引言
永磁同步電機是一個多變量系統(tǒng),具有時變、強耦合、非線性的特點,主要應(yīng)用于高速加工中心和數(shù)控機床,直線電機進給系統(tǒng)可以直接提供推力給負(fù)載,不需要任何中間的機械傳動結(jié)構(gòu),使用它可大大提高機床進給驅(qū)動的速度、精度和效率。相比傳統(tǒng)的驅(qū)動方式,直線電機進給系統(tǒng)具有很大的優(yōu)點:直線電機提供的加速度更大,能有效縮短加速和減速時間,提高響應(yīng)速度;由于省去了中間傳動環(huán)節(jié),進給系統(tǒng)的傳動剛度提高了,使得進給系統(tǒng)的定位精度和傳動精度也得到了提高,同時省去了容易出現(xiàn)問題的集電環(huán)和碳刷,進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也得到了簡化,降低了產(chǎn)品成本,系統(tǒng)運行穩(wěn)定性得到了提高,維護變得更為簡單,提高了運行的效率和可靠性。
1XJT系列永磁同步直線電機技術(shù)特點
交流永磁同步伺服系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動器和電機組成,相比其他交流伺服系統(tǒng),交流永磁同步伺服系統(tǒng)的區(qū)別主要體現(xiàn)在電機上,即交流永磁同步電機。永磁同步電機的結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等幾部分,與其他電機相比,xJT系列永磁同步電機主要有以下技術(shù)特點:
(1)采用高性能欽鐵硼磁材料,體積小,推力密度高,過載能力強。
(2)采用直線驅(qū)動,具有高剛性,全閉環(huán),可實現(xiàn)高精度運行。
(3)采用水冷結(jié)構(gòu),具有高推重比,可實現(xiàn)更大加速度的高速運行。
(4)采用模塊化設(shè)計,運動行程可無限擴展,應(yīng)用領(lǐng)域廣。
(5)重量輕,可靠性高。
由于該系列永磁同步直線電機兼有直線電機和永磁電機的雙重優(yōu)點,加上材料性能不斷提高,更加適用于直線電機驅(qū)動技術(shù),因而成為構(gòu)成高速、高精度直線進給系統(tǒng)的首選機型,在高速、高精度數(shù)控機床中的應(yīng)用越來越廣泛。下面主要分析永磁同步直線電機在高檔數(shù)控機床上的應(yīng)用。
2永磁同步直線電機在高檔數(shù)控機床上的應(yīng)用技術(shù)分析
由于永磁同步直線電機本身具有較強磁性,其在高檔數(shù)控機床上應(yīng)用存在一些特異性的技術(shù)問題,需要合理解決。
2.1減少磁吸力
永磁同步直線電機在動子與定子之間會產(chǎn)生一個垂直于進給運動方向的法向磁吸力,法向磁吸力是電機可提供持續(xù)推力的10倍左右。磁吸一般存在于定子與動子、定子與安裝件之間,無論電機動子中是否通電,法向磁吸力都存在。磁吸力的存在會引起直線導(dǎo)軌承受力增加,導(dǎo)致承受垂向力的直線導(dǎo)軌變形,一定程度上直接影響了數(shù)控機床的加工精度。另外,法向磁吸力也會增大導(dǎo)軌與滑塊之間的壓力,使得兩者之間產(chǎn)生較大的移動摩擦力,摩擦力達(dá)到一定的數(shù)值,就會產(chǎn)生推力波動,降低數(shù)控機床的動態(tài)性能。因此,永磁同步直線電機應(yīng)用在高檔數(shù)控機床上,合理減小電機的磁吸力是一個需要重點解決的技術(shù)問題。廣州數(shù)控研發(fā)的xJT系列永磁同步直線電機將電機動子、定子與機床直線導(dǎo)軌副結(jié)合起來設(shè)計,解決法向磁吸力引起的問題,利用動子與定子之間的法向磁吸力來實現(xiàn)兩個永磁同步直線電機法向磁吸力水平方向的分力抵消為零。
2.2抗干擾問題
由于永磁同步直線電機驅(qū)動系統(tǒng)沒有中間傳動環(huán)節(jié),容易受到很多因素的干擾,如工件質(zhì)量、切削力的變化能直接作用于電機。所以,應(yīng)用在高檔機床上的永磁同步直線電機需要控制器具有較強的抗干擾能力和穩(wěn)定性。目前,可以通過控制所需信號的其他部件遠(yuǎn)離直線電機磁場區(qū)域,減少干擾;另外,直線電機驅(qū)動的機床必須采用全閉環(huán)控制,從而確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性。
2.3發(fā)熱問題
永磁同步直線電機在工作狀態(tài)下線圈會發(fā)熱,將產(chǎn)生很大的熱量。由于電機通常安裝在數(shù)控機床內(nèi)部,永磁同步直線電機的繞組、鐵芯就位于機床導(dǎo)軌附近,空間較小,散熱困難,過高的熱量將使導(dǎo)軌產(chǎn)生熱變形,影響機床的工作精度。所以在直線電機驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用中,散熱問題處理也是至關(guān)重要的一個技術(shù)問題。目前常用的冷卻措施為水冷,在直線電機動子內(nèi)注入冷卻水,水流在動子線圈繞組旁的冷卻水套迂回流出,隨即帶走熱量。需要注意的是,具體的冷卻參數(shù)需根據(jù)實際應(yīng)用過程中的電機參數(shù)及其要求而定。
3永磁同步直線電機的具體應(yīng)用案例
下面以精度要求較高的高速外圓磨床為例,對永磁同步直線電機的實際應(yīng)用狀況做詳細(xì)論述。該高速外圓磨床采用的是廣州數(shù)控新研發(fā)生產(chǎn)的xJT系列永磁同步直線電機,這種電機的最大特點就是在運轉(zhuǎn)過程中的全數(shù)字化,x軸采用直線電機與光柵尺閉環(huán)控制,具有非常強大的過載能力和速度調(diào)節(jié)能力,且該控制方式具有極高的定位精度,同時避免了傳統(tǒng)驅(qū)動方式產(chǎn)生的磨損問題。對于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩能夠做到很好的解耦獨立控制,幫助客戶更容易地控制尺寸,降低用戶后續(xù)使用成本。其安裝尺寸精度控制:初級線圈與次級磁板的尺寸間隙為1.3,初級線圈與次級磁板安裝的平面度為0.1,初級線圈與次級磁板安裝面的平行度為0.1,初級線圈與次級磁板中心線平行度為0.2。
xJT系列永磁同步直線電機也滿足了高速外圓磨床的高速磨削要求,保證了其在超負(fù)荷運轉(zhuǎn)的狀態(tài)下也能夠維持機器運作的平穩(wěn)。100xJT系列具體參數(shù)說明如表1所示,對應(yīng)的推力一速度特性圖如圖1所示。
從表1中的具體參數(shù)要求和圖1中的推力一速度特性我們可以看出,xJT系列永磁同步直線電機的應(yīng)用,能夠全面滿足外圓磨床的相關(guān)要求,同時還能確保設(shè)備的整體工作效率、工作穩(wěn)定性和控制精度的全面提升。
4結(jié)語
永磁同步直線電機在高檔數(shù)控機床上的應(yīng)用已呈加速增長態(tài)勢,其進給驅(qū)動方案在性能的許多方面都要優(yōu)于步進電機驅(qū)動方案,然而直線電機直接驅(qū)動系統(tǒng)在高檔數(shù)控機床上的應(yīng)用存在一些技術(shù)問題,需要逐漸完善電機使用及維護等其他配套技術(shù),提高電機的運轉(zhuǎn)能力。
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