Почему штоковые (штоково-цилиндрические) двигатели не называют линейными?
Многие, кто их применяет, упрямо избегают слова «линейные». Например, японская компания М, первой применившая штоковые двигатели в своих электроискровых вырезных станках.
Штоково-цилиндрические двигатели разрабатывались для замены пневмо-, гидро- и ШВП-приводов в роботах-манипуляторах, штабелеукладчиках, сборочных платформах, а также мед- и спецоборудовании. Электроискровые станки — первое известное применение штоковых ЛД в станках вообще. Штоково-цилиндрические двигатели производятся рядом специализированных компаний. Станочники стали покупать и встраивать штоковые двигатели в свои станки лишь после 2010 года. И некоторые уже отказываются! ПОЧЕМУ?
В чем отличия штоковых двигателей от настоящих (планарных) линейных двигателей?
Компания Sodick начала разработку линейных двигателей (ЛД) для электроискровых (ЭИ) станков в начале 90-х. Разработчики перепроверили и испытали ряд схем ЛД. Все схемы линейных двигателей были отбракованы из-за их недостатков, и только планарная схема ЛД оказалась идеальной. Планарные линейные двигатели Sodick полностью изготавливаются на заводах компании.
ПЛАНАРНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ vs
ШТОКОВО-ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ
Shaft Motor - штоковые двигатели. Покупные штоково-цилиндрические двигатели в электроискровых станках некоторых станочных фирм
Linear Motor - линейные двигатели. Разработка электроискровых станков с линейными двигателями (ЛД) стартовала в компании Sodick в начале 1990-х
Первый показ ЭИ станка со штоково-цилиндрическими двигателями — JIMTOF-2010
Штоково-цилиндрические двигатели (ШЦД) производятся рядом компаний. Например, японской фирмой JMC Hillstone совместно с Nippon Pulse Company. Начало производства — 2005 г. Другие изготовители штоковых ЛД: LinMot, PBA Systems, Orientalmotor, Parker, Ametek…
Помимо названия shaft motor (штоковые двигатели) такие устройства известны как tubular (трубчатые), а также цилиндрические двигатели. Отметим, что сотрудники японской станкостроительной компании, которая первой начала применять такие двигатели в своих электроискровых (электроэрозионных) станках в 2010 году, не называют их LINEAR — только SHAFT MOTOR!!!
Штоково-цилиндрические двигатели разрабатывались для замены пневмо-, гидро- и ШВП-приводов в роботах-манипуляторах, штабелеукладчиках, сборочных платформах, а также мед- и спецоборудовании. ЭИ станки — первое известное применение штоковых двигателей в станках вообще.
Штоково-цилиндрические двигатели имеют бессердечниковые катушки и, как результат, — недостаточную тягу. Такими двигателями можно оснащать лишь малые и средние модели ЭИ вырезных станков — для больших электрискровых вырезных станков такие двигатели мало пригодны из-за дефицита тяги. По этой же причине их не ставят в электроискровые прошивные станки — штоковый двигатель попросту не поднимет тяжелый электрод!
Серийное производство ЭИ станков с планарными линейными двигателями — с 1998 года.
До 2000 г. производились лишь электроискровые (электроэрозионные) прошивные станки с линейными двигателями (ЛД) только по оси Z.
С 2000 г. появились электроискровые (ЭИ) проволочно-вырезные станки с ЛД по осям XY и прошивные с ЛД по осям XYZ.
С 2001 г. линейные двигатели устанавливаются в электроискровые станки Sodick в сервоприводы по всем осям:
- ЭИ координатно-прошивные — по XY и Z
- ЭИ проволочно-вырезные — XY и UV
Планарные линейные двигатели станков Sodick — собственной разработки и собственного производства, включая редкоземельные Ne-Fe-B магниты. Линейный двигатель Sodick — это по сути всего 2 части: плоская панель постоянных магнитов и плоскый блок электромагинтных (ЭМ) катушек (большей частью сердечниковых), которые разделяет константный зазор 0,4 мм и установлены параллельно плоскости перемещений. Такие двигатели можно условно назвать “плоско-параллельными” или «плоскими», однако более распространен термин планарные ЛД.
Станки Sodick и их планарные линейные двигатели суть единые мехатронные системы: ЛД создаются для станков “индивидуально”, а станки, в свою очередь, создаются под эти ЛД и соответствующие нагрузки.
Штоково-цилиндрический двигатель нельзя поставить в прошивной электроэрозионный станок - слабый двигатель попросту не поднимет тяжелый электрод!
Главное достоинство штоково-цилиндрических двигателей:
- ШЦД легко встроить на место ШВП-привода в существующие устройства (станки).
Но это, по сути, единственное достоинство!
Главные недостатки:
- дефицит тяги (ЭМ катушки — бессердечниковые!)
- проблемы с теплоотводом
- тяга генерируется на расстоянии от плоскости перемещений — при любом перемещении двигатель тянет одну сторону стола вниз, другую вверх
- разнонаправленные биения магнитного штока и динамическая ассимметрия зазора (вектор тяги пляшет хаотично от направления подачи!)
- хлипкая конструкция (шток крепится лишь концами и внатяг!).
- пляшущий зазор.
Главные достоинства планарных ЛД Sodick:
- надежность и долговечность — свыше 20 лет успешной эксплуатации тому подтверждение;
- тяга генерируется в плоскости, близкой к направляющим линейкам приводимых кареток;
- высочайшая динамическая точность, которая остается неизменной все долгие годы эксплутации (вектор тяги максимально совпадает с направлением подачи!);
- большая мощность и тяга благодаря сердечниковым ЭМ катушкам;
- электромагнитные катушки «сидят» непосредственно на массивных чугунных частях — идеальный теплоотвод!
- особо жесткая конструкция;
- неизменно константный (постоянный) зазор.
Недостаток:
- Планарные ЛД нельзя встроить в обычный станок, разработанный “под ШВП”. Для таких ЛД необходима особая жесткая конструкция станка, рассчитанная на нагрузки, возникающие при работе сверхбыстрых планарных ЛД.
Линейные станки Sodick разрабатывались и разрабатываются под свои линейные двигатели — линейные двигатели Sodick разрабатываются под свои линейные станки.
Линейные станки Sodick с планарными линейными сервоприводами — единые мехатронные системы.
Пляски зазора в штоково-цилиндрических двигателях в процессе их работы:
Тонкий шток неизбежно прогибается как под воздействием меняющихся магнитных полей, так и под собственной тяжестью. В результате шток при любом перемещении катушек вдоль него разнонаправленно “гуляет”, меняя, как следствие, зазор. Ширина зазора в штоковых двигателях — величина неопределенная, фактические “танцующая”.
Жесткие мощные планарные линейные двигатели Sodick - проверены двумя десятилетиями эксплуатации
Как панели постоянных магнитов, так и блоки ЭМ катушек планарных линейных двигателей Sodick жестко крепятся на массивные конструкции станков, что полностью исключает какие-либо деформации частей линейных двигателей и станков.
Попробуйте-ка согнуть чугунную станину или колонну! Или массивный стол!
Зазор между магнитами и катушками всегда постоянен — 0,4 мм.
Одна из причин неизменно высокой точности в течение всей долгой жизни станка.
Подобные двигатели известны давно. Достаточно вспомнить школьный соленоид с уроков физики. Штоково-цилиндрический двигатель и есть, по сути, соленоид с удлиненным сборным сердечником из отдельных кольцевых постоянных магнитов и управляемыми кольцевыми электромагнитными катушками.
Штоковый двигатель встраивается в станок на место ШВП.
Как была ШВП смещена от центра в старом станке, так и в новом смещен от центра уже штоковый двигатель.
Тонкий магнитный шток толщиной чуть больше указательного пальца легко деформируется, возникают разнонаправленные боковые биения, фатально влияющие на точность станка. Причин “гуляния штока” по меньшей мере две:
- продольные волны, вызываемые силами сжатия и растяжения, которые порождаются неоднородностью плотности магнитных полей ЛД;
- отклонения параметров отдельных магнитов на штоке, а также разнородность магнитных параметров разных частей.
В работающем штоковом ЛД тонкий шток изгибается в разные стороны, как бы “пляшет”, а зазор между ЭМ катушками и кольцевыми магнитами непрерывно и разнонаправленно меняется. Такие “твисты” магнитного штока рождают переменные разнонаправленные боковые нагрузки на направляющие. Известно, что направляющие рассчитаны на вертикальные нагрузки, но быстро изнашиваются и теряют точность, если нагрузки боковые. Чтобы тонкий магнитный шток меньше гулял, изготовители штоковых двигателей предписывают крепить магнитный шток клиньями внатяг (!) в опоры на станине еще на заводе-изготовителе станков. Насколько хватает такого натяга? Как часто придется “перенатягивать” шток уже в рабочем станке самим пользователям станка M? И «почём» это будет обходиться?
Опасность хаотичных плясок и твистов штока возрастает многократно, когда частота таких колебаний совпадает с собственной резонансной частотой конструкции… В любом станке имеется множество резонансных областей, которые зависят от физических характеристик и от изменений температуры. Ситуаций предостаточно!
Компания Sodick начала разработку ЛД для ЭИ станков в начале 90-х в обстановке строжайшей секретности. У компании был печальный опыт: первоначальную схему безызносной ЭИ обработки у создателя компании Фурукава украли.
Разработчики перепроверили и испытали на стендах множество схем ЛД. Рассматривались конструкции с магнитными панелями и блоком ЭМ катушек перпендикулярно плоскости перемещений, подобные конструкциям, которые пытались производить годами позже компании F (выпуск таких станков «успешно» прекращен!) и С. Проверялись среди прочих и конструкции с кольцевыми магнитами, подобные новомодным штоково-цилиндрическим ЛД. Все проверенные схемы ЛД были забракованы из-за их пороков и недостатков, и только планарная (плоско-параллельная) схема ЛД оказалась идеальной для станков, но с одной оговоркой: под приводы с такой схемой ЛД необходимо заново создавать весь станок. По сути, станок с планарными ЛД — единая мехатронная система.
Машина, создаваемая заново, — это большие затраты, но… дешево хорошо не бывает! Это подтверждает опыт других станкостроительных компаний: практически все станки с ЛД (не электроискровые) ведущих мировых изготовителей используют планарные (плоско-параллельные) ЛД — другой проверенной временем альтернативы пока нет!
Сила взаимного притяжения между панелью постоянных магнитов и блоком электромагнитных катушек примерно в 6 раз больше той тяги, которая создается при работе ЛД в направлении подачи. Однако, если станок изначально конструируется для установки такого ЛД, проблема решается сама собой: жесткость литых конструкций значительно выше тех сил, которые возникают при работе ЛД, а нагрузка приходится на направляющие, которые на эти нагрузки как раз и рассчитаны. В станках Sodick применены направляющие SSR фирмы THK (технология caged ball), сконструированные для использования прежде всего в прецизионных измерительных машинах. Эти направляющие выдерживают перемещения в 6 раз больше, чем расстояние от Земли до Луны и обратно!
Нагрузки на направляющие только вертикальные или в направлении, перпендикулярном плоскости ЛД. Боковые нагрузки при работе планарных ЛД отсутствуют! И это гарантирует сохранение первоначальной точности позиционирования по крайней мере на 15 лет! На практике точность сохраняют даже станки, выпущенные в 1998 году!
Иллюстрация из сервисной инструкции изготовителя штоково-цилиндрических двигателей:
Прогибы штока изготовитель предлагает регулировать и устранять с помощью клиньев. Такой вот “хай-тек”!
Штоковые двигатели бессердечниковые и демонстрируют хронический дефицит тяги. Известно, что сердечниковая ЭМ катушка создает магнитное поле на порядки (≈ ×1000) сильнее, чем генерирует бессердечниковая катушка. Заметим, что в штоковых ЛД несколько выше коэффициент использования магнитного поля (благодаря кольцевым магнитам и трубчатой конструкции) — примерно в 2 раза. Но это лишь незначительно компенсирует потери от отсутствия сердечников. По причине дефицита тяги штоковые ЛД не ставят в прошивные станки и большие проволочно-вырезные. Дефицит тяги в штоковых ЛД порождает проблемы с плавностью подач на малых приращениях, когда отрабатываются подачи с дискретностью порядка микрона при резании, например, маломодульного зубчатого колеса. Здесь штоковый ЛД ведет себя как маломощный перегруженный грузовик, который, трогаясь в гору, идет рывками – нет запаса мощности!
В линейных станках Sodick используются сердечниковые линейные двигатели. Другими словами, ЭМ катушки линейных двигателей Sodick имеют магнитные сердечники, что усиливает магнитные поля и тягу двигателей на порядки.
Бессердечниковые ЛД компания Sodick применяет лишь для нанопрецизионных станков с дискретностью подач менее 10 нанометров. Устанавливается по 2 и более таких двигателей на каждую ось подач. Речь идет о наностанках Super NANO-100, AE05, EXC100L, станках AZ с дискретностью подач от 1 до 10 нанометров.
Во всех остальных станках используются собственные сердечниковые ЛД, обеспечивающие — вкупе с системой управления K-SMC — не только высочайшую точность, но и фактически избыточную тягу при одновременной плавности подач.