第11期 丁黎光等:激光加工机床气膜导轨直线驱动的设计与分析 和打孔。工作台快速准确定位与它的导轨特性和驱动方式直接 线圈A 相关。本文研究介绍激光加工机气膜导轨和直线电机驱动的应 用,并取得了实用效果。 2气膜导轨和直线驱动 :区凶:区区凶区:区 21气膜导轨及特性 激光加工机床中对相连工作台的上导轨与相连基座的下导 轨之间内表面的细小间隙中充入气体而构成气浮导轨。充满的 控制线圈 体将形成有一定压力的气膜,把运动工作台浮起,达到纯气体磨 图2直线步进电机的结构型式 擦如图1所示用压力气体产生浮力使与工作台相连的上导轨3直线运动速度和精度 悬浮。真空泵产生负压 直线步进电机的磁场推力,不仅与通入的脉冲电流有关,还 与通入固有的直流电流的励磁有关。当没有直流电流通入时,动 连线板 子上没有任何水平推力,动子可以稳定在任何随机位置上。为了 电机的净推动力大,阻力小,移动速度不限制采用两相同时励 磁,两相绕相同时通电,各相线圈的电流波形,如图3所示,实线 i和i分别表示线圈A和B通入的电流,如图2所示。如,线圈 A通入虚线所示余弦电流,有磁极1和2;同时线圈B通入虚线 所示正弦电流,有磁极3和4。在(0-m/2)范围内,线圈B中的电 流从零逐渐增大到最大值使极4下的磁通由ψm2逐渐增大到 图1负平衡气浮导轨结构原理 φm,而极3下的磁通逐渐由φm2下降到零。同时极1下的磁通 以提高刚度。它的特性是:(1)因空气粘度很小,导轨运动随着i下降而下降,配合线圈B使动子如同同步电机一样平滑 时几乎没有阻力,运行灵活适宜高速工作;(2)充满间隙的气体均匀地向右移动,电流交变一次,动子就移动一个齿距r 是可压缩流体,使运动副在间隙内平滑运行,具有一定厚度的间 隙使导轨面的凹凸不平的几何形状误差,由于气膜的均化效应 对运动不会有影响,运动精度高,一般可提高精度12~1/3;(3) y++ 导轨运动面间无接触,发热少,能耗低,效率高;(4)导轨悬浮减 少或消除磨损,寿命长;(5)通过控制气源压力及真空泵的负压 可以调节导轨的承载能力和刚度,导轨的运行动态性能好等 是一种高精度、高刚度比较适用的理想工作台导轨。基于气膜 ++N P+「 导轨的一些性能优势,很适合有利于高密度PCB微孔激光加 -- 的要求。 22直线步进电机驱动 图3两相同时通电的电流波形 高密度印制电路板微孔的加工,对机末工作台运动速度和精4结语 度要求是越来越高。一般数控激光加工机的工作台由旋转步进电 机、滚珠丝杆来驱动显然是不能满足要求。因传动链长,传动件累上的座“轨和直线步进电机驱动在高密度PCB激光加工机床 气膜导 积误差大,响应慢效率低,造成驱动速度稳定性不高精度低。由 (1)解决了印制电路板有大量直径为01mm的微孔加工; 直线步进电机驱动x、y坐标方向的运动是较好的方式。 (2)使机床进给系统结构简单,可动部分重量轻,惯性小,无 直线步进电机,由于改变各相控制绕组中的电流大小,使各漂移,运动更灵活、平稳,导轨的运行动态性能好; 极下的磁场位置发生变化,因而带动动子直线运动。它的结构单 (3)工作台移动距离,如为(1-2mm时,移动精度可达lum 间,可动部分重量轻、惯性小、无漂移,无累积定位误差能做到高以内相应运动定位精度大大提高。 速度高定位精度,是较理想的直线驱动装置。如图2所示,是采 参考文献 用的一种结构形式。用直流电流励磁通过改变电流来调节励磁 1丁黎光,吴徳林,丁伟.SMP激光再流焊传热中几种的研究激光杂志 从而改变步进电机的运动特性。如可以灵活得到不同推力,而不20061):82-83 受固定磁性的限制。其中有线圈A线圈B和极1、极2极3极42金鸿陈森印制电路技术北京化学工业出版社2003 控制线圈通入脉冲电流电流脉冲倌号可由数字控制器提供。励3叶云岳直线电机理论与应用杭州:浙江大学出版社,199 磁线圈可通过固定直流电流,若改变电流也可调节励磁。能控制4丁黎光,丁伟,吴德林新型包装物流直线驱动输送系统的研究与应用.包 获得可靠的运动速度和位置精度。 装工程,20033):1~2第 11期 丁黎光等：激光加工机床气膜导轨直线驱动的设计与分析 l81 和打孔。工作台快速、准确定位与它的导轨特性和驱动方式直接 相关。本文研究介绍激光加工机气膜导轨和直线电机驱动的应 用，并取得了实用效果。 2气膜导轨和直线驱动 2．1气膜导轨及特性 激光加工机床中对相连工作台的上导轨与相连基座的下导 轨之间内表面的细小间隙中充人气体而构成气浮导轨。充满的气 体将形成有一定压力的气膜，把运动工作台浮起 ，达到纯气体磨 擦。如图 1所示，用压力气体产生浮力，使与工作台相连的上导轨 悬浮。真空泵产生负压 图 1负平衡气浮导轨结构原理 以提高刚度。它的特性是：(1)因空气粘度很小 ，导轨运动 时几乎没有阻力，运行灵活，适宜高速工作 ；(2)充满间隙的气体 是可压缩流体 ，使运动副在间隙内平滑运行，具有一定厚度的间 隙使导轨面的凹凸不平的几何形状误差 ，由于气膜的均化效应， 对运动不会有影响，运动精度高，一般可提高精度 1／2一l／3；(3) 导轨运动面间无接触，发热少，能耗低 ，效率高；(4)导轨悬浮，减 少或消除磨损 ，寿命长；(5)通过控制气源压力及真空泵的负压， 可以调节导轨的承载能力和刚度 ，导轨的运行动态性能好等。 是一种高精度、高刚度比较适用的理想工作台导轨。基于气膜 导轨的一些性能优势，很适合有利于高密度 PCB微孔激光加工 的要求 。 2．2直线步进电机驱动 高密度印制电路板微孔的加工，对机床工作台运动速度和精 度要求是越来越高。一般数控激光加工机的工作台由旋转步进电 机、滚珠丝杆来驱动显然是不能满足要求。因传动链长，传动件累 积误差大 ，响应慢，效率低，造成驱动速度稳定性不高，精度低。由 直线步进电机驱动x,y坐标方向的运动是较好的方式。 直线步进电机，由于改变各相控制绕组中的电流大小 ，使各 极下的磁场位置发生变化，因而带动动子直线运动。它的结构单 间，可动部分重量轻、惯性小、无漂移，无累积定位误差，能做到高 速度 、高定位精度，是较理想的直线驱动装置。如图 2所示 ，是采 用的一种结构形式。用直流电流励磁，通过改变电流来调节励磁 ， 从而改变步进电机的运动特性。如可以灵活得到不同推力，而不 受固定磁 陛的限制。其中，有线 圈A、线 圈 B和极 l、极 2、极 3、极 4 控制线圈通入脉冲电流，电流脉冲信号可由数字控制器提供。励 磁线圈可通过 固定直流电流 ，若改变电流也可调节励 磁。能控制 获得可靠的运动速度和位置精度。 定子 控制线 圈 图 2直线步进 电机的结构型式 3直线运动速度和精度 直线步进电机的磁场推力，不仅与通人的脉冲电流有关 ，还 与通入固有的直流电流的励磁有关。当没有直流电流通入时，动 子上没有任何水平推力，动子可以稳定在任何随机位置上。为了 电机的净推动力大，阻力小，移动速度不限制．采用两相 同时励 磁，两相绕相同时通电，各相线圈的电流波形，如图3所示，实线， 和 i分别表示线圈 和 曰通入的电流，如图2所示。如，线圈 A通入虚线所示余弦电流，有磁极 1和 2；同时线圈 B通入虚线 所示正弦电流，有磁极 3和4。在(0～w／2)范围内，线圈 B中的电 流从零逐渐增大到最大值 ，使极 4下的磁通由4,m／2逐渐增大到 qbm，而极 3下的磁通逐渐由,l,m／2下降到零。同时极 1下的磁通 随着 下降而下降 ，配合线圈 B使动子如同同步电机一样平滑 均匀地向右移动，电流交变一次，动子就移动一个齿距 。 、 、 一 ／ 。 、 、 、 ． ’ 、 、一／ 图 3两相同时通电的电流波形 4结语 气膜导轨和直线步进电机驱动在高密度 PCB激光加工机床 上 的应用 ： (1)解决了印制电路板有大量直径为 0．1mm的微孔加工； (2)使机床进给系统结构简单，可动部分重量轻 ，惯性小，无 漂移，运动更灵活、平稳，导轨的运行动态性能好； (3)工作 台移动距离，如为(1~2)mm时，移动精度可达 1m 以内，相应运动定位精度大大提高。 参考文献 1丁黎光 ，吴 德林 ，丁伟 ．SMP激光再 流焊传热中几种的研究．激光杂志 ， 2006(1)：82—83 2金鸿，陈森．印制电路技术．北京 ：化学工业出版社 ，2003 3叶云岳．直线电柳理论与应用．杭州：浙江大学出版社 ，1999 4丁黎光，丁伟，吴德株 新型包装物流直线驱动输送系统的研究与应用．包 装工程，2003(3)：1 2