直線電動機工作臺所能......



直線電動機工作臺所能達到的最大加速度為 amax= Fmax-FR m
式中，m為進給運動部件的總質(zhì)量，它包括工作臺質(zhì)量、電動機初級的質(zhì)量和工件的質(zhì)量三部分。由此可見，要提高進給單元的加(減)速度，就必須減小運動部件的質(zhì)量，增大系統(tǒng)的推力。系統(tǒng)的推力與摩擦力、直線電動機的型號、導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)有關(guān)，而運動部件質(zhì)量可通過對工作臺結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計來減小。
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進給單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計
根據(jù)直線電動機安裝方式的不同，進給單元結(jié)構(gòu)可分為水平布局和垂直布局兩種基本方式。圖1所示即為水平布局方式，它具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護方便和機床工作臺高度較低等優(yōu)點。但由于初級與次級之間的電磁吸力與重力方向相同，若工作臺剛度不足，將會使初級與次級間的間隙減小，影響直線電動機的正常工作，因而這種布局適于中等載荷以下使用。水平布局又可分為單電動機驅(qū)動與雙電動機驅(qū)動兩種方式。單電動機驅(qū)動布局結(jié)構(gòu)簡單、工作臺兩導(dǎo)軌間跨距較小、測量裝置安裝與維修方便，適于推力要求不大的場合。雙電動機驅(qū)動布局的合成推力大，但兩導(dǎo)軌間的跨距較大、工作臺受電磁吸力變形較大，對工作臺的剛度要求較高，安裝也比較困難，測量與控制復(fù)雜，只適于特殊場合使用。
為了抵消直線電動機吸力對工作臺剛度的影響，可采用雙電動機垂直布局的方式。這種布局具有推力大、工作臺垂直變形小、工作載荷對電動機初級與次級間的間隙影響小、運動精度高等優(yōu)點，適于載荷較大的高速運動場合。按安裝方式不同，又可分為外垂直安裝和內(nèi)垂直安裝兩種方式。外垂直安裝可保證機床的導(dǎo)軌跨距較小，電磁吸力產(chǎn)生的彎距與重力引起的彎距方向相反，可抵消工作臺的部分彎曲變形，對初級和次級間的間隙影響也較小：但電動機安裝高度較高，工作臺兩端的懸伸較大，所占空間也較大，工作臺結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。內(nèi)置安裝方式可使兩電動機電磁力吸力方向相反，消除了電磁引力對工作臺彎曲變形的影響，保證在進給調(diào)速過程中初、次級的間隙量變化最小：但兩導(dǎo)軌間的跨距較大，安裝維護困難，適于大推力、高精度的應(yīng)用場合。
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GD-3型進給單元主要用于中小型零件的高速精密加工，因而采用單臺電動機水平布局方式(見圖1)。
直線電動機進給系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)解決的其它幾個問題
防磁問題
旋轉(zhuǎn)電動機的磁場封閉在電動機的內(nèi)部，不會對外界造成任何影響。而直線電動機的磁場是敞開的，因而采用直線電動機驅(qū)動的進給系統(tǒng)對環(huán)境的要求比較嚴(yán)格。尤其是使用永磁式直線電動機時，在機床床身上要安裝一排磁力強大的永久磁鐵，因此必須采取隔磁措施，否則電動機將會吸住加工中的切屑、金屬工具和工件等。若這些微粒被吸入直線電動機的定子與動子間的氣隙中，電動機將不能正常工作，因此要把直線電動機的磁場用三維折疊式密封罩防護起來。
GD-3型進給單元采用感應(yīng)式直線電動機驅(qū)動，直線電動機、導(dǎo)軌和床身用風(fēng)琴式折疊耐熱防護罩加以保護，以確保電動機運行的安全。
直線電動機的散熱問題
直線電動機安裝在工作臺和導(dǎo)軌之間，處于機床腹部，散熱困難，又加之低速運行時效率低，發(fā)熱量大，必須采取強有力的冷卻措施，把電動機工作時產(chǎn)生的熱量迅速散出，否則將會直接影響機床的工作精度，降低直線電動機的推力。
GD-3型進給單元采用冷卻板的形式帶走電動機的熱量。如圖1所示，直線電動機的初級通過一塊冷卻板反裝在工作臺內(nèi)頂面，次級也通過一塊冷卻板安裝在底座上。工作時，冷卻板中通以一定壓力和流量的冷卻水，用以吸收和帶走電動機線圈中產(chǎn)生的熱量。冷卻水的壓力和流量由電動機初級和次級的熱損耗來確定。
工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題
直線電動機的工作臺是高速進給單元的運動部件，如前所述，其質(zhì)量和進給單元的最大加速度成反比，要提高進給單元的加速度就必須減輕工作臺的質(zhì)量。為此工作臺可選用高強度的輕質(zhì)材料，如鋁鈦合金、纖維增強塑料等。同時還可采用有限元分析和最優(yōu)化設(shè)計的方法，以獲得所要求的動、靜剛度條件下最輕的質(zhì)量。GD-3型進給單元的工作臺選用HT250鑄鐵，并用有限元法對工作臺的筋板結(jié)構(gòu)和整體剛度進行校驗和優(yōu)化設(shè)計。通過以上措施，工作臺的質(zhì)量比常規(guī)鑄鐵工作臺減輕了30%～40%。
導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)類型的選擇
由于直線進給單元運動速度高，機床工作時導(dǎo)軌將承受很大的動載荷和靜載荷，并受到多方面的顛覆力矩，導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)還會影響進給系統(tǒng)的加速度和進給單元的發(fā)熱等，因而必須選用高精度、高剛度、承載能力強的導(dǎo)軌。GD-3型進給單元采用“四方等載荷型”高速滾動導(dǎo)軌，其摩擦系數(shù)僅為0.01，而且動、靜摩擦系數(shù)相差更小，采用這種高速精密滾動導(dǎo)軌來引導(dǎo)直線電動機工作臺的運動既可避免發(fā)熱，又可防止爬行。
2 直線電動機進給單元的控制
直線電動機和工作臺之間沒有任何中間傳動環(huán)節(jié)，因而這種進給系統(tǒng)只能采用全閉環(huán)控制。此時工作臺負荷的變化、直線電動機“端部效應(yīng)”及其在運動中的變化，對伺服系統(tǒng)來說都是一個外界干擾。這些干擾沒有任何緩沖環(huán)節(jié)，就直接作用到直線伺服電動機上。如果調(diào)節(jié)不好，就可能會降低系統(tǒng)的性能指標(biāo)甚至造成振蕩。因此，要求其位置與速度檢測裝置具有很高的分辨率和動態(tài)響應(yīng)能力，系統(tǒng)要有魯棒性很強的控制器，以消除內(nèi)部參數(shù)攝動和外界干擾的影響。
我校的GD-3型直線電動機高速進給單元系統(tǒng)采用全雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)，選擇高精度光柵作為反饋環(huán)節(jié)的位置測量系統(tǒng)，并通過誤差補償和調(diào)整控制參數(shù)等方法，較好地解決了上述問題。
3 結(jié)束語
近十年來，各類直線電動機除應(yīng)用于數(shù)控機床外，已制成了許多具有實用價值的裝置和產(chǎn)品，如直線電動機驅(qū)動的鋼管輸送機、起重機、空壓機、沖壓機、拉伸機、運煤機、電動編織機、各種電動門、電動窗等。尤其是利用直線電動機驅(qū)動的磁懸浮列車，其速度已超過500km/h，接近了航空器的飛行速度。
直線電動機作為數(shù)控機床進給系統(tǒng)的一種嶄新的驅(qū)動方式，只有短短幾年的歷史。目前它在設(shè)計、制造和應(yīng)用方面還存在一些問題，成本也較高，有待進一步加以研究解決。然而它在高速數(shù)控機床上的應(yīng)用，已呈現(xiàn)出一系列滾珠絲杠所無法比擬的優(yōu)越性，并已成為現(xiàn)代世界機床技術(shù)發(fā)展的新高峰。近年來，各國推出的許多新型高速加工中心和其它數(shù)控機床，其進給系統(tǒng)已采用了直線電動機，直線電動機驅(qū)動有望成為21世紀(jì)高速數(shù)控機床的基本傳動方式。