Линейные двигатели открыли новые горизонты в управлении движением, демонстрируя более быструю, точную и надёжную работу по сравнению с традиционными линейными актуаторами с вращательным двигателем. Уникальное свойство линейного двигателя заключается в том, что нагрузка перемещается без механических силовых компонентов. Вместо этого линейная сила, создаваемая магнитным полем катушки двигателя, напрямую передаётся на нагрузку. Это исключает необходимость в механических устройствах, преобразующих вращательное движение в линейное, тем самым повышая срок службы, точность, скорость и общую производительность системы.

В связи с растущим спросом на повышение производительности, качества продукции, сокращение сроков разработки и снижение затрат на проектирование, применение технологии линейных двигателей становится всё более популярным благодаря использованию модульных линейных двигателей. Они применяются в метрологии, системах прецизионной резки, оборудовании для производства полупроводников и электроники, в обработке пластин, литографии, системах визуального контроля, медицинском оборудовании и приборах, испытательных системах, аэрокосмической и оборонной промышленности, автоматизации сборочных линий, печати и упаковки, а также во многих других областях, где требуется высокая производительность и точность линейного перемещения.

Компоненты линейного двигателя должны быть обработаны и собраны с высокой точностью и повторяемостью. Правильное совмещение этих деталей имеет решающее значение и требует высокой детализации конструкции и навыков сборки.

Сегодня новое поколение модульных линейных двигателей изменило ситуацию. Готовые модульные линейные двигатели легко монтируются в систему и готовы к немедленному запуску, что значительно сокращает время проектирования. Теперь инженеры могут использовать мощные преимущества технологии модульных линейных двигателей в своих проектах всего за несколько дней, а не за месяцы или даже годы.

Системы линейных двигателей состоят из девяти основных компонентов:

1. Опорная пластина
2. Катушка двигателя
3. Постоянная магнитная дорожка (обычно неодимовые магниты)
4. Каретка, соединяющая катушку двигателя с нагрузкой
5. Линейные направляющие, по которым перемещается каретка и которые соединяются с основанием
6. Линейный энкодер для обратной связи по положению
7. Конечные остановки
8. Кабельный трек
9. Дополнительные сильфоны для защиты магнитной дорожки, энкодера и линейных направляющих от загрязнения окружающей среды.

КОНТУР УПРАВЛЕНИЯ

Компоненты линейного двигателя должны быть обработаны и собраны с высокой точностью и повторяемостью. Правильное совмещение этих деталей критически важно и требует тщательной проработки деталей конструкции и квалифицированных сборщиков. Например, магнитная дорожка и подвижная катушка двигателя должны быть плоскими, параллельными и установлены с определённым воздушным зазором между ними. Подвижная катушка перемещается по каретке, соединённой с параллельными прецизионными линейными направляющими над магнитной дорожкой. Датчик положения с линейной шкалой и считывающей головкой — ещё один важный компонент линейного двигателя, требующий надлежащей процедуры совмещения и прочной конструкции крепления, способной выдерживать ускорения до 5 g. В модульных линейных двигателях эти детали уже учтены и предварительно спроектированы.

Модульные системы линейных двигателей, подобные представленной, используются в случаях, когда требуется точное, высокоскоростное и повторяемое линейное перемещение. Эта система является альтернативой шарико-винтовым, ременным и реечным приводам.

Для управления линейным двигателем используются сложные контроллеры движения и сервоприводы. Линейные двигатели обладают явным преимуществом в плане жёсткости и частотной характеристики. В определённых диапазонах частот их жёсткость в 10 и более раз превышает жёсткость традиционных шарико-винтовых передач. Благодаря этому свойству линейные двигатели способны работать в широком диапазоне частот контуров положения и скорости с впечатляющей точностью, даже при наличии внешних возмущений. В отличие от шарико-винтовых передач, резонансные частоты которых часто встречаются в диапазоне от 10 до 100 Гц, линейные двигатели работают на более высоких частотах, выходя резонансные частоты за пределы полосы пропускания контура положения.

Однако отказ от механической трансмиссии влечет за собой определенные недостатки. Механические компоненты, такие как шарико-винтовые передачи, помогают снизить возмущения, вызванные механическими силами, собственными резонансными частотами и поперечными вибрациями. Их отсутствие делает линейные двигатели непосредственно подверженными таким возмущениям. Следовательно, компенсация этих возмущений ложится на контроллер движения и электронику привода, которые должны эффективно справляться с ними, воздействуя непосредственно на ось сервопривода. Именно здесь вступают в дело современные сложные алгоритмы движения с замкнутым контуром, устраняющие резонансы и обеспечивающие эффективное управление контуром положения.

В сфере линейных приводов линейные двигатели демонстрируют исключительные технические возможности. Способность двигателей обеспечивать превосходную жёсткость и работать на более высоких частотах отличает их от традиционных аналогов. Линейные двигатели, способные противостоять резонансным частотам и сохраняющие высокую точность даже при наличии внешних помех, представляют собой привлекательное решение.

Тем не менее, отсутствие механической передачи требует применения надежных методов компенсации для противодействия возмущениям, обеспечивая непрерывную производительность и надежность системы. Частоты дискретизации контроллера движения для контуров скорости и положения обычно начинаются с 5 кГц. Линейная ось с двигателем может иметь полосу пропускания контура положения в пять-десять раз больше, чем у обычной оси с вращательным двигателем, где приемлемыми являются частоты 1 или 2 кГц. Некоторые современные контроллеры движения могут работать с частотой дискретизации 20 кГц и более, что обеспечивает сверхбыстрое 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 контуров управления и вопросы механического резонанса также были хорошо продуманы, и для смягчения этих проблем были предоставлены решения и инструменты.

ПРИМЕНЕНИЕ ЛИНЕЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Много лет назад я приобрёл ценный опыт работы с линейными двигателями, работая с командой инженеров над революционным проектом: созданием первого в мире станка для лазерной резки на базе линейного двигателя. Использование линейных двигателей стало идеальным решением для революционного преобразования отрасли, поскольку традиционные технологии линейных приводов с роторными серводвигателями не могли обеспечить высокую производительность, достижимую с помощью линейных двигателей.

Внедрение этой технологии оказалось непростой задачей. По мере углубления в проект мы поняли, что для нашего приложения требуются линейные двигатели с техническими характеристиками, которых нет в продаже. Не остановившись, мы решили разработать линейные двигатели специально для нашего применения.

Мы столкнулись с многочисленными трудностями, поскольку нам требовалось перемещать портальную систему весом 1000 фунтов (450 кг) со скоростью 2,5 м/с с ускорением 1,5 g, что означало необходимость разработки линейного двигателя, способного создавать экстремальные усилия. Наша команда упорно трудилась, посвятив бесчисленные часы исследованиям и разработкам, пока наконец не создала линейный двигатель, отвечающий требованиям нашего лазерного режущего станка. Мы были очень горды, когда 14 месяцев спустя наконец увидели наши линейные двигатели в действии, приводя портальную систему в движение с невероятной скоростью, лёгкостью и точностью. Достигнутая производительность была беспрецедентной. Поразительно, насколько быстрее можно было бы реализовать концепцию нашего станка, если бы в то время были доступны готовые модульные линейные двигатели.

Технология линейных двигателей значительно эволюционировала с тех пор, как мы начали разрабатывать линейные двигатели в 90-х годах. С появлением новых модульных конструкций потенциал инноваций и прогресса в области проектирования механизмов движения и линейных двигателей стал как никогда велик. Модульные линейные двигатели открывают новые горизонты возможностей, предлагая более быстрые, точные и надежные функции управления движением, которые можно быстро внедрить для широкого спектра применений во многих отраслях.