CN201329516Y - 直线电机驱动的高速进给单元 - Google Patents

Abstract

一种直线电机驱动的高速进给单元，适用于高速精密数控机床。导轨装在床身上，嵌入工作台的轨道内，电动机的初级安装在工作台的下部，次级安装于床身与导轨之间；测量反馈系统分别与直线电动机、工作台相连，系统外装有防护罩，初级、次级分别通过冷却板反装在工作台的内顶面和床身上。本实用新型的直线电动机通电后，在定件与动件之间产生强大的行波磁场，依靠磁力，推动机床工作台做快速直线运动。以直线伺服电动机直接驱动工作台的“零传动”方式取消了一切中间传动环节，无旋转运动，不受离心力的作用，具有电磁推力强度高、损耗低、电气时间常数小、响应快等特点，可有效提高系统的速度、加速度以及加工精度和可靠性。

Description

直线电机驱动的高速进给单元

技术领域

本实用新型涉及机床设备领域内，特别是高速精密数控机床所使用的直线电机驱动的高速进给单元。

背景技术

高速机床同时必须是精密数控机床，高速机床在提高主轴转速的同时，必须使轴向进给速度和加速度相应地大幅度提高，以便保持刀具每齿进给量不变，使加工得以正常进行。传统的“伺服电动机+滚珠丝杆”进给传动方式最大进给速度为40m/min，最大直线加速度为0.5m/s²，而一些高精密滚珠丝杠的最大速度已达60m/min，最大加速度达1.0m/s²，但这种传动方式存在传动误差、摩擦磨损、惯量大、弹性变形引起爬行、反向死区等问题，在运动速度要求较高的场合，要达到更高的性能已非常困难，同时由于其本身的惯性影响和结构限制，目前最大进给速度也只有60m/min左右，而且此时动态性能差，丝杆严重发热，严重影响了加工精度，高速加工的优越性无法得以发挥。

发明内容

为克服现有技术的不足，本实用新型的发明目的在于提供一种直线电机驱动的高速进给单元，以直线电机直接驱动工作台，克服了传统驱动方式的缺点，以实现提高系统的速度、加速度以及加工精度和可靠性的目的。

本实用新型的技术方案在于：导轨装在床身上，嵌入工作台的轨道内，工作台可在导轨上移动，其特征在于：直线电动机的初级安装在工作台的下部，构成直线电动机的动件，次级由硅钢片叠装而成，安装于床身与导轨之间，构成直线电动机的定件；测量反馈系统分别与直线电动机、工作台相连，检测装置采用高精度光栅尺、磁效应检测装置，既可为直线电动机控制动子磁极位置提供信息，又可以对机床运动部件的实际位移进行精确检测，以实现对机床运动的全封闭反馈控制。

本实用新型所说的直线电动机为直线永磁同步伺服电动机，为一个或一个以上个；其初级与次级之间的电磁吸力与重力方向相同，为水平布局，或初级与次级之间的电磁吸力与重力方向垂直，为垂直布局；初级、次级分别通过冷却板反装在工作台的内顶面和床身上。

本实用新型的直线电动机、导轨和床身外装有防护罩。

进给单元的直线电动机通电后，在定件与动件之间产生强大的行波磁场，依靠磁力，推动机床工作台做快速直线运动。以直线伺服电动机直接驱动工作台的“零传动”方式取消了一切中间传动环节，无旋转运动，不受离心力的作用，可有效提高系统的速度、加速度以及加工精度和可靠性。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

1、直线电动机为直线永磁同步伺服电动机，因采用高能永磁铁，具有电磁推力强度高、损耗低、电气时间常数小、响应快等特点，并可以完全继承旋转永磁同步电机的各种控制方法；

2、采用以直线伺服电动机直接驱动工作台的“零传动”方式，可显著提高机床的速度、加速度以及加工精度和可靠性，使最大进给速度达到120m/min，定位精度4um，重复定位精度2um；

3、与滚珠丝杠传动方式相比较，直线电动机驱动方式具有进给速度高、加速度大、启动推力大、刚度和定位精度高、行程长度不受限制等优点。

附图说明

附图是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

如附图所示，本实用新型主要由工作台1、防护罩2、床身4、辅助导轨5及8、冷却板6及13、直线电动机的次级7、初级12、导轨3及11、测量反馈系统9、光栅尺10组成。导轨3及11装在床身4上，嵌入工作台1的轨道内，工作台1可在导轨3及11上移动；导轨3及11的一侧、工作台1的轨道内安装有辅助导轨5及8，当工作台滑动时，可起到辅助定位作用。由于直线进给单元运动速度高，机床工作时导轨将承受很大的动载荷和静载荷，并受到多方面的颠覆力矩，导轨的摩擦系数还会影响进给系统的加速度和进给单元的发热等，因而必须选用高精度、高刚度、承载能力强的导轨。本实用新型的导轨3、11、5及8采用“四方等载荷型”高速滚动导轨，其摩擦系数仅为0.01，而且动、静摩擦系数相差更小，采用这种高速精密滚动导轨来引导直线电动机工作台的运动既可避免发热，又可防止爬行。

电动机的初级12安装在机床工作台1的下部，构成直线电动机的动件；次级7由硅钢片叠装而成，构成直线电动机的定件，定件安装于床身4上、导轨3及11之间。在设计或选用直线电动机时应满足以下三个要求：Vmax≥VRmax、Fmax≥FRmax、Fmin≥Feff。式中：Vmax——直线电动机的最大速度，VRmax——给系统要求达到的最大速度，Fmax——直线电动机的最大推力，FRmax——给系统要求达到的最大推力，Fmin——直线电动机在所要求的速度范围内的最小推力，Feff——进给系统所要求的平均有效推力。一般可按照典型工作情况下的时间速度曲线来计算每个时间段电动机要求的最大推力Fmax，并由此算出一个加工周期的进给系统所要求的平均有效推力Feff。再按照直线电动机产品的标准参数系列，来选择满足设计要求的直线电动机。

根据直线电动机安装方式的不同，进给单元结构可分为水平布局和垂直布局两种基本方式。本实用新型为单电动机驱动、水平布局方式，它具有结构简单、安装维护方便和机床工作台高度较低等优点。但由于初级12与次级7之间的电磁吸力与重力方向相同，若工作台刚度不足，将会使初级与次级间的间隙减小，影响直线电动机的正常工作，因而这种布局适于中等载荷以下使用。水平布局又可分为单电动机驱动与双电动机驱动两种方式。单电动机驱动布局结构简单、工作台两导轨间跨距较小、测量装置安装与维修方便，适于推力要求不大的场合。双电动机驱动布局的合成推力大，但两导轨间的跨距较大、工作台受电磁吸力变形较大，对工作台的刚度要求较高，安装也比较困难，测量与控制复杂，只适于特殊场合使用。为了抵消直线电动机吸力对工作台刚度的影响，可采用双电动机垂直布局的方式。这种布局具有推力大、工作台垂直变形小、工作载荷对电动机初级与次级间的间隙影响小、运动精度高等优点，适于载荷较大的高速运动场合。按安装方式不同，又可分为外垂直安装和内垂直安装两种方式。外垂直安装可保证机床的导轨跨距较小，电磁吸力产生的弯距与重力引起的弯距方向相反，可抵消工作台的部分弯曲变形，对初级和次级间的间隙影响也较小：但电动机安装高度较高，工作台两端的悬伸较大，所占空间也较大，工作台结构比较复杂。内置安装方式可使两电动机电磁力吸力方向相反，消除了电磁引力对工作台弯曲变形的影响，保证在进给调速过程中初、次级的间隙量变化最小：但两导轨间的跨距较大，安装维护困难，适于大推力、高精度的应用场合。

直线电动机的磁场是敞开的，因而采用直线电动机驱动的进给系统对环境的要求比较严格。尤其是使用永磁式直线电动机时，在机床床身上要安装一排磁力强大的永久磁铁，因此必须采取隔磁措施，否则电动机将会吸住加工中的切屑、金属工具和工件等。若这些微粒被吸入直线电动机的定子与动子间的气隙中，电动机将不能正常工作。本实用新型的直线电动机、导轨3及11、辅助导轨5及8和床身4用三维折叠式风琴耐热防护罩2加以保护，以确保电动机运行的安全。

直线电动机安装在工作台和导轨之间，处于机床腹部，散热困难，又加之低速运行时效率低，发热量大，必须采取强有力的冷却措施，把电动机工作时产生的热量迅速散出，否则将会直接影响机床的工作精度，降低直线电动机的推力。本实用新型采用冷却板的形式带走电动机的热量。直线电动机的初级12通过一块冷却板13反装在工作台1内顶面，次级7也通过一块冷却6板安装在床身上。工作时，冷却板中通以一定压力和流量的冷却水，用以吸收和带走电动机线圈中产生的热量。冷却水的压力和流量由电动机初级和次级的热损耗来确定。

直线电动机的工作台1是高速进给单元的运动部件，要提高进给单元的加速度就必须减轻工作台的质量。为此工作台可选用高强度的轻质材料，如铝钛合金、纤维增强塑料等。同时还可采用有限元分析和最优化设计的方法，以获得所要求的动、静刚度条件下最轻的质量。本实用新型的工作台1选用HT250铸铁，并用有限元法对工作台的筋板结构和整体刚度进行校验和优化设计。通过以上措施，工作台1的质量比常规铸铁工作台减轻了30％～40％。

本实用新型的测量反馈系统9分别与直线电动机初级12与次级7、工作台1相连，检测装置采用高精度光栅尺10、磁效应检测装置，既可以为直线电动机控制动子磁极位置提供信息，又可以对机床运动部件的实际位移进行精确检测，以实现对机床运动的全封闭反馈控制。直线电动机和工作台之间没有任何中间传动环节，因而这种进给系统只能采用全闭环控制。此时工作台负荷的变化、直线电动机“端部效应”及其在运动中的变化，对伺服系统来说都是一个外界干扰。这些干扰没有任何缓冲环节，就直接作用到直线伺服电动机上。如果调节不好，就可能会降低系统的性能指标甚至造成振荡。因此，要求其位置与速度检测装置具有很高的分辨率和动态响应能力，系统要有鲁棒性很强的控制器，以消除内部参数摄动和外界干扰的影响。本实用新型采用全双闭环控制，内环为速度环，外环为位置环，选择高精度光栅作为反馈环节的位置测量系统，并通过误差补偿和调整控制参数等方法，较好地解决了上述问题。

Claims (6)

1、一种直线电机驱动的高速进给单元，导轨(3)及(11)装在床身(4)上，嵌入工作台(1)的轨道内，工作台(1)可在导轨(3)及(11)上移动，其特征在于：直线电动机的初级(12)安装在工作台(1)的下部，构成直线电动机的动件，次级(7)由硅钢片叠装而成，安装于床身(4)与导轨(3)及(11)之间，构成直线电动机的定件；测量反馈系统(9)分别与直线电动机的次级(7)、初级(12)及工作台(1)相连，既可为直线电动机控制动子磁极位置提供信息，又可以对机床运动部件的实际位移进行精确检测，以实现对机床运动的全封闭反馈控制。

2、根据权利要求1所述的直线电机驱动的高速进给单元，其特征在于：所说的直线电动机为直线永磁同步伺服电动机，为一个或一个以上。

3、根据权利要求1或2所述的直线电机驱动的高速进给单元，其特征在于：所说的直线电动机的初级(12)与次级(7)之间的电磁吸力与重力方向相同，为水平布局，或初级(12)与次级(7)之间的电磁吸力与重力方向垂直，为垂直布局。

4、根据权利要求1所述的直线电机驱动的高速进给单元，其特征在于：导轨(3)及(11)的一侧、工作台(1)的轨道内安装有辅助导轨(5)及(8)。

5、根据权利要求1或4所述的直线电机驱动的高速进给单元，其特征在于：直线电动机、导轨(3)及(11)、辅助导轨(5)及(8)和床身(4)外装有防护罩(2)。

6、根据权利要求1所述的直线电机驱动的高速进给单元，其特征在于：直线电动机的初级(12)通过冷却板(13)反装在工作台(1)的内顶面，次级(7)通过冷却板(6)安装在床身上。