直線伺服電動(dòng)機(jī)及其應(yīng)用

摘　要:　介紹了伺服用直線電動(dòng)機(jī)的原理、種類、構(gòu)造、應(yīng)用領(lǐng)域和KOLLMORGEN及BALDOR公司的部分商品直線電機(jī)的典型參數(shù),可供新的自動(dòng)化裝置研發(fā)過程中應(yīng)用直線伺服電機(jī)時(shí)參考。

引　言

通常直線運(yùn)動(dòng)是由交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)和傳動(dòng)帶、齒條及齒輪機(jī)構(gòu)組合來完成的。如果使用直接驅(qū)動(dòng)的直線電機(jī),把控制對(duì)象和電機(jī)做成一體化結(jié)構(gòu),這與普通的旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比,在精度、快速性、耐久性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。直線伺服電機(jī)是將輸入信號(hào)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)子的位移或速度的輸出,動(dòng)子的行程方向和速度的大小隨信號(hào)電壓的方向和大小的變化而變化,并能帶動(dòng)一定大小的負(fù)載,在自動(dòng)控制系統(tǒng)中可作為一種驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。

1　直線電機(jī)原理

直線電機(jī)從工作原理上講,與旋轉(zhuǎn)電機(jī)是一致的。它相當(dāng)于把旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子按圓柱面展開成平面,成為直線電機(jī)的定子和動(dòng)子,見下頁(yè)圖1(以永磁直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)橛来胖绷髦本€電機(jī)為例)。

2　直線電機(jī)的分類與應(yīng)用

   直線電機(jī)一般可分為直線感應(yīng)電機(jī)(LIM),直線直流電機(jī)(LDM),直線步進(jìn)電機(jī)(LPM)和直線同步電機(jī)(LSM)。其中直線直流、步進(jìn)、同步電機(jī)被用作伺服電機(jī)。

   2.1直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)多用在大推力,長(zhǎng)行程的場(chǎng)合,如自動(dòng)搬運(yùn)裝置,物料搬運(yùn)系統(tǒng),自動(dòng)門以及懸浮列車。

圖2所示為BALDOR公司的交流直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的初級(jí)。配合實(shí)心鋼(或?qū)嵭匿?#43;導(dǎo)電板)結(jié)構(gòu),可構(gòu)成直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。其特點(diǎn)是:大推力,15%工作循環(huán)時(shí)可達(dá)2225N,加速度可達(dá)1g,速度隨電源頻率的增加而增加,60Hz時(shí)6.85m/s,無接觸,免維護(hù),無限制長(zhǎng)行程。電機(jī)的形成還有一種筒型結(jié)構(gòu),如圖3。

圖1旋轉(zhuǎn)電機(jī)到直線電機(jī)的演變

圖2 直線感應(yīng)電機(jī)

圖3 筒型直線感應(yīng)電機(jī)

   2.2直線直流電動(dòng)機(jī)

  直線直流電機(jī)的初級(jí)采用直流激磁,次級(jí)采用永磁體,采用電流控制電機(jī)的速度,電機(jī)的伺服性好,配合位置檢測(cè)反饋和專用的芯片,定位精度可達(dá)μm級(jí),它的典型應(yīng)用是用作音圈電機(jī),這種電機(jī)具有喇叭狀的輻射狀磁場(chǎng)。音圈繞制方向與磁場(chǎng)方向垂直,音圈通電后產(chǎn)生推動(dòng)音圈運(yùn)動(dòng)的電磁推力,使音圈做直線運(yùn)動(dòng),主要用于繪圖儀、打印機(jī)、毛線編織機(jī)等。圖4所示是BALDOR生產(chǎn)的直流有刷直線伺服電機(jī),它的定位精度可達(dá)8.3μm,重復(fù)定位偏差在1μm以內(nèi)。

圖4　有刷直線伺服電機(jī)

2.3　直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)演變而來的。它將輸入的電脈沖信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的微步直線運(yùn)動(dòng)。直線步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制發(fā)展非常迅速,專用的集成電路芯片被廣泛采用。它主要用來做定位控制,特別適用于數(shù)控系統(tǒng)開環(huán)控制的直線定位系統(tǒng),如:繪圖儀,打印機(jī)等都是它的應(yīng)用領(lǐng)域。圖5-1、圖5-2所示是BALDOR公司的單軸步進(jìn)機(jī)和雙軸步進(jìn)機(jī)。它們分別采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制,最小定位尺寸可達(dá)2.5μm.

圖5-1 單軸直線步進(jìn)電機(jī)

圖5-2 雙軸直線步進(jìn)電機(jī)

2.4　直線同步電動(dòng)機(jī)

直線同步電機(jī)的速度與電源頻率始終保持準(zhǔn)確的同步關(guān)系,控制電源的頻率就能控制電機(jī)的速度。伴隨著永磁材料性能的不斷提高和應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展,電動(dòng)機(jī)越來越多采用永磁材料。直線永磁同步電機(jī)以其高可靠性和高效率等優(yōu)勢(shì)而備受青睞。它在推力、速度、定位精度,效率等方面比直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有更多的優(yōu)點(diǎn),是一種非常合適的直線伺服電動(dòng)機(jī)。直線同步電動(dòng)機(jī)分為無鐵心型和有鐵心型。圖6-1所示為KOLLMORGEN生產(chǎn)的無鐵心永磁同步直線電機(jī),它具有無齒槽效應(yīng),無吸力,加速度大的優(yōu)點(diǎn),其峰值推力800N,在速度小于1μm/s時(shí)仍能平滑運(yùn)動(dòng)。圖6-2為BALDOR生產(chǎn)的無鐵心永磁同步直線電機(jī),它采用閉環(huán)系統(tǒng),峰值推力達(dá)2300N,加速度10g,定位精度可達(dá)2.5μm,重復(fù)定位誤差小于1μm.

圖6-1 KOLLMORGEN公司無鐵芯永磁同步直線電機(jī)

圖6-2 BALDOR公司無鐵芯永磁同步直線電機(jī)

圖6-3所示為KOLLMORGEN生產(chǎn)的有鐵心永磁同步直線電機(jī),它具有很高的力密度和電動(dòng)機(jī)常數(shù),其峰值推力和連續(xù)推力均可達(dá)到8000N。電機(jī)本身采用削弱齒槽效應(yīng)的專利技術(shù),可減小不將磁體斜置時(shí)產(chǎn)生的齒槽效應(yīng)。圖6-4為BAL2DO

R公司的有鐵心永磁同步直線電機(jī)產(chǎn)品,它采用的是將磁體斜置來減小齒槽效應(yīng),其推力可達(dá)6700N,加速度10g,它的定位精度為2.5μm,重復(fù)定位誤差小于1μm。

圖6-3　KOLLMORGEN公司有鐵芯永磁同步直線電機(jī)

圖6-4 BALDOR公司有鐵心永磁同步直線電機(jī)

3　直線伺服電機(jī)的應(yīng)用概況

直線伺服電機(jī)具有高剛度,寬的調(diào)整范圍,高的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性,平滑運(yùn)動(dòng),定位精確以及無磨損,無需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn),生活的各個(gè)領(lǐng)域。

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域,直線電機(jī)在工業(yè)機(jī)器人,機(jī)床及各種需要直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置中都有應(yīng)用,如數(shù)控機(jī)床的直線進(jìn)給行程較短,一般不超過幾百毫米,在很高的進(jìn)給速度下,只有瞬間達(dá)到設(shè)定的高速狀態(tài)和在高速下瞬時(shí)準(zhǔn)確停止運(yùn)動(dòng),這樣的場(chǎng)合,直線伺服電動(dòng)機(jī)最適用。應(yīng)用的典型例子是美國(guó)Ingersoll銑床公司生產(chǎn)的高速臥式加工中心HVM800和X,Y,Z軸均采用永磁式同步直線伺服直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的HVM600,最大進(jìn)給速度為76.2m/min,加速度a=(1-1.5)g.日本三井精機(jī)公司生產(chǎn)的高速工具磨床,Z軸上下移動(dòng)采用的直線電動(dòng)機(jī)可達(dá)400次/min,最高加速度為2.3g,加工效率提高2～3倍。德國(guó)西門子公司的永磁式直線同步電動(dòng)機(jī)最大移動(dòng)速度可達(dá)200m/min,最大推力可達(dá)6600N,最大位移為504mm,適用對(duì)象為高速銑床,曲軸車床,超精密車床,磨床等。還有德國(guó)MOOG公司的新產(chǎn)品DDV系列中采用直線力電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓比例控制閥。

辦公設(shè)備方面應(yīng)用較多的是直流直線電機(jī)和步進(jìn)電機(jī),如硬盤和軟盤驅(qū)動(dòng)定位控制,激光盤系統(tǒng)的定位,跟蹤及聚焦。步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于復(fù)印機(jī),打字機(jī),繪圖儀中。

半導(dǎo)體加工中,直線電機(jī)被用在晶片加工,晶片檢驗(yàn),晶片切片,薄片焊接,連線,離子注入平版印刷等。