Линейные приводы для станков

Линейный привод

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.

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.

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

ШВП и реечная передача содержат большое количество элементов, способных со временем подвергаться износу: вал, шкив, винт, шарики, гайку и т.п. Линейный двигатель в свою очередь содержит только ротор и статор, разделенные воздушны зазором. Между источником энергии и рабочим органом не располагается никаких промежуточных элементов, а передача энергии осуществляется через воздушный зазор. Благодаря отсутствию механических сочленений линейный привод лишен механических люфтов.

В силу меньшего количества этапов преобразования электрической энергии в поступательное движение, линейный привод обладает лучшим КПД, нежели привод на ШВП или зубчатой рейке.

Сравнение характеристик различных типов приводов

Износ

В отличие зубчатой передачи и координатных систем на ШВП, линейный привод не содержит механических компонентов, поэтому обладает высокой степенью надежности и не подвержен износу.

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 большую величину механического люфта, тогда как координатные системы на линейном приводе лишены механических люфтов.

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. При отсутствии надлежащего качества производства и инженерно-технических возможностей для калибровки координатной системы, использованием прямого (линейного) привода является более предпочтительным в силу своей простоты.

Динамика

Координатные системы на базе ШВП и зубчатой рейки значительно уступают линейному приводу в том, что касается динамических характеристик. Основной причиной этому являются их конструктивные и технологические особенности (большое количество промежуточных элементов, зазоры, резко меняющееся трение во множестве сопрягаемых деталей, погрешности в шаге винта и многое другое). Все это со временем сказывается на динамических характеристиках станка.

В свою очередь, в системах с линейным приводом решены вопросы обеспечения требуемых динамических характеристик как при управлении траекторией движения, так и при обеспечении должной точности позиционирования.

Надёжность

В силу меньшего количества механических компонентов и сочленений система на линейном приводе обеспечивает наиболее 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 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

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.	Отсутствие изнашиваемых компонентов.
Наличие люфтов в тележках и приводе, влияющих на точность.	Наличие люфтов в тележках и приводе, влияющих на точность.	Отсутствие механических люфтов.
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, по сравнению с ШВП или реечной передачей. Сам по себе линейный привод увеличивает срок службы оборудования, повышает точность координатной системы и динамику перемещений.

При этом нельзя утверждать, что использование ШВП и зубчатой рейки больше не актуально в современном станкостроении. При должном качестве изготовления, данные схемы перемещения хорошо характеризуют себя в технике начального уровня — маломощных станках, для которых не предъявляется высоких требований к скорости и количеству выпускаемой продукции. Тем не менее, для станков более высокого уровня — линейный привод по-прежнему остается наиболее эффективным решением, обеспечивающим высокую динамику и прецизионную точность позиционирования.

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.

Согласие на обработку персональных данных

Пользователь, посещающий Сайт unimach.ru (далее – «Сайт»), вправе принять настоящее Согласие на обработку персональных данных (далее — Согласие). А акцептом оферты является проставление Пользователем «галочки» и нажатие кнопки «Дать согласие на обработку персональных данных» в размещенной для этой цели веб-форме раздела Сайта, касающегося предоставления персональных данных в формах обратной связи. Пользователь дает свое согласие ООО «НПК Морсвязьавтоматика» (далее – ООО «НПК МСА», «Оператор»), которому принадлежит Сайт, расположенное по адресу: 192174, г. Санкт-Петербург, ул. Кибальчича, д.26, лит. Е, на обработку своих персональных данных со следующими условиями:

Данное Согласие дается на обработку персональных данных как без, так и с использованием средств автоматизации.

Согласие на обработку персональных данных Пользователя дается с целью использования ООО «НПК МСА» данных для осуществления обработки запросов, коммуникаций и аналитики действий Пользователей на Сайте. Согласие предоставлено для использования следующих персональных данных: фамилия, имя, отчество; номера контактных телефонов; адреса электронной почты; место работы и занимаемая должность; адрес; сведения о местоположении; тип, версия, язык операционной системы, браузера; тип устройства и разрешение его экрана; страницы, открываемые пользователем; ip-адрес и др.

С персональными данными могут быть совершены следующие действия: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (распространение, предоставление, доступ), обезличивание, блокирование, удаление, уничтожение.

Сбор персональных данных Пользователей Сайта производится через формы обратной связи, которые Пользователь заполняет собственноручно. Также персональные данные могут быть получены Компанией, если их владелец указывает их в электронном письме, отправляемом в Компанию на адреса, указанные на Сайте. Оператор обеспечивает сохранность персональных данных и принимает все возможные меры, исключающие доступ к персональным данным неуполномоченных лиц.

Также на Сайте происходит сбор и обработка обезличенных данных о Пользователях (в т.ч. файлов «cookie») с помощью сервисов интернет-статистики (Яндекс Метрика и Гугл Аналитика и других). Обезличенные данные Пользователей, собираемые с помощью сервисов интернет-статистики, служат для сбора информации о действиях Пользователей на Сайте, улучшения качества сайта и его содержания. Оператор обрабатывает обезличенные данные о Пользователе в случае, если это разрешено в настройках браузера Пользователя (включено сохранение файлов «cookie» и использование технологии JavaScript).

Передача персональных данных третьим лицам осуществляется на основании законодательства Российской Федерации, договора с участием субъекта персональных данных или с его согласия.

Обработка может быть прекращена по запросу субъекта персональных данных.

Источник

Линейные двигатели нового поколения

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.

Назад

Сравнение традиционных и линейных приводов станков
Факторы, характеристики	Традиционные приводы с ШВП	Линейные приводы
Промежуточные элементы передачи к РО	Ротор, вал, шкив, ремень, шкив, винт, шарики, гайка	НЕТ
Передача энергии на РО	От статора электродвигателя на ротор, через вал ротора на шкив, на ходовой винт, на шарики гайки, на гайку и на РО	НЕТ
Потери на трение	Подшипники ротора, ременная передача, подшипники ходового винта, шарики, плоскости профиля канавки гайки	НЕТ
Элементы с упругими деформациями	Вал ротора, ремень шкива, вал винта, плоскости профиля канавки винта, шарики, плоскости профиля канавки гайки	НЕТ
Элементы с температурными деформациями в приводе	Ротор двигателя, вал ротора, подшипники ротора, шкив, ремень, шкив, подшипники винта, винт, шарики, гайка	НЕТ
Изнашиваемые элементы привода	Подшипники ротора электродвигателя, шкив, ремень, шкив, подшипники винта, ходовой винт, шарики, гайка	НЕТ
Обязательные зоны для смазки	Подшипники ротора, подшипники винта, зона ШВП	НЕТ
Элементы, создающие инерционные нагрузки при ускорениях и реверсе	Вращающийся ротор, вал ротора, внутренние кольца подшипников вала ротора, шкивы, ремень, подшипники винта, винт, гайка и шарики в поступательном движении	Плоский ротор привода в поступательном движении
Основные зоны загрязнения (уровень сложности очистки)	Подшипники вала ротора двигателя (сложно), подшипники ходового винта (сложно), ШВП-гайка (очень сложно)	Зазор между статором и плоским ротора (просто)

Вперед

Автор статьи — к.т.н. Серебреницкий П.П., БГТУ «Военмех» им. Д.Ф. Устинова

Подписка

Подпишитесь на наши новости

Получайте первыми актуальную информацию ООО «Электропривод»

Источник