планарні лінійні двигуни проти штокових двигунів
Чому штокові (штоково-циліндричні) двигуни не називають "лінійними"?
Багато з тих, хто їх застосовує, уникають слова “лінійні”. Наприклад, японська компанія М, що першою застосувала штокові двигуни у своїх електроіскрових вирізних верстатах.
Чому провідні компанії через роки виробництва відмовляються від штокових приводів?
Штоково-циліндричні двигуни розроблялися для заміни пневмо-, гідро- та КГП-приводів у роботах-маніпуляторах, штабелеукладачах, складальних платформах, а також мед- та спецобладнанні. Електроіскрові верстати – перше відоме застосування штокових ЛД у верстатах взагалі. Штоково-циліндричні двигуни виготовляються рядом спеціалізованих компаній. Верстатники почали купувати та вбудовувати штокові двигуни у свої верстати лише після 2010 року. І дехто вже відмовляється! ЧОМУ?
Чому багато з тих, хто їх застосовує, уперто уникають слова "лінійні"?
Компанія Sodick розпочала розробку лінійних двигунів (ЛД) для електроіскрових (ЕІ) верстатів на початку 90-х. Розробники перепровірили і випробували ряд схем ЛД. Усі схеми лінійних двигунів були відбраковані через їхні недоліки, і лише планарна схема ЛД виявилася ідеальною. Планарні лінійні двигуни Sodick цілком і повністю виготовляються на заводах компанії.
У чому відмінність штокових двигунів від справжніх (планарних) лінійних двигунів?
ПЛАНАРНІ ЛІНІЙНІ ДВИГУНИ vs
ШТОКОВО-ЦІЛІНДРИЧНІ ДВИГУНИ
Shaft Motor - штокові двигуни. Покупні штоково-циліндричні двигуни в ЕІ верстатах деяких верстатних фірм
Linear Motor - лінійні двигуни. Розробка ЕІ верстатів з лінійними двигунами (ЛД) стартувала в компанії Sodick на початку 1990-х
Штоково-циліндричні двигуни (ШЦД) виробляються рядом компаній. Наприклад, японською фірмою JMC Hillstone разом із Nippon Pulse Company. Початок виробництва – 2005 р. Інші виробники штокових ЛД: LinMot, PBA Systems, Orientalmotor, Parker, Ametek…
Крім назви shaft motor (штокові двигуни), такі пристрої відомі як tubular (трубчасті), а також циліндричні двигуни. Зазначимо, що співробітники японської верстатобудівної компанії, яка першою почала застосовувати такі двигуни у своїх електроіскрових (електроерозійних) верстатах у 2010 році, не називають їх LINEAR – тільки SHAFT MOTOR!!!
Штоково-циліндричні двигуни розроблялися для заміни пневмо-, гідро- та КГП-приводів у роботах-маніпуляторах, штабелеукладачах, складальних платформах, а також мед- та спецобладнанні. ЕІ верстати – перше відоме застосування штокових двигунів у верстатах взагалі.
Штоково-циліндричні двигуни мають безсердечникові котушки і, як наслідок, – недостатню тягу. Такими двигунами можна оснащувати лише малі та середні моделі ЕІ вирізних верстатів – для великих електроіскрових верстатів такі двигуни мало придатні через дефіцит тяги. З цієї причини їх не ставлять в електроіскрові прошивні верстати – штоковий двигун просто не підніме важкий електрод!
Серійне виробництво ЕІ верстатів із планарними лінійними двигунами – з 1998 рока
До 2000 р. вироблялися лише електроерозійні прошивні верстати з лінійними двигунами (ЛД) лише по осі Z.
З 2000 р. з’явилися електроіскрові (ЕІ) дротяно-вирізні верстати з ЛД по осях XY та прошивні з ЛД по осях XYZ.
З 2001 р. лінійні двигуни встановлюються в електроерозійні верстати Sodick в сервоприводи по всіх осях:
- ЕЕ координатно-прошивні – по XY та Z
- ЕЕ дрото-вирізні – XY та UV
Планарні лінійні двигуни верстатів Sodick – власної розробки та власного виробництва, включаючи рідкісноземельні Ne-Fe-B магніти. Лінійний двигун Sodick – це по суті всього 2 частини: плоска панель постійних магнітів і плоский блок електромагінтних (ЕМ) котушок (здебільшого сердечникових), які розділяє константний зазор 0,4 мм і встановлені паралельно площині переміщень. Такі двигуни можна умовно назвати “плоско-паралельними” або “плоськими”, проте більш поширений термін планарні ЛД.
Верстати Sodick та їх планарні лінійні двигуни є єдині мехатронні системи: ЛД створюються для верстатів “індивідуально”, а верстати, у свою чергу, створюються під ці ЛД та відповідні навантаження.
Штоково-циліндричний двигун не можна поставити в прошивний електроерозійний верстат - слабкий двигун просто не підніме важкий електрод!
Головна перевага штоково-циліндричних двигунів:
- ШЦД легко вбудувати замість КГП-привода в існуючі пристрої (верстати).
Але це, по суті, єдина перевага!
Головні недоліки:
- дефіцит тяги
(ЕМ котушки – безсердечникові!) - проблеми з тепловідведенням
- тяга генерується на відстані
від площини переміщень
– при будь-якому переміщенні
двигун тягне одну сторону столу вниз, іншу вгору - різноспрямовані биття магнітного штока
та динамічна асиметрія зазору
(вектор тяги змінюється хаотично від напрямку подачі!) - квола конструкція
(шток кріпиться лише кінцями і внатяг!). - гуляючий зазор.
Головні переваги планарних ЛД Sodick:
- надійність і довговічність – понад 20 років успішної експлуатації тому підтвердження;
- тяга генерується в площині, близької до напрямних лінійок кареток;
- найвища динамічна точність, яка залишається постійною на протязі довгих років експлуатації (вектор тяги максимально збігається з напрямком подачі!);
- велика потужність і тяга завдяки сердечниковим ЕМ котушкам;
- електромагнітні котушки “сидять” безпосередньо на масивних чавунних частинах – ідеальне тепловідведення!
- особливо жорстка конструкція;
- незмінно константний (постійний) зазор.
Недолік:
- Планарні ЛД не можна вбудувати у стандартний верстат, розроблений “під КГП”. Для таких ЛД необхідна особлива жорстка конструкція верстата, розрахована на навантаження, що виникають під час роботи надшвидких планарних ЛД.
Лінійні верстати Sodick розроблялися під свої лінійні двигуни – лінійні двигуни Sodick розробляються під свої лінійні верстати.
Лінійні верстати Sodick із планарними лінійними сервоприводами – єдині мехатронні системи.
Гуляння зазору в штоково-циліндричних двигунах у процесі їх роботи:
Тонкий шток неминуче прогинається, як під впливом зміни магнітних полів, так і під своєю вагою. В результаті шток при будь-якому переміщенні котушок уздовж нього різноспрямовано “гуляє”, змінюючи, як наслідок, зазор. Ширина зазору в штокових двигунах – величина невизначена, фактична “танцююча”.
Жорсткі потужні планарні лінійні двигуни Sodick – перевірені двома десятиліттями експлуатації
Як панелі постійних магнітів, так і блоки ЕМ котушок планарних лінійних двигунів Sodick жорстко кріпляться на масивні конструкції верстатів, що повністю виключає будь-які деформації частин лінійних двигунів та верстатів.
Спробуйте зігнути чавунну станину або колону!
Або масивний стіл!
Зазор між магнітами та котушками
завжди постійний – 0,4 мм.
Одна з причин незмінно високої точності протягом довгого життєвого циклу верстата.
Подібні двигуни відомі давно. Досить згадати шкільний соленоїд з уроків фізики. Штоково-циліндричний двигун і є, по суті, соленоїд з подовженим збірним сердечником з окремих постійних кільцевих магнітів і керованими кільцевими електромагнітними котушками.
Штоковий двигун вбудовується у верстат на місце КГП.
Як КГП зміщена від центру в старому верстаті, так і в новому зміщений від центру вже штоковий двигун.
Тонкий магнітний шток завтовшки трохи більше вказівного пальця легко деформується, виникають різноспрямовані бічні биття, що фатально впливають на точність верстата. Причин “гуляння штока” щонайменше дві:
- поздовжні хвилі, що викликаються силами стискування та розтягування, які породжуються неоднорідністю щільності магнітних полів ЛД;
- відхилення параметрів окремих магнітів на штоку, і навіть різнорідність магнітних властивостей різних частин.
У працюючому штоковому ЛД тонкий шток згинається в різні боки, як би “танцює”, а зазор між ЕМ котушками та кільцевими магнітами безперервно і різноспрямовано змінюється. Такі “твісти” магнітного штока визивають змінні різноспрямовані бічні навантаження на напрямні. Відомо, що напрямні розраховані на вертикальні навантаження, але швидко зношуються і втрачають точність, якщо навантаження бічні. Щоб тонкий магнітний шток менше гуляв, виробники штокових двигунів дають вимоги кріпити магнітний шток клинами у натяг (!) в опори на станині ще на заводі-виробнику верстатів. Наскільки вистачає такого натягу? Як часто доведеться “перенатягувати” шток вже в робочому верстаті самим користувачам верстата M? І чого це буде вартувати?
Небезпека хаотичних танців та твістів штока зростає багаторазово, коли частота таких коливань збігається з власною резонансною частотою конструкції… У будь-якому верстаті є безліч резонансних областей, які залежать від фізичних характеристик та змін температури. Ситуацій достатньо!
Компанія Sodick розпочала розробку ЛД для ЕІ верстатів на початку 90-х в обстановці найсуворішої секретності. Компанія мала сумний досвід: початкову схему без зносу ЕІ обробки у творця компанії Фурукава вкрали.
Розробники перевіряли ще раз і випробували на стендах безліч схем ЛД. Розглядалися конструкції з магнітними панелями і блоком ЕМ котушок перпендикулярно площині переміщень, подібні до конструкцій, які намагалися виробляти роками пізніше компанії F (випуск таких верстатів “успішно” припинено!) і С. Перевірялися серед інших і конструкції з кільцевими магнітами, подібні до новомодних ЛД. Всі перевірені схеми ЛД були забраковані через їхні дефекти та недоліки, і тільки планарна (плоско-паралельна) схема ЛД виявилася ідеальною для верстатів, але з одним застереженням: під приводи з такою схемою ЛД необхідно заново створювати весь верстат. По суті, верстат із планарними ЛД – єдина мехатронна система.
Машина, що створюється наново, – це великі витрати, але… дешево добре не буває! Це підтверджує досвід інших верстатобудівних компаній: практично всі верстати з ЛД (не електроіскрові) провідних світових виробників використовують планарні (плоско-паралельні) ЛД – іншої перевіреної часом альтернативи поки немає!
Сила взаємного тяжіння між панеллю постійних магнітів і блоком електромагнітних котушок приблизно в 6 разів більша за ту тягу, яка створюється при роботі ЛД у напрямку подачі. Однак, якщо верстат спочатку конструюється для встановлення такого ЛД, проблема вирішується сама собою: жорсткість литих конструкцій значно вища за ті сили, які виникають при роботі ЛД, а навантаження припадає на напрямні, які на ці навантаження якраз і розраховані. У верстатах Sodick застосовані напрямні SSR фірми THK (технологія caged ball), сконструйовані для використання насамперед прецизійних вимірювальних машинах. Ці напрямні витримують переміщення у 6 разів більше, ніж відстань від Землі до Місяця і назад!
Навантаження на напрямні тільки вертикальні або в напрямку перпендикулярному площині ЛД. Бічні навантаження під час роботи планарних ЛД відсутні! І це гарантує збереження початкової точності позиціонування принаймні 15 років! На практиці, точність зберігають навіть верстати, випущені у 1998 року!
Ілюстрація із сервісної інструкції виробника штоково-циліндричних двигунів:
Прогибання штока виробник пропонує регулювати та усувати за допомогою клинів. Такий ось “хай-тек”!
Штокові двигуни безсердечникові та демонструють хронічний дефіцит тяги. Відомо, що сердечникова ЕМ котушка створює магнітне поле на порядки (≈ х1000) сильніше, ніж генерує безсердечникова котушка. Зауважимо, що у штокових ЛД дещо вищий коефіцієнт використання магнітного поля (завдяки кільцевим магнітам та трубчастій конструкції) – приблизно в 2 рази. Але це лише трохи компенсує втрати від відсутності сердечників. Через дефіцит тяги штокові ЛД не ставлять у прошивні верстати і великі дрото-вирізні. Дефіцит тяги в штокових ЛД породжує проблеми з плавністю подач на малих переміщеннях, коли відпрацьовуються подачі з дискретністю порядку мікрона при різанні, наприклад, зубчастого маломодульного колеса. Тут штоковий ЛД поводиться як малопотужна перевантажена вантажівка, яка, рушаючи в гору, йде ривками – немає запасу потужності!
У лінійних верстатах Sodick використовуються сердечникові лінійні двигуни. Іншими словами, ЕМ котушки лінійних двигунів Sodick мають магнітні сердечники, що посилює магнітні поля та тягу двигунів на порядки.
Безсердечникові ЛД компанія Sodick застосовує лише для нанопрецизійних верстатів з дискретністю подач менше 10 нанометрів. Встановлюється по 2 та більше таких двигунів на кожну вісь подач. Йдеться про наностанки Super NANO-100, AE05, EXC100L, верстати AZ з дискретністю подач від 1 до 10 нанометрів.
У всіх інших верстатах застосовуються власні сердечникові ЛД, які забезпечують – разом із системою управління Sodick Motion Control “M4-LINK” або K-SMC – як високу точність, так і практично надмірну тягу при одночасної плавності подач.