工控行业变革——为什么必然是直线电机带来的？.docx

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1、工控行业变革为什么必然是直线电机带来的？工控行业变革为什么必然是直线电机带来的？网络转载导语：构造简单，由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因此使得系统本身的构造大为简化，重量和体积大大地下降；直线-linearmotionactuator直线电机可以认为是旋转电机在构造方面的一种变形，它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而成。随着自动控制技术和微型计算机的高速开展，对各类自动控制系统的定位精度提出了更高的要求，在这种情况下，传统的旋转电机再加上一套变换机构组成的直线运动驱动装置，已经远不能知足当代控制系统的要求，为此，世界许多国家都在研究、开展和应用直线电机，使

2、得直线电机的应用领域越来越广。直线电机与旋转电机相比，主要有如下几个特点：一、构造简单，由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因此使得系统本身的构造大为简化，重量和体积大大地下降；二、定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电机可以实现直接传动，因此可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高，如采用微机控制，那么还可以大大地进步整个系统的定位精度；三、反响速度快、灵敏度高，随动性好。直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑，因此使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力，因此大大地进步了系统的灵敏度、快速性和随动性；四、工作平安可靠、寿命长

3、。直线电机可以实现无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少，免维修，因此工作平安可靠、寿命长。这些特点成就了直线电机在以下三个方面的主要应用：一、应用于自动控制系统，这类应用场合比拟多；二、作为长期连续运行的驱动电机；三、应用在需要短时间、短间隔内提供宏大的直线运动能的装置中。包装行业自动化应用包装行业的灌装设备上，旋盖模组是一种常见的模块，它需要同时实现直线加旋转的运动，进而完成瓶盖旋紧的操作，并且在整个旋盖经过中需要对力量进展控制，以保证旋盖的质量。目前，在包装行业的灌装设备上，有两种旋盖模组技术被广泛使用，即机械旋盖技术和半伺服旋盖技术。机械旋盖技术，也就是第一代旋盖技术，是通过机

4、械凸轮来实现直线运动，通过齿轮加磁力环来实现旋转和旋盖力的控制。由于整个机构的运动都是通过机械来实现的，具有旋转力矩固定、无力矩反应、速度和行程都难以调整、接触力固定、最大行程仅能到达80-150mm和无瓶盖垂直位置反应和装载效果检测等弊端。这种机构在使用经过中，垂直位置升降的高度、旋转局部旋转的角度等，完全依赖于机械设计和机械加工的程度，因此对于旋盖质量比拟难以把控。由于机械设计整体相对固定，当客户需要改变运动间隔和高度时，需调整机械位置或者更换机械凸轮，可操作性差，因此不适用于小批量产品的消费。而目前国内大局部企业使用的便是这种方式，其设计的复杂度较高，安装和调试较为困难，长时间运行需要的

5、维护的工作量大。但由于整体的设备本钱较低，所以也有不少对产品效率、性能、能耗等要求不高的企业用户。50%伺服旋盖技术，即第二代旋盖技术，它是在第一代机械旋盖技术的根底上增加了旋转伺服电机进展旋盖，而直线运动局部仍然通过机械凸轮实现。此技术在旋转力、力矩、速度的控制或者调整方面已有所打破，但在行程、接触力、瓶盖垂直位置和装载效果方面还延续第一代的弊端。由于旋转局部采用了伺服电机，进而可以对旋盖的力和位置进展更好的控制，进而进步了旋盖的质量。但是由于升降局部还是采用传统的机械凸轮构造，因此在改变瓶型进展高度调整的时候会比拟费事。如今，国内已经有局部设备企业消费出了此类旋盖模组，而一些对旋盖质量要求

6、较高的企业也已经开场采用这种技术设备。被称为100%伺服技术的第三代旋盖模组，采用的是直线旋转电机来彻底取代传统的机械构造，实现了直线运动和旋转运动的全伺服控制。直线电机是将传统电机定子的磁场翻开，并进展侧向旋转，通过电流的变化对内部的动子形成直线的磁场力，进而直接实现直线运动的，这样省去了传统的旋转运动转化成直线运动所需要的各种构造。管式直线电机构造简单，仅由独立的定子和动子两局部组成，外形类似于气缸，但性能却是电缸的数倍，可实现高速、高响应的多点位置、速度、加速度、和力量的控制。由于管式直线电机在构造上具有轴对称的特点，因此可以将其与传统的旋转伺服电机在构造上做成一体，进而实现直线旋转运动

7、。基于直线伺服和旋转伺服的原理，可以对直线和旋转运动的位置、速度、和力量都进展控制。该直线旋转电机已成熟的应用于罐装设备的旋盖模组上，引领了第三代伺服旋盖技术的开展。采用科瑞LinMot直线旋转电机和模块式驱动器组成的旋盖模组，相比于传统的形式，构造简单，安装调试和维护大为简化，性能上实现了旋盖经过的全伺服控制，不仅旋盖的质量大大进步，还实现了在线调整，十分适用于对产品质量要求较高，且产品品种更改较为频繁的企业使用。在克朗斯公司Krones的Contiform3罐装设备上便采用了科瑞LinMot旋盖模组。该模组将20个管式直线电机相当于40个伺服电机装载在了540mm的圆筒上，不仅进步了旋盖的

8、效率和质量，还大幅降低了能耗，而且没有挪动线缆。知足了客户对产品质量的严格要求，并可灵敏的实现小批量产品的消费，在灌装行业市场获得了宏大的反响。管式直线电机在包装行业的应用数控机床上的应用近几年，国际上对数控机床采用直线电机显得十分热门，其原因是：为了进步消费效率和改善零件的加工质量而开展的高速和超高速加工现已成为机床开展的一个重大趋势，一个反响灵敏、高速、轻便的驱动系统，速度要进步到4050m/min以上。传统的“旋转电机+滚珠丝杠的传动形式所能到达的最高进给速度为30m/min，加速度仅为3m/s2。直线电机驱开工作台，其速度是传统传动方式的30倍，加速度是传统传动方式的10倍，最大可达1

9、0g;刚度进步了7倍;直线电机直接驱动的工作台无反向工作死区;由于电机惯量小，所以由其构成的直线伺服系统可以到达较高的频率响应。1993年，德国ZxCell-O公司推出了世界上第一个由直线电机驱动的工作台HSC-240型高速加工中心，机床主轴最高速到达24000r/min，最大进给速度为60n/min，加速度到达1g，当进给速度为20m/min时，其轮廓精度可达0.004mm。美国的Ingersoll公司紧接着推出了HVM-800型高速加工中心，主轴最高转速为20000r/min，最大进给速度为75.20m/min。1996年开场，日本相继研制成功采用直线电机的卧式加工中心、高速机床、超高速小

10、型加工中心、超精细镜面加工机床、高速成形机床等1。我国浙江大学研制了一种由直线电机驱动的冲压机，浙江大学消费工程研究所设计了用圆筒型直线电机驱动的并联机构坐标测量机2。2001年南京四开公司推出了自行开发的采用直线电机直接驱动的数控直线电机车床，2003年第8届中国国际机床展览会上，展出北京电院高技术股份公司推出的VS1250直线电机获得的加工中心，该机床主轴最高转速达15000r/min。直线电机的驱动控制技术一个直线电机应用系统不仅要有性能良好的直线电机，还必须具有能在平安可靠的条件下实现技术与经济要求的控制系统。随着自动控制技术与微计算机技术的开展，直线电机的控制方法越来越多。对直线电机

11、控制技术的研究根本上可以分为三个方面：一是传统控制技术，二是当代控制技术，三是智能控制技术。传统的控制技术如PID反应控制、解耦控制等在沟通伺服系统中得到了广泛的应用。其中PID控制蕴涵动态控制经过中的过去、如今和将来的信息，而且配置几乎为最优，具有较强的鲁棒性，是沟通伺服电机驱动系统中最根本的控制方式。为了进步控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技术。在对象模型确定、不变化且是线性的和操作条件、运行环境是确定不变的条件下，采用传统控制技术是简单有效的。但是在高精度微进给的高性能场合，就必须考虑对象构造与参数的变化。各种非线性的影响，运行环境的改变及环境干扰等时变和不确定因数，才能得到满意的控

12、制效果。因此，当代控制技术在直线伺服电机控制的研究中引起了很大的重视。常用控制方法有：自适应控制、滑模变构造控制、鲁棒控制及智能控制。近年来模糊逻辑控制、神经网络控制等智能控制方法也被引入直线电动机驱动系统的控制中。目前主要是将模糊逻辑、神经网络与PID、H控制等现有的成熟的控制方法相结合，取长补短，以获得更好的控制性能。直线电机在数控机床中的应用实例活塞车削数控系统采用直线电机的直线运动机构由于具有响应快、精度高的特点，已成功地应用于异型截面工件的CNC车削和磨削加工中。针对产量最大的非圆截面零件，国防科学技术大学非圆切削研究中心开发了基于直线电机的高频响大行程数控进给单元。当用于数控活塞机

13、床时，工作台尺寸为600mm320mm，行程100mm，最大推力为160N，最大加速度可达13g。由于直线电机动子和工作台已固定在一起，所以只能采用闭环控制，如下图为该单元的控制系统简图。直线电机位置控制器的原理框图这是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。采用高精度光栅尺作为位置检测元件。定位精度取决于光栅的分辨率，系统的机械误差可以由反应消除，获得较高的精度。采用直线电机的开放式数控系统采用PC机与开放式可编程运功控制器构成数控系统，这种系统以通用微机及Windows为平台，以PC机上的标准插件形式的运动控制器为控制核心，实现了数控系统的开放。基于直线电机的开放式数控系统的总体设计方案如下图。基于直线电机的开放式数控系统原理图该系统采用在PC机的扩展槽中插入运动控制卡的方案组成，系统由PC机、运动控制卡、伺服驱动器、直线电机、数控工作台等局部组成。数控工作台由直线电机驱动，伺服控制和机床逻辑控制均由运动控制器完成，运动控制器可编程，以运动子程序的方式解释执行数控程序G代码等，支持用户扩展。运动控制卡型号为PCI-8132。当今的工业控制技术中PCI总线渐渐地取代了ISA总线，成为主流总线形式，它有很多优点，如即插即用PlugandPlay、中断分享等。