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絲桿滑臺的高精度改造

線性傳動的全閉環高精度解決方案

眾所周知,傳統的線性運動多是旋轉運動通過一定的傳動變換機構轉化成直線運動的,中間經過了各種傳動環節,因此系統的定位精度就要考慮旋轉運動的精度、傳動機構的精度、安裝誤差、系統磨損等對系統精度產生影響的因素。目前國際國內的解決方案高端的采用直驅直線電機,中端和低端的采用研磨級精密絲桿、低彈性形變的皮帶、精度級別高的齒條等來盡量降低系統傳動環節帶來的精度損失。

高端直驅直線電機有速度高、加速度高、定位精度高、無背隙等傳統傳動型線性運動無法達到的高性能,但是由于直線電機系統的核心技術基本被國外發達國家掌握和控制。雖然國內有幾家公司也開始做直線電機,但是大部分僅僅是做電機本體,位移傳感器和伺服控制器依然需要依賴進口。因此直線電機系統的整體價格依然高居不下,使之真正成了高端敢問而不敢用的產品。加上現在國家稀土戰略管制,直線電機本體也慢慢的失去了價格優勢。整個系統的價格逐步向上攀升。正是由于價格高,很多核心組件需要依賴進口,使整個市場的消費量與傳統伺服產品有相當大的差距,整體處于疲軟狀態。

要想從根本上解決直線電機系統大面積推廣的問題,必須從三方面下手:一是進行省稀土材料的直線電機的設計,這需要直線電機廠家具有先進的設計工具和創新的設計思路,盲目的照搬照抄國外的,最多也僅僅賺個勞動力成本的差價;二是高性能位移傳感器的國產化,只有自己掌握了核心技術,才能打破國際廠商的壟斷,才能設計符合我國國情的高性價比產品;三是伺服控制器的國產化,其實在國內做變頻器的廠家較多,由變頻轉向伺服相對比較容易,只是軟件上的算法是衡量整個伺服控制器性能優劣的關鍵,在硬件上大家基本都差不多。因此算法的基礎研究和深入吸收是做好國產伺服控制器的首先要解決的問題。

中端和低端多數采用傳動方式來實現旋轉到現行運動的轉換。傳統的思路均是在旋轉伺服電機后端加編碼器,然后通過各種手段來盡量減少傳動環節的精度損失。因此各種精密絲桿、精密皮帶、精密齒條等高精度等級的傳動機構相繼推出來滿足設備的需要。目的就是讓整個系統能達到可預見的系統精度。然而事實上,這種半閉環的傳動系統在隨著使用過程中接觸傳動的磨損和系統裝配松動、應力變形等誤差源不斷增加的情況下,系統的宣稱精度根本無法達到預期的要求,只能降級使用。原因就在于系統只是半閉環,最終負載運動的實際情況只能靠傳動機構的精度來做大概的預計。且高精度絲桿、齒條、皮帶等由于加工難度高,價格也高,比如THKIKO的微米級絲桿動則幾千,還要戰略管制。要想徹底擺脫這種困境,唯有從全新的角度來進行系統的通盤考慮,比如如何實現系統全閉環,使系統的誤差等級不僅僅是能夠預計,而是能夠精確測量。再一個就是如何用較低的成本來實現傳統系統的升級,不對原系統做大改動,通過增加有限的組件來實現傳統傳動系統的高精度化。

我們都知道機床的數顯改造,就是僅僅加了光柵數顯即能實現位移的閉環顯示,大大提高了傳統手動機床的性能。使加工精度不再僅僅是預計,更能夠精確測量。本公司線性傳動的全閉環解決方案即類似于此,有低端的全閉環數顯解決方案,也有中高端的全閉環數控解決方案。這得益于我們對線性編碼核心技術的掌握和對系統補差控制算法的深入研究。

該全閉環高精度解決方案不但適用于傳統伺服系統的性能升級,同樣適用于對傳統開環步進滑臺系統做性能升級。是填補傳統伺服電機系統與開環步進電機系統的中間地帶,是一個低成本、高性價比、獨特的伺服化控制解決方案。本解決方案的步進系統繼承了傳統的步進系統的所有優點(例如:有靜態鎖力、低速性能好、大力矩(相同機座型號相對伺服電機而言)、對位置環的響應無延時、價格便宜、免維護),又具有伺服系統的一些優點(例如:安全性好、不會失步和過沖、能與上位機進行通迅、加速或減速更迅速、定位精度高)。本解決方案的步進電機除了高速性能和過載性能比不上傳統的伺服電機,其它方面的性能完全可以媲美于伺服電機,甚至有些性能好過伺服電機(例如:靜態鎖力、與普通光柵尺配合能得到更高和更可靠的定位精度、低速穩定性及不需要齒輪減速箱就能獲得低速大力矩…)。由于本解決方案極具性價比,將提供給工業自動化的設計和使用者一個更多的選擇,特別是經濟型的數控機床行業。

本解決方案原理簡單,調試容易,任何人通過使用手冊就能很好的設置它,不需要專業的調試技術,控制及使用上也與傳統的開環步進電機系統沒有任何區別,現有的任何步進電機系統都可以按照本解決方案得到性能升級。經廣泛客戶使用,完全能適應三軸或多軸聯動的數控機床。

本解決方案最高可以配合 0.001mm 分辨率的光柵。完全為多軸聯動而設計的,對位置誤差的響應是微秒級的,靜態精度為光柵的正負一個脈沖,動態精度為光柵的正負 2-3 個脈沖。在中走絲的線割機上實際試驗,方可以到0.003mm 的精度,圓可以到0.005mm的精度。對于使用了本解決方案的機器來說,不管是使用 C7 級的絲桿還是 C3 級的絲桿,最終得到的加工精度并沒有多少區別,但 C7 C3 級的絲桿的價錢差別卻是巨大的,由此非常具有經濟效益

 



 

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