直线电机在电加工机床上的应用和传统丝杠驱动式机床相比更具优越性

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直线电机在电加工机床上的应用和传统丝杠驱动式机床相比更具优越性

On 五月 10, 2013, Posted by , in 技术创新, With No Comments

沙迪克公司在直线电机这一领域的研究是在90年代中期,当时已经有一些著名的机械制造商推出了商品化的采用直线电机作为驱动装置的机械设备,主要是磨床和加工中心,并在一些国际著名的机械设备展览会上加以展示,而与此同时,电火花机床的发展却受到了越来越严重的挑战,大家知道,虽然SODICK公司主要从事电加工设备的开发和制造,并在国际制造业的这一生产领域里享有盛名,先进的技术和超凡的性能使其产品在市场上占有相当大的份额

沙迪克公司在直线电机这一领域的研究是在90年代中期,当时已经有一些著名的机械制造商推出了商品化的采用直线电机作为驱动装置的机械设备,主要是磨床和加工中心,并在一些国际著名的机械设备展览会上加以展示,而与此同时,电火花机床的发展却受到了越来越严重的挑战,大家知道,虽然SODICK公司主要从事电加工设备的开发和制造,并在国际制造业的这一生产领域里享有盛名,先进的技术和超凡的性能使其产品在市场上占有相当大的份额,但是,从80年代后期开始,随着其他加工手段的出现和快速发展特别是高速切削技术的显著进步和迅速普及,以其加工效益高,周期短,深受模具制造业的青睐,致使一些原本应由电火花加工的业务转向高速切削加工领域;而电火花加工一方面由于受电蚀产物排泄困难导致某些形状的加工效益非常低下甚至无法加工;加工精度方面由于还存在某些客观原因还不够理想,这些难题一直困惑着电火花加工业务的拓展,找不到切实的解决方法,形成了功能上的局限性,与此同时传统的低价位的电火花机床的生产厂家纷纷抢滩,以绝对的价格优势抢占了部分市场分额,这些都对有实力的电火花设备的制造企业造成了一定的压力和威胁,而开发具有突破性进展的高技术由于受传统思维的束博似乎也到了寸步难行的地步。据此状况有人甚至提出将淘汰电火花机床,电加工业受到空前的挑战。

这些经历对于搞电加工的人来说都深有体会。沙迪克公司也不例外,90年代初的几年时间里,销售量也开始出现不同程度的滑坡,一个时期内在阵痛和反思中度过,曾经出现过萧条。在阵痛之后,经过深刻地反思,他们认识到与其说电加工设备制造业受到挑战不如说人的传统思维观念受到挑战,要重新振新电加工业必须冲破传统观念的束博,必须开拓思路,找出差距,认准突破方向,电火花不是没有发展前途而是怎样找出路子去适应新的市场机遇,只要突破传统功能上的局限性,电火花还是大有发展前途的,要向世人证明电火花不仅不能淘汰,而且有它存在的必要性。

事实也充分说明了这一点,电加工业在受到挑战的同时,发展机遇已经在悄悄的降临,表现在加工业务上,一方面,一些传统的加工件正在越来越多地被高速切削所取代,比如锻造模,部分注塑模的型芯、型腔等,另一方面,随着近年来IT产业的迅猛发展,与制作电子器件相关的模具也随着大量出现,此类模具的规格多,数量大,而且比起传统模具来精度要求更高,比如以精密节距的接插件为代表的微细形状的加工;IC电路的微孔精冲模具及其封装注射模,半导体芯片的大规模生产以及数码技术的发展使得高科技的微型家电产品开始向千家万户普及,而这类产品的外饰件的种类多,翻新速度快,精度要求高,特别是该类产品具有精致化,小巧化而又不失耐用坚固的特性,使得这类注塑产品必须具备相当的加强筋来起支撑加固作用,在整个模具加工过程中,加强筋沟槽的加工占据着举足轻重的地位,该类行腔的特点是薄而深,有时还兼作定位,因此精度要求也极高,客户对这类模具的加工提出了不仅要进行微细,超精密的加工,其加工精度普遍要求在微米级以内,而特殊的模具零件精度要求甚至只有1~2μm,不仅如此,而且还提出在制造过程中的高效、低成本的要求,而这些模具的制作要求目前无论对于高速切削还是其他机械方式来说都还似乎无能为力,因此这类模具的大量出现也对模具电加工制造业的发展提供了良好的机遇,如果电火花加工不进一步提高性能,不开发目前其他制造手段还不能涉及到的加工领域或者所能达到的加工精度的功能的话,那么就会真正地逐步失去优势,最终就有可能被取代的危险。因此努力提高电火花的加工性能,制造出集高精度、高效,节能性于一体的电加工设备成了当务之急,刻不容缓的课题。

以往的电火花机床,由于受传统的机械传动结构的束搏,在发展到一定的技术阶段后很难在加工性能上再有突破性的发展,直线电机技术在机械设备上应用使得参观世界设备展览的SODICK 公司决策者们从中受到启发,简直是矛塞顿开,他们设想如果把直线电机配置在电火化机床的主轴头上,利用它的高速运动效应,不就可以即有利于加工过程中电蚀物的排除,实现高速高效加工又取消滚珠丝杠等一系列有碍精度得以进一步提高的部件,实现更高精度驱动,更高精度的定位了吗?

大家知道,电火花成型机床的核心部位和技术是主轴头及其驱动部分,继电火花技术开创近半个世纪以来,每次技术性能的提高都离不开主轴驱动性能的改造,从最初的电磁震动式和电动悬浮式调节器开始,历经了一般交、直流电机+齿轮减速器+丝杠的驱动机构;电液压伺服驱动机构;大惯量电机+滚珠丝杠的所谓直拖结构以及至今仍然被很多制造公司所采用的交、直流伺服电机+滚珠丝杠的直拖结构,每一次驱动结构的变革或新型控制方法的应用,都使得电火花加工的性能跃上了一个新的台阶,而将直线电机作为驱动部件直接应用于电火花机床的主轴上,独创了直线电机和主轴头合二为一的结构更是将其性能发挥至登峰造极之地步,为直线电机在其它电加工设备上的全面应用,开辟了广阔的发展空间。这就是沙迪克直线电机电加工机床的推出,首先从电火花机床z轴开始的原因。

其次我们再来看看,直线电机到底有哪些特点,为什么说它的出现具有广阔的发展空间。

前面我们已经讲过,所谓直线电机,就是利用电磁作用的原理,将电能直接转换成直线运动动能的设备,它的特点在于直接产生直线运动,与间接产生直线运动的“旋转电机+滚动丝杠”结构相比具有体积小,以最少的单元实现直线驱动;没有机械接触,传动力是在动子和定子间的气隙中产生,除了导轨外没有其他的机械摩擦;直线电机运行的速度范围很广,最高运动速度每分钟可达百米,特别是它运行时所产生的加速度可以达到数倍于自由落体的加速度,且运行平稳;响应速度快,时间常数小于1ms;定位精度和重复定位精度高,因为取消了影响精度的中间环节,系统的精度取决于位置的检测元件,若配以合适的反馈装置,可以把定位精度控制在亚微米级,而且可以长期保持精度,这对于一般的旋转式电机加丝杠结构的装置来说是很难做到的。

传统的电火花机床,利用高精度的伺服电机通过精密丝杠传导系统,把电机的旋转运动转换成主轴的直线运动,虽然高性能的旋转式伺服电机已经可以响应高达0.1μm的驱动当量,但在传导过程中不可避免的受丝杠系统的间隙、丝杠在来回反复旋转时产生的扭曲弹性变形,以及作为细长物的丝杠受温度变化而沿长度方向上的变化较为突出的特点的影响,除此之外丝杠和螺母间还会产生摩擦,摩擦不仅产生热量,而且还会发生磨损,这种因局部热量引起的局部变形很难用软件来对其精度进行补偿,这些都会造成进给运动的滞后和其他许多非线性的误差,众多的中间环节也势必会加大系统的惯性质量,影响了对运动指令的快速响应,制约了加工精度的提高。

为了证明丝杠因摩擦生热后到底对精度有多少影响,有人做过这样的试验,令一台丝杠式传动的机床,使其工作台作150mm距离间的来回往复运动,一段时间后,用红外热像仪测量丝杠的温度分布状况,结果发现,作往复运动的那部分丝杠的温度明显升高,说明摩擦产生的热量不可小觑,而热量导致的明显结果既是丝杠的精度变差,从以下一组实验数据中可以看出,丝杠受热后其状况和长度方向变化的趋势。

我们令工作台在500mm距离间作来回往复运动,40分钟后经测量,发现丝杠沿长度方向竞伸长了40um,可见变形之大,而且,由于磨损,也不可能做到长期保持精度。去年,清华大学的有关研究机构曾经对直线电机与“旋转电动机+滚珠丝杠”的传动性能进行了专门的测试和评估,并在中国机械工程学会会刊《制造技术与机床》上发表了题为《机床进给系统用直线电机综述》的论文,较为详细地阐述了直线电机的原理和分类;直线电机的优缺点分析以及直线电机的发展与应用,在这里我想引用一下他们做的两类电机在一般情况下的性能比较表,给大家略作参考。

性能                  旋转电动机+滚珠丝杠         直线电动机

精度(μm/300mm)          10                       0.5
重复精度(μm)            2                        0.1
最高速度(m/min)          90~120                  60~200
最大加速度(g)            1.5                      2~10
静态刚度(N/μm)          90~180                  70~270
动态刚度(N/μm)          90~180                  160~210
平稳性(%速度)            10                       1
调整时间(ms)             100                      10~20
寿命(hours)              6000~10000              50000

从上述比较中我们可以粗略地看出,无论是精度指标还是运行速度和加速度方面的性能甚至从使用寿命上来考虑,直线电机的性能都远高于传统结构的性能,足以说明直线电机作为机床进给系统的魅力所在。另外从电火花加工的应用情况来看,由于传统结构的机床采用螺杆螺母传导机构,这种结构本身也是一种减速装置,主轴的进给和回退的速度缓慢,使得加工加强筋沟曹之类的行腔时排泄困难,加工状态变差,加工效益大大降低,甚至无法加工。而直线电机则不同,它运行的速度直接传递给主轴,中间没有任何环节,而且其产生的加速度可以达到数倍于重力加速度,进给和回退动作的转换瞬间就可以以极高的速度完成,从根本上解决了一直困扰于电火花加工的排泄难题,考虑到作为精密加工设备的驱动装置及实际应用所须的要求,在沙迪克电火花主轴上应用的直线电极的最高运行速度为36m/min,最大加速度为1.2g,这样的主轴运行特性对于电火花加工范畴来说是足够有余了。而且维护简单,由于部件少,运动时无机械接触,从而大大降低了零部件的磨损,平时只须做很少甚至无须维护,使用寿命更长。

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