Линейные двигатели переосмыслили возможности управления движением, обеспечив более высокую скорость, точность и надежность по сравнению с традиционными линейными актуаторами с вращательным приводом. Уникальное свойство линейного двигателя заключается в том, что перемещение нагрузки происходит без использования механических компонентов передачи мощности. Вместо этого линейная сила, создаваемая магнитным полем обмотки двигателя, напрямую передается на нагрузку. Это исключает механические устройства, преобразующие вращательное движение в линейное, тем самым увеличивая срок службы, точность, скорость и общую производительность системы.
В условиях растущего спроса на повышение производительности, улучшение качества продукции, ускорение разработки и снижение инженерных затрат, технология линейных двигателей становится все более популярной благодаря модульной конструкции. Они используются в метрологии, системах прецизионной резки, оборудовании для производства полупроводников и электроники, системах обработки пластин, литографии, системах визуального контроля, медицинском оборудовании и приборах, системах тестирования, аэрокосмической и оборонной промышленности, автоматизации сборочных линий, полиграфии и упаковке, а также во многих других областях, требующих высокой производительности и высокой точности линейного перемещения.
Компоненты линейного двигателя должны быть изготовлены и собраны с высокой точностью и в соответствии с повторяющимися процессами. Правильное выравнивание этих деталей имеет решающее значение и требует значительной детализации конструкции и навыков сборки.
Сегодня новое поколение модульных линейных двигателей изменило правила игры. Модульные линейные двигатели «под ключ» легко устанавливаются в систему и готовы к немедленной работе, что значительно сокращает время проектирования. Инженеры теперь могут использовать мощные преимущества технологии модульных линейных двигателей в своих проектах машин всего за несколько дней, а не за месяцы или даже годы.
Системы линейных двигателей состоят из девяти основных компонентов:
- Опорная плита
- Катушка двигателя
- Постоянный магнитный трек (обычно неодимовые магниты)
- Каретка, соединяющая обмотку двигателя с нагрузкой.
- Линейные направляющие, по которым движется каретка и которые соединяются с основанием.
- Линейный энкодер для обратной связи по положению
- Конечные упоры
- Канатная дорога
- В качестве дополнительной опции предлагаются сильфоны для защиты магнитной дорожки, энкодера и линейных направляющих от загрязнения окружающей средой.
ПЕТЛЯ УПРАВЛЕНИЯ
Компоненты линейного двигателя должны быть изготовлены и собраны с высокой точностью и повторяемостью. Правильное выравнивание этих деталей имеет решающее значение и требует значительной детализации конструкции и навыков сборки. Например, магнитная направляющая и подвижная катушка двигателя должны быть плоскими, параллельными и установлены с определенным воздушным зазором между ними. Подвижная катушка перемещается по каретке, соединенной с параллельными прецизионными линейными подшипниковыми направляющими над магнитной направляющей. Позиционный энкодер с линейной шкалой и считывающей головкой — еще одна важная часть линейного двигателя, требующая надлежащих процедур выравнивания и надежной конструкции крепления, способной выдерживать ускорения до 5 G. В модульных линейных двигателях эти детали уже учтены и предварительно спроектированы.
Модульные линейные моторные системы, подобные показанной на рисунке, используются, когда требуется точное, высокоскоростное и повторяемое линейное перемещение. Эта система является альтернативой шариковинтовым, ременным и реечным приводам.
Для управления движением линейного двигателя используются сложные контроллеры движения и сервоприводы. Линейные двигатели обладают несомненным преимуществом в отношении жесткости и частотной характеристики. В определенных частотных диапазонах они демонстрируют жесткость, которая в 10 раз и более превосходит традиционные шариковые винты. Благодаря этому свойству линейные двигатели могут обрабатывать широкий диапазон частот контура позиционирования и скорости с впечатляющей точностью, даже при внешних возмущениях. В отличие от шариковых винтов, которые часто сталкиваются с резонансными частотами в диапазоне от 10 до 100 Гц, линейные двигатели работают на более высоких частотах, вынося свои резонансы далеко за пределы полосы пропускания контура позиционирования.
Однако отказ от механической передачи сопряжен с определенными компромиссами. Механические компоненты, такие как шариковые винты, помогают уменьшить возмущения, вызванные механическими силами, собственными резонансными частотами или поперечными вибрациями. Их устранение делает линейные двигатели непосредственно уязвимыми для таких возмущений. Следовательно, компенсация этих возмущений становится обязанностью контроллера движения и приводной электроники, которые должны бороться с ними напрямую, воздействуя непосредственно на сервоось. Именно здесь вступают в игру современные сложные алгоритмы управления движением с обратной связью, позволяющие устранить резонансы и обеспечить замечательное управление положением.
В области линейных актуаторов линейные двигатели демонстрируют исключительные технические возможности. Способность этих двигателей проявлять превосходную жесткость и работать на более высоких частотах отличает их от традиционных аналогов. Благодаря способности преодолевать резонансные частоты и сохранять высокую точность даже при наличии внешних воздействий, линейные двигатели представляют собой привлекательное решение.
Тем не менее, отсутствие механической передачи требует надежных стратегий компенсации для противодействия возмущениям, обеспечивая непрерывную работу и надежность системы. Частота дискретизации контроллеров движения для контуров скорости и положения обычно начинается с 5 кГц. Линейная ось двигателя может иметь полосу пропускания контура положения в пять-десять раз большую, чем у обычной оси с вращающимся двигателем, где допустимы частоты 1 или 2 кГц. Некоторые современные контроллеры движения могут осуществлять дискретизацию с частотой 20 кГц и выше, что обеспечивает сверхвысокоскоростное управление с обратной связью и сверхточное управление траекторией.
Поскольку большинство производителей модульных линейных двигателей также являются экспертами в области управления движением и сервоприводов, многие проблемы, связанные с контурами управления и механическим резонансом, были тщательно продуманы, и для их решения предлагаются соответствующие инструменты.
ПРИМЕНЕНИЕ ЛИНЕЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Много лет назад я приобрел ценный опыт работы с линейными двигателями, участвуя в революционном проекте команды инженеров: создании первого в мире станка для лазерной резки на основе линейных двигателей. Использование линейных двигателей идеально подходило для того, чтобы произвести революцию в отрасли, поскольку традиционные технологии линейных приводов, управляемые вращающимися серводвигателями, не могли обеспечить высокопроизводительные возможности, достижимые с помощью линейных двигателей.
Внедрение этой технологии оказалось непростой задачей. В процессе работы над проектом мы поняли, что для нашего приложения требуются характеристики линейных двигателей, которые отсутствуют на коммерческом рынке. Не сдаваясь, мы решили разработать линейные двигатели специально для нашего применения.
Мы столкнулись с многочисленными трудностями, поскольку нам нужно было перемещать портальную систему весом 450 кг с высокой скоростью 2,5 м/с и ускорением 1,5 G, а это означало, что нам необходимо было разработать линейный двигатель, способный создавать экстремальные усилия. Наша команда упорно работала, потратив бесчисленные часы на исследования и разработки, пока наконец не создала линейный двигатель, способный удовлетворить требованиям нашего станка лазерной резки. Мы были очень горды, когда спустя 14 месяцев наконец увидели наши линейные двигатели в действии, приводящие портальную систему в движение с невероятной скоростью, легкостью и точностью. Достигнутые результаты были беспрецедентными. Удивительно, насколько быстрее можно было бы завершить разработку концепции нашей машины, если бы тогда были доступны готовые модульные линейные двигатели.
Технология линейных двигателей значительно эволюционировала с тех пор, как мы начали разрабатывать их в 90-х годах. С появлением новых модульных конструкций потенциал для инноваций и прогресса в проектировании систем управления движением и линейных двигателей стал больше, чем когда-либо. Модульные линейные двигатели переосмысливают возможности, обеспечивая более быстрое, точное и надежное управление движением, которое можно быстро внедрить в широкий спектр применений во многих отраслях промышленности.
Дата публикации: 14 августа 2023 г.