Застосування лінійних двигунів має наступні най-мущества перед схемами з серводвигунами: точність позиціонування; можливі сверхмалі подачі (мікрони); висока швидкість (понад 3 м / с); високе прискорення (80 м / с 2); відсутність мертвого ходу; низький рівень шуму навіть при максимальній швидкості; можливість реалізації малих робочих ходів; відсутні пружні деформації елементів приводу (зубчастий ремінь, гвинт ШВП); тривалий термін служби і надійність. До недоліків слід віднести: високі вимоги до точності виготовлення елементів машини; наявність системи охолодження; висока вартість.
До складу типовий сервосистеми на основі лінійного двигуна (рис. 1) входять: лінійний двигун, що складається з первинної і вторинної секцій; блок управління (на малюнку не показаний); робочий стіл; напрямні кочення; датчик об-зворотного зв'язку; Кабелевкладальні ланцюг; обмежувач ходу; буфер.
Для контролю швидкості, положення системи і комутації двигуна використовується датчик лінійних переміщень. Цей вузол перетворює вимірюваний переміщення в послідовність електричних сигналів, що містять інформа-цію про величину і напрямку цих переміщень. Перетворень-зователь складається з вимірювальної головки і лінійки, при цьому між ними відсутній механічний контакт. Як правило, це оптикоелектричного датчики, але також можуть ис-користуватися магнітні та індукційні системи.
Лінійний двигун, як і обертається, складається з двох частин: первинної і вторинної секцій. Первинна сек-ція відповідає статора обертається двигуна. Вона включає в себе шихтованний муздрамтеатр з трифазної обмоткою і температурний датчик. Вторинна секція пред-ставлять собою ротор, що складається з сталевого каркаса з прикріпленими до нього постійними магнітами. Первинна і вторинна секції укладені в оболонки.
Умовно кажучи, лінійний двигун (рис.2) являє собою обертовий двигун, який розрізаний і «розгорнуто» в плоске стан. Відповідно, принципи роботи залишаються незмінними. Однак, в лінійному двигуні рух здійснює первинна секція (обмотка) при непод-Віжн вторинної секції (роторі).
Рушійний магнітне поле генерується обмоткою первинної секції. Поля вторинної секції та результуюче магнітне поле первинної секції створюють рух у відповідному напрямку за допомогою створення тягового зусилля. Положення результуючого вектора визначається фазами струмів інвертора, а амплітуда вектора, і, отже, розвивається мотором зусилля, задається амплітудами фазних струмів.
Для нормальної роботи лінійного двигуна необхідно точно витримати повітряний зазор між первинною і вторинною секціями. При збільшенні зазору зменшується здатність навантаження двигуна. У зв'язку з цим підвищуються вимоги до точності виконання монтажних поверхонь. На величину і точність повітряного зазору впливають напрямні прямолінійного руху і робочий стіл.
Як і серводвигун, лінійний двигун управляється блоком управління. Модель блоку управління залежать від типу вибраної лінійного двигуна.
На одній осі можуть бути встановлені дві первинних секції, що працюють паралельно від одного блоку управління. Ці секції повинні бути одного типорозміру з однаковим типом обмотки. При цьому відстань між первинними секціями визначається необхідними позиціями електричних фаз. Допустимі компонування секцій і відстані між ними наводяться в документації на двигун.
Критичним місцем для лінійних двигунів є температурний режим. Виробники пропонують лінійні двигуни з повітряним і водяним (масляним) охолодженням. Це може бути один і той же двигун, що працює в різних режимах.
Конвекційне охолодження значно спрощує конструкцію машини, проте, при цьому істотно знижується номінальне тягове зусилля (≈ в 2 рази). Максимальне зусилля двигуна залишається колишнім. На рис. 3 представлена найпростіша схема водяного охолодження. Природно, наявність охолодження робить конструкцію всієї машини в цілому складніше.
Прагнучи поліпшити охолодження двигуна, виробники вводять в його конструкцію додаткові охолоджуючі елементи. На рис. 4 (а) приведена конструкція первинної секції двигуна фірми Sew-Eurodrive з повітряним охолодженням, в якій застосований вентилятор. На рис. 4 (б) представлений лінійний двигун фірми Siemens з додатковим водяним радіатором спрямованого охолодження первинної і контуром охолодження вторинної секцій.
Для запобігання перегріву лінійний двигун оснащується датчиком температури. Датчик відключає двигун при температурі обмотки ≈ 120ºС.
До основних характеристик лінійного двигуна відносять: номінальне тягове зусилля FN. H; максимальне тягове зусилля Fmax. H; максимальна швидкість Vmax. м / с; сила магнітного тяжіння первинної секції - довжина L, мм і ширина B, мм. На рис.5 представлена типова залежність тягового зусилля від лінійної швидкості. Номінальне зусилля FN, що задає область роботи з постійним навантаженням, визначається температурним режимом. З максимальним зусиллям двигун може працювати обмежений час і не в усьому діапазоні швидкостей.
У таблиці 1 наведені дані про характеристики лінійних двигунів від різних виробників. Номінальне тягове зусилля наводиться при повітряному і водяному охолодження (розділені знаком «/»). Природно, всі моделі не можуть бути представлені в одній таблиці. Повні каталоги надаються виробниками або їх дилерами.
Таблиця 1. Характеристики лінійних двигунів
Вибір лінійного двигуна заснований на визначенні потрібного тягового зусилля. Даний розрахунок передбачає, що вторинна секція лінійного двигуна нерухома. На першому етапі попередньо підбираємо двигун, використовуючи формулу
_ _ _
Fmax = 1,5 # 8729; (Fg + Fa),
де Fg. Н - ефективна складова гравітаційної сили (рис.7, а); Fa - сила енерціі, що виникає при розгоні. Як правило, необхідний двигун з максимальним тяговим зусиллям. За даними виробника вибираємо двигун з необхідним Fmax і потрібної швидкістю Vmax.
Потім необхідно визначити силу тертя Fr. Н, що виникає в напрямних кочення (рис.7, б) за формулою
_ _ _
Fmax = μ # 8729; (Fn + Fd),
де Fn - нормальна складова сили тертя; Fd - сила магнітного тяжіння первинної секції. Отже, можна записати Fr = μ # 8729; [(М + m) # 8729; g # 8729; sin α + Fd], де μ, кг - маса первинної секції.
Далі визначаємо силу інерції Fa. Н, що виникає при розгоні / гальмуванні двигуна, використовуючи формулу Fa = (M + m) # 8729; a.
Сума сил, що діють на систему, визначається рівнянням
_ _ _ _ _
Fm = Fc + Fg + Fa + Fr.
Слід побудувати циклограми всіх діючих на двигун сил і результуючу циклограму (рис.8). При цьому необхідно точно визначити максимально потрібну силу Fmax. Н. Попередньо обраний двигун повинен розвивати потрібне максимальне тягове зусилля.
Крім максимальної сили, необхідно визначити номінальне зусилля, з яким двигун може працювати тривалий час. Номінальне тягове зусилля FN. Н, обмежується температурою двигуна і в загальному випадку визначається за формулою
При ступінчастою результуючої циклограмме навантаження (рис.8, б) (напрямні кочення) FN = √1 / t # 8729; (F1 2 t1 + F2 2 t2 + F3 2 t3 + ... + Fn 2 tn).
Після вибору первинної секції необхідно вибрати вторинну секцію. Довжина вторинної секції (рис.9, а) Ls. мм визначається за формулою Ls ≥ L + Lp + (2 # 8729; SE), де L, мм - робочий хід; Lp. мм - активна довжина первинної секції; SE. мм - запас ходу на перемикання (≈20 мм).
На одній вторинній секції можна встановлювати кілька первинних (рис.9, б). При цьому довжина вторинної секції відповідно повинна бути збільшена на довжину первинної секції і на зазор між секціями. Якщо первинні секції управляються від різних сервопідсилювач з окремими вимірювальними системами (типу провідний / ведений привід), зазор між ними визначається вимогами механічних частин системи - довжина присоединительного штекера, радіус вигину кабелю, і т.д. Якщо ж первинні секції управляються одним блоком паралельно, зазор між ними повинен бути прийнятий у відповідність з монтажним кресленням.
Необхідний хід може бути забезпечений набором вторинних секцій різної довжини. Довжини вторинних секцій вказуються виробником. Дуже часто вигідніше використовувати велику кількість коротких сегментів замість кількох довгих.
Максимальне зусилля не залежить від виду охолодження. При рівному номінальному зусиллі лінійний двигун з водяним охолодженням буде менше, і, отже, дешевше. Однак до вартості двигуна додасться вартість системи охолодження. Рекомендується використовувати водяне охолодження для двигунів з інтенсивним робочим циклом (часте прискорення, гальмування, тривала робота з великим зусиллям).
Вартість первинної секції лінійних двигунів з рівним зусиллям менше у секцій меншої довжини і більшої ширини. Однак вартість вторинної секції менше при меншій ширині. Тому при малому робочому ході (менше 1 м) рекомендується вибирати двигун з меншою довжиною і більшою шириною первинної секції. При переміщеннях понад 1 м - первинну секцію більшої довжини і меншою ширини.
Максимальна швидкість лінійного двигуна залежить від значення струму при заданій напрузі харчування. Слід вибирати виконання двигуна з найменшою швидкістю, найбільш близькою до потрібної.
Сервоприводи відносяться до тієї галузі машинобудування, яку називають «мехатроніка». Цей термін об'єднує поняття «механізм» і «електроніка». Досягнення електроніки дозволяють назвати практично будь-який сучасний механізм мехатронним. Разом з тим, часто доводиться чути, що «це дорого», «це не для наших умов» і т.д. А може, варто ще раз згадати слова академіка В. Н. Челомея: «Щоб система була стійкіше, її треба часто трясти».
М. Гранкін, інженер-конструктор
Журнал «Світ техніки і технологій»