Линейные приводы с двигателем

Линейные приводы с двигателем

Содержание

Ниже приведены схемы реализации линейного перемещения трех видов наиболее распространенных кинематических схем портального механизма, которые используются в современном станкостроении: шарико-винтовой пары (ШВП), реечной передачи (шестерня-рейка) и линейного двигателя (прямого привода).

Шарико-винтовая пара

Реечная передача

Линейный двигатель

Сравнение ШВП с прямым приводом

Конструкция ШВП предполагает большое количество механических сопряжений, что приводит к износу частей шарико-винтовой пары и как следствие потери точности обработки. В свою очередь, линейный двигатель состоит всего из двух частей, взаимодействие которых происходит исключительно на электромагнитном уровне. Механического контакта между частями нет, следовательно, нет механического износа самого линейного привода.

Однако кроме привода в координатной системе используются линейные направляющие и линейные подшипники, которые также являются механическими компонентами и подвержены износу. Они используются равно как в системах на линейном приводе, так и в системах на ШВП или зубчатой рейке. Таким образом, утверждение, что системам на линейном приводе не свойственен механический износ – маркетинговая уловка и лишь отчасти является правдой.

Следует отметить что, присутствует дополнительная сложность реализации систем ШВП для длинных ходов, что обусловлено дополнительными механическими напряжениями вследствие прогиба винта. Для таких систем требуется точный инженерный расчёт и использование высококачественных комплектующих. Поэтому производители, не обладающие достаточным инженерно-научным потенциалом, делают координатные системы ШВП с низкой надёжностью, либо избегают её использования.

Сравнение особенностей реечной передачи с прямым приводом

Реечная передача лишена таких недостатков ШВП, как прогиб и высокая инерционная нагрузка на двигатель, но требует ещё более высококачественного исполнения координатной системы: высокоточной установки направляющих, зубчатой рейки, редуктора и двигателя. При должном качестве изготовления станины и сборке, современная зубчатая передача на основе закалённой шестерни-рейки обеспечит длительную и стабильную работу станка.

Читайте также:  Конструкция дома из сип панелей

Однако погрешности в изготовлении станины или установке направляющих могут привести к появлению люфтов и быстрого механического износа привода. Поэтому, как и в случае с ШВП, производители, не обладающие опытом и технологиями высокоточного изготовления координатных систем, либо не могут обеспечить должной надёжности станка, либо избегают использования реечной передачи.

Рассмотрим процесс управления в каждом случае

В силу меньшего количества этапов преобразования электрической энергии в поступательное движение, линейный привод обладает лучшим КПД, нежели привод на ШВП или зубчатой рейке. Кроме этого, благодаря отсутствию механических сочленений линейный привод лишён механических люфтов.

Однако, поскольку привод является неединственной частью координатной системы, само по себе использование линейного привода не означает отсутствие люфтов в системе целиком. Координатная система опирается на линейные подшипники, которые движутся по линейным направляющим. И эти механические компоненты имеют собственные люфты.

Кроме этого, обратная связь (магнитная или оптическая линейка) линейного привода, имеют так называемый гистерезис, т.е. определенную зону нечувствительности при смене направления движения. Эффект на точность позиционирования координатной системы у этого явления точно такой же, как и у механического люфта.

Поэтому декларирование отсутствия люфтов в координатной системе на линейном приводе – это маркетинговая полуправда.

Сравнение характеристик различных типов приводов

Износ

Координатные системы на ШВП и зубчатая передача подвержены несколько большему износу, чем линейный привод, в силу взаимодействия большего числа механических компонентов. Тем не менее, поскольку координатная система ни в том, ни в другом случае не лишена механических компонентов полностью, линейные привод не гарантирует отсутствия износа.

Люфты

Механические люфты системы напрямую влияют на повторяемость позиционирования координатной системы. В силу большего количества механических сочленений координатные системы на ШВП и зубчатой рейке имеют несколько большую величину механического люфта. Однако, координатная система на линейном приводе также не лишена люфтов, появляющимися в линейных подшипниках.

Точность на длинных ходах

Точность на длинных ходах в случае координатной системы на линейном приводе определяется точностью системы обратной связи по положению (магнитной или оптической линейкой), а также точностью установки портала (прямого угла) и самой системы слежения. В случае координатных систем на основе ШВП или зубчатой рейки, точность определяется качеством изготовления станины и установки направляющих. В обоих случаях, чтобы компенсировать отклонения на больших ходах, требуется калибровка координатной системы при помощи лазерного интерферометра. После такой калибровки, точность системы на длинных ходах остаётся приблизительно одинаковой, независимо от типа используемого привода. При отсутствии надлежащего качества производства и инженерно-технических возможностей для калибровки координатной системы, использованием прямого (линейного) привода является более предпочтительным в силу своей простоты. Однако само по себе использование линейного привода не гарантирует потери точности перемещений на длинных ходах.

Динамика

Координатные системы на базе ШВП имеют не очень высокие динамические характеристики, в силу технологических особенностей (высокая масса ШВП и, как следствие, высокая инерционность нагрузки). Тем не менее, динамические характеристики могут быть подняты за счёт наращивания мощности двигателей.

Координатные системы на базе зубчатой рейки имеют высокие динамические характеристики, ограниченные инерционностью нагрузки и ротора двигателя.

Координатные системы на линейном приводе имеют высокие динамические характеристики, ограниченные инерционность нагрузки и двигателя.

Конкретные динамические характеристики координатной системы зависят от используемого типа привода и веса нагрузки (портала). Слабый линейный привод не обеспечит надлежащей динамики, и даже не сравнится с системой на зубчатой рейке и сервоприводе. В тоже время двигатель высокой мощности, установленный с ШВП, может обеспечить вполне достаточные динамические характеристики координатной системы.

Надёжность

В силу меньшего количества механических компонентов и сочленений система на линейном приводе обеспечивает несколько более высокий уровень надёжности. Однако, всегда следует помнить, что привод является не единственным компонентом станка лазерной резки, и следует оценивать общую надёжность системы в целом.

Точность контурных перемещений

Точность контурных перемещений мало зависит от типа привода и определяется в первую очередь механической жёсткостью конструкций координатной системы (в т.ч. портала), а также частотным ответом координатной системы (который, в свою очередь, зависит от конструктивных особенностей портала, крепления головки и других компонентов).

Точность контурных перемещений также связана с динамическими характеристиками координатной системы. Установив мощный привод можно добиться высокой динамики на холостых ходах (с отключенным инструментом), но для обеспечения точности, если конструкция станка недостаточно жёсткая, требуется значительное понижение значений ускорений и торможений.

Стоимость

При равных технических параметрах координатная система на линейном приводе дороже, чем координатная система на ШВП или зубчатой рейке. Это объясняется тем, что для прямого привода требуется длинная «магнитная дорога», вдоль которой и движется привод, собранная из мощных неодимовых магнитов. В то время как у обычного серводвигателя количество таких магнитов значительно меньше и они находятся на роторе, который поворачивается множество раз в пределах рабочего хода координаты.

Таблицу можно прокручивать влево/вправо

Координатная система на ШВП Координатная система на зубчатой рейке Линейный двигатель
Подвержена износу. Высокий износ при некачест­венном изготовлении. Подвержена износу. Высокий износ при некачест­венном изготовлении. Подвержена износу. Износ несколько меньше, чем у координатных систем других типов.
Наличие люфтов в тележках и приводе, влияющих на точность. Наличие люфтов в тележках и приводе, влияющих на точность. Наличие люфтов в тележках, влияющих на точность. Наличие гистерезиса в обратной связи, влияющего на точность. Повторяемость позициони­рования несколько выше, чем у КС других типов.
Снижение точности на длинных ходах. Снижение точности на длинных ходах. Высокая точность на любых ходах.
Средняя динамика. Высокая динамика перемещения (при использовании мощного привода). Высокая динамика перемещения (при использовании мощного привода).
Высокая надёжность при должном качестве изготовления. Высокая надёжность при должном качестве изготовления. Высокая надёжность.
Средняя стоимость. Средняя стоимость. Высокая стоимость.

Выводы

Линейный привод обладает рядом неоспоримых преимуществ, однако не является «панацеей от всех бед». Сам по себе линейный привод лишь незначительно увеличивает срок службы оборудования, повышает точность координатной системы и динамику перемещений. Достоинства линейного привода раскрываются только при условии его высокой мощности, продуманной конструкции координатной системы (с высокой жёсткостью и частотным ответом) и высокого качества изготовления станка, иными словами, при комплексном подходе к оборудованию.

При высоком качестве изготовления машины на базе традиционных приводов (ШВП и зубчатой рейке) лишь немногим будут уступать в надёжности станкам на прямом приводе (при условии, что все остальные комплектующие на станках сравниваемых типов обладают одинаковой надёжностью). Тем не менее, при недостаточных технологических и инженерных возможностях линейный привод – наиболее простой и эффективный выход для обеспечения приемлемого уровня надёжности координатной системы, что обуславливает его возрастающую популярность.

Продвижение координатных систем на базе линейного привода, как «вечных» — не более чем маркетинговая уловка для завлечения не особо сведущего в технических подробностях покупателя. Компания Unimach производит станки на всех трёх типах приводов: ШВП, зубчатой рейке и линейном (прямом) приводе, что позволяет всегда предложить наиболее эффективное решение с точки зрения цены, производительности и надёжности для каждой задачи.

Приводы подач всех современных металлообрабатывающих станков с ЧПУ, в том числе и электроэрозионных (ЭЭ) строятся по традиционной схеме. Так, в одном из типажей ЭЭ станков перемещения рабочего органа РО (каретки подач) осуществляется от двигателя постоянного тока через ременную передачу на ходовой винт. Через шариковую гайку (она скреплена с РО пружинами механизма защиты от соударений) вращение винта трансформируется в продольное перемещение РО.

Ременный привод станков

Более надежные и современные приводы выполнены без ременной передачи. В этих приводах высокомоментный двигатель переменного тока непосредственно соединен с ходовым винтом.

Непосредственный привод

Недостатки указанных видов приводов достаточно известны и очевидны:

  • большое количество промежуточных элементов от источника энергии до РО;
  • громадная инерционность этих элементов, особенно в крупногабаритных станках;
  • наличие зазоров в передающих устройствах;
  • >трение во множестве сопрягаемых деталей (резко изменяющееся при переходе системы из состояния покоя в состояние движения);
  • температурные и упругие деформации практически всех передающих звеньев;
  • износ сопрягаемых элементов в процессе эксплуатации и потеря исходной точности;
  • погрешности в шаге ходового винта и накопленная погрешность по длине.

Поскольку эти недостатки определяют основные качественные характеристики приводов (точность и равномерность хода РО, величину мертвого хода при реверсе, допустимые ускорения и скорости РО), конструкторская мысль станкостроителей давно пытается как-то уменьшить их влияние на работу приводов и оборудования в целом. Например, в соединении ходового винта с гайкой для уменьшения трения уже давно используют дорогое и сложное шариковинтовое соединение; для ликвидации зазоров в соединение винта с гайкой вводятся специальные устройства натяга соединения; ходовые винты особо точных станков изготавливают по классу эталонных; погрешности шага винтов пытаются скомпенсировать системами компенсаторов; в борьбе с температурными деформациями создаются изощрённые системы охлаждения и т.д. Проблемы, проблемы, проблемы. И уже давно ясно, что проблемы приводов с ходовыми винтами не решить никогда из-за их физико-технической сущности и построенного типа, как такового.

Архаичность рассмотренных приводов давно очевидна и передовая конструкторская мысль уже много лет работала над задачей кардинальной замены типовых приводов в металлообрабатывающем оборудовании на какие-то другие, более совершенные. Как говорят, гениальное — просто. И таким гениальным решением было использовать в качестве приводов подач станков линейные двигатели .

Электромагнитная система

Принцип линейного двигателя (ЛД) не нов и, в общем, известен даже школьнику, поскольку прототипом ЛД является простейшая электромагнитная система. Такая система состоит из металлического сердечника-магнита и статорной обмотки. При подаче тока определенной полярности в обмотку сердечник сместится в ту или иную сторону, причем практически мгновенно. Изменение полярности сигнала на обмотку приведет к обратному ходу сердечника. Как видим, от источника энергии к РО нет никаких промежуточных элементов, передача энергии осуществляется через воздушный зазор, ничего не надо вращать, сразу возможно осуществление главной задачи — продольного движения РО. Гениальность решения, естественно, сразу была оценена по достоинству. На рассмотренном принципе уже десятилетия работают все элементы электроавтоматики, системы электротормозов, системы защиты, специальное оборудование ударного типа и т.д. Громадный опыт использования электромагнитных систем четко выявил их потрясающие достоинства: удивительная простота конструкции и применения, почти мгновенная остановка, мгновенный реверс, сверх быстрота срабатывания, большие усилия, простота настройки. Но не было только одного — возможности регулировать скорость РО в электромагнитной системе и обеспечивать тем самым регулируемое поступательное движение РО (сердечника). А без этой возможности применить электромагнитный привод (несмотря на его гениальность), как движитель в оборудовании, было невозможно.

Линейный электродвигатель

Потребовались многие годы работы ученых и конструкторов в разных странах, прежде чем был достигнут успех. Особенно интенсивно велись работы в Японии, где электромагнитный привод (уже как линейный привод) был впервые успешно использован как движитель для сверхскоростных поездов. Там же были попытки создания линейных приводов для металлообрабатывающих станков, но они имели существенные недостатки: создавали сильные магнитные поля, грелись, а главное не обеспечивали равномерности в движении РО. Лишь на пороге нового тысячелетия начался серийный выпуск станков (пока в основном электроискровых (электроэрозионных)) с принципиально новыми линейными двигателями, в которых решены все проблемы по обеспечению равномерным движением РО станков со сверхвысокой точностью, с большим диапазоном регулирования скорости, с громадными ускорениями, мгновенным реверсом, с простотой обслуживания и наладки и др.

В принципе, конструкция ЛД изменилась не сильно. Собственно двигатель состоит всего из 2 (!) элементов: электромагнитного статора и плоского ротора, между которыми лишь воздушный зазор. Третий обязательный элемент – оптическая или другая измерительная линейка с высокой дискретностью (0,1 мкм). Без нее система управления станка не может определить текущие координаты. И статор, и ротор выполнены в виде плоских, легко снимаемых блоков: статор крепится к станине или колонне станка, ротор — к рабочему органу (РО). Ротор элементарно прост: он состоит из ряда прямоугольных сильных (редкоземельных) постоянных магнитов. Закреплены магниты на тонкой плите из специальной высокопрочной керамики, коэффициент температурного расширения которой в два раза меньше чем у гранита. Использование керамики совместно с эффективной системой охлаждения решило многие проблемы линейных приводов, связанные с температурными факторами, с наличием сильных магнитных полей, с жесткостью конструкции и т.п.

Точная и равномерная подача РО во всем диапазоне скоростей и нагрузок обеспечивается двумя техническими решениями:

  • крепление постоянных магнитов под определенным фиксированным углом, который был открыт в ходе длительных экспериментов;
  • реализация высокоэффективной 6-ти фазной импульсной системы управления (система SMC).

Компания "СОДИК" организовала на своих заводах серийный выпуск широкой гаммы ЛД с характеристиками: с ходом подач от 100 до 2220 мм, с максимальной скоростью перемещения РО до 180 м/мин с ускорениями до 20G (. ) при точности исполнения заданных перемещений (в нормальном режиме работ) равной 0,0001мм (0,1 мкм). Нагрев этих ЛД при работе не превышает + 2° С от температуры помещения. Обеспечивается практически мгновенная остановка РО, реверс, моментальная реакция привода на команды системы ЧПУ и т.д. На один и тот же рабочий орган монтируется (например, для увеличения мощности) несколько линейных двигателей. Так, в частности, устроен привод оси Z всех ЭЭ прошивочных станков "СОДИК".

Как указывалось, и статор, и ротор ЛД предельно просты. Статор исполнен в виде прямоугольного блока и крепится несколькими болтами к несущей конструкции станка. В приводе оси Z — два статора. Они размещены по обе стороны вертикального ползуна. К каждому статору крепятся два патрубка системы охлаждения статора и кабели подвода энергии и управления. Пластина ротора жестко крепится болтами к подвижной каретке (РО ). Так как в приводе оси Z два ЛД, то на каретке крепятся, соответственно, два ротора , каждый напротив своего статора. Система специальных направляющих и пневмопротивовес обеспечивают исключительную легкость хода каретки, практически без усилий. Приводы по осям X, Y прошивочных станков и в приводах X, Y, U, V проволочно-вырезных станков проще — в них всего по одному ЛД.

Особенно следует отметить простоту обслуживания ЛД, простоту периодической чистки (при необходимости), профилактики и ремонта. Так, чтобы заменить ротор ЛД, достаточно открутить несколько болтов, крепящих ротор к РО. Для замены статора помимо болтов нужно лишь снять две трубки системы охлаждения статора и отсоединить кабель. Сравните эти действия, например, с комплексом работ по снятию шаровой гайки или замене подшипника ходового винта.

Эффективность применения новых приводов сразу же нашло убедительное подтверждение. Новая серия ЭЭ станков с ЛД имеет резко повышенные технико-технологические и эксплуатационные характеристики по сравнению с аналогичными станками, имеющими традиционные приводы. Так, производительность ЭЭ прошивных станков с ЛД выше, чем у станков с обычными приводами как минимум в 2 раза, а ЭЭ проволочно-вырезных – на 50%. Повысилась точность станков, расширились диапазоны параметров обрабатываемых деталей и т.д. Для объяснения этого необходимо рассматривать определенные тонкости ЭЭ технологий и работы ЭЭ оборудования, а это уже тема другая.

Нижеследующая таблица позволяет зрительно сопоставить рассматриваемые привода.

ООО «Гидравлические Комплексные Системы» — инжиниринговая компания, которая является частью промышленной группы Servomech – мирового лидера в производстве:

  • Линейных электромеханических приводов с трапецеидальным винтом (acme linear actuators);
  • Линейных электромеханических приводов с шариковой винтовой парой (boll screw linear actuators);
  • Винтовых домкратов (screw jacks);
  • Линейных сервосистем, включающих в себя сервоэлектроактуаторы, сервомоторы и электрический блок управления;
  • Электродвигателей со встроенным редуктором.

Промышленная группа Servomech занимается разработкой и производством всей линейки продукции с 1989 года на собственных производственных площадках.

Проектирование осуществляется в 2-х и 3-х мерных системах автоматизированного проектирования. Поскольку производственный процесс осуществляется внутри компании, это позволяет проводить испытания всех механических деталей в процессе изготовления и обеспечивает высокую степень гибкости производства в изготовлении изделий по индивидуальным заказам клиентов.
Миссия Servomech и Гидравлических Комплексных Систем сосредоточить основное внимание на эффективности.

Основные принципы осуществления нашей миссии:

  • «эффективность» продукции. Наша высококачественная продукция промышленного назначения обеспечивает более высокие рабочие характеристики оборудования и энергосбережение.
  • «эффективность» работы компании. Компактная и гибкая организация производства и управления компанией позволяет решить задачи:
  • Сокращение отходов и издержек
  • Все большего повышения удобства продукции компании для применения в составе техники клиентов.
  • «эффективность» взаимодействия и отношений с клиентами. Концентрация внимания на взаимодействии с клиентами для лучшего понимания их оборудования предполагает техническую поддержку высокого уровня, чтобы обеспечить надежность, конкурентоспособность и долговечность линейных исполнительных механизмов.
  • Не существует стандартных решений

    При каждом применении линейных исполнительных механизмов предъявляются специфические требования. Успешность их применения зависит от правильности оценки этих требований и выбора наиболее подходящих линейных компонентов. Сделать выбор не всегда просто: иногда рекомендации и технические навыки специально обученных инженеров могут помочь вам преодолеть ваши трудности.
    Мы можем быть вашим партнером.

    Мы берем на себя обязательства принимать участие в разработке вашего технического решения по применению линейных исполнительных механизмов, делимся с вами ноу-хау опытной команды инженеров, обладающих многолетним опытом работы в области линейного перемещения.

    Наша работа опирается на самые современные технологии в области промышленного дизайна.
    Программа, генерирующая 3-х мерные модели, выложена на нашем сайте www.Servomech.com ; это высокотехнологичное программное обеспечение позволяет подбирать нашу продукцию и скачивать чертежи и 3-х мерные модели.

    Мы изготавливаем высококачественную продукцию.

    Мы верим, что качество нашей продукции – это результат работы, тщательно выполняемой нашим персоналом и нашими партнерами на каждом этапе производственного процесса, а именно:

    • При проектировании;
    • При подборке надежных поставщиков высококачественного сырья;
    • В процессе изготовления продукции, который осуществляется полностью на наших производственных мощностях;
    • При комплексном контроле качества, направленном на контроль всего процесса производства;
    • При тщательном складировании деталей, прошедших машинную обработку;
    • При сборке продукции в нашем цеху силами нашего специально обученного персонала;
    • При проверке готовых изделий;
    • При тщательной упаковке и отгрузки товара.

    Видение Servomech и Гидравлических Комплексных Систем: «Развитие новых идей в области линейных исполнительных механизмов».

    Каждое изделие поставляется с сертификатом окончательной проверки и с закрепленным на изделии шильдике, в котором указан его уникальный серийный номер, который позволяет подобрать деталь на замену спустя много лет.

    Вся продукция может быть изготовлена для эксплуатации при температуре до -60 °С

    Гарантия на продукцию:

    • Стандартный гарантийный срок – 12 месяцев
    • До 3-х лет по специальному соглашению
    Оценить статью
    Добавить комментарий