位精度。直线电机直接驱动的优点正好弥补滚珠丝杠传动的不足,与滚珠丝杠传动相比,其速度提高30倍,加速度提高10倍,最大达10g,刚度提高7倍,最高响应频率达100hz。

  直线电机直接驱动也存在一些缺点和问题,除控制难度大(中间没有缓冲环节和存在端部效应)外,还存在强磁场对周边产生磁干扰,影响滚动导轨副的寿命,同时给排屑、装配、维修带来困难,以及发热大、散热条件差。需解决散热、隔磁、足够的推力、自锁和移动部件轻量化等方面的问题,才能在机床上实际应用,同时成本较高也影响其推广应用。目前这些问题都已得到不同程度的解决,采用者愈来愈多。交流直线伺服电机也有感应(异步)式和同步式两大类,同步式(次级为永久磁钢)由于效率高、推力密度大、可控性好等优点,尽管其对隔磁防尘要求较高和装配较困难,现在也已成为机床用直线电机的主流。例如,美国ingersoll 铣床公司生产的hvm800高速卧式加工中心,x、y、z三轴都采用永磁同步直线伺服电机,最大进给速度可达76.2m/min,最大加速度1.5g。

  在高速高精加工机床领域,直线电机驱动和滚珠丝杠驱动虽然还会并存相当长一段时间,但总的趋势是直线电机驱动所占比重会愈来愈大,将来很有可能成为此种机床进给驱动的主流。现在世界各国的知名机床制造商(比如以发展滚珠丝杠驱动闻名于世的日本mazak公司和韩国的大宇公司)都纷纷推出直线电机驱动的机床。种种迹象表明,直线电机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。

关键字:直线电机  滚珠丝杠  驱动

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2009/1103/article_2266.html
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