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台湾天车式龙门型加工中心与线性马达

天车式龙门五轴加工中心

台湾天车式龙门型加工中心与线性马达(天车式龙门型加工中心)

如果我们所要制造的零件是很小的,我们可以用一般的工具机。如果我们要制造相当大的零件如喷射机的机翼,就需要一种大型的工具机,这种大型工具机又叫做天车式龙门型加工中心,专门用来制作汽车模具、飞机结构、飞机发动机组件、风电组件、发电厂的大型零件,可以说想搞好重工业,这种大型的切削工具机是必备的。

这种工具机(龙门型加工中心)的外型示意图

龙门型加工中心

一般成年人在这种工具机旁边的比例如下图,所以读者们可以知道这种工具机大概有多大(龙门型加工中心与成年人之比例)

天车式龙门五轴加工中心

而工件则是放在龙门型加工中心的基座上加工,如下图。

天车式龙门五轴加工中心

由于现今航天和汽车产业的工件大多是复杂流线造型,这种工具机也必须具备切削复杂流线造型的能力,也因此这种工具机多为五轴工具机。除了XYZ移动轴以外,还在主轴上搭配两个旋转轴,如下所示(主轴头旋转方向示意图)

天车式龙门五轴加工中心

这次介绍的公司是台湾一家制造该种大型工具机厂商,他们特别的地方在于说是亚洲地区少数使用线性马达在大型工具机上的厂商之一。

我们得先讲解线性马达和传统马达的差别。一般常见的马达,跟大家在国中理化学到的差不多,有一组固定的SN磁铁,轴心是电磁铁,如下图所示(传统马达简易构造示意图)

传统马达传动

当通电后电磁铁和轴心的磁极相同,就产生排斥力,轴心便开始旋转(马达旋转示意图)

传统马达传动

转了半圈后我们可以发现现在电磁铁和永久磁铁是异性相吸的状态,如果这样马达就无法继续运转了,如下图所表示(马达旋转示意图)。因此在这个时候流经电磁铁的电流方向会改变,让电磁铁的SN再度变换,以保持同性相斥的状态,因此马达才能持续旋转。这就是一般马达的简易运作原理,当然工业上有更多其他种类的马达和运作方式,就不在此一一介绍了。


而普通马达是如何让旋转运动传换成直线运动的呢? 各位读者可以参看下图(工具机平台传动总成)。下图是工具机的固定座、硬轨、移动平台、滚珠导螺杆、联轴器和普通的马达。

传统马达传动

其运作的方式如下所述、马达和滚珠导螺杆之间用联轴器锁紧,使它们可以同步旋转,当马达转动时滚珠导螺杆也会一起旋转,如图所示(联轴器连结马达和滚珠导螺杆)。滚珠导螺杆上的方形块是和移动平台锁在一起的,移动平台本身则是承靠在两个平行的硬轨上头,如图所示(方形块和移动平台以及硬轨)

联轴器连结马达和滚珠导螺杆

联轴器连结马达和滚珠导螺杆

方形块和移动平台以及硬轨

方形块和移动平台以及硬轨

当马达旋转的时候滚珠导螺杆也会一起旋转,导螺杆上的螺纹会牵动方形块,因此方形块便会沿着滚珠导螺杆的方向直线运动。由于方形块是和移动平台锁在一起的,因此移动平台也会和方形块一起直线运动,如图所示(马达传动转换示意图)

马达传动转换示意图

而线性马达的原理和一般马达不同,它的原理就像磁浮列车一样,在行走的轨道上铺满磁铁,如图(磁铁排列)

轨道上铺满磁铁

移动平台则装有电磁铁(线性马达移动平台示意图)

线性马达移动平台

线性马达组装起来的样子(线性马达移动平台组装示意图)

线性马达移动平台

当通电的时候电磁铁就会产生磁力,如下图由于同极相斥,因此平台和底座之间会有斥力让平台能够悬浮起来(线性马达悬浮状态)

线性马达悬浮状态

由于此时平台和底座间是不稳定状态,只要有一点微小的力去推平台,平台就会开始移动(线性马达平台移动示意图)

线性马达平台移动

此时只要改变电磁铁的电流方向,磁极跟着改变,就能避免平台和底座吸在一起,线性马达让平台一直移动(电磁铁磁极变更)

线性马达让平台一直移动

线性马达如果要剎车,则是让电磁铁和底座的磁铁异极相吸,就可以停止(电磁铁剎车)

电磁铁剎车

以上是线性马达的简易介绍,实际运作则是复杂许多的。线性马达和一般马达配合滚珠导螺杆的传动方式相比,有以下的优点:

线性马达不需要旋转运动转换直线运动的机构,因此工具机在机械结构上相对简单,结构简单就少了很多组装和运动时会产生的误差。

线性马达移动为非接触式,因此少了传统接触式机构在移动时会产生的摩擦和热能,对于精密机械而言热会造成膨胀,导致机台不准确。线性马达移动速度比传统方式快上两倍以上。

但是线性马达也不是没有缺点的,一个是造价贵,第二是线性马达在安装的时候有很高的环境要求,不然安装之后就会不准确,以及需要技术纯熟的组装技师才能安装得准确。

对于这种大型工具机而言温度变化的影响是很大的,一公尺长的铁只要有1C的温度变化,长度就会差了0.01mm,各位读者别小看这0.01mm,在很多航天件的公差要求是整体不能超过0.05mm的,对于这种大型工具机而言,差了1度就有可能热变形超过0.05mm,因此这种大型工具机必须在恒温以及控制湿度的环境中组装和使用。

由于这种工具机非常大型,海运货柜无法装箱,因此在工厂组装测试完成后还必须把装好的工具机拆解,再分装到货柜中,到客户的工厂重新安装测试,因此也需要一整组的技师驻厂安装测试。下图是机台实际拆装的照片。

天车式龙门五轴加工中心

要能做出这种高精密度的大型工具机,除了工程师必须对机械、材料、机电和控制器特性非常了解外,同时也需要一批厉害的技师来执行加工和组装,这间公司引以为傲的是拥有这么一批技术优良的技师,这间公司也强调,没有他们这类型的产品根本做不出来。

希望大家了解这种大型的工具机不能整机运输的,必须拆掉,到了目的地以后再由技术人员组装。技术人员如果在组装的过程中有一点些微的瑕疵这架工具机就不能用了。所以这家公司的技术人员都是相当有经验,也有学识的。他们都要会讲英文,否则无法和外国厂商的工程师接触。我们台湾过去的教改几乎消灭掉很多工专,乃是一件很遗憾的事,因为要做出一个相当昂贵的工具机,一定要有很好的技术人员。

这家公司厉害的地方在于他们所生产的工具机已经能打进世界航天上游供应链,并且也实际投入航天关键零组件生产。更厉害的是这家公司不是靠价格竞争,而是靠着丰富的应用技术、手艺精良的技师以及客制化的高度弹性所达成,这一点在充斥着恶性削价竞争的台湾产业环境中着实可贵。我们应该很高兴台湾有这种好公司,也应该鼓励这些默默做研究发展的工程师。更值得我们高兴的是,线性马达也是台湾自制的。

台湾天车式龙门型加工中心与线性马达友情链接:镜面火花机常州放电机沙迪克放电加工机