精密伺服直線電機平臺設計及運動仿真.doc

摘摘 要要 直線電機在各行各業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用 特別是在機床進給驅(qū)動系統(tǒng)中 直線電機平臺由直線電機驅(qū)動 結(jié)構(gòu)簡單 無中間傳動環(huán)節(jié) 運動速度高 精度高 無摩擦磨損 噪音低 壽命長 對環(huán)境無污染 采用精密光柵編碼器或磁柵直接撿取 位置和速度信號并反饋給系統(tǒng) 控制回路簡單可靠 平臺結(jié)構(gòu)形式多樣 在本設計就 針對具體樣機進行結(jié)構(gòu)對比 通過 Pro E 仿真軟件對設計進行驗證 保證平臺的動態(tài) 剛度和運行精度 本課題來源于廣東省高新技術產(chǎn)業(yè)化攻關項目 本設計以直板型交流永磁同步直線 電機為研究對象 通過掌握精密伺服直線電機運動平臺的設計原則對其進行造型設計 及運動仿真 本設計的平臺重復定位精度 0 5 到 1um 加速度可達 1g 最高運動速度 可達 2m s 其運動行程可達 200mm 通過本課題的設計 從中了解直線電機的原理 相關技術及應用等知識 掌握查閱資料和設計方案選擇的方法 同時培養(yǎng)機電硬件和 軟件連接的設計思路 提高機電一體化設計水平 由于知識和能力的限制 本次課題只對直線電機做一些理論研究 關鍵詞 永磁同步直線電機 Pro E 三維造型 運動仿真 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 II Abstract Linear motors are playing a more and more important role in all kinds of trade especially in machine tool feed system Linear motor platform is driven by the linear motor its structure is simple no middle transmission link high speed high precision no friction low noise long service life no environmental pollution Using sophisticated grating encoder or magnetic bar directly to pick up the position and speed and feedback to signal system the control circuit is simple and reliable The structure of platform is in diverse forms this design is for concrete prototype by comparison of each structures we can make design verification by using Pro E simulation software and can ensure the dynamic stiffness and operation of the platform This topic is from guangdong hi tech industrialization research project the design of permanent magnetic synchronous alternating current linear motor as the research object by mastering the design principle of precision servo linear motor platform we make modelling design and motion simulation This design platform can reach repositioning precision of 0 5 to 1um the acceleration of 1g the highest speed of 2m s and its movement accessibility has 200mm Through this research design I understood the principle of linear motor the related technology and its applications grasped the methods of looking up information and choosing the design project simultaneously developed the design mentality of the connection of mechitronics hardware and software improved the mechatronics designing level As a result of the knowledge and ability limit this topic only does a fundamental research to the linear motor Key words permanent magnet synchronous linear motor PMSLM Pro E three dimensional modelling Motion simulation 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 III 目 錄 摘摘 要要 I Abstract II 第一章 緒 論 1 1 1研究背景和意義 1 1 2直線電機的運行原理及特點 2 1 2 1 直線電機的基本運行原理 2 1 2 2 直線電機進給系統(tǒng)優(yōu)缺點分析 3 1 3 直線電機發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 4 第二章 精密伺服直線電機平臺的設計 6 2 1 設計要求 6 2 1 1 設計任務 6 2 1 2 設計參數(shù)的確定 6 2 2 方案的分析 比較 論證 6 2 2 1 精密伺服直線電機平臺的總體方案設計應考慮的問題 6 2 2 2 直線電機結(jié)構(gòu)形式的選擇 7 2 2 3 不同直線電機布局的伺服進給平臺結(jié)構(gòu)類型的比較 8 2 3 初選伺服直線電機 8 2 3 1 工作臺設計 9 2 3 2 預選定直線電機 10 2 3 3 參數(shù)驗算 10 2 4 導軌的選型及計算 13 2 4 1 初選導軌型號及估算導軌長度 13 2 4 2 計算滾動導軌副的距離額定壽命L 14 2 5 光柵尺的選用 15 2 6 緩沖器的選用 15 2 7 拖鏈的選型 16 2 8 其余各非標零部件的設計 16 第三章 直線電機 Pro E 三維造型及運動仿真 17 3 1 主要零部件實體造型 17 3 2 整機虛擬裝配 18 3 3 直線電機做直線運動的仿真動畫 19 3 3 1 定義伺服直線電機 19 3 3 2 對所選伺服電機進行分析定義 20 3 3 3 回放動畫 20 3 3 4 捕獲動畫 21 總結(jié)與展望 22 鳴 謝 23 參考文獻 24 附 錄 25 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 1 第一章 緒 論 1 1研究背景和意義 高速化 精密化和模塊化是現(xiàn)代制造技術的發(fā)展方向 進入 90 年代以來 高速加 工迅速發(fā)展 在高速加工中心中 高速電主軸和快速進給伺服系統(tǒng)是其中兩項關鍵技 術 其中對進給伺服系統(tǒng)提出新的要求 1 進給系統(tǒng)必須與高速主軸相匹配 速度達 到 60m min 或更高 2 加速度要大 這樣才能在最短的時間和行程內(nèi)達到要求的高速 度 至少要 1 2 3 動態(tài)性能要好 能實現(xiàn)快速的伺服控制和誤差補償 具有較高 的定位精度和剛度 現(xiàn)代高速機床上實現(xiàn)高加速度直線運動有兩種途徑 一是采用滾珠絲杠傳動 一 是采用直線電機傳動 前者采用旋轉(zhuǎn)伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠 這種進給系統(tǒng)所能達到 的極限速度為 90 120m min 最大加速度也只有 1 5g 同時 由于電機到工作臺之間 存在大量的中間環(huán)節(jié) 如聯(lián)軸節(jié) 絲杠等 在高速運行或完成復雜運動時 這些機械 元件產(chǎn)生的彈性變形 摩擦 反向間隙等會產(chǎn)生進給運動的滯后和其它一些非線性誤 差 使系統(tǒng)有較大的慣性質(zhì)量 影響了對指令的快速響應 另外 絲杠是細長桿 在 力和熱的作用下會產(chǎn)生較大變形 影響加工精度 為了克服傳統(tǒng)進給系統(tǒng)的缺點 簡 化機床結(jié)構(gòu) 滿足高速精密加工的要求 人們開始研究新型的進給系統(tǒng) 于是直線電 機平臺開始作為進給系統(tǒng)出現(xiàn)在加工中心中 它取消了源動力和工作臺部件之間的一 切中間傳動環(huán)節(jié) 使得機床進給傳動鏈的長度為零 即所謂的 直接驅(qū)動 或 零傳 動 這種機械上的簡化使得外界及自身的任何擾動都會毫無緩沖的作用在直線電機 上 因此對直線電機的伺服控制系統(tǒng)的性能好壞 又決定了直線電機的整體性能 目前國外對直線電機的研究已處于應用階段 技術已經(jīng)很成熟 但價格昂貴 為 了提高我國機床和制造業(yè)水平 國內(nèi)已經(jīng)開始了直線電機特別是機床進給系統(tǒng)用的直 線伺服電機的研究 但還處在探討和試制階段 為了掌握自己的知識產(chǎn)權(quán) 清華大學 制造所于 1996 年開始研究大推力 長行程交流永磁直線同步電機進給單元 2 之前 第一代樣機已經(jīng)制造出來 但控制性能有待改善 有必要進一步研究直線電機的交流 伺服控制單元 本課題是根據(jù)上述背景和實驗室現(xiàn)有條件提出來 針對現(xiàn)有的樣機進 行了直線電機機械系統(tǒng)的研究 本課題研究的目標是根據(jù)平臺的設計原則 通過合理 計算 比較 選擇最優(yōu)設計方案 解決以往直線電機選型 平臺結(jié)構(gòu)設計不合理帶來 的整體結(jié)構(gòu)設計效果不佳的問題 并完成其虛擬裝配和運動仿真 根據(jù)設計任務書要求確定直線電機系統(tǒng)平臺的方案設計與比較 根據(jù)原始數(shù)據(jù) 采用閉環(huán)控制 定位精度 500nm 行程 200mm 加減速 1g 對直線電機平臺系 統(tǒng)各部件進行選型計算 整體結(jié)構(gòu)設計 完成虛擬裝配與運動仿真 同時通過測試平 臺運動的動力特性與運動特性來輔助驗證平臺設計的合理性 作為高速加工中心的關 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 2 鍵功能部件之一 直線電機的核心技術和應用市場都被國外的大公司如 Anorad Siemens Kollmorgen Indramat Aerotech Park 等所擁有 因此自主開發(fā)一 套直線電機及其伺服控制系統(tǒng)對于提高我國制造業(yè)水平和高速加工設備國產(chǎn)率有著較 大的實際意義和經(jīng)濟價值 此外 直線電機還應用于軍事 交通等領域 作為一種新 技術有著很高的推廣價值 1 2直線電機的運行原理及特點 1 2 1 直線電機的基本運行原理 所謂直線電機就是利用電磁作用原理將電能直接轉(zhuǎn)換直線運動動能的設備 直線 電機的結(jié)構(gòu)可以看作是將一臺旋轉(zhuǎn)電機沿徑向剖開 并將電機的圓周展開成直線而形 成的 其中定子相當于直線電機的初級 轉(zhuǎn)子相當于直線電機的次級 圖 1 2 在實 際應用中 為了保證在整個行程之內(nèi)初級與次級之間的耦合保持不變 一般要將初級 與次級制造成不同的長度 直線電機與旋轉(zhuǎn)電機類似 通入三相交流電流后 也會在 氣隙中產(chǎn)生磁場 如果不考慮端部效應 磁場在直線方向呈正弦分布 只是這個磁場 是平移而不是旋轉(zhuǎn)的 因此稱為行波磁場 圖 1 3 行波磁場與次級相互作用便產(chǎn)生 電磁推力 使初級和次級產(chǎn)生相對運動 這就是直線電機運行的基本原理 3 圖 1 2 由旋轉(zhuǎn)電機演變?yōu)橹本€電機圖 行波磁場 導條速度 V磁場速度 Vs 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 3 圖 1 3 交流直線電機氣隙中的行波磁場 1 2 2 直線電機進給系統(tǒng)優(yōu)缺點分析 現(xiàn)代制造技術的高速加工系統(tǒng)中 直線電機系統(tǒng)已成為標志性元件 直線電機的 特點在于能直接產(chǎn)生直線運動 與間接產(chǎn)生直線運動的 旋轉(zhuǎn)伺服電機 滾珠絲杠 相比具有以下優(yōu)點 5 具體性能見表 1 1 1 沒有機械接觸 傳動力是在氣隙中產(chǎn)生的 因此沒有金屬和金屬的接觸 除 了直線導軌外沒有其它摩擦 2 結(jié)構(gòu)簡單 體積小 以最少的零部件數(shù)量實現(xiàn)直線驅(qū)動 而且是只有一個運 動的部件 3 行程理論上不受限制 而且性能不會因為行程的改變而受到影響 4 可以提供很寬的速度范圍 從每秒幾微米到數(shù)米 特別是高速是直線電機一 個突出的優(yōu)點 5 加速度很大 最大可達 10g 6 運動平穩(wěn) 這是因為除了起支撐作用的直線導軌或氣浮軸承外 沒有其它機 械連接或轉(zhuǎn)換裝置的緣故 7 精度和重復精度高 因為消除了影響精度的中間環(huán)節(jié) 系統(tǒng)的精度取決于位 置檢測元件 有合適的反饋裝置可達亞微米級 8 維護簡單 由于部件少 運動時無機械接觸 從而大大降低了零部件的磨損 只需很少甚至無需維護 使用壽命更長 表 1 1 直線電機與 旋轉(zhuǎn)伺服電機 滾珠絲杠 傳動性能比較 性能旋轉(zhuǎn)伺服電機 滾珠絲杠直線電機 精度 m 300mm 100 5 重復精度 m 50 1 最高速度 m min 20 3060 200 最大加速度 g 0 1 0 32 10 靜態(tài)剛度 N m 90 18070 270 動態(tài)剛度 N m 90 180160 210 速度平穩(wěn)性 101 調(diào)整時間 ms 100 10 20 壽命 h 6 000 10 000 50 000 任何事物都有兩面性 直線電機也有自身的缺點 主要表現(xiàn)在以下幾點 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 4 1 存在縱向端部效應 首先 直線電機的結(jié)構(gòu)特點導致繞組在電機中的幾何位置不再具有對稱性 對多 相電機來說這種不對稱性會造成各相參數(shù)的不對稱性 從而引起電機性能的波動 另 一方面 磁場在縱向端部斷開并衰減 使行波磁場的基波減弱而諧波得到加強 導致 電機推力密度下降 損耗增加 而且存在較大的推力波動 直線電機中由于縱向端部 的存在而引起的各種效應稱為縱向端部效應 End effect 直線電機的結(jié)構(gòu)特點決定 了縱向端部效應是不可避免的 5 2 控制難度大 直線電機雖消除了機械傳動鏈所帶來的一些不良影響 但卻增加了控制難度 因 為在電機的運行過程中負載 如工件重量 切削力等 的變化 系統(tǒng)參數(shù)攝動和各種 干擾 如摩擦力等 包括端部效應都直接作用到電機上 沒有任何緩沖或削弱環(huán)節(jié) 如果控制系統(tǒng)的魯棒性不強 會造成系統(tǒng)的失穩(wěn)和性能的下降 4 在要求高精度微進 給的場合 要求考慮更多的攝動和擾動等不確定因素對進給運動的影響 3 效率低 由于結(jié)構(gòu)上的限制 直線電機的氣隙通常比旋轉(zhuǎn)電機大 加上端部效應等造成的額外 損耗 效率和功率因數(shù)均比旋轉(zhuǎn)電機要低 4 成本高 直線電機的設計 制造 材料 防護和控制系統(tǒng)等成本均較高 隨著技術的成熟 和應用越來越廣泛 直線電機的成本也將越來越低 1 3 直線電機發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 在世界上第一臺旋轉(zhuǎn)電機 1831 年 誕生不久 就出現(xiàn)了直線電機的雛形 1845 年 Wheatstone 1890 年 美國匹茲堡市的市長首次發(fā)表了關于直線感應電機的專利 到 20 世紀 70 年代 直線電機在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展 其用途越來越廣 品種越 來越多 直線電機的應用已包括許多領域 例如運輸工業(yè) 工業(yè)自動化 辦公自動化 醫(yī)療設備和家庭自動化等 而 20 世紀 80 年代中期 稀土永磁材料的問世更是大大地 促進了永磁直線同步電機的發(fā)展 目前 在世界上一些發(fā)達國家 許多人和不少著名 電氣企業(yè)均在研究和開發(fā)直線電機產(chǎn)品 例如美國的 Westinghouse 公司 德國的 Siemens 公司 英國 法國 瑞典 特別是日本的一些公司和研究機構(gòu) 其人員之多和 范圍之廣是世界首屈的 直線電機技術應用于超精密加工機床和高速切削技術還是近幾年的事情 美國是 開展超精密加工技術研究最早的國家 也是迄今處于世界領先地位的國家 在直線的 超精密加工應用技術上也走在世界前列 AMETEK 集團旗下的 Precitech 公司是第一個 把直線電機作為工業(yè)標準的超精密加工設備廠商 其生產(chǎn)的超精密機床 Nanoform 200 250 Ultra 250 Ultragrind 700 Ultra 超精密自由曲面加工機床 Freeform 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 5 700G Freeform 700A 等都采用了直線電機直接驅(qū)動技術 獲得了非常高的加工精度 據(jù)有關資料介紹 Nanoform 250 Ultra 超精密機床加工的表面粗糙度能達到 1nm 面 形精度能達到 0 1 m Freeform 700A 超精密自由曲面機床的性能參數(shù)指標能達到 3nm 的表面粗糙度 0 15 m 的面型精度 在我國 直線電機的研究和應用是從 70 年代開始的 國內(nèi)開展直線電機應用研究 的單位主要有中國科學院電工所 西安交大 浙大 上大 太原工大 焦作礦業(yè)學院 等 主要成果有直線電機驅(qū)動遙控窗簾機 直線電機驅(qū)動門 炒茶機 工廠橋式起重 機 電磁錘 沖壓機 摩擦壓力機 磁分選機 玻璃攪拌機 例子加速器 礦山運輸 系統(tǒng)及計算機磁盤定位系統(tǒng) 自動繪圖儀等 我國近年來在直線電機研制與生產(chǎn)方面 雖然取得一定成績 但與歐美國家相比 其推廣應用方面存在著較大的差距 在國內(nèi) 直線電動機特別是機床進給系統(tǒng)中的直線伺服電機的研究還很不成熟 在超精密機床 上的應用技術研究更加處于起步階段 而且缺乏參與研究的尖端技術人員 基金的投 入較為不足 因此進展比較慢 加強研究已是迫在眉睫 為了打破國外的技術壟斷 必須走技術跟蹤和自主開發(fā)相結(jié)合的道路 加強基礎和關鍵技術的研究 為了推廣其 應用研究 必須加大資金 技術的投資力度并努力把研究成果推廣應用到社會當中 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 6 第二章 精密伺服直線電機平臺的設計 2 1 設計要求 2 1 1 設計任務 1 直線電機系統(tǒng)平臺裝配圖 A0 1 張 主要部件裝配圖 A1 1 張 非標準零件圖 若干要求重要剖面表達完整 向視表達完整 視圖適合標準 2 直線電機平臺運動仿真動畫文件若干 能表達平臺的運動情況 2 1 2 設計參數(shù)的確定 負載質(zhì)量 ML 15kg 軸向切削力 Fc 100N 定位精度 i 500nm 加減速 a 1g 加速時間 Ta 0 1s 勻速運動時間 Tb 0 5s 減速時間 Tc 0 1s 周期時間 T 1s 工作臺行程 s 200mm 最大運動速度 vm 1m s 加工材料 碳鋼 2 2 方案的分析 比較 論證 2 2 1 精密伺服直線電機平臺的總體方案設計應考慮的問題 1 直線電動機進給系統(tǒng)主要由直線電動機 工作臺 滾動導軌 反饋測量系統(tǒng) 防護系統(tǒng)等五部分組成 進給單元應按要求的額定進給速度 額定推力和加速度來設 計或選用直線電動機 并根據(jù)其應用場合確定進給單元的結(jié)構(gòu)形式 在設計過程中 還要考慮直線電動機的防磁 散熱和防護等問題 2 直線電動機和工作臺之間沒有任何中間傳動環(huán)節(jié) 因而這種進給系統(tǒng)只能采 用全閉環(huán)控制 此時工作臺負荷的變化 直線電動機 端部效應 及其在運動中的變 化 對伺服系統(tǒng)來說都是一個外界干擾 這些干擾沒有任何緩沖環(huán)節(jié) 就直接作用到 直線伺服電動機上 如果調(diào)節(jié)不好 就可能會降低系統(tǒng)的性能指標甚至造成振蕩 因 此 要求其位置與速度檢測裝置具有很高的分辨率和動態(tài)響應能力 系統(tǒng)要有魯棒性 很強的控制器 以消除內(nèi)部參數(shù)攝動和外界干擾的影響 如圖 2 1 所示 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 7 3 由于直線進給單元運動速度高 機床工作時導軌將承受很大的動載荷和靜載 荷 并受到多方面的顛覆力矩 導軌的摩擦系數(shù)還會影響進給系統(tǒng)的加速度和進給單 元的發(fā)熱等 因而必須選用高精度 高剛度 承載能力強的導軌 4 直線電動機的工作臺是高速進給單元的運動部件 如前所述 其質(zhì)量和進給 單元的最大加速度成反比 要提高進給單元的加速度就必須減輕工作臺的質(zhì)量 為此 工作臺可選用高強度的輕質(zhì)材料 如鋁鈦合金 纖維增強塑料等 同時還可采用有限 元分析和最優(yōu)化設計的方法 以獲得所要求的動 靜剛度條件下最輕的質(zhì)量 CNC 本科生畢業(yè)設計 精密伺服直線電機平臺設計及運動仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 學生姓名 許育生 所在專業(yè) 機械設計制造及其自動化 所在班級 機制 1062 申請學位 工學學士 指導教師 譚光宇 職稱 教授 副指導教師 職稱 答辯時間 2010 年 6 月 12 日 位置調(diào) 節(jié)器 速度調(diào) 節(jié)器 電流調(diào) 節(jié)器 電流反饋 本科生畢業(yè)設計 精密伺服直線電機平臺設計及運動仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 學生姓名 許育生 所在專業(yè) 機械設計制造及其自動化 所在班級 機制 1062 申請學位 工學學士 指導教師 譚光宇 職稱 教授 副指導教師 職稱 答辯時間 2010 年 6 月 12 日 速度反饋 本科生畢業(yè)設計 精密伺服直線電機平臺設計及運動仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 學生姓名 許育生 所在專業(yè) 機械設計制造及其自動化 所在班級 機制 1062 申請學位 工學學士 指導教師 譚光宇 職稱 教授 副指導教師 職稱 答辯時間 2010 年 6 月 12 日 位置反饋 本科生畢業(yè)設計 精密伺服直線電機平臺設計及運動仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 學生姓名 許育生 所在專業(yè) 機械設計制造及其自動化 所在班級 機制 1062 申請學位 工學學士 指導教師 譚光宇 職稱 教授 副指導教師 職稱 答辯時間 2010 年 6 月 12 日 位置測量 本科生畢業(yè)設計 精密伺服直線電機平臺設計及運動仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 學生姓名 許育生 所在專業(yè) 機械設計制造及其自動化 所在班級 機制 1062 申請學位 工學學士 指導教師 譚光宇 職稱 教授 副指導教師 職稱 答辯時間 2010 年 6 月 12 日 機械執(zhí)行部件 本科生畢業(yè)設計 精密伺服直線電機平臺設計及運動仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 學生姓名 許育生 所在專業(yè) 機械設計制造及其自動化 所在班級 機制 1062 申請學位 工學學士 指導教師 譚光宇 職稱 教授 副指導教師 職稱 答辯時間 2010 年 6 月 12 日 N C 本科生畢業(yè)設計 精密伺服直線電機平臺設計及運動仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 學生姓名 許育生 所在專業(yè) 機械設計制造及其自動化 所在班級 機制 1062 申請學位 工學學士 指導教師 譚光宇 職稱 教授 副指導教師 職稱 答辯時間 2010 年 6 月 12 日 N C 本科生畢業(yè)設計 精密伺服直線電機平臺設計及運動仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 學生姓名 許育生 所在專業(yè) 機械設計制造及其自動化 所在班級 機制 1062 申請學位 工學學士 指導教師 譚光宇 職稱 教授 副指導教師 職稱 答辯時間 2010 年 6 月 12 日 N C 本科生畢業(yè)設計 精密伺服直線電機平臺設計及運動仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 學生姓名 許育生 所在專業(yè) 機械設計制造及其自動化 所在班級 機制 1062 申請學位 工學學士 指導教師 譚光宇 職稱 教授 副指導教師 職稱 答辯時間 2010 年 6 月 12 日 指令信號 N C 本科生畢業(yè)設計 精密伺服直線電機平臺設計及運動仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 學生姓名 許育生 所在專業(yè) 機械設計制造及其自動化 所在班級 機制 1062 申請學位 工學學士 指導教師 譚光宇 職稱 教授 副指導教師 職稱 答辯時間 2010 年 6 月 12 日 圖 2 1 直線電機進給系統(tǒng)的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖 2 2 2 直線電機結(jié)構(gòu)形式的選擇 直線電機大體上分直線直流電機 直線步進電機 直線磁阻電機 直線感應電機 和直線同步電機五種 但各種直線電機的發(fā)展并不均衡 直線伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動電機 以永磁直線電機和直線感應電機為主 永磁直線電機和直線感應電機各有其優(yōu)缺點 永磁直線電機的優(yōu)勢在于每單位尺寸更大的出力發(fā)熱少 冷卻要求低 長次級不需冷 卻 存在的問題在于永磁體產(chǎn)生的強磁場使其安裝和操作較困難永磁磁場吸引鐵屑 實際加工時排屑困難 電機必須加密封以防止鐵屑阻塞氣隙或進人運動副中需通過位 置傳感器對電機進行電流換向控制永磁鐵有可能退磁 直線感應電機的優(yōu)不使用昂貴 的永磁體 在長行程如傳送裝置的應用場合有降低成本的可能性 缺點在于采用電激 磁 因此效率低 發(fā)熱大 次級也需要冷卻氣隙公差嚴格 通常只有 工藝性差 加 工成本高需要復雜的矢量變換技術 控制算法遠比直線永磁電機的控制算法復雜 雖 然直線永磁電機和直線感應電機各有優(yōu)缺點 但目前看來 永磁直線電機的優(yōu)點更多 特別是隨著欽鐵硼等高磁能積 高矯頑力磁性材料的出現(xiàn) 直線永磁電機的優(yōu)點所以 永磁直線電機更適合用于直線伺服單元驅(qū)動 為了抵消直線電動機吸力對工作臺剛度的影響 可采用雙電動機垂直布局的方式 這種布局具有推力大 工作臺垂直變形小 工作載荷對電動機初級與次級間的間隙影 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 8 響小 運動精度高等優(yōu)點 適于載荷較大的高速運動場合 2 2 3 不同直線電機布局的伺服進給平臺結(jié)構(gòu)類型的比較 伺服進給平臺中直線電機布局可分為單電動機驅(qū)動與雙電動機驅(qū)動兩種方式 單 電動機驅(qū)動布局結(jié)構(gòu)簡單 工作臺兩導軌間跨距較小 測量裝置安裝與維修方便 適 于推力要求不大的場合 雙電動機驅(qū)動布局的合成推力大 但兩導軌間的跨距較大 工作臺受電磁吸力變形較大 對工作臺的剛度要求較高 安裝也比較困難 測量與控 制復雜 只適于特殊場合使用 而本設計立足題目要求選用單電動機驅(qū)動的方式設計 伺服進給平臺系統(tǒng)的 兩種類型的精密伺服直線電機平臺如圖 2 2 所示 圖 2 2 單電動機驅(qū)動精密伺服直線電機平臺 圖 2 3 雙電動機驅(qū)動精密伺服直線電機平臺 2 3 初選伺服直線電機 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 9 2 3 1 工作臺設計 工作臺的行程為 s 200mm 工作臺尺寸一般為工作臺行程的 1 2 至 1 5 倍 所以 L 200 1 4 280mm 選擇工作臺為螺紋孔來固定負載 參考 機械設計師手冊 表 3 25 還有上網(wǎng)參考 直線電機工作臺生產(chǎn)商新推出的工作臺類型等 設計如圖 2 4 所示的形狀 所選該類 型工作臺的參數(shù) 詳見圖紙 邊長 280mm 螺紋孔mm M5 1 深8 大孔 72 在選定直線電機后 在保證足夠的剛度前提下 盡量減小移動部件的質(zhì)量 可以在 加工過程中獲得較高的加速度 提高進給系統(tǒng)的快速響應能力 根據(jù)這個原理 在工 作臺設計了兩個大孔 大大減輕了工作臺的質(zhì)量 提高了加速及響應的性能 同72 時在如圖位置布置大孔恰好又可以調(diào)節(jié)整個運動部件配重 使其重心落在進給方向的 中心軸線上 提高了進給的效率 由于工作臺垂直方向除了切削負荷和自重以外 還 要承受一定的電磁吸力 而直線電機初級和次級之間的垂直間隙極小 故工作臺的垂 直剛度就要有所保證了 設計時應注意保證有夠大的厚度 其厚度是 13mm 圖 2 4 工作臺形狀及邊長尺寸 工作臺質(zhì)量 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 10 b 7 8 10 3 282 1 3 3 14 3 62 1 3 2 7 124kg V 即縱向絲杠所承受的質(zhì)量 因工作臺與導軌滑塊 光柵傳感器基座 包括傳感器 還有拖鏈上蓋板 包括一部分拖鏈 連接 故取 b 10kg 2 3 2 預選定直線電機 選定動子 WXUW 50A300A 定子 WXUM 50A400A 規(guī)格 現(xiàn)按照以下步驟評估 是否滿足應用要求 運動位移要求 時間要求 推力要求 根據(jù)要求畫運動曲線如圖 2 5 圖 2 5 動子平臺切削進給的運動曲線圖 WXUW 50A300A 的參數(shù)為 動子質(zhì)量 Mp 2 8kg 最大推力 417N 水冷型連續(xù)推力 192N 2 3 3 參數(shù)驗算 1 運動位移要求 行程要求 200mm 定子行程為 480mm 動子長度為 274 有效行程為 480 274 206mm 有效行程 206 mm 200 mm 因此 運動位移滿足要求 2 時間要求 穩(wěn)定運行時推力計算 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 11 724 103 18 9 8 21015 01 0 100 F MM F npLc N gMF bL 切削力 c F 摩擦系數(shù) 電纜拖鏈所耗推力 n F g 重力加速度 加速時間 啟動到設定速的時間 116 0 724 103417 3 11 8 21015 F Kv MM m mpL s F M T L b a K 安全系數(shù) 1 3 要求加速時間 0 1s 約等于加速時間 0 116s 因目標速度可以在要求的 0 1 秒左右達到 因此時間要求滿足 3 推力要求 加速推力計算 1 使用上面計算得到的 FL代入到公式計算加速時需要的推力 379 343 724 103 116 0 8 21015 1 M Mv pLm N F T M F L a b a 減速推力計算 2 931 135 724 103 116 0 8 21015 1 MM v pL N F T M F L a bm d 實際推力計算 3 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 12 906 137 T 1 0931 1355 0724 1031 0379 343 T TTT 222 c 2 b 2 a 2 N FFF T dLa rms 連續(xù)推力 192N 實際推力 132 38N 選取安全系數(shù)為 1 25 則 38 13225 1 906 137 進過驗算 電機連續(xù)推力大于實際推力的 125 因此該款電機滿足應用要求 如果驗算后選定電機不能滿足要求 應重新進行步驟 2 3 2 2 3 3 直到滿足 動 子 WXUW 50A300A 定子 WXUM 50A400A 規(guī)格及機械尺寸如圖 2 6 所示 表 2 1 直線伺服電機型號 WXUW 50A 的規(guī)格表 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 13 圖 2 6 所選直線電機動定子機械尺寸 2 4 導軌的選型及計算 2 4 1 初選導軌型號及估算導軌長度 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 14 導軌為直線滾動矩形導軌 本設計中共用 4 條導軌 每條導軌用 2 個滑塊 根據(jù) 縱向最大靜載荷 Fm ML Mp Mb g KFa f 0 005152 8 109 8 1 1 343 379379 079 N 和分別為考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)和導軌上的摩擦系數(shù) 對于矩形滾動K f 導軌取 1 1 0 005 K f 以及估算的導軌的長度為 L 520mm 工作臺的長度和工作臺的行程 通過查 www abba 初選常州愛彼彼愛機械有限公司的 4 對導軌滑塊副的型 號都為 BRS 15B 2 L520 PZ1 ATE2 其參數(shù)如下 2 4 2 計算滾動導軌副的距離額定壽命L 滾動導軌副的距離額定壽命可用下列公式計算 滾動體為球時 3 50 W CTHa f fff F C L 見 機電綜合設計指導 公式 2 20 P30 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 15 式中 為滾動導軌副的距離額定壽命 km 為額定載荷 N 從參數(shù)圖查得L a C N 為硬度系數(shù)導軌面的硬度為 58 64HRC 時 1 0 a C1650 9 816170 H f H f 為溫度系數(shù) 當工作溫度不超過 1000C 時 1 為接觸系數(shù) 每根導軌條上 T f T f C f 裝二個滑塊時 0 81 為載荷 速度系數(shù) 無沖擊振動或時 C f W fmin 60mv 1 1 5 取 1 5 W f W f 為每個滑塊的工作載荷 N F 4379 079 494 77 m FF 當加工時 考慮到工作臺要承受工件的重量和銑削力等載荷 而這些載荷都通過 工作臺直接作用滑塊上 故取 F 100N 所以 3 161701 0 1 0 81 5033287512 58m33287512 6km5000km 1001 5 L 大于滾動導軌的期望壽命 滿足設計要求 初選的滾動導軌副可采用 L 2 5 光柵尺的選用 根據(jù)直線電機的位置精度 i 500nm 本設計選用江門市利德電子有限公司的 LT M 225 S 矩形位移傳感器 檢測精度可以滿足要求 本設計只涉及選型 不做論述 特點 有效電器行程 225 標準形式 IP60 2 6 緩沖器的選用 本設計選用上海雙旭電子有限公司生產(chǎn)的直線緩沖器 AD 2540 優(yōu)點 能夠長時間連續(xù)穩(wěn)定的控制 回程采用彈簧復歸 采用完全密封結(jié)構(gòu)不漏 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 16 油 并且有防塵效果 適合各種特殊環(huán)境使用 穩(wěn)速功能特強 體積小 易安裝 2 7 拖鏈的選型 本設計選用東莞鴻海拖鏈 如圖 2 7 相關參數(shù)如表 2 7 圖 2 7 拖鏈 表 2 7 相關參數(shù) 系列號內(nèi)徑 mm 內(nèi)高 內(nèi)寬 外徑 mm 外高 外寬 彎曲半徑 R WH2525 5732 73100 2 8 其余各非標零部件的設計 其余各非標零部件 例如 底座 光柵尺基座 緩沖器基座 拖鏈上下蓋板等 詳見圖紙 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 17 第三章 直線電機 Pro E 三維造型及運動仿真 3 1 主要零部件實體造型 主要零部件用 Pro E 實體造型 如圖 3 1 圖 3 4 所示 圖 3 1 底座 圖 3 2 動子 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 18 圖 3 3 工作臺 圖 3 4 拖鏈 3 2 整機虛擬裝配 將各零部件在 Pro E 軟件平臺上裝配到一起 如圖 3 5 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 19 圖 3 5 精密伺服單軸直線電機平臺總裝配圖 3 3 直線電機做直線運動的仿真動畫 3 3 1 定義伺服直線電機 用幾何類型定義伺服直線電機 servomotors1 如圖 3 6 圖 3 6 伺服直線電機定義對話框 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 20 按應用鍵便完成伺服直線電動機的定義 3 3 2 對所選伺服電機進行分析定義 對所選伺服電機進行分析定義 如圖 3 7 圖 3 7 分析定義 按運行鍵觀看運動分析的情況 3 3 3 回放動畫 回放動畫如圖 3 8 所示 按播放鍵可以觀看模型的運動 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 21 圖 3 8 回放動畫 3 3 4 捕獲動畫 捕獲動畫 如圖 3 9 圖 3 9 捕獲動畫 按確定便完成直線電機仿真動畫的制作 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 22 總結(jié)與展望 1 總結(jié) 這次設計的題目是精密伺服直線電機平臺的設計及運動仿真 在設計當中 我們 通過上網(wǎng)或者去圖書館等方式查閱了當前社會實際中運用的各種直線電機平臺的外型 參數(shù) 結(jié)構(gòu)等 結(jié)合自己設計中的參數(shù)和要求設計出了自己的設計作品 所以 從這 方面來說 我的設計已經(jīng)基本達到了滿足社會需求的要求 在直線電機工作原理方面 對于我們來說是最難的 因為在電磁學方面的知識比較薄弱 但為了完善自己的設計 我們并不氣餒 大家都努力去看相關的書籍 把設計的內(nèi)容都補了回來 使我們對這 方面的課外內(nèi)容多少了解了一點 在設計過程中 雖然其結(jié)構(gòu)比較簡單 但是設計內(nèi) 容相對來說比較新 而且業(yè)內(nèi)人士在這方面技術攻關很受限制 找不到比較成熟的資料 所以使得這次設計質(zhì)量還是難以提上去的 2 存在的不足 作為一個學了四年機械設計制造及其自動化知識的學生 在機電一體化設計方面 還是存在很多不足 例如在直線電機磁力分析方面還存在很大的知識欠缺 對結(jié)構(gòu)的 剛性 最優(yōu)化設計方面還存在很多理論上的不足 還有運用機械制圖軟件進行二維設 計還會忽略很多工程技術方面的細節(jié) Pro E 三維造型時由于不熟練走了很多彎路 嘗 試了很多失敗 但是也可以收獲到一些意外發(fā)現(xiàn) 面對如此新的省級技術攻關類設計 項目我從來不覺得煩惱 從來不會像應付任務一樣去對待設計 相反增加了我做設計 的熱情 所以整個過程都能盡自己的努力不辭勞苦的去尋求方法解決問題 直到設計 思路逐漸明朗 每個階段的任務逐漸落定 直到本設計的最終完成 通過這次畢業(yè)設計 加強了自己對所掌握的知識的鞏固和進一部的深刻理解 使 自己從感性認識上升到了理性認識 同時對自己設計能力進行了一次全面的檢驗和提 升 3 展望 下面談談做完本設計之后對精密伺服直線電機平臺進給系統(tǒng)的一些展望吧 直線電動機作為數(shù)控機床進給系統(tǒng)的一種嶄新的驅(qū)動方式 只有短短幾年的歷史 目前它在設計 制造和應用方面還存在一些問題 成本也較高 有待進一步加以研究 解決 然而它在高速數(shù)控機床上的應用 已呈現(xiàn)出一系列滾珠絲杠所無法比擬的優(yōu)越 性 并已成為現(xiàn)代世界機床技術發(fā)展的新高峰 近年來 各國推出的許多新型高速加 工中心和其它數(shù)控機床 其進給系統(tǒng)已采用了直線電動機 直線電動機驅(qū)動有望成為 21世紀高速數(shù)控機床的基本傳動方式 直線電機在機床上的應用有著廣闊的天地 其種 類越來越多 除了電磁驅(qū)動這種常見的形式外 還有壓電微驅(qū)動 熱微驅(qū)動 直接光微 驅(qū)動 超導微驅(qū)動 高分子微驅(qū)動等等多種形式 隨著伺服控制系統(tǒng)性能的不斷改善 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 23 直線電機必將在機床領域帶來一場新的革命 鳴 謝 本設計是在譚老師的不斷悉心指導下完成的 譚老師在指導我做畢業(yè)設計過程中 給予了很大的幫助 向我提出了很多寶貴的意見 是我這次畢業(yè)設計得以順利完成的 一個重要因素 在此 首先向譚老師表示衷心的感謝 同時 我要感謝在設計過程中給予我?guī)椭难芯可鷰熜謳熃?感謝他們在百忙之 中抽空解答我在設計中遇到的問題 還要感謝在本次設計中和 我并肩作戰(zhàn) 的搭檔 劉鑫尚同學 感謝他在設計中給我的意見和幫助 隨著最后一項任務的完成 我們的畢業(yè)設計也完成了 也就意味著我們校園生活 最后一次作業(yè)也完成了 很感謝培養(yǎng)我們的老師們 沒有老師們的辛勤栽培 就不會 有我們的今天 感謝所有老師 我們一定不辜負老師們的辛勤汗水 到工作崗位上努 力工作 為我們的國家貢獻自己的力量 祝老師們一生平 廣東海洋大學 2010 屆本科生畢業(yè)論文 24 參考文獻 1 馮辛安 機械制造裝備設計 第 2 版 M 北京 機械工業(yè)出版社 2005 12 114 116 2 葉云岳 直線電機手冊 M 北京 機械工業(yè)出版社 2003 8 1 3 3 葉云岳 直線電機原理與應用 北京 機械工業(yè)出版社 2000 6 4 孫建忠 白鳳仙 特種電機及其控制 M 北京 中國水利水電出版社 2005 182 183 5 徐昌語等 直線電機在超精密加工技術中的應用和發(fā)展 J 航空精密制造技術 2009 45 4 13 16 6 邢亮 沈豫鄂 proe 運動仿真中單向勻速電機實現(xiàn)往復運動的方式及分析 艦船電子 工程 2009 29 9 7 機械設計手冊編寫組 機械設計手冊 1 5 冊 機械工業(yè)出版社