隨著直接驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展,直線電機與傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”的驅(qū)動方式的對比引起業(yè)界的關(guān)注。
1845年英國人就已經(jīng)發(fā)明了直線電動機,但當時的直線電動機氣隙過大導致效率很低,無法應用。19世紀70年代科爾摩根也推出過,但因成本高效率低限制了它的發(fā)展。直到20世紀70年代以后,直線電機才逐步發(fā)展并應用于一些特殊領(lǐng)域,20世紀90年代直線電機開始應用于機械制造業(yè),現(xiàn)在世界一些技術(shù)先進的加工中心廠家開始在其高速機床上應用,國外知名企業(yè)例如DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCI ATI、GROB、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK都陸續(xù)推出使用直線電機的高速高精加工中心。
精度比較:
精度方面直線電機因傳動機構(gòu)簡單減少了插補滯后的問題,定位精度、重現(xiàn)精度、絕對精度,通過位置檢測反饋控制都會較“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”高,且容易實現(xiàn)。
直線電機定位精度可達0.1μm?!靶D(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”最高達到2~5μm,且要求CNC-伺服電機-無隙連軸器-止推軸承-冷卻系統(tǒng)-高精度滾動導軌-螺母座-工作臺閉環(huán)整個系統(tǒng)的傳動部分要輕量化,光柵精度要高。
若想達到較高平穩(wěn)性,“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”要采取雙軸驅(qū)動,直線電機是高發(fā)熱部件,需采取強冷措施,要達到相同目的,直線電機則要付出更大的代價。
價格比較:
價格方面直線電機的價格要高出很多,這也是限制直線電機被更廣泛應用的原因。
速度比較:
速度方面直線電機具有相當大的優(yōu)勢,直線電機速度達到300m/min,加速度達到10g;滾珠絲杠速度為120m/min,加速度為1.5g。從速度上和加速度的對比上,直線電機具有相當大的優(yōu)勢,而且直線電機在成功解決發(fā)熱問題后速度還會進一步提高,而“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”在速度上卻受到限制很難再提高較多。
從動態(tài)響應上因為運動慣量和間隙以及機構(gòu)復雜性等問題直線電機也占有絕對的優(yōu)勢。
速度控制上直線電機因其響應快,調(diào)速范圍更寬,可以實現(xiàn)啟動瞬間達到最高轉(zhuǎn)速,高速運行時又能迅速停止。調(diào)速范圍可達到1:10000。
能耗比較:
直線電機在提供同樣轉(zhuǎn)矩時的能耗是“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”一倍以上,“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”屬于節(jié)能、增力型傳動部件,直線電機可靠性受控制系統(tǒng)穩(wěn)定性影響,對周邊的影響很大必須采取有效隔磁與防護措施,隔斷強磁場對滾動導軌的影響和對鐵屑磁塵的吸附。
通過以下這個例子更容易使大家了解直線電機和“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”的一些特點:
日本某公司超高速龍門式加工中心。X、Y軸采用直線電動機驅(qū)動V=120m/min。該公司為何不應用“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”?因為SUPER S雖然DN值已經(jīng)歷了從傳統(tǒng)絲杠7萬到15萬再到22萬的提速進程,但由于存在純機械傳動的軟肋,其線速度、加速度、行程范圍的增加總是有限的。若選用Φ40×20mm的產(chǎn)品,則vmax=110m/min,因nmax=5500r/min轉(zhuǎn)速很高,行程范圍受臨界轉(zhuǎn)速Nc的制約顯然不可能太長。
若采用大導程Φ40×40mm產(chǎn)品,則Vmax=220m/min,這顯然又不能滿足定位精度高的場合。如果我們選擇Φ40×20(雙頭)mm產(chǎn)品,在n≈4000~5000r/min,V=80~100m/min狀態(tài)下使用,其安全性、可靠性、工作壽命均可高于預期值。事實上到目前為止,在高速高精CNC金切機床中(CNC成形機床除外)速度V≥120m/min仍采用SUPER S系列驅(qū)動的成功范例未見到。實際上“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”的最佳應用場合是:要求V=40~100m/min,加速度0.8~1.5(2.0)g,精度P3級以上的中檔高速數(shù)控裝備和部分高檔數(shù)控裝備。
應用比較:
事實上,直線電機和“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”兩種驅(qū)動方式盡管各有優(yōu)勢,但也有自身的軟肋。兩者在數(shù)控機床上都有各自最佳的適用范圍。
直線電機驅(qū)動在以下數(shù)控裝備領(lǐng)域具有得天獨厚的優(yōu)勢:高速、超高速、高加速度和生產(chǎn)批量大、要求定位的運動多、速度大小和方向頻繁變化的場合。例如汽車產(chǎn)業(yè)和IT產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)線,精密、復雜模具的制造。
大型、超長行程高速加工中心,航空航天制造業(yè)中輕合金、薄壁、金屬去除率大的整體構(gòu)件“鏤空”加工。例如美國CINCI ATI公司的“Hyper Mach”加工中心(46m);日本MAZAK公司的“HYPERSONIC 1400L超高速加工中心。
要求高動態(tài)特性、低速和高速時的隨動性、高靈敏的動態(tài)精密定位。例如,以Sodick為代表的新一代高性能CNC電加工機床、CNC超精密機床、新一代CPC曲軸磨床、凸輪磨床、CNC非圓車床等。
佛山市暢馨精工科技有限公司 ywxulai.cn
輕載、快速特種CNC裝備。例如德國DMG的“DML80 Fine Cutting”激光雕刻、打孔機,比利時LVD公司的“AXEL3015S”激光切割機,MAZAK的“Hyper Cear510”高速激光加工機等。
德國DMG公司以批量生產(chǎn)各類高性能數(shù)控裝備著稱,在其伺服進給系統(tǒng)中采用直線電機較早,而且采用率也是很高的(均在機床型號后標注“Linear”),該公司對兩種驅(qū)動方式的配置有三種類型:
各坐標軸全部配置直線電機驅(qū)動的“快速型”數(shù)控裝備。例如:DMC85V Linear、DMC75V Linear、DMC105V Linear、DMC60H Linear、DMC80H Linear以及DML80-Fine Cutting激光加工機等。
混合驅(qū)動型。例如:DMF500 Linear動柱式大型立式加工中心,在X軸(行程5m)配直線電機,V=100m/min;而在Y、Z軸則采用“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”,V=60m/min。
各坐標軸全部配置“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”的“強力型”加工中心。例如:DMC63H高速臥式加工中心,V=80m/min,加速度1g,定位精度0.008mm。此外還有DMC80H和DMC100H、DMC125H (duo BLOCK)以及DMC60T等。
兩種驅(qū)動方式在德國DMG公司被同時運用也說明他們具有各自的優(yōu)勢。直線電機的提升空間很大,未來直線電機的技術(shù)更加成熟了、產(chǎn)量上去了、成本下降了,應用也會更加廣泛,但從節(jié)能降耗、綠色制造的角度思考,以及兩種結(jié)構(gòu)自身特點考慮“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”驅(qū)動仍有其廣闊的市場空間。直線電機將成為高速(超高速)、高檔數(shù)控裝備中的主流驅(qū)動方式的同時,“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”依然會繼續(xù)保持其在中檔高速數(shù)控裝備中的主流地位。
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