Применение линейных двигателей имеет следующие преимущества перед схемами с серводвигателями: точность позиционирования; возможны сверхмалые подачи (микроны); высокая скорость (свыше 3 м/с); высокое ускорение (80 м/с2); отсутствие мертвого хода; низкий уровень шума даже при максимальной скорости; возможность реализации малых рабочих ходов; отсутствуют упругие деформации элементов привода (зубчатый ремень, винт ШВП); длительный срок службы и надежность. К недостаткам следует отнести: высокие требования к точности изготовления элементов машины; наличие системы охлаждения; высокая стоимость.
В состав типовой сервосистемы на основе линейного двигателя (рис. 1) входят: линейный двигатель, состоящий из первичной и вторичной секций; блок управления (на рисунке не показан); рабочий стол; направляющие качения; датчик обратной связи; кабелеукладочная цепь; ограничитель хода; буфер.
Для контроля скорости, положения системы и коммутации двигателя используется датчик линейных перемещений. Этот узел преобразует измеряемое перемещение в последовательность электрических сигналов, содержащих информацию о величине и направлении этих перемещений. Преобразователь состоит из измерительной головки и линейки, при этом между ними отсутствует механический контакт. Как правило, это оптоэлектрические датчики, но также могут использоваться магнитные и индукционные системы.
Линейный двигатель, как и вращающийся, состоит из двух частей: первичной и вторичной секций. Первичная секция соответствует статору вращающегося двигателя. Она включает в себя шихтованный магнитопровод с трехфазной обмоткой и температурный датчик. Вторичная секция представляет собой ротор, состоящий из стального несущего каркаса с прикрепленными к нему постоянными магнитами. Первичная и вторичная секции заключены в оболочки.
Условно говоря, линейный двигатель (рис.2) представляет собой вращающийся двигатель, который разрезан и «развернут» в плоское состояние. Соответственно, принципы работы остаются неизменными. Однако, в линейном двигателе движение совершает первичная секция (обмотка) при неподвижной вторичной секции (роторе).
Движущее магнитное поле генерируется обмоткой первичной секции. Поля вторичной секции и результирующее магнитное поле первичной секции создают движение в соответствующем направлении посредством создания тягового усилия. Положение результирующего вектора определяется фазами токов инвертора, а амплитуда вектора, и, следовательно, развиваемое мотором усилие, задается амплитудами фазных токов.
Для нормальной работы линейного двигателя необходимо точно выдержать воздушный зазор между первичной и вторичной секциями. При увеличении зазора уменьшается нагрузочная способность двигателя. В связи с этим повышаются требования к точности исполнения монтажных поверхностей. На величину и точность воздушного зазора влияют направляющие прямолинейного движения и рабочий стол.
Как и серводвигатель, линейный двигатель управляется блоком управления. Модель блока управления определяется выбранным типом линейного двигателя.
На одной оси могут быть установлены две первичных секции, работающие параллельно от одного блока управления. Эти секции должны быть одного типоразмера с одинаковым типом обмотки. При этом расстояние между первичными секциями определяется требуемыми позициями электрических фаз. Допустимые компоновки секций и расстояния между ними приводятся в документации на двигатель.
Критическим местом для линейных двигателей является температурный режим. Производители предлагают линейные двигатели с воздушным и водяным (масляным) охлаждением. Это может быть один и тот же двигатель, работающий в разных режимах.
Конвекционное охлаждение значительно упрощает конструкцию машины, однако, при этом существенно снижается номинальное тяговое усилие (≈ в 2 раза). Максимальное усилие двигателя остается прежним. На рис. 3 представлена простейшая схема водяного охлаждения. Естественно, наличие охлаждения делает конструкцию всей машины в целом сложнее.
Стремясь улучшить охлаждение двигателя, производители вводят в его конструкцию дополнительные охлаждающие элементы. На рис. 4 (а) приведена конструкция первичной секции двигателя фирмы Sew-Eurodrive с воздушным охлаждением, в которой применен вентилятор. На рис. 4 (б) представлен линейный двигатель фирмы Siemens с дополнительным водяным радиатором направленного охлаждения первичной и контуром охлаждения вторичной секций.
Для предотвращения перегрева линейный двигатель оснащается датчиком температуры. Датчик отключает двигатель при температуре обмотки ≈ 120ºС.
К основным характеристикам линейного двигателя относят: номинальное тяговое усилие FN, H; максимальное тяговое усилие Fmax, H; максимальная скорость Vmax, м/с; сила магнитного притяжения первичной секции – длина L, мм и ширина B, мм. На рис.5 представлена типовая зависимость тягового усилия от линейной скорости. Номинальное усилие FN, задающее область работы с постоянной нагрузкой, определяется температурным режимом. С максимальным усилием двигатель может работать ограниченное время и не во всем диапазоне скоростей.
В таблице 1 приведены данные о характеристиках линейных двигателей от различных производителей. Номинальное тяговое усилие приводится при воздушном и водяном охлаждения (разделены знаком «/»). Естественно, все модели не могут быть представлены в одной таблице. Полные каталоги предоставляются производителями или их дилерами.
Таблица 1. Характеристики линейных двигателей
Fmax, H |
Mitsubishi(тип HALM 12, 14) |
Sew-Eurodrive (тип SL2-Basic) |
Siemens (тип 1FN3) |
Рухсервомотор (тип LSM-36) | ||||||||||||
FN, H |
Fd, H |
Vmax,м/с |
m, кг |
FN, H |
Fd, H |
Vmax,м/с |
LxB,мм |
FN, H |
Fd, H |
Vmax,м/с |
LxB,мм |
FN, H |
Fd, H |
Vmax,м/с |
LxB,мм | |
250 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
212 / 109 |
900 |
10,0 |
163х65 |
500 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
200 / 100 |
1330 |
5,3 |
150x96 |
418 / 214 |
1800 |
10,0 |
163x90 |
650 |
- |
- |
- |
- |
- / 280 |
1480 |
8,0 |
192x84 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
750 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
617 / 316 |
2750 |
8,1 |
163x120 |
1100 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
450 / 225 |
2650 |
8,3 |
255x96 |
836 / 429 |
3600 |
6,0 |
307x90 |
1300 |
- |
- |
- |
- |
- / 560 |
2880 |
6,9 |
368x84 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
1500 |
250/500 |
3750 |
2 |
8,5 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
1234 / 633 |
5500 |
7,0 |
307x120 |
2000 |
- |
- |
- |
- |
- / 840 |
4300 |
6,4 |
544x84 |
- |
- |
- |
- |
1559 / 796 |
7300 |
10,0 |
307x145 |
2750 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
1125 / 550 |
6630 |
4,3 |
570x96 |
- |
- |
- |
- |
3000 |
500/1000 |
7500 |
2 |
15 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
2339 / 1193 |
11000 |
7,6 |
451x145 |
3500 |
- |
- |
- |
- |
|
|
|
|
1225 / 610 |
6870 |
13,0 |
382x141 |
- |
- |
- |
- |
4000 |
- |
- |
- |
- |
- / 1800 |
8570 |
6,9 |
544x134 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
4500 |
750/1500 |
11250 |
2 |
22 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
3394 / 1727 |
16500 |
5,1 |
451x195 |
5200 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
1930 / 965 |
10300 |
14,0 |
543x141 |
- |
- |
- |
- |
5800 |
- |
- |
- |
- |
- / 2700 |
12860 |
6,4 |
544x184 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
6000 |
1000/2000 |
15000 |
2 |
27 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
4526 / 2303 |
22000 |
3,8 |
595x195 |
7700 |
- |
- |
- |
- |
- / 3600 |
17000 |
6,4 |
720x184 |
2895 / 1450 |
15450 |
8,7 |
543x188 |
5657 / 2878 |
27500 |
3,0 |
739x195 |
9000 |
1500/3000 |
22500 |
2 |
40 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
10000 |
- |
- |
- |
- |
- / 4500 |
21430 |
3,5 |
544x284 |
3860 / 1930 |
20600 |
8,7 |
704x188 |
- |
- |
- |
- |
12500 |
2000/4000 |
30000 |
2 |
53 |
- / 6000 |
28450 |
3,3 |
720x284 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
14000 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
5220 / 2600 |
27460 |
4,3 |
704x248 |
- |
- |
- |
- |
Исходными данными для расчета двигателя являются: масса движущихся частей М, кг; коэффициент трения направляющих, µ; рабочий ход L, мм; направление оси перемещения – горизонтальное, вертикальное, под углом к горизонтали; рабочие усилия Fc, Н; максимальная скорость перемещения Vmax, м/с; время ускорения ta, сек; температура окружающей среды t, ºС. Для правильного выбора линейного двигателя необходимо иметь циклограммы нагружения, скорости и ускорения (рис.6). Циклограмма ускорения является производной, при этом ускорение а, м/с2 определяется по формуле а = V ÷ ta.
Выбор линейного двигателя основан на определении потребного тягового усилия. Данный расчет предполагает, что вторичная секция линейного двигателя неподвижна. На первом этапе предварительно подбираем двигатель, используя формулу
_ _ _
Fmax = 1,5 ∙ (Fg + Fa),
где Fg, Н – эффективная составляющая гравитационной силы (рис.7, а); Fa– сила энерции, возникающая при разгоне. Как правило, необходим двигатель с максимальным тяговым усилием. По данным производителя выбираем двигатель с необходимым Fmax и потребной скоростью Vmax.
Затем необходимо определить силу трения Fr, Н, возникающую в направляющих качения (рис.7, б) по формуле
_ _ _
Fmax = µ ∙ (Fn + Fd),
где Fn – нормальная составляющая силы трения; Fd – сила магнитного притяжения первичной секции. Следовательно, можно записать Fr = µ ∙ [(М+m) ∙ g ∙ sin α + Fd], где µ, кг – масса первичной секции.
Следует обратить внимание, что при применении направляющих скольжения сила трения зависит также от скорости движения, коэффициентов трения покоя и скольжения, силы прижатия клина направляющей и т.д. Для примера на рис.8 (а) приведена циклограмма именно для этого случая.
Далее определяем силу инерции Fa, Н, возникающую при разгоне/торможении двигателя, используя формулу Fa = (M+m) ∙ a.
Сумма сил, действующих на систему, определяется уравнением
_ _ _ _ _
Fm = Fc + Fg + Fa + Fr.
Следует построить циклограммы всех действующих на двигатель сил и результирующую циклограмму (рис.8). При этом необходимо точно определить максимально потребную силу Fmax, Н. Предварительно выбранный двигатель должен развивать потребное максимальное тяговое усилие.
Помимо максимальной силы, необходимо определить номинальное усилие, с которым двигатель может работать продолжительное время. Номинальное тяговое усилие FN, Н, ограничивается температурой двигателя и в общем случае определяется по формуле
t
FN = √1/t ∫ F2 (t) dt.
0
При ступенчатой результирующей циклограмме нагружение (рис.8, б) (направляющие качения) FN = √1/t ∙ (F12t1 + F22t2 + F32t3 + … + Fn2tn).
После выбора первичной секции необходимо выбрать вторичную секцию. Длина вторичной секции (рис.9, а) Ls, мм определяется по формуле Ls ≥ L + Lp + (2 ∙ SE), где L, мм – рабочий ход; Lp, мм – активная длина первичной секции; SE, мм – запас хода на переключение (≈20 мм).
На одной вторичной секции можно устанавливать несколько первичных (рис.9, б). При этом длина вторичной секции соответственно должна быть увеличена на длину первичной секции и на зазор между секциями. Если первичные секции управляются от различных сервоусилителей с отдельными измерительными системами (типа ведущий/ведомый привод), зазор между ними определяется требованиями механических частей системы – длина присоединительного штекера, радиус изгиба кабеля, и т.д. Если же первичные секции управляются одним блоком параллельно, зазор между ними должен быть принят в соответствие с монтажным чертежом.
Требуемый ход может быть обеспечен набором вторичных секций различной длины. Длины вторичных секций указываются производителем. Очень часто более выгодно использовать большое число коротких сегментов вместо нескольких длинных.
Как правило, можно выбрать несколько двигателей с разными размерами, имеющих примерно равные максимальное и номинальное тяговые усилия. В этом случае можно дать следующие рекомендации по выбору линейного двигателя.
Максимальное усилие не зависит от вида охлаждения. При равном номинальном усилии линейный двигатель с водяным охлаждением будет меньше, и, следовательно, дешевле. Однако к стоимости двигателя прибавится стоимость системы охлаждения. Рекомендуется использовать водяное охлаждение для двигателей с интенсивным рабочим циклом (частое ускорение, торможение, длительная работа с большим усилием).
Стоимость первичной секции линейных двигателей с равным усилием меньше у секций меньшей длины и большей ширины. Однако стоимость вторичной секции меньше при меньшей ширине. Поэтому при малом рабочем ходе (менее 1 м) рекомендуется выбирать двигатель с меньшей длиной и большей шириной первичной секции. При перемещениях свыше 1 м – первичную секцию большей длины и меньшей ширины.
Максимальная скорость линейного двигателя зависит от значения тока при заданном напряжении питания. Следует выбирать исполнение двигателя с наименьшей скоростью, наиболее близкой к потребной.
Сервоприводы относятся к той области машиностроения, которую называют «мехатроника». Этот термин объединяет понятия «механизм» и «электроника». Достижения электроники позволяют назвать практически любой современный механизм мехатронным. Вместе с тем, часто приходится слышать, что «это дорого», «это не для наших условий» и т.д. А может, стоит еще раз вспомнить слова академика В.Н.Челомея: «Чтобы система была устойчивей, ее надо часто трясти».
М. Гранкин, инженер-конструктор
Журнал «Мир техники и технологий»