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直线电机在数控机床中的应用及发展趋势
发布日期:2008-12-21

目前,世界上最知名的机床厂家几乎无一例外地都推出了直线电机驱动的机床产品,品种覆盖了绝大多数机床类型。此外,在压力机、坐标测量机、水切割机、等离子切割机、快速原型机及半导体设备的X-Y工作台上直线电机都有应用。


此外,浙江大学直线电机与现代驱动研究所开发了直线电机驱动的压力机、锯床、雕刻机、线切割机床。


北京机电院高技术股份有限公司承担的“十五”攻关项目《直线电机驱动的高速立式加工中心》,于2003年研制成功国内台直线电机驱动的加工中心,并在2003年北京国际机床展览会展出。该机床X/Y轴采用直线电机驱动,行程分别为1250/630mm,快移速度80/120m/min,加速度O.8/1.5g。机床在设计中对减轻运动部件质量、加强机床刚性、解决高速高加速运动下的抗冲击性、直线电机的防护,以及控制系统、伺服系统与直线电机的匹配和优化调试等方面做了有益的探索并取得了成功。为解决处于工作台下方的Y轴直线电机的防护问题,设计了密封的直线驱动轴部件,并获得了国家专利。经测定,该机床精度达到精密级加工中心标准,并有充分裕量。一年多来该机床工作稳定可靠。课题组还对直线电机初级线圈与次级磁铁(定子)的温升进行了试验。以X轴为例:X轴运动部件质量>1000kg,加速度设定为O.8g,快移速度设定为70m/min,连续往复运动1小时以上。试验结果:10分钟后初级线圈(水冷)温升趋于平衡,工作温度稳定在69℃左右,远远低于允许工作温度(12℃)。电机次级磁铁温升约2℃。可见直线电机初级线圈与次级磁铁(定子)的温升对机床的热影响有限,可通过补偿消除。


发展趋势


1) 技术日益成熟


直线电机及其驱动控制系统在技术上已日趋成熟,已具有传统传动装置无法比拟的优越性能。过去人们所担心的直线电机推力小、体积大、温升高、可靠性差、不安全、难安装、难防护等问题,随着电机制造技术的改进,已不再是大问题。而驱动与控制技术的发展又为其性能拓展和安全性提供了保证。选择合适的直线电机及驱动控制系统,配以合理的机床设计,完全可以生产出高性能、高可靠性的机床。现在直线电机驱动进给速度100m/min,加速度1~2g的机床已很普遍,已有机床达到快进240m/min,加速度5g的指标(日本AMADA激光切割机)。日本Mazak公司宣称,该公司将在近期推出快移速度500m/min,加速度6g,主轴速度80000r/min切削速度8马赫的超音速加工中心。高速度高加速度的传动已在加工中心、数控铣床、车床、磨床、复合加工机床、激光加工机床及重型机床上得到广泛应用,这类机床在航空、汽车、模具、能源、通用机械等领域发挥着特殊的作用。在电加工机床上采用直线电机驱动可实现0.1(1)m的精密平稳移动。在微细加工及精密磨削中,可实现10um进给分辨率及20m/min的快移速度,加工表面粗糙度1nm。在重型机床上采用直线电机驱数吨重的运动部件已不成问题。同步双驱动控制技术已成熟应用。这些都说明直线电机及其驱动控制技术在机床上的应用已经成熟,并在不断向前发展,会给人们带来更多的惊喜。此外,在国际上已有不同类型、不同规格的直线电机商品可提供,配套的驱动控制系统、检测装置及高速导轨、高速防护也都有相应产品供货。


2) 成本不断下降,性能价格比更好


近年来,直线电机系统成本不断下降,在机床成本中的比重明显下降。DMG公司的DMC64V linear加工中心 (X轴采用直线电机驱动),国内报价仅61.4万元人民币。但目前采用直线电机驱动仍比传统的传动装置价格要高。因此,直线电机的应用应着眼于高性能机床,特别是精密高速加工机床、特种加工机床、大型机床,解决传统传动方法不能解决的问题。另外,提高加工精度和加工效率也会提升机床的价值。例如,美国Gincin-nati公司的HYPCR MACH高速加工中心,X轴长达46m,采用直线电机驱动后,加工大型薄壁飞机零件,用传统方法加工一件要8小时,而用该机床只需30分钟。DMG公司介绍其采用直线电机驱动的DMC、CTX、GMC、GMX系列产品生产效率可提高百分之20。据意大利JOBS公司介绍,该公司生产的LinX系列产品保证了龙门加工中心在长距离移动上的超高性能[4],减少轴转换操作的无效时间,其德国用户采用LinX龙门加工中心(三轴均为直线电机驱动)加工模具,由于无效时间大为缩短等因素,加工效率比未采用直线电机的同类机床效率提高40百分点,而且由于传动部件无磨损,使用更可靠,运行费用更低。JOBS在生产LinX产品时采用直线电机的成本只增加百分之几,但由于性能提高,售价可增加百分之15~百分之20,机床利润率明显增加。


3) 产业化趋势明显


直线电机在机床上的应用已不是样品,不是个例。近几年已在几十家企业的几十类产品上推广应用。据有关资料介绍,1997年直线电机驱动的机床销售量已达300台。2001年,德国DMG公司已在28种机型上采用直线电机,年产量达1500台(约3000多根直线电机驱动轴),占其总产量的1/3。意大利JOBS公司自1999年开发出LinX直线电机驱动的龙门加工中心后,2003年该公司LinX系列产品已占全公司总产量的百分之60(年产50台大型龙门加工中心和龙门铣床),并成为公司的主要利润来源。有专家预测,2005年直线电机驱动的机床将达到3000台,到2010年世界上将有百分之20的数控机床采用直线电机进给驱动,而这些机床都是机床,因此其产业化前景是不言而喻的。

 

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