ПЛАНАРНЫЕ И ШТОКОВЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «Электроэрозионное оборудование»

Штоковые ЛД

ShaftLinear - штоковые (цилиндрические) линейные двигатели (ЛД) в ЭИ станках

Первый показ ЭИ станка со штоковыми линейными двигателями - JIMTOF-2009

Штоковые ЛД производятся рядом компаний.

Например, японской JMC Hillstone совместно с Nippon Pulse Company (NPC). Производство - с 2005 г.

Другие изготовители штоковых ЛД: LinMot, РВА Systems, Orientalmotor, Parker, Ametek, Delta и т.д.

Помимо названия shaft linear motor (штоковые ЛД) такие двигатели известны как tubular linear (трубчатые ЛД), а также “цилиндрические ЛД”.

Штоковые ЛД разрабатывались для замены пневмо-, гидро- и ШВП-приводов в роботах-манипуляторах, штабелеукладчиках, сборочных платформах, а также мед- и спецоборудовании. ЭИ станки - первое известное применение штоковых ЛД в станках вообще. Штоковые ЛД имеют бессердечниковые катушки и, как результат, недостаточную тягу. Такими ЛД можно оснащать лишь малые и средние модели ЭИ вырезных станков. Для прошивных станков такие двигатели непригодны - штоковый ЛД попросту не поднимет тяжелый электрод!

Главное достоинство штоковых ЛД:

Штоковые ЛД легко встроить на место ШВП-привода в существующие устройства (станки).

Но это, по сути, единственное достоинство!

Главные недостатки:

  • дефицит тяги (ЭМ катушки - бессердечниковые!);
  • проблемы с теплоотводом (его отсутствие!);
  • разнонаправленные биения магнитного штока и динамическая асимметрия зазора (вектор тяги пляшет хаотично от направления подачи!);
  • хлипкая конструкция (шток крепится лишь на концах внатяг и периодически требует перенатяжений).

Из-за продольных волн и разнородности параметров магнитов и их частей шток при движении "выплясывает твисты”.

Разработка электроискровых (ЭИ) станков с линейными двигателями (ЛД) с 1990 г.

Серийное производство стартовало в 1998 г.

До 2000 г. производились лишь электроискровые прошивные станки с линейными двигателями (ЛД) только по оси Z. С 2000 г. появились электроискровые (ЭИ) проволочно-вырезные станки с ЛД по осям XY и прошивные с ЛД по осям XYZ.

С 2001 г. станки оснащаются ЛД по всем осям:

ЭИ координатно-прошивные - по осям XY и Z ЭИ проволочно-вырезные - по осям XY и UV.

Линейные двигатели Sodick - собственная разработка компании, а также и собственное производство Sodick - вплоть до редкоземельных Ne-Fe-B магнитов.

Линейные двигатели Sodick - это плоские панели постоянных магнитов и блоки электромагнитных (ЭМ) катушек, между которыми постоянный зазор = 0,4 мм. Двигатели устанавливаются параллельно плоскости перемещений. Условно их можно назвать “плоскопараллельными”, однако более распространен термин планарные линейные двигатели.

Главные достоинства планарных ЛД Sodick:

  • большая мощность и тяга благодаря сердечниковым ЭМ катушкам;
  • тяга генерируется практически в одной плоскости с направляющими линейками приводимых кареток;
  • идеальный теплоотвод - блок электромагнитных катушек крепится всей плоскостью на массивные элементы конструкции с высокой теплопроводностью;
  • высочайшая динамическая точность в течение всей эксплуатации (вектор тяги максимально совпадает с направлением подачи);
  • надежность и долговечность, подтверждаемые двумя с лишним 10-летиями успешной эксплуатации;
  • особо жесткая конструкция.

Недостаток:

планарный ЛД нельзя встроить в обычный станок ‘под ШВП”; такие ЛД создаются “индивидуально” для станков, которые, в свою очередь, разрабатываются под эти ЛД и соответствующие им нагрузки.

Штоковый ЛД встраивается в станок на место ШВП. Тонкий магнитный шток толщиной чуть больше пальца легко деформируется, возникают разнонаправленные боковые биения, фатально влияющие на точность станка. Причин “гуляния” по меньшей мере две:

  1. продольные волны, вызываемые силами сжатия и растяжения, которые порождаются неоднородностью плотности магнитных полей ЛД;
  2. отклонения параметров отдельных магнитов на штоке, а также разнородность магнитных параметров разных частей одного магнита - двух совершенно одинаковых магнитов не бывает!

“Твисты” магнитного штока рождают переменные разнонаправленные боковые нагрузки на направляющие. Известно, что направляющие рассчитаны на вертикальные нагрузки, но быстро изнашиваются и теряют точность, если нагрузки боковые. Чтобы тонкий магнитный шток меньше гулял, изготовители штоковых ЛД предписывают крепить магнитный шток клиньями внатяг (!) в опоры на станине еще на заводе-изготовителе станков.

Насколько хватает такого натяга? Как часто придется “перенатягивать” шток уже в рабочем станке самим пользователям? Ипочём" это будет обходиться?

Опасность хаотичных плясок и твистов штока возрастает многократно, когда частота таких колебаний совпадает с собственной резонансной частотой конструкции...

В любом станке имеется множество резонансных областей, которые зависят от физических характеристик и от изменений температуры. Ситуаций предостаточно!

Штоковые ЛД бессердечниковые и демонстрируют хронический дефицит тяги. Известно, что сердечниковая ЭМ катушка создает магнитное поле на порядки (* хЮОО) сильнее, чем генерирует бессердечниковая. Правда, коэффициент использования магнитного поля в штоковых ЛД несколько выше (благодаря кольцевым магнитам и трубчатой конструкции) - примерно в 2 раза. Но это лишь незначительно компенсирует потери от отсутствия сердечников. Именно из-за недостатка тяги штоковые ЛД не ставят в прошивные станки и большие проволочно-вырезные. Дефицит тяги порождает проблемы с плавностью на малых приращениях, когда отрабатываются подачи с с микронной дискретностью. Здесь штоковый ЛД ведет себя, как трогающийся рывками маломощный перегруженный грузовик!

Компания Sodick начала разработку ЛД в начале 90-х в обстановке секретности. У компании уже был печальный опыт: “скрытное заимствование” первоначальной схемы безизносной электроискровой обработки, созданной президентом Фурукава.

Разработчики перепроверили и испытали на стендах множество схем ЛД. В том числе рассматривались конструкции с магнитными панелями и блоком ЭМ катушек перпендикулярно плоскости перемещений. (Станки с такими ЛД позже выпускались компанией F, но производство было успешно прекращено!) Тестировались и конструкции с кольцевыми магнитами, как в новомодных штоково-цилиндрических ЛД.

Все было забраковано, и только планарная (плоскопараллельная) схема ЛД оказалась идеальной для станков. Но с одной оговоркой: под приводы с такой схемой ЛД необходимо заново создавать весь станок. По сути, линейный станок Sodick с планарными ЛД - единая мехатронная система.

Машина, создаваемая заново, - это большие затраты, но... дешево хорошо не бывает! Это подтверждает опыт других станкостроительных компаний: практически все станки с ЛД (не электроискровые) ведущих мировых изготовителей используют планарные ЛД - другой проверенной временем альтернативы нет!

Сила взаимного притяжения между панелью постоянных магнитов и блоком электромагнитных катушек примерно в 6 раз больше той тяги, которая создается при работе ЛД в направлении подачи. Однако, если станок изначально конструируется для установки такого ЛД, проблема решается сама собой: жесткость литых конструкций значительно выше тех сил, которые возникают при работе ЛД, а нагрузка приходится на направляющие, которые на эти нагрузки как раз и рассчитаны. В станках Sodick применены направляющие SSR фирмы ТНК (технология caged ball), сконструированные для использования прежде всего в прецизионных измерительных машинах. Эти направляющие выдерживают перемещения в 6 раз больше, чем расстояние от Земли до Луны и обратно.

Нагрузки на направляющие только вертикальные или в направлении, перпендикулярном плоскости ЛД. Боковые нагрузки при работе планарных ЛД отсутствуют. И это гарантирует сохранение первоначальной точности позиционирования по крайней мере на 10 лет. На практике точность сохраняют даже станки, выпущенные в 1998 году.

В линейных станках Sodick используются сердечниковые ЛД. Магнитные сердечники усиливают магнитные поля и тягу на порядки.

Бессердечниковые ЛД Sodick применяет лишь для нанопрецизионных станков с дискретностью подач менее 10 нм, но ставит их по два и более.


Публикация значительно сокращена вследствие недостатка места. Полную версию и дополнительные материалы

см. по адресу: https://sodiGk.sodiGom.biz/ru/shaft-linear-vs-planar-linear/

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.