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机床使用中的多种驱动器概念

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  我们通常不能仅仅通过观察就获悉机床使用的各种驱动技术细节。原则上讲,如果想完成需要执行的动作,选择主驱动、进给驱动或者辅助驱动都有可能。

  主驱动器:主驱动器主要采用闭环控制方式,大多会使用同步或异步电机。实际应用包括车机、铣床和磨床以及加工中心所使用的配套电机(kit motor)或主电机(housed motor)。带主电机的传统主轴驱动器是一种广泛使用的主驱动器,多数采用空气冷却。如果考虑到间接或派生成本,这种方式较电机主轴系统的成本会低一些。

  另一方面,在主轴中加入齿轮箱可以将角速度和转矩转化到机加工任务中,但是反过来,齿轮箱会产生多余的径向力、带来噪声并增加磨损。

  同时,使用配套电机(带有集成主轴)的主驱动器在技术上日臻成熟。由于可以不使用齿轮箱和离合器,这些驱动器能够在不受剪力的情况下进行绕心旋转运动;而由于可以长时期平滑运行且受到的磨损极小,这些驱动器得以脱颖而出,尤其是在进行高性能机加工时。

  目前,产生更高力矩需要的成本依然很高,因为这意味着必须在机轴中集成行星齿轮或选择更大功率的电机。为了实现定期检修和维修,将监视传感器集成到主轴上以便获得测量数据将成为一种标准。而利用油、空气或乙二醇进行冷却也依然必不可少。

  进给驱动器:进给驱动技术的选择主要集中在机电或液压系统之间。为了进行正确的抉择,有必要仔细考虑两系统所特有的优缺点。在机电式进给驱动器中,装配滚珠丝杠的伺服电机目前处于主导地位,它能够将旋转运动转换为线性运动。在这里,同步主电机成为首选,因为它们能够满足进给驱动器较主驱动器对定位、同步操作以及动力学等方面提出的更高要求。

  由于进给驱动器系统具有很高的静态刚度,因而适用于多种应用场合,而且也一直被人们视为传统选择。但是它有一个缺点,那就是易磨损。根据安装条件和所需力矩强度的不同,伺服电机可以直接或间接(例如通过同步传动带)连接到主轴。虽然直线电机原理早在19世纪就已经面世,但是该技术直到90年代初才得以进入机床工具应用领域。当时,Rexroth公司装配了第一台带有直线电机的串励电机。这种驱动器具有抗磨损、高刚度以及良好动态性能等优点,可以获得令人满意的卓越品质。这意味着,与带有间接位置检测系统的滚珠丝杠装配相比,这种驱动器在长时间内可以保证系统具有更高精度的无故障操作。

  负载能力

  驱动器的负载能力是限制其使用的一个方面。当然,这并不意味着面对较大阻力时,就不能使用滚珠丝杠装配和液压驱动解决方案。另一个衡量电机驱动器的主要标准,是测量其实际对机床部件的支持能力,例如带有最大允许滑动速度的切屑罩(swarf cover)和具有阻尼行为的机架导轨。直线电机驱动器带来的好处由于相关投资成本的增加而大打折扣,截至目前,这一缺点阻碍了该驱动技术在全球范围内取得突破。

  

  F1:机械加工的硬件部分必须具有长寿命

  在这种情况下,对液压进给驱动器的需求大增。当然,产生这种结果的原因还与受限的安装空间、对高动态性能的需求以及产生大进给力等密切相关。当然,液压进给驱动器的安装精度需要达到微米级。

  实际应用反复证明,液压直线驱动器有很长的工作寿命,而且往往比装配有滚珠丝杠的驱动器更加耐用。无需根据特殊性能(例如力矩和旋转速度)分别安装进给驱动器,液压轴可以根据需求从液压流储压器(hydraulic fluid accumulator)中汲取能量,这意味着输入功率最多可减少80%。

  辅助驱动器:谈到辅助驱动器,现在有各式各样的解决方案。在机床的一系列辅助驱动功能中,既没有哪种方案形成了明显的发展趋势,也没有那一种经过反复考验能够脱颖而出。选择何种解决方案完全取决于实际驱动情况的需求。因而,对于一个功能顺序确定的机床组,将多种类型的驱动技术结合在一起的情况非常寻常。实际应用中不乏此类现象,例如,人们可以把驱动刀架垂直或对角移动的机电驱动器与液压或气动式重力补偿装置结合使用。这里,可以将重力补偿广义理解为一种被动的辅助驱动器,其任务是补偿被移动物体的质量。重力补偿的实现手法有很多种,其中应用最广泛的是带有液压流储压器的液压方案。如果需要补偿的重力值很小,那么可以使用带气垫的板簧(pneumatic gas spring)完成补偿。这些解决方案的优点就在于其灵活的动态行为和良好的能量平衡能力。

  由于重量小、控制结构简单以及移动速度快,气动驱动非常适于安装在装/卸设备(handling device)中。这种方式也适合于质量较小的进给和负载单元,因此可以将这些单元统一归并到生产过程的工件流中。在机床中,夹紧刀具和工件极为重要,因为处理结果的质量在极大程度上受夹紧过程的准确性和反复性影响。液压夹板是专用辅助驱动器的代表,由于易于实现自动化,因而在带有工件自动装卸的机床中应用尤为普遍。

  结论:机床中可以使用多种电气、液压、机电和气动驱动方案完成驱动任务。设计工程师及其小组需要考虑到各种约束进而决定采用何种驱动方案来完成任务。深入了解各种技术的优秀自动化供应商,也应当充分比较各种技术的优缺点并据此向用户提出建议。(来源:Bosch Rexroth公司)

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