5.14 Электроприводы КИМ

 

В конструкции КИМ  применяют регулируемые электроприводы для перемещения портала (или стола) и пиноли по осям координат X, Y и Z.  Это могут быть  электродвигатели с обратной связью и высокоскоростные прецизионные шариковые ходовые винты (валы), линейные электродвигатели,  серводвигати с ременной передачей и др.

Следует иметь в виду, что требования к приводам КИМ не столь жесткие как к приводам станков с ЧПУ, потому что с их помощью не производится точное позиционирование датчика касания, а обратная связь для регулирования скорости перемещения узлов КИМ может осуществяться с помощью линейных энкодеров КИМ.

Основными требованиями к приводам КИМ являются минимальное трение, минимальный нагрев машины  и помещения, где находится КИМ, от работающего привода, обеспечение заданных скоростей и ускорений. Причем основное требование – минимальное выделение тепла, потому что это прямо вляетна точность измерения (возникает температурная погрешность).

Благодаря использованию  в конструкции  КИМ узлов из легких материалов и аэростатических направляющих удается обеспечит  высокие скорости перемещения узлов КИМ  как холостых перемещений, так и  при измерениях при небольшой мощности привода.

Улучшенная динамика КИМ снижает циклы измерений, что позволяет существенно повысить производительность контроля. Управляемые универсальным  контроллером   приводы позволяют осуществлять быстрые перемещения на холостых ходах, снижать скорость при измерениях и осуществлять  позиционирование подвижных узлов машины и сканирование измеряемой поверхности.

Механизмы перемещения с винтовой передачей

При простой и компактной конструкции передача винт-гайка позволяет получать большой выигрыш в силе или осуществлять медленные и точные перемещения.

Разработано много конструкций специальных винтовых пар, которые позволяют компенсировать ошибки изготовления, зазоров и износа; обеспечивают очень большие передаточные отношения (дифференциальная двойная резьба с разным шагом в микрометрических передачах); повышают КПД путем замены трения скольжения трением качения (шариковые винтовые пары) и т. п.

Шариковая винтовая передача (ШВП) – наиболее распространенная разновидность передачи винт-гайка качения (винтовая пара с промежуточными телами качения: шариками или роликами).

ШВП обладает всеми основными техническими преимуществами передачи винт-гайка скольжения, и при этом не имеет ее главных недостатков, таких как низкий КПД, повышенные потери на трение, быстрый износ.

Число рабочих витков в ШВП обычно составляет от 1 до 6.

Основные достоинства ШВП:

  • малые потери на трение;
  • высокая нагрузочная способность при малых габаритах;
  • размерное поступательное перемещение с высокой точностью;
  • высокое быстродействие;
  • плавный и бесшумный ход.

Недостатками  ШВП являются:

  • сложность конструкции гайки;
  • ограничение по длине винта (из-за накопленной погрешности);
  • ограничение по скорости вращения винта (из-за вибрации);
  • высокую стоимость исполнения с шлифованным винтом и гайкой.

Традиционная конструкия ШВП показана на рис. 5.14.1.

Шар-1Рис. 5.14.1  Винт- гайка качения (ШВП)

Вал электродвигателя жестко (или через безлюфтовую мувту) соединен с резьбовым валом ШВП. При вращении вала, каретка (гайка), находящаяся на валу,  двигается поступательно. Каретка  закрепелена таким образом, чтобы не проворачиваться. К торцам каретки приложена нагрузка. Для уменьшения  трения, между кареткой и резьбовым валом между ними перемещаются (прокатываются через специальный канал в гайке) металлические шарики (рис. 5.14.1)
Недостатки  конструкции ШВП состоят в том, что  при движении  гайки (каретки), момент  передается посредством контакта шариков с резьбовым валом и кареткой. Чем меньше точек контакта (рис. 5.14.2), тем меньше максимальная нагрузка и долговечность.

Шар-2  .

Рис. 5.14.2     Приложение нагрузки в ШВП через шарики

Более низкий КПД и максимальная скорость у шарико-винтовой пары обусловлена

Шар-3Рис. 5.14.3     Вращение (качение )  шариков при вращении винта

трением и износом шариков на больших скоростях (рис. 5.14.3)

Шар-4

. Рис. 5.14.4      Соударения   шариков при больших скоростях вращении винта

При скорости вала более 1000 об/мин возникают сильные соударения и вибрации шариков (рис. 5.14.4), поэтому,  даже самые точные и дорогии ШВП не рассчитаны на скорости вращения свыше 2000 об/мин.

Для крепления электродвигателя к ШВП используют два варианта расположения двигателя: параллельно и последовательно к передаче.

Ш-5

Рис. 5.14.5   Параллельное крепление электродвигателя к ШВП

При расположении электродвигателя параллельно приводу (рис. 5.14.5), испльзуется переходной ремень.  При таком креплении  уменьшается общая длина конструкции.  Это позволяет изменять передаточное отношение для подбора оптимального электродвигателя. Однако это уменьшает  уменьшенную жесткость системы, что актуально только для высокодинамичных задач.

При последовательном  креплении электродвигателя и привода (Рис. 5.14.6) удлиняется конструкция, но повышается  жесткость системы, за счет жесткого крепления валов двигателя и ШВП. Шар-6

Рис. 5.14.6   Последовательное крепление электродвигателя к ШВП

Если не требуется высокая динамика, то эффективно использовать асинхронный двигатель. При увеличении динамики, но небольших усилиях можно использовать шаговые двигатели.

Следует иметь в виду, что винтовые шариковые передачи применяют в КИМ достаточно редко.

Линейный электродвигатель с прямым приводом

Линейный двигатель представляет собой электродвигатель, у которого один из элементов магнитной системы разомкнут и имеет развёрнутую обмотку, создающую бегущее магнитное поле, а другой взаимодействует с ним и выполнен в виде направляющей, обеспечивающей линейное перемещение подвижной части двигателя.

Линейный двигатель состоит из первичной части – статора (шихтованный пакет стали с обмоткой и термодатчиком) и вторичной части – ротора (постоянные магниты, заключенные в защитную оболочку). Отличие состоит в том, что первичная часть (статор) перемещается вдоль «магнитного пути» (ротора). Двигатель, выполненный по такой технологии, носит название «двигатель с коротким статором».

Первые работы по созданию линейного электродвигателя начались одновременно в Германии, Франции и России еще в начале XX века. В 1910 году во Франции была построена первая модель вагона на магнитной подвеске. Практически в это же время, в 1911 году Б.П. Вайнберг, профессор Томского технологического института, сконструировал поезд на магнитной подушке, который приводился в движение синхронным линейным электродвигателем. В том же году профессор Вайнберг построил и экспериментальную стендовую модель с макетом вагона весом 10 кг.

Однако, электроника и магниты того времени не позволили создать рентабельную и работоспособную модель линейного двигателя.

Новый этап в  создании линейных двигателей связан с техническим прогрессом, когда стало возможно производство редкоземельных магнитов с уникальными характеристиками, например с индукцией магнитного поля, достигающего 3 Тл (!) и развитием микропроцессорной техники.

Эффективная технология производства таких магнитов сделала экономически оправданным серийное производство синхронных роторных и линейных двигателей.

Первый современный вариант двигателя прямого привода был запатентован американским инженером Брюсом Сойером (Bruce Sawyer) в 1969 году. В патентной заявке на «магнитное устройство позиционирования» («Magnetic Positioning Device») был описан вариант двухкоординатного планарного привода на магнитовоздушной подушке, принципиальная схема которого впоследствии была признана классической.

Планарный двигатель на магнитовоздушной подушке (синхронная машина) стал основным элементом транспортных систем в устройствах автоматизации производства электронных компонентов. Можно утверждать, что сама отрасль производства микрокомпонентов появилась благодаря внедрению точных и высокопроизводительных линейных электродвигателей.

Системы прямого привода получают в настоящее время все более широкое распространение практически во всех областях промышленного производства — в энергетике, транспортной отрасли, машиностроении. форму.

По цене прямой привод уже практически сравнялся с прецизионным приводом на шарико-винтовых парах, но при этом значительно превосходит его по скорости перемещения и ряду других параметров, а в сравнении с зубчатой передачей двигатели прямого привода имеют преимущество в точности, повторяемости и сроке службы.

 Линейные синхронные  электродвигатели

Привод прямого действия в настоящее время широко используется в точных технологических установках, особенно это относится к оборудованию производства электронной техники. Большинство многокоординатных дискретных систем электропривода включают линейные приводы прямого действия, которые непосредственно реализуют поступательное перемещение подвижного элемента без преобразования с помощью кинематических звеньев из вращательного движения.

Оптимальным выбором для прецизионного привода являются синхронные (вентильные) двигатели с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов (рис. 5.14.7). Такие двигатели характеризуются высокими удельными тяговыми характеристиками и линейностью регулировочных характеристик. Эп-1

Рис.  5.14.7   Схема вентильного электродвигателя

В зависимости от конструкции линейные синхронные двигатели разделяются на пазовые (iron core), беспазовые (slotless) и безжелезные (ironless).

Традиционные пазовые линейные синхронные двигатели имеют общий шихтованный магнитопровод с размещенной на его выступах трехфазной системой катушек. Магнитопровод изготавливается, как правило, путем штамповки отдельных пластин с последующей сваркой либо спеканием. К недостаткам традиционного якоря следует отнести высокую стоимость за счет использования большого количества штампов, а также технические недостатки, связанные со значительным зубцовым усилием и низкими удельными тяговыми характеристиками.

Более современные  линейные электродвигатели построены по модульному принципу, не имеют общего магнитопровода и состоят из несущего алюминиевого корпуса с набором единичных П-образных магнитопроводов. Подобный принцип построения имеет ряд существенных технических преимуществ по сравнению с традиционными линейными двигателями.

Особенность пазового двигателя (рис. 5.13.8) состоит в том, что обмотки уложены в пазы магнитопровода, что обеспечивает максимальную плотность пикового усилия с единицы площади воздушного зазора, но их  недостаток  в высоком усилии притяжения, которое  увеличивает нагрузку и силу трения в линейных подшипниках, что нежелательно для ряда прецизионных применений с низкими скоростями перемещения, например, в шлифовальных станках с прямым приводом.

Эл-2Рис. 5.14.8   Пазовый синхронный двигатель

Эл-3                  Рис.  5.14.9   Беспазовый синхронный электродвигатель

Указанных недостатков лишены беспазовые двигатели (рис. 5.14.9), обмотки которых уложены между гладким магнитопроводом и постоянными магнитами, вследствие чего в поворотном синхронном двигателе модуляция магнитного сопротивления и реактивный вращающий момент отсутствуют, а в линейном синхронном двигателе краевые эффекты вызывают незначительное зубцовое усилие.

Линейные синхронные моторы развивают однородное линейное усилие.
Отличительная особенность линейного синхронного мотора перед другими линейными системами заключается в отсутствии механической передачи.
Движение обуславливается непосредственно магнитным полем.

Линейный синхронный мотор состоит из подвижной части – якоря и магнитной дороги – статора. Якорь содержит группу катушек, залитых теплопроводящим компаундом. Статор состоит из наклеенных на стальную пластину магнитов. Для нормальной работы мотора воздушный зазор между якорем и статором должен быть не более 0,9 мм. Усилие передается непосредственно через воздушный зазор, т.е. отсутствует механическая передача. Это обеспечивает высокие точностные параметры мотора, ускорение и скорость перемещения и надежность.

Поэтому линейные электроприводы иногда применяют в КИМ и других прибрах для координатных измерений.

Линейные безжелезные моторы

Линейные синхронные безжелезные моторы  состоят из подвижного блока с катушками (якоря) и магнитной дороги. Якорь состоит из группы катушек, залитых теплопроводящей смолой. Статор состоит из наклеенных на стальную пластину магнитов и собранных U- образно. Якорь перемещается между двумя  магнитными дорогами под действием  многополюсным магнитным потоком. Плавность перемещения достигается синусоидальной коммутацией токов в обмотках. Это обеспечивает высокую динамику, исключительную плавность перемещения.

Основной недостаток линейных приводов для КИМ в их нагревании, что меняет температуру КИМ и помещения, в котором КИМ установлена.
В случае применения линейного двигателя на КИМ должно быть обеспечено хорошее охлаждение, не допускающее нагревания частей машины и повышения температуры в помещении, где установлена машина. Поэтому температура в зоне расположения линейного двигателя должна измеряться с помощью датчиков  температуры.

Из-за этого недстатка и некотрой сложности конструкции линейные электродвигатели редко применяют на КИМ, отдавая предпочтение более простому приводу с ременной передачей.

Ременный привод

Во многих современных КИМ применяют очень простой по конструкции маломощный ременный привод.   Привод устроен примерно следующим образом. Вдоль всей длины подвижного узла, например пиноли, натянут синтетический ремень небольшого сечении, примерно 1х10 мм. Перпендикулярно ремню неподвижно установлен  электродвигатель, на валу которого установлен ролик. Ролик находится в контакте с ремнем или охватывается ремнем. При вращении вала двигателя пиноль передвигается.

Как уже указывалось выше, требования к электроприводу КИМ невысокие, так как обратная связь осуществляется по линейным энкодерам и командам датчика касания. Точного позиционирования узлов КИМ тоже не требуется, потому что датчик касания срабатывает в момент контакта с измеряемой поверхностью,, а его перебег предусмотрен конструкцией и не влияет на точность срабатывания. Поэтому такая простая конструкция привода вполне удовлетворительна.