早在1917年就出現(xiàn)了第一臺圓筒型直線電機,事實上那是一種具有換接初級線圈的直流磁阻電機。當(dāng)時人們試圖將它作為導(dǎo)彈發(fā)射裝置,但其發(fā)展并沒有超出模型階段。直至20世紀(jì)50年代中期,控制、材料等技術(shù)的飛速發(fā)展極大地促進(jìn)了直線電機的發(fā)展,圓筒型直線電機的優(yōu)越性開始體現(xiàn)出來,其應(yīng)用范圍越來越廣。1978年A.Mendrela和J.Turowski設(shè)計了一種能產(chǎn)生螺旋運動的直線感應(yīng)電機,并用于車床和鏜床上;也有人將圓筒型直線電機用于加工中心的機械手中。近年來,圓筒型直線電機在機床上的應(yīng)用增多,而且發(fā)展較快。特別是在行程長度小于0.5m的情況,采用圓筒型直線電機能更好地利用材料,可使相應(yīng)的傳動裝置結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊,因而受到了高度的重視。
傳統(tǒng)的機械式?jīng)_壓機(沖床)的動力來源于旋轉(zhuǎn)電動機,它需要一整套復(fù)雜的轉(zhuǎn)換機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧闹本€往復(fù)運動,為獲得足夠的沖壓力,還需配備一只儲能大飛輪。因而,這種沖壓機部件多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積笨重,噪聲大,生產(chǎn)周期長,使用不靈活,而且容易發(fā)生人身傷害事故。為此,浙江大學(xué)研制了一種由直線電機驅(qū)動的沖壓機。它主要分為三大部分,即機身部分、直線電機部分和控制系統(tǒng)部分。所采用的直線電機主要為圓筒型直線感應(yīng)電機。其基本工作原理為:插上電源,起動電源開關(guān),直線電機的初級通電并產(chǎn)生電磁力,使圓柱型次級帶動模架向下運動,沖壓工件;沖壓結(jié)束,次級在反向電磁力與恢復(fù)彈簧的拉動下回到初始位置,等待下一次的沖壓。這種新型直線電機沖壓機和傳統(tǒng)的機械式?jīng)_壓機相比,具有結(jié)構(gòu)簡單;體積小、重量輕;無周期性的機械噪聲;脈沖式工作,有節(jié)能效果;沖壓噸位、頻率、速度可調(diào);易于控制,能實現(xiàn)多種保護(hù)功能。
近年來,一種在機床結(jié)構(gòu)技術(shù)上有突破性進(jìn)展的并聯(lián)機床引起了全球機床制造業(yè)的關(guān)注。并聯(lián)機床實質(zhì)上是機器人技術(shù)與機床結(jié)構(gòu)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。并聯(lián)機床與傳統(tǒng)的數(shù)控機床在特性上形成了鮮明的對比。傳統(tǒng)數(shù)控機床的各運動自由度是串聯(lián)相接的,傳動鏈長,系統(tǒng)剛性差,累積誤差大而精度低。并聯(lián)機床采用并聯(lián)閉環(huán)靜定或非靜定桿系結(jié)構(gòu),具有很高的剛度;其傳動鏈極短,沒有累積誤差,故精度高;而且其運動部件質(zhì)量小、慣性小,大大改善了動態(tài)響應(yīng)性能,可以獲得很高的進(jìn)給速度和加速度。因而,美、日、歐、俄等國對這種新型數(shù)控裝備的工程應(yīng)用前景和市場潛力極為樂觀,紛紛斥巨資競相研究和開發(fā)。目前,國內(nèi)外研制的并聯(lián)機床大多是基于Stewart平臺結(jié)構(gòu),其進(jìn)給傳動系統(tǒng)是由6根可變長度驅(qū)動桿組成,通過改變驅(qū)動桿長度來改變帶有刀具的活動平臺的位姿以實現(xiàn)進(jìn)給運動。在機床運行過程中,6根驅(qū)動桿必須統(tǒng)一協(xié)調(diào)運動,因而要求各驅(qū)動桿必須在工作空間內(nèi)的任何方向都能進(jìn)行快速的精密伸縮運動。這就給驅(qū)動桿在結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程實現(xiàn)上帶來了很大的困難。目前,驅(qū)動桿一般是通過旋轉(zhuǎn)伺服電機和滾珠絲杠螺母副來驅(qū)動;或者通過滑動柱塞的伸縮或滑塊運動來驅(qū)動。但驅(qū)動桿的這些驅(qū)動方式在響應(yīng)速度和精度等方面很難滿足并聯(lián)機床的需要,因而有必要尋找新的驅(qū)動方式。對照圓筒型直線電機的特點,可以發(fā)現(xiàn)圓筒型直線電機非常適合于并聯(lián)機床驅(qū)動桿的驅(qū)動,并可以與驅(qū)動桿進(jìn)行一體化設(shè)計,因而在并聯(lián)機床上具有廣泛的應(yīng)用前景。
我們最近設(shè)計的用圓筒型直線電機驅(qū)動的并聯(lián)機構(gòu)坐標(biāo)測量機,其中圓筒型直線電機與驅(qū)動桿設(shè)計成一個整體,而直線電機的圓筒型初級通過萬向聯(lián)軸器與靜止的基座相聯(lián)結(jié),直線電機的圓柱型次級通過球形鉸鏈與安裝激光測頭的動平臺相聯(lián)結(jié)。其基本工作原理為:在圓筒型直線電機的初級繞組中通入交流電源,將產(chǎn)生沿電機軸向的行波磁場,并形成電磁推力,使直線電機的次級作伸縮運動,從而使驅(qū)動桿的長度發(fā)生變化,使測頭移動至測點位置,同時由高精度光柵對驅(qū)動桿長度的變化量進(jìn)行精確檢測,并以此為依據(jù),計算出測點處的空間坐標(biāo)。并聯(lián)機構(gòu)坐標(biāo)測量機的小慣性、無切削力的特點可使直線電機的優(yōu)點得到更加充分的發(fā)揮,從而實現(xiàn)快速精密測量。直線電機并聯(lián)機構(gòu)坐標(biāo)測量機可根據(jù)需要設(shè)計成多種結(jié)構(gòu)形式,從而大大拓寬坐標(biāo)測量機的應(yīng)用領(lǐng)域。
隨著新型磁性材料的不斷涌現(xiàn),以及直線電機在設(shè)計、制造、控制等方面的不斷進(jìn)步,圓筒型直線電機以其所特有的優(yōu)越性必定會在機床上獲得越來越廣泛的應(yīng)用。目前這方面的應(yīng)用還只是處于初級階段,還有許多問題需要解決,但我們必須給予高度重視,在思想上和技術(shù)上做好一切準(zhǔn)備,搶占這一領(lǐng)域的制高點。
1、圓筒型直線電機的工作原理與結(jié)構(gòu)
直線電機是從普通的旋轉(zhuǎn)電機演變而來,如果將旋轉(zhuǎn)電機的圓筒形定子、轉(zhuǎn)子剖開拉直,就形成了平板型結(jié)構(gòu)的直線電機,如果再把這種扁平的初級、次級卷繞在一根與磁場運動方向平行的軸上,即可得到一種結(jié)構(gòu)上與平板型直線電機完全不同的圓筒型直線電機。圓筒型直線電機的工作原理與旋轉(zhuǎn)電機相似,當(dāng)在初級繞組通入交流電源時,便在氣隙中產(chǎn)生行波磁場,次級在行波磁場切割下,將感應(yīng)電動勢并產(chǎn)生電流,該電流與氣隙中的磁場相互作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級固定,則次級在推力的作用下做直線運動。反之,則初級作直線運動。它把電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動的機械能而無中間變換裝置。圓筒型直線電機也可分為同步式和感應(yīng)式兩類,是圓筒型直線感應(yīng)電機的典型結(jié)構(gòu)。
普通旋轉(zhuǎn)電機和平板型直線電機端部繞組浪費材料,增加成本,增加了電阻損耗和端部漏抗。圓筒型直線感應(yīng)電機的初級繞組只是簡單地由一系列共軸線圈組成,然后由三相電源順序供電,并無端部繞組,因而圓筒型直線感應(yīng)電機初級繞組利用率高,同時也沒有橫向邊緣效應(yīng),也不存在端部漏磁通以及附加阻抗,并且在圓柱形次級上也不存在總徑向力,因此,減少了直線軸承上所承受的應(yīng)力,也使其制造工藝大大簡化。圓筒型直線感應(yīng)電機的齒部是用圓形硅鋼片迭壓而成;其軛部一般用厚壁鋼管作成,但為提高效率,也可由硅鋼片迭壓而成;次級可以有三種:第一種是一根厚壁鋼管或迭片鐵芯,稱為鋼次級或磁性次級,鋼既起導(dǎo)磁作用,又起導(dǎo)電作用,由于鋼的電阻率較大,故鋼次級的電磁性能較差,第二種為鋼管或迭片鐵芯上復(fù)合一層非磁性材料.銅層(或鋁層),稱為復(fù)合次級,在復(fù)合次級中,鋼主要用于導(dǎo)磁,而導(dǎo)電主要靠非磁性層,它的電磁性能要比磁性次級好得多,第三種是在鋼管或迭片鐵芯上開槽,槽中放入非磁性材料.銅環(huán)或鋁環(huán),稱為鼠籠次級,這種直線電機性能較好,但結(jié)構(gòu)和工藝較復(fù)雜。鋼次級雖然結(jié)構(gòu)簡單,但是渦流損耗很大,所以一般不采用。另外,圓筒型直線電機的散熱條件比較差,因此適合小功率的電機。上述三種類型次級,后兩者單位體積產(chǎn)生的起動推力較大。
2、圓筒型直線電機的優(yōu)點
(1)結(jié)構(gòu)簡單。圓筒型直線電機不需要經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)而直接產(chǎn)生直線運動,使結(jié)構(gòu)大大簡化,運動慣量減少,動態(tài)響應(yīng)性能和定位精度大大提高;同時也提高了可靠性,節(jié)約了成本,使制造和維護(hù)更加簡便。它的初次級可以直接成為機構(gòu)的一部分,這種獨特的結(jié)合使得這種優(yōu)勢進(jìn)一步體現(xiàn)出來。
(2)適合高速直線運動。因為不存在離心力的約束,普通材料亦可以達(dá)到較高的速度。而且如果初、次級間用氣墊或磁墊保存間隙,運動時無機械接觸,因而運動部分也就無摩擦和噪聲。這樣,傳動零部件沒有磨損,可大大減小機械損耗,避免拖纜、鋼索、齒輪與皮帶輪等所造成的噪聲,從而提高整體效率。
(3)初級繞組利用率高。在圓筒型直線感應(yīng)電機中,初級繞組是餅式的,沒有端部繞組,因而繞組利用率高。
(4)無橫向邊緣效應(yīng)。橫向效應(yīng)是指由于橫向開斷造成的邊界處磁場的削弱,而圓筒型直線電機橫向無開斷,所以磁場沿周向均勻分布。
(5)容易克服單邊磁拉力問題。徑向拉力互相抵消,基本不存在單邊磁拉力的問題。
(6)易于調(diào)節(jié)和控制。通過調(diào)節(jié)電壓或頻率,或更換次級材料,可以得到不同的速度、電磁推力,適用于低速往復(fù)運行場合。
(7)適應(yīng)性強。直線電機的初級鐵芯可以用環(huán)氧樹脂封成整體,具有較好的防腐、防潮性能,便于在潮濕、粉塵和有害氣體的環(huán)境中使用;而且可以設(shè)計成多種結(jié)構(gòu)形式,滿足不同情況的需要。
3、圓筒型直線電機的缺點
(1)效率和功率因數(shù)較低。圓筒型直線電機的效率和功率因數(shù)比同容量的旋轉(zhuǎn)電機要低,特別在低速時。這是由以下原因引起的:它的電磁氣隙與極距的比值通常較大,所需的磁化電流也較大,使損耗增加;初級鐵芯兩端開斷,產(chǎn)生縱向邊緣效應(yīng),從而引起波形畸變等問題,其結(jié)果也導(dǎo)致?lián)p耗增加。
(2)起動推力易受到電壓波動的影響。在低速高滑差情況下,往往要求有比較恒定的起動推力,但當(dāng)電源電壓有波動時,起動推力變化很大,因此需要電源電壓比較穩(wěn)定。
(3)運行速度范圍受到電機極距的限制。當(dāng)電源頻率一定時,電機的運行速度在很大程度上取決于電機的極距,一般極距不能太大,也不能太小,所以它的速度也被限制在某一合適的范圍內(nèi)。在要求低速的傳動系統(tǒng)中,就往往需要增加變頻設(shè)備。
(4)饋電比較復(fù)雜。對于動初級的直線電機,在速度較高或行程較長時,饋電比較復(fù)雜。
(5)散熱較困難。圓筒型直線電機的散熱條件要比扁平型直線電機差,這就限制了電機所允許的電參數(shù),從而限制了電機的推力,因而圓筒型直線電機不適合大功率電機。