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案例頻道 用于長行程機(jī)器應(yīng)用的滾珠絲杠非常昂貴，并且為了充分支持所需的行程距離，需要增加運(yùn)動部件。如果機(jī)器應(yīng)用還需要高運(yùn)轉(zhuǎn)速度，意味著需要更大的伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動器，這會導(dǎo)致機(jī)器成本上升。印度生產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)商Proteck的工程師正在設(shè)計(jì)滿足這些性能的機(jī)器。此外，該機(jī)器需要在110m/min直線速度運(yùn)行時(shí)保證雙向±10微米的重復(fù)定位精度。他們的工程師們向科爾摩根歐洲公司求助，希望在保持或提高運(yùn)行效率的同時(shí)減少機(jī)器成本和設(shè)備耗電量。
該公司最初設(shè)計(jì)了高規(guī)格的二氧化碳3軸激光切割機(jī)，其獨(dú)特的光路設(shè)計(jì)可以適用于各種不同的平板材料。這些機(jī)器占用空間小，僅包括鑄鐵床和下側(cè)單軸幾何形狀，實(shí)現(xiàn)2.5×1.5米尺寸的平板三側(cè)開口。該公司在此機(jī)器的基礎(chǔ)上推出了新型號，該型號包括以前機(jī)器的所有功能，但是使用更輕、成本更低的焊接框架結(jié)構(gòu)。
設(shè)計(jì)結(jié)果是為3軸橋式激光加工中心引入了齒輪齒條結(jié)構(gòu)的長行程下側(cè)軸，加工中心包括兩個同步下側(cè)X軸，支撐一個空門Y軸和一個垂直Z 軸。
最初的設(shè)想是將直線電機(jī)技術(shù)用于長行程雙同步X軸，但是該設(shè)計(jì)的成本過于高昂，使機(jī)器無法適應(yīng)目標(biāo)市場。工程師們認(rèn)識到在設(shè)計(jì)齒條和齒輪系統(tǒng)時(shí)，需要使用不同的方法實(shí)現(xiàn)解決齒隙和重復(fù)定位精度需求。該公司設(shè)計(jì)了一套獨(dú)特的預(yù)緊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過將齒輪和電機(jī)安裝到偏心導(dǎo)向圓以實(shí)現(xiàn)齒輪完全接觸，并通過針對性調(diào)整，以盡量避免系統(tǒng)動態(tài)特性的喪失。該預(yù)緊力結(jié)構(gòu)在齒條和齒輪表面的性能良好，但是標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)需要配備行星減速箱以產(chǎn)生足以驅(qū)動負(fù)載的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)預(yù)緊力結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)集成時(shí)，減速箱齒隙對系統(tǒng)性能影響甚大。該問題的解決方案是采用科爾摩根KBM無框直驅(qū)電機(jī)來直接驅(qū)動齒輪齒條，避免減速箱的齒隙產(chǎn)生的影響。
KBM電機(jī)套件包括單獨(dú)的轉(zhuǎn)子和定子，結(jié)合依靠機(jī)器上的軸承和保護(hù)蓋，轉(zhuǎn)子和定子被直接安裝到機(jī)器上，并集成了電源接頭和編碼器接頭。按照其安裝布局，大直徑齒輪軸直接聯(lián)接到轉(zhuǎn)子上，形成一個獨(dú)立的剛體，減少了可能導(dǎo)致的空轉(zhuǎn)和潛在的有害諧波。最終設(shè)計(jì)已經(jīng)通過實(shí)地驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)極低的齒隙，并且擁有優(yōu)秀的動態(tài)性能，并提高生產(chǎn)率。齒條和齒輪系統(tǒng)對碎屑擁有較強(qiáng)的抵御能力，不需要達(dá)到直線電機(jī)系統(tǒng)對激光加工環(huán)境所要求的防護(hù)等級，如圖1所示。
圖1 KBM單獨(dú)轉(zhuǎn)子和定子的安裝方式有效限制了空轉(zhuǎn)并減少了有害諧波
該公司還在其他系統(tǒng)中使用KBM無框直驅(qū)電機(jī)和AKM同步伺服電機(jī)。Proteck齒條和齒輪系統(tǒng)采用科爾摩根KBM無框直驅(qū)電機(jī)，減少了零件數(shù)量，更加節(jié)能高效，并且實(shí)現(xiàn)了更高的速度和精度，同時(shí)將齒隙和空轉(zhuǎn)降低到所需要求以下。擁有多反饋功能的科爾摩根S700 伺服驅(qū)動器（如圖2所示）可輕松地實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)，旋變反饋設(shè)備安裝到KBM無框直驅(qū)電機(jī)上用于換向，另一個反饋設(shè)備安裝到磁性直線標(biāo)尺上用于位置環(huán)。
圖2 S700 伺服驅(qū)動器擁有多反饋功能，EtherCAT和CANopen總線通訊，以及SIL2/SIL3安全功能
反饋協(xié)議為SSI absolute、EnDAT或BiSS，以便與各種數(shù)控控制器配套，從而通過所有S700驅(qū)動器中集成的EtherCAT進(jìn)行設(shè)置和監(jiān)控。這些可選功能包括用于SIL2和3安全標(biāo)準(zhǔn)的STO（安全轉(zhuǎn)矩關(guān)閉）以及用于設(shè)置和監(jiān)控的以太網(wǎng)連接。
新一代平板切割機(jī)能切割的最大平板尺寸為3.1×1.6米，該切割機(jī)在Y和Z軸上使用科爾摩根AKM系列同步伺服電機(jī)，并且配備了MicronTM系列行星減速機(jī)，并且配備制動器，如圖3所示。
該公司在平臺、3軸橋式和龍門式機(jī)器的基礎(chǔ)上研發(fā)了最新的激光切割機(jī)SI 2530，這是一個7軸加工中心，其中包括先進(jìn)的飛行光路頭設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)成型工件的垂直和傾斜角側(cè)的激光切割。大型三維組裝金屬板工件被固定到一個固定式中心工作臺上，多個旋轉(zhuǎn)式激光頭經(jīng)過引導(dǎo)總是保持最佳垂直角度以實(shí)現(xiàn)完美切割。
圖3 Proteck的平板切割機(jī)也使用配備MicronTM 系列行星減速機(jī)的科爾摩根AKM 系列同步伺服電機(jī)
采用Proteck齒條和齒輪機(jī)構(gòu)的KBM無框直驅(qū)電機(jī)被用于驅(qū)動該機(jī)器的主水平軸，其覆蓋區(qū)域?yàn)?.6×3.3×0.7米。此外，空心軸的KBM無框直驅(qū)電機(jī)也用作多旋轉(zhuǎn)飛行光路系統(tǒng)的主驅(qū)動電機(jī)——實(shí)現(xiàn)激光傳輸和聚焦系統(tǒng)直通的同時(shí)保持靈活度和精密度，從而實(shí)現(xiàn)360度和±135度旋轉(zhuǎn)行程的雙旋轉(zhuǎn)軸的完全同步。此外，機(jī)器的其他軸采用與S700驅(qū)動器完美配合的AKM同步伺服電機(jī)，從而減少了備件和庫存成本。
摘自《自動化博覽》2015年11月增刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號