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机床设计之家

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液体静压丝杠驱动装置介绍  

2015-02-09 16:52:47|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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近年来,直线电机和高承载、无磨损的液体静压丝杠驱动装置成为替换滚珠丝杠驱动系统的新方案。将保持丝杠螺母与丝杠之间油膜厚度几乎恒定不变的液压流量调节器同伺服电机结合使用,可用作金属切削机床工作台的驱动装置,尤其适于在精加工领域中使用。

随着同步直线电机的出现和Hyprostatik Schinfeld有限责任公司高承载、无磨损的液体静压丝杠驱动系统的研发成功,人们逐渐熟悉到滚珠丝杠驱动系统的缺点。

液体静压丝杠驱动装置除了具有高精度和高可靠性的优点外,与滚珠丝杠驱动装置一样,也能把伺服电机的旋转运动转变成直线运动。液体静压丝杠驱动装置的螺母在改进型梯形螺纹丝杠齿面的油膜上运动(见图1),丝杠与螺母间的相对运动是没有间隙的。而维持油膜厚度所需要的供油量则由申请了专利的PM调节器(步进调节器)进行控制。因此,静压油膜的厚度几乎恒定不变,且与负载大小和运动速度无关。这样螺母和丝杠的整体刚度就比滚珠丝杠传动系统均匀进步了两三倍,而且做到了无间隙运动。
液体静压丝杠驱动装置介绍 - LSWEDM - 机床设计之家
图1 在液体静压丝杠驱动装置中,螺母(右侧)是
通过丝杠齿面上的油膜来传动的。因此这种传动
是一种无磨损的且与负载和运动速度无关的传动

螺母上共有8个PM步进调节器,可根据液压泵和步进调节器油池间的压力差自动供油,无需辅助能源。用户只需将过滤好的液压油倒进油箱,并保持丝杠驱动装置的规定压力即可。

液体静压丝杠的摩擦力非常小,而且与转速成正比,因此在运动换向时驱动力矩不会忽然变化。这恰正是实现高精度定位运动、轨迹运动以及微小间隔运动和精确的低速运动所必须的条件条件。在碰到动载荷时,液体静压丝杠的作用就如同一个带有外置减振器的减振装置,令机床的运行非常平稳且噪声很低,滚珠丝杠传动机构中存在的振动在这里消失的无影无踪。

液体静压丝杠驱动装置的刚性高于直线电机

直线电机的刚性是驱动装置轴承调节机构与线性导轨共同作用的总和。直线电机的刚性在没有轴承调节回路时即是零,在承受静载荷时非常高。这也适用于利用线性导轨控制的带有液体静压丝杠驱动装置(德文缩写HGT)的系统。

控制系统的反应时间、位移检测及电磁场天生等因素引起的时间延迟使直线电机的“动态”刚性变得很低。据一家直线电机生产厂透露,直线电机的动态刚性在30N/μm(工作台质量100kg)到120N/μm(工作台质量600kg)范围内是没有频率数据的。由于缺少缓冲,当工作台负载波动时就可能出现共振。

而公称规格为50的液体静压丝杠驱动装置的刚性则不同于直线电机:包括螺纹丝杠的弹性在内,丝杠单侧承受负载时的动态刚性达到了约500N/μm,丝杠的有效工作长度为400mm。

在高缓冲性能和高惯性矩的共同作用下,这种驱动装置有着比直线电机更小的振动运行间隔或更小的动态定位误差。而且,由于液体静压丝杠具有极佳的缓冲性能,所以即使出现振动也会很快被消除。

液体静压丝杠驱动装置和直线电机都没有受零部件限制的加速极限。液体静压丝杠的最大加速度与被驱动物体的质量和推动力有关,且其使用寿命与加速度无关。而直线电机则必须对其自身的惯性矩和丝杠传动机构加速。现代化的伺服电动性能够对质量为500~1000kg的工作台在500~1000mm的长度上进行加速,加速度范围为16~34m/s2。而对于性能优化了的短行程工作台,其加速性能也明显提升,能够提供更高的加速度。另外,利用直线电机进行驱动的机床,其工作台的运动速度还受断电时设备控制能力的限制,如出现碰撞及意外事故时的断电。

直线电机的最大连续进给力是8 kN,这在金属切削机床的大部分应用中是远远不够的。而公称规格为50的液体静压丝杠驱动装置的最大连续进给力可达20kN,大型的125液体静压丝杠驱动装置的最大连续进给力甚至高达300kN。从可能实现的最大进给力来讲,液体静压丝杠远远超过了直线电机。不论是在缓慢的或者超高速的高负载运动工况中,还是在振动工况中,液体静压丝杠的功能和使用寿命都不会受到影响(见图2)。
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图2 与线性电动机驱动系统(a)相比较,液压丝杠
驱动系统(b)只需7%的动力即可产生100%的推动力

液体静压丝杠驱动装置在丝杠螺矩为10mm时的最大工作台运动速度为30m/min,20mm时为60m/min,30mm时达90m/min。当驱动旋转主轴时,最高转速受临界转速的限制。采用直线电机,工作台的最大进给速度在额定负载情况下为60~200m/min。

高速运动减少辅助工时

一般来讲,只有在对机床设备进行辅助调整时才需要最高工作台速度和加速度,而在生产加工过程中,这些参数是很少用到的。加速度超过10m/s2时所节省的辅助工时对整个生产加工的均匀工时来讲并没有太大意义,只有在工时非常短的加工中,高加速度才是有意义的。

进步切削速度,如将切削速度进步至20~40m/min,是一件很有意义的事,可进一步进步工作台的运动速度,如将其进步至40~60m/min,工作台滑过的间隔就约为400mm;当将工作台速度进步至80m/min时,则其滑过的间隔约为800mm。利用液体静压丝杠,可以实现20m/s2的加速度和90m/min的快进速度。多数金属切削机床采用较低的进给速度和加速度就能得到很好的加工效果,且能保证较长的使用寿命;而且由于发热低,也降低了维护保养用度和能源用度。

在机床加工生产的较长时间内,工作台的进给速度都是比较低的,约为0.1~0.4m/min,因此所需进给力较大。据直线电机生产厂家介绍,直线电机在低进给速度的切削加工中,即在额定切削力为6600N时冷却系统的冷却功率为5.4kW。若采用循环水冷却方法,还要为冷却器提供至少2.6kW的功率。也就是说为达到6600N的进给力需要消耗约8kW的电能(见图3a)。
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图3 与直线电机(a)的比较试验得出:液
体静压丝杠(b)有着更好的能源利用率

典型的液体静压丝杠在高速切削时所需要的液压油量约为2L/min,液压泵的工作压力约为5MPa。驱动液压泵和空气-液压油热交换器所需的功率约为0.45kW,驱动进给速度为4m/?min、进给力为10000N、效率为50%的伺服电机的功率约为0.14kW,也就是说总功率需求约为0.6kW,而进给力却进步了1/3,或说减少了7.4kW的功率消耗(见图3b)。对于三驱动的动力系统可节约22kW的电能。

在设备中,直线电机必须安装在工作台下方,其发热量极高需要采用水冷方式与工作台隔离,否则会产生较大误差。而液体静压驱动系统的伺服电机则是单独安装的,可传导到驱动轴上的热量非常少,因此一般情况下可用外部透风方式对电机进行冷却,只有在特殊情况下才需要使用水冷系统。当工作台高速运动时由液压泵和液体静压螺母摩擦产生并传导到液压油中的热量也非常少,典型工况时约为60~120W。这些热量可由液压油散发出往,保证了液压油温度和清洁度的长期稳定。

滚珠丝杠传动机构的缺点

在滚珠丝杠中由于滚珠换向器的原因,无法实现高加速度和速度,也无法完成往复摆动运动。滚珠丝杠的缓冲性能很低且有磨损,会因摩擦影响定位精度和刚性,摩擦力矩也会引起换向时的跳动突变。若出现碰撞会在滚珠的滚道上留下滚珠压痕,缩短滚珠丝杠的使用寿命。

另外,由于滚珠丝杠的滚珠螺母具有一定的预紧力,因此在运动换向时会出现明显的扭矩突变。这种扭矩突变是由于滚珠进进螺母和退出螺母时的摩擦产生的。基于上述扭矩突变程度的不同,使得工作台的精确定位、微小间隔的运动和超低速运动等只有在特定条件下才能实现。

上述滚珠丝杠的种种缺点在液体静压丝杠中都不存在。在液体静压丝杠中,加速度是没有限制的,不同的应用场合中,可通过调整液压油的粘度、压力和流量实现螺母的最佳加速性能匹配。液体静压丝杠完全没有磨损,可以在高负载情况下缓慢运动,实现很高频率的往复摆动运动。采用液体静压丝杠螺母,还能很好的补偿和缓解振动。其碰撞安全性能也高于滚珠丝杠,但碰撞也会对液体静压丝杠产生损伤。

与卡尔沃斯某技术研究所的检验测试得出的结果相同,液体静压丝杠驱动装置的刚性明显高于滚珠丝杠,且不会因磨损而发生变化。尽管液体静压丝杠的摩擦力很小,但摩擦力的大小与运动速度成比例,从而在换向运动时还是会出现很小的扭矩突变。

若液体静压丝杠使用了液体静压轴承且工作台也采用液压驱动,则伺服电机在工作台低速运动及做转向运动时就不必克服摩擦力了。液体静压驱动机构和导轨也有可能实现步进运动和以微秒为单位的往复摆动运动,由于精确的低速进给同负载大小无关。

直线电机的制动,包括带有制动装置的直线电机的制动,在断电时都会有所限制。而伺服电机的智能化制动则与其相反,其可通过丝杠驱动机构提供高于直线电机几倍的制动力,而且液体静压丝杠驱动装置在断电时具有自锁能力。

直线电机的电磁场需要附加保护措施

在直线电机的应用中,导向机构在电磁力的作用下承受着很大的负载。即使机床停工后,电磁力仍对机床施加影响,约为40kN。这种电磁负载使得电机输出动力的大小不断变化,对电机的最大驱动力有着较大影响。另外,考虑到工作台的高速度和高加速度也会降低转动导轨的使用寿命,因此,在直线电机驱动的工作台中更多使用的是液体静压导轨,而不是转动导轨。

与液体静压丝杠一样,液体静压导轨工作时也是无磨损的,与运动速度和负载大小有关的摩擦力也降低了20~1000倍,而且换向时没有作用在导轨上的换向力。因此,质量较高的驱动和控制系统在配备了“全液体静压”的十字工作台后就可以实现轨迹运动误差为0.1 μm的圆弧运动,从而为机床设计方案提供了新的可能性,如坐标镗床和坐标磨床。

此外,可磁化的切屑能够被直线电机磁力很强的零部件所吸附,这可能给机床和设备带来非常严重的后果。因此,必须为直线电机采取很好的隔离屏蔽措施。集成在机床中的直线电机的装配、维护保养和更换明显比外置的无需拆卸驱动轴的伺服电机更费时费力。

利用不同方式保证液压油流回油箱

驱动液体静压丝杠机构所需要的液压油必须再次流回设备中。它既可经过有防尘圈的螺母和管道流回油箱,也可与液体静压导轨的液压油一起流回油箱。液体静压导轨、丝杠驱动机构和丝杠轴承可由一个液压泵提供相同压力的液压油,同时还可完成其他液压设备的润滑任务。使用直线电机的机床设备在改进时必须进行全面设计,而用液体静压丝杠代替滚珠丝杠相对来讲就比较简单(见图4)。
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图4 在磨床中,可以简单方便的用液体
静压丝杠传动机构取代滚珠丝杠传动机构

第一套液体静压丝杠驱动装置问世10年后,就已成为众多欧洲机床厂家高精度机床的标准配置,如凸轮轴磨床、曲轴磨床及齿轮磨床中的标准配置。振动频率超过60Hz且转速超过3000r/min的非圆加工也能够利用液体静压驱动装置来实现生产。第一台长度为3.5m、轴向力为300kN的液体静压驱动的汽车内齿轮拉床已经投产。另外,在Florida市的某研究中心也有一台配备了液体静压丝杠驱动系统和液体静压导轨的铣床。
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