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直线电机在数控车床中的运用

2021-06-23

  直线电机的历史时间能够上溯1840年惠斯登制做的并失败的略现原型的直线电机,之后的160很多年中直线电机经历了探寻试验、开发设计运用和应用商业化三个阶段。

  1971年至现阶段,直线电机总算进到单独运用的阶段,各种直线电机的运用获得了快速的营销推广,做成了很多有实际意义的设备和商品,比如直线电机推动的无缝钢管皮带输送机、煤炭运输机、各种各样自动门、电动天窗等。运用直线电机推动的磁悬浮列车,速率已超出500km/h,贴近了航空公司航行的速率。

  在我国的直线电机的科学研究和运用是以二十世纪七十年代初逐渐的。现阶段关键成效有加工厂驾驶、磁感应锤、冲压机床等。在我国直线电机科学研究尽管也获得了一些考试成绩,但与海外对比,其应用推广层面犹存在非常大的差别。现阶段,中国许多科学研究企业已注意到这一点。

  直线电机在数控车床上运用的现况

  近些年,国际性上对数控车床采用直线电机看起来尤其受欢迎,其缘故是:

  为了更好地提升生产率和改进零件的生产加工品质而发展趋势的快速和快速生产加工已经变成数控车床发展趋势的一个重特大发展趋势,一个反映灵巧、快速、轻巧的推动系统软件,速率要提升到40~五十米/min之上。传统式的“旋转电机 滚珠丝杆”的传动系统方式能够做到的最大走刀速率为30m/min,瞬时速度仅为3M/s2。直线电机推动操作台,其速率是传统式传动系统方法的30倍,瞬时速度是传统式传动系统方法的10倍,较大 可以达到20g;弯曲刚度提升了7倍;直线电机立即推动的操作台无反方向工作中过流保护;因为电动机惯性力小,因此由其组成的直线伺服控制系统能够做到较高的相频特性。

  1993年,法国ZxCell-O企业发布了全世界第一个由直线电机推动的操作台HSC-240型快速数控加工中心,车床主轴最快速做到24000r/min,较大 走刀速率为60n/min,瞬时速度做到1g,当走刀速率为50m/min时,其轮廊精密度可以达到0.004mm。英国的Ingersoll企业随后发布了HVM-800型快速数控加工中心,主轴轴承最大转速比为20000r/min,较大 走刀速率为75.50m/min。

  1996年逐渐,日本陆续研制采用直线电机的立式数控加工中心、快速数控车床、快速中小型数控加工中心、超高精密镜面玻璃生产加工数控车床、快速成型数控车床等。

  在我国浙大研发了一种由直线电机推动的冲压机床,浙大生产制造工程项目研究室设计方案了用圆桶型直线电机推动的串联组织座标测量仪。2001年南京市四开企业发布了自主开发设计的采用直线电机立即推动的数控机床直线电机数控车床,2003年第八届中国全球数控车床展会上,展览北京市电院高新技术股份有限公司发布的VS1250直线电机获得的数控加工中心,该车床主轴最大转速比达15000r/min。

  直线电机的原理

  直线电机是一种将电磁能立即转化成直线健身运动机械动能,而不用一切正中间变换组织的传动系统。它能够当做是一台旋转电机按轴向割开,并展成平面图而成,如图所示1所显示。

  图1直线电机的变化全过程

  由电机定子演化而成的一侧称之为初中级,由电机转子演化而成的一侧称之为次级线圈。在具体运用时,将初中级和次级线圈生产制造成不一样的长短,以确保在所需行程安排范畴内初中级与次级线圈中间的藕合维持不会改变。直线电机能够是短初中级长次级线圈,还可以是长初中级短次级线圈。充分考虑制造成本、运作花费,现阶段一般均采用短初中级长次级线圈。

  直线电机的原理与转动电机类似。以直线磁感应电机为例子:当初中级绕阻进入交流电时,便在磁密中造成行波电磁场,次级线圈在行波电磁场激光切割下,将磁感应出感应电动势并造成电流量,该电流量与磁密中的电磁场相功效就造成磁感应扭力。假如初中级固定不动,则次级线圈在扭力功效下做直线健身运动;相反,则初中级做直线健身运动。

  直线电机的推动控制技术性

  一个直线电机软件系统不但要有特性优良的直线电机,还务必具备能在可以信赖的标准下完成技术性与经济发展规定的控制系统软件。伴随着全自动控制技术性与微电子信息技术的发展趋势,直线电机的控制方式愈来愈多。对直线电机控制技术性的科学研究大部分能够分成三个层面:一是传统式控制技术性,二是当代控制技术性,三是智能化控制技术性。

  传统式的控制技术性如PID意见反馈控制、解耦控制等在沟通交流伺服控制系统中获得了普遍的运用。在其中PID控制蕴含动态性控制全过程中的以往、如今和将来的信息内容,并且配备基本上为最佳,具备极强的可扩展性,是沟通交流伺服电机电机驱动系统软件中最基本上的控制方法。为了更好地提升控制实际效果,通常采用解耦控制和矢量素材控制技术性。

  在领域模型明确、不转变且是线形的及其实际操作标准、软件环境是明确不会改变的标准下,采用传统式控制技术性是简易合理的。可是在高精密微走刀的性能卓越场所,就务必考虑到目标构造与主要参数的转变。各种各样离散系统的危害,软件环境的更改及自然环境影响等时变和不确定性因素,才可以获得令人满意的控制实际效果。因而,当代控制技术性在直线交流伺服电机控制的科学研究中造成了非常大的高度重视。常见控制方式有:响应式控制、滑模变构造控制、鲁棒性控制及智能化控制。

  近些年模糊逻辑控制、神经元网络控制等智能化控制方式也被引进直线电机推动系统软件的控制中。现阶段主要是将模糊逻辑、神经元网络与PID、H∞控制等目前的完善的控制方式紧密结合,扬长补短,以得到更强的控制特性。

  直线电机在数控车床中的运用案例

  活塞杆铣削数控机床

  采用直线电机的直线健身运动组织因为具备回应快、高精度的特性,已取得成功地运用于异形横截面产品工件的CNC铣削和切削生产加工中。对于生产量较大 的非圆横截面零件,国防科学技术大学非圆钻削研究所开发设计了根据直线电机的高频率响大行程安排数控机床走刀模块。当用以数控机床活塞杆数控车床时,操作台规格为600Mm×320Mm,行程安排100毫米,较大 扭力为160N,较大 瞬时速度可以达到13g。因为直线电机动子和操作台已固定不动在一起,因此只有采用闭环控制控制,图2所显示为该模块的控制系统软件示意图。

  图2 直线电机部位控制器的基本原理框架图

  它是一个双闭环控制系统软件,内环线是速率环,二环路是部位环。采用高精密光栅尺做为部位检验元器件。精度等级在于光栅尺的屏幕分辨率,系统软件的机械设备偏差能够由意见反馈清除,得到较高的精密度。

  采用直线电机的敞开式数控机床

  采用PC机与敞开式可编程控制器运动控制器组成数控机床,这类系统软件以通用性微型机及Windows为服务平台,以PC机上的规范软件方式的健身运动控制器为控制关键,完成了数控机床的对外开放。根据直线电机的敞开式数控机床的总体方案设计计划方案如图所示3所显示。

  图3根据直线电机的敞开式数控机床电路原理图

  该系统软件采用在PC机的扩展槽中插进健身运动控制卡的计划方案构成,系统软件由PC机、健身运动控制卡、伺服控制器、直线电机、数控机床操作台等一部分构成。数控机床操作台由直线电机推动,伺服电机控制和数控车床逻辑性控制均由健身运动控制器进行,健身运动控制器可编程控制器,以健身运动程序段的方法表述实行数控机床程序流程(G代码等,适用客户拓展)。健身运动控制卡型号规格为PCI-8132。

  现如今的工业生产控制技术性中PCI总线慢慢地替代了ISA总线,变成流行系统总线方式,它有很多优势,如1394连接(Plug and Play)、终断共享资源等。PCI总线具备严苛的规范和标准,这就确保了它具备优良的兼容模式,稳定性高;传输数据速度高(132Mbps)或(264Mbps); PCI总线与CPU不相干,与时钟频率不相干,适用各种各样服务平台,适用多处理器和并行处理工作中;PCI总线还具备优良的扩展性,根据PCI_PCI桥路,可开展多级别拓展。PCI总线为客户给予了巨大的便捷,是现阶段PC机上最优秀、最通用性的一种系统总线。PCI-8132是具备PCI插口的2轴健身运动控制卡。它能造成高频率单脉冲推动伺服电机和交流伺服电机,控制两个轴的电动机健身运动,完成直线和弧形刀具半径补偿。在数控加工中心中,给予部位意见反馈。

  系统在WINDOWS服务平台上开发设计。此软件采用模块化设计编程设计,由客户I/O页面、预备处理控制模块等构成。客户I/O页面完成客户的键入、系统软件的輸出。客户键入的关键作用是让客户键入数控机床编码,传出控制指令,开展系统软件的参数配置,转化成数控车床零件加工程序流程(G代码命令)。预备处理控制模块载入G代码命令后,根据编译程序转化成可以让PCI-8132健身运动控制卡运作的程序流程,进而推动直线电机,进行直线或弧形刀具半径补偿。载入G代码的全过程是最先开展主要参数的设置,随后载入G代码,该操作程序以下如图4所显示。

  图4载入G代码程序流程图

  在这里一系统软件中采用PARKER406LXR系列产品直线电机。针对两座标数控机床操作台,X向采用406T07型直线电机,行程安排550Mm,Y向采用406T05型直线电机,行程安排450mm。

  总结

  采用直线交流伺服电机的快速数控加工中心,已变成国际性上各种数控车床生产商争相科学研究和开发设计的核心技术和商品,并已在汽车产业和航天工业中获得基本运用和成果,做为快速数控加工中心的新一代立即推动伺服电机实行元器件,直线交流伺服电机技术性在世界各国也早已进到现代化运用环节。可是,中国在这些方面的科学研究仍处在发展环节,差别还非常大,文中在直线电机的运用层面作了一些讨论,很多技术性难题还有待将来的勤奋。

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