eng
Приближение точности позиционирования к нанометровым величинам обуславливает новый уровень технических требований к оборудованию и обработке элементов привода. В статье рассматривается альтернатива стандартным механическим подвижным элементам и ее применимость в различных отраслях машиностроения и приборостроения.
УДК 621.9
ВАК 05.02.07
DOI: 10.22184/1993-8578.2017.77.6.66.75
УДК 621.9
ВАК 05.02.07
DOI: 10.22184/1993-8578.2017.77.6.66.75
Теги: machining centers non-contact mechanics precision movements бесконтактная механика обрабатывающие центры прецизионные перемещения
Бесконтактная магнитная пара винт-гайка является ключевым элементом сверхточного линейного силового привода, перспективного для использования в обрабатывающих центрах, системах позиционирования, точной механике. В данном приводе удается продуктивно сочетать реальный нанометровый уровень точности с неограниченно большими ходами и исключительно высокими силовыми характеристиками – жесткостью, развиваемым усилием [1].
Бесконтактная магнитная пара винт-гайка привлекала внимание инженеров уже полвека назад, но реальные силовые характеристики создававшихся передач были в сотни раз ниже уровня, который бы мог представлять практический интерес [2, 3].
УСТРОЙСТВО МАГНИТНОЙ ВИНТОВОЙ ПАРЫ И ОСОБЕННОСТИ ЕЕ РАБОТЫ
Принцип действия любой магнитной передачи в концептуальном отношении исключительно прост. Его поясняет рис.1, на котором изображены две пары прямоугольных разноименных полюсов магнитов 1, 2, размещенные с зазором 3 и смещением в латеральном направлении 4. На полюса действует сила, латеральная составляющая которой (на рисунке слева направо) старается выставить полюса друг против друга (для целей привода она полезна), и сила притяжения, которая стремится притянуть полюса друг к другу (вредна из-за угрозы потери бесконтактности). В нашем случае полюса являются гребнями резьбы соответственно винта 5 и гайки 6. Латеральная сила движет гайку при вращении винта, а нормальная стремится "прилепить" гайку к винту. Для того чтобы избежать в паре механического контакта, канавки резьбы винта 7 и гайки 8 заполняют немагнитным компаундом, а в образовавшийся зазор 3 подается с дросселированием сжатый газ, на пленке которого винт "всплывает", чем полностью устраняется контакт и трение в магнитной паре.
Несмотря на простоту принципа действия магнитной пары, ее воплощение в реальную жизнеспособную конструкцию с конкурентными характеристиками оказалось далеко не простым делом. Все работы по магнитным винтовым парам (вполне качественные с академической точки зрения) по существу заключались в детальном исследовании абсолютно бесперспективных конструкций, скорее как некоего физического объекта (чтобы не сказать, курьеза), со значениями актуальных для целей привода показателей в десятки-сотни раз меньше достижимых в рамках адекватной конструкции [4, 5].
Некоторым исключением является цикл работ по исследованию силовых и вибрационных характеристик, выполненный в США нашим бывшим соотечественником на экземпляре вывезенной из России рудиментарной, но основанной на правильных принципах магнитной передачи и аэростатического привода с ее использованием [6–8].
Адекватные конструкции, пригодные для использования в сверхточных станках, появились лишь после того как нами была поставлена, решена и доведена до уровня системы инженерных требований и рекомендаций по проектированию целая цепочка сложных, далеких от очевидности задач математической физики, аэродинамики и материаловедения [1].
Наличие надежного теоретического фундамента позволило поставить и решить задачу о достижении физически предельных характеристик (в первую очередь, силовых, а главной среди них – жесткости) и разработать реалистичные и недорогие конструкции и технологии для их производства. Результатом проведенных работ стал привод с магнитной винтовой парой, обеспечивающий практическую точность в единицы нанометров и обладающий удельной жесткостью, которая для больших (диаметр винта около 50 мм) приводов сравнима с шарико-винтовой парой (ШВП), а при диаметре винта около 10 мм выше на 50% и более.
Кинематическая (без внешней нагрузки) точность привода обеспечивается за счет гигантского усреднения случайных ошибок винта вследствие большой рабочей длины гребня резьбы. Двусторонняя повторяемость всех созданных передач всегда была ниже доступного в лаборатории уровня измерений (10 нм). Оценки ошибки всегда находились на уровне лучше 1 нм. Внутришаговая и накопленная ошибки передачи наследуют только низкочастотную составляющую систематической ошибки винторезного станка-изготовителя, что позволяет компенсировать их в системе управления углом поворота винта с точностью используемого для аттестации метрологического устройства. Динамическая (с внешней нагрузкой) точность обеспечивается высокими силовыми параметрами магнитной пары.
Таким образом, привод с разомкнутой цепью (open loop) со сравнительно простым угловым датчиком в состоянии обеспечивать элитарную практическую точность в 1 нм на ходах в сотни миллиметров в условиях жесткого силового режима.
В силу требований физики магнитной цепи конструкция магнитной пары тяготеет к нетипичному для ходовых винтов малому шагу (0,05–0,25 мм для однозаходной резьбы), что очевидным образом ограничивает максимальную линейную скорость.
Ценной особенностью магнитной пары являются исключительно низкие механические потери. Так, например, винтовая передача с шагом резьбы 0,1 мм при диаметре винта 60 мм не самотормозится, и, если ее поставить вертикально, то винт магнитной пары под собственной тяжестью будет вкручиваться в гайку.
Физические соображения жестко диктуют также некоторые габаритные особенности пары, например длина магнитной системы гайки не может превышать половины диаметра винта. Известен случай, когда инженеры-станкостроители, желая за счет увеличения длины гайки вдвое повысить силу передачи, самовольно внесли изменения в геометрию конструкции и... сила закономерно уменьшилась в несколько раз.
Оптимальная магнитная пара, чтобы успешно конкурировать по силе с ШВП, должна состоять из 4–6 типовых идентичных аэромагнитных модулей.
СРАВНЕНИЕ АЛЬТЕРНАТИВ
Конкурентами магнитной винтовой пары являются системы прямого привода с линейным электродвигателем и приводы с гидростатической винтовой передачей. В этом ряду привод с магнитной парой занимает особое место, сочетая основные достоинства конкурентов, и избегая их характерных проблем.
Прямой привод весьма популярен, его производят многие фирмы, и некоторыми специалистами он считается чем-то вроде "абсолютного оружия" в сфере линейного привода с субмикронной точностью. Приводы с гидростатической винтовой передачей – несколько более редкая технология, но их производят и успешно продают немецкие фирмы Hyprostatic [9] и Zollern [10], специализирующиеся на гидростатических станочных узлах. Концептуально магнитная пара ближе к гидростатической винтовой передаче: в обоих случаях используется непрямой (open loop) привод с исключительно точным силовым механизмом преобразования движения и контролем только угловой координаты винта.
В табл.1 и 2 приведено попарное сравнение характеристик трех обсуждаемых приводов с минимальными комментариями.
Табл.1 демонстрирует решительное превосходство магнитной пары над прямым приводом по всем показателям за исключением, может быть, максимальной скорости. Действительно, при однозаходной резьбе с малым шагом, скорость больших станочных приводов с магнитной парой ограничена величиной около 300 мм/мин, а скорость малых приборных приводов – величиной 500 мм/мин. Но это ограничение, во-первых, легко обходится за счет использования многозаходной резьбы, а во-вторых, для оборудования с практической точностью в единицы-десятки нанометров экономия времени на свободных ходах оказывается, как правило, неактуальной. А вот возможность использовать механизм преобразования движения с огромной кратностью может быть весьма продуктивной.
Табл.2 позволяет выявить два пункта, которые требуют более внимательного сравнения. Максимальная скорость у гидростатической передачи существенно ниже, чем у линейного двигателя, но, тем не менее, заметно выше, чем у магнитной пары. Обсуждение этого обстоятельства повторяет аргументацию комментария к табл.1.
Вопрос о соотношении жесткостей требует более детального разбора. Жесткость собственно гидростатической пары винт-гайка в 3–4 раза превосходит жесткость оптимально сконструированной магнитной пары. Однако на практике она явно избыточна. В полной системе привода все остальные силовые элементы (подшипники и, в особенности, винт) имеют существенно меньшую жесткость, а, как известно, результирующая жесткость упругой системы определяется слабейшим элементом. Таков винт в гидростатической передаче, у которого за счет глубоко врезанных канавок резьбы сильно ослаблена осевая жесткость, и в еще большей степени – жесткость "на скрутку". При больших оборотах винта вязкое трение создает вращающий момент, который сильно скручивает ослабленный винт, что приводит к возникновению дополнительной и весьма существенной ошибки. Винт у магнитной пары цельный и жесткий, и это практически уравнивает ее динамическую точность в сравнении с гидростатической передачей во всех реалистических ситуациях. При этом, магнитная пара свободна от проблем с высоким давлением и перегревом масла.
СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА МАГНИТНОЙ ПАРЫ. ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
Мы указывали выше на субъективные проблемы, которые до поры до времени препятствовали успешному использованию приводов с магнитной парой в промышленности. Однако в их развитии большую роль играли и объективные трудности. Необходимо было создать технологии работы с редкоземельными магнитами, магнитомягкими сплавами, немагнитными сталями, пористыми материалами. Значительные трудности у машиностроителей вызывала необходимость нарезания мелкой (шаг 0,1 мм) резьбы непривычных профилей в капризных магнитных сплавах. Решение этих проблем стало возможным благодаря усилиям небольшого числа людей. Существенную роль сыграло и то, что называется индивидуальным личным мастерством, часто упоминаемое в негативном аспекте, но без которого немыслимы первые шаги многих больших дел.
К настоящему времени мы располагаем работающими образцами одномодульных магнитных винтовых пар. На рис.2 представлены пары диаметров 20 и 25 мм в сборе и технологический образец длинного ходового винта с диаметром 50 мм. Нами изготовлен и отправлен зарубежному заказчику привод для записи матриц CD, который работает уже около 15 лет.
На рис.3 приведен демонстрационный макет привода с винтом диаметром 20 мм и дискретом 1 нм. Мы располагаем оптимальными конструкциями и воспроизводимыми промышленными технологиями изготовления одномодульных магнитных винтовых пар в широком диапазоне размеров и характеристик (с диаметром винта от 10 до 60 мм). Разработаны магнитные пары с оптимальным числом модулей (4–6) с обновленной конструкцией магнитной цепи и технологией намагничивания. Именно такое решение должно задать промышленный стандарт серийных магнитных винтовых пар.
В технической политике применения магнитных передач просматриваются две ветви – промышленная и приборная. Промышленная ветвь делает особую ставку на высокие силовые параметры приводов (жесткость 1 000–1 500 Н/мкм) и большие хода (500 мм и более). В металлообработке эта технология вместе с передовыми технологиями металлосъема (например, твердым точением) обеспечит революционное преобразование процессов производства точных изделий машиностроительного ряда. Высочайший уровень точности позволит получать детали высших квалитетов, соответствующих доводочной шлифовке и доводке свободным абразивом, на токарных и вихрефрезеровальных станках за один постанов черновых заготовок.
В приборной ветви будут доминировать требования практической точности, которая в рамках данного подхода может быть доведена до 0,1 нм при ходе около 25 мм. Для этого круга задач конкуренцию могут составлять шаговые пъезодвигатели, у которых ход имеет тот же порядок, и разрешение также на уровне долей нанометра. Преимущества приводов с магнитной парой заключаются в схеме с разомкнутой цепью, которая не требует внешней реперной "линейки", а также в полном отсутствии вибрации. Для решения производственных задач при создании магнитных винтовых пар этого класса необходимо дополнительно применить новейшие технологии формирования заданного рельефа с помощью микромашининга фемтосекундным лазером.
При анализе характеристик субпрецизионной механики возникает вопрос: каким образом и где возможно применение данных изделий? В области машиностроения это могут быть комплексы по металлообработке, использующиеся в аэрокосмической, электронной и оптико-механических областях (производство компонент систем позиционирования, зеркал, прецизионных муфт и т.д.). Огромным плюсом, как сказано выше, является одноэтапность производства сложных поверхностей с высокими квалитетами точности обработки.
Компания "Центр перспективных технологий" уже на протяжении нескольких лет ведет успешное внедрение и производство металлообрабатывающих малогабаритных фрезерных центров, предназначенных для обучения и производства [11]. Широкий спектр задач, поставленных перед станками с ЧПУ ATCNano, успешно выполняются благодаря точности (около 0,002 мм по всем осям), жесткости (консольная конструкция станка) и высокой производительности (подача за счет ШВП и линейных направляющих – 1 800 мм/мин). На рис.4 представлена матрица, использующаяся для производства микрофлюидных чипов методом мягкой литографии. Габариты матрицы – 32 Ч 24 мм, размер дорожек – 0,2 Ч 0,2 мм.
С помощью современного программного обеспечения также достигается значительная точность при аппроксимации сложных поверхностей одним инструментом. На рис.5 представлен фрезерованный рельеф, полученный при аппроксимации сферической фрезой D4, R2 с шагом 0,05 мм (материал – Д16Т).
Развитие проекта фрезерного центра с ЧПУ ATCNano (рис.6), спроектированного с применением современных механических, электронных и электромеханических компонент, не стоит на месте. Освоение в производстве и замена стандартных механических комплектующих, таких как ШВП, ходовой винт с гайкой, на прецизионные магнитные винтовые пары, открывает новые возможности и расширяет области применения оборудования. С учетом разработки и внедрения новых бесфрикционных компонент, приближение к нанометровой точности обработки уже кажется не фантастикой, а закономерной реальностью.
Помимо материалообрабатывающих комплексов, компания занимается разработкой и испытаниями автоматизированных прецизионных подвижек для лабораторного оборудования и микроскопии [12, 13]. При компактных габаритах (200 Ч 200 мм) установка датчиков слежения и микро-ШВП позволила, в совокупности с передовой электронной (контроллер, драйвер), электромеханической (серводвигатели) частями получать полностью автоматизированную съемку изображений с точностью, недостижимой обычными ручными подвижками и столиками. Дальнейшая полная замена подвижной механики на бесконтактно-магнитную позволит приблизиться к точности перемещений, сравнимой с пьезокерамическими двигателями и трубками, но заметно выигрывающей в простоте настройки и скоростях перемещений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Индукаев К.В. Бесконтактные сверхточные мехатронные узлы и их компоненты разработки Российской компании "Лаборатории Амфора" // Приводная техника. 2008. № 2 (72). С. 38–47.
2. Литвиненко Д.В. Магнитная винтовая передача // В сб. Методы повышения точности и производительности металлорежущих станков. ЭНИМС. – Машиностроение, 1967.
3. Литвиненко Д.В. Гидростатическая винтовая передача // В сб. Методы повышения точности и производительности металлорежущих станков. ЭНИМС. – Машиностроение, 1967.
4. Shinshi T., Hashimoto Ju., Chen B.-Ch., Sato K., Shimokohbe A. A New Magnetic Lead Screw and Its Basic Characteristics, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers Series C. Vol. 64 (1998) No. 618. P. 690–697.
5. Chang T.N. , Wong T., Bhaskar D., Ji Zh., Shimanovich M., Caudill R. Control of ultrahigh-precision magnetic leadscrew using recurrent neural networks. Proc. SPIE 3518, Sensors and Controls for Intelligent Machining. Agile Manufacturing and Mechatronics. 1998/12/17. DOI: 10.1117/12.332796.
6. http://dx.doi.org/10.1117/12.332796.
7. http://ieeexplore.ieee.org/document/908390.
8. USA Patent № 5.990.587.
9. http://www.hyprostatik.de/startseite.
10. http://docplayer.net/31645531-Drive-technology-hydrostatic-bearing-systems.html.
11. Ахметова А., Белов Ю., Яминский И. Трехкоординатный фрезерно-гравировальный центр с ЧПУ ATCNano // НАНОИНДУСТРИЯ. 2017. № 5 (76). C. 62–64.
12. Ахметова А., Белов Ю., Мешков Г., Яминский И. Системы 3D-позиционирования в точной обработке материалов // НАНОИНДУСТРИЯ. 2017. № 1 (71). C. 102–104.
13. Ахметова А., Белов Ю., Яминский И. Модульный многоосевой обрабатывающий центр для наноиндустрии // НАНОИНДУСТРИЯ. 2016. № 6 (68). С. 82–84.
Бесконтактная магнитная пара винт-гайка привлекала внимание инженеров уже полвека назад, но реальные силовые характеристики создававшихся передач были в сотни раз ниже уровня, который бы мог представлять практический интерес [2, 3].
УСТРОЙСТВО МАГНИТНОЙ ВИНТОВОЙ ПАРЫ И ОСОБЕННОСТИ ЕЕ РАБОТЫ
Принцип действия любой магнитной передачи в концептуальном отношении исключительно прост. Его поясняет рис.1, на котором изображены две пары прямоугольных разноименных полюсов магнитов 1, 2, размещенные с зазором 3 и смещением в латеральном направлении 4. На полюса действует сила, латеральная составляющая которой (на рисунке слева направо) старается выставить полюса друг против друга (для целей привода она полезна), и сила притяжения, которая стремится притянуть полюса друг к другу (вредна из-за угрозы потери бесконтактности). В нашем случае полюса являются гребнями резьбы соответственно винта 5 и гайки 6. Латеральная сила движет гайку при вращении винта, а нормальная стремится "прилепить" гайку к винту. Для того чтобы избежать в паре механического контакта, канавки резьбы винта 7 и гайки 8 заполняют немагнитным компаундом, а в образовавшийся зазор 3 подается с дросселированием сжатый газ, на пленке которого винт "всплывает", чем полностью устраняется контакт и трение в магнитной паре.
Несмотря на простоту принципа действия магнитной пары, ее воплощение в реальную жизнеспособную конструкцию с конкурентными характеристиками оказалось далеко не простым делом. Все работы по магнитным винтовым парам (вполне качественные с академической точки зрения) по существу заключались в детальном исследовании абсолютно бесперспективных конструкций, скорее как некоего физического объекта (чтобы не сказать, курьеза), со значениями актуальных для целей привода показателей в десятки-сотни раз меньше достижимых в рамках адекватной конструкции [4, 5].
Некоторым исключением является цикл работ по исследованию силовых и вибрационных характеристик, выполненный в США нашим бывшим соотечественником на экземпляре вывезенной из России рудиментарной, но основанной на правильных принципах магнитной передачи и аэростатического привода с ее использованием [6–8].
Адекватные конструкции, пригодные для использования в сверхточных станках, появились лишь после того как нами была поставлена, решена и доведена до уровня системы инженерных требований и рекомендаций по проектированию целая цепочка сложных, далеких от очевидности задач математической физики, аэродинамики и материаловедения [1].
Наличие надежного теоретического фундамента позволило поставить и решить задачу о достижении физически предельных характеристик (в первую очередь, силовых, а главной среди них – жесткости) и разработать реалистичные и недорогие конструкции и технологии для их производства. Результатом проведенных работ стал привод с магнитной винтовой парой, обеспечивающий практическую точность в единицы нанометров и обладающий удельной жесткостью, которая для больших (диаметр винта около 50 мм) приводов сравнима с шарико-винтовой парой (ШВП), а при диаметре винта около 10 мм выше на 50% и более.
Кинематическая (без внешней нагрузки) точность привода обеспечивается за счет гигантского усреднения случайных ошибок винта вследствие большой рабочей длины гребня резьбы. Двусторонняя повторяемость всех созданных передач всегда была ниже доступного в лаборатории уровня измерений (10 нм). Оценки ошибки всегда находились на уровне лучше 1 нм. Внутришаговая и накопленная ошибки передачи наследуют только низкочастотную составляющую систематической ошибки винторезного станка-изготовителя, что позволяет компенсировать их в системе управления углом поворота винта с точностью используемого для аттестации метрологического устройства. Динамическая (с внешней нагрузкой) точность обеспечивается высокими силовыми параметрами магнитной пары.
Таким образом, привод с разомкнутой цепью (open loop) со сравнительно простым угловым датчиком в состоянии обеспечивать элитарную практическую точность в 1 нм на ходах в сотни миллиметров в условиях жесткого силового режима.
В силу требований физики магнитной цепи конструкция магнитной пары тяготеет к нетипичному для ходовых винтов малому шагу (0,05–0,25 мм для однозаходной резьбы), что очевидным образом ограничивает максимальную линейную скорость.
Ценной особенностью магнитной пары являются исключительно низкие механические потери. Так, например, винтовая передача с шагом резьбы 0,1 мм при диаметре винта 60 мм не самотормозится, и, если ее поставить вертикально, то винт магнитной пары под собственной тяжестью будет вкручиваться в гайку.
Физические соображения жестко диктуют также некоторые габаритные особенности пары, например длина магнитной системы гайки не может превышать половины диаметра винта. Известен случай, когда инженеры-станкостроители, желая за счет увеличения длины гайки вдвое повысить силу передачи, самовольно внесли изменения в геометрию конструкции и... сила закономерно уменьшилась в несколько раз.
Оптимальная магнитная пара, чтобы успешно конкурировать по силе с ШВП, должна состоять из 4–6 типовых идентичных аэромагнитных модулей.
СРАВНЕНИЕ АЛЬТЕРНАТИВ
Конкурентами магнитной винтовой пары являются системы прямого привода с линейным электродвигателем и приводы с гидростатической винтовой передачей. В этом ряду привод с магнитной парой занимает особое место, сочетая основные достоинства конкурентов, и избегая их характерных проблем.
Прямой привод весьма популярен, его производят многие фирмы, и некоторыми специалистами он считается чем-то вроде "абсолютного оружия" в сфере линейного привода с субмикронной точностью. Приводы с гидростатической винтовой передачей – несколько более редкая технология, но их производят и успешно продают немецкие фирмы Hyprostatic [9] и Zollern [10], специализирующиеся на гидростатических станочных узлах. Концептуально магнитная пара ближе к гидростатической винтовой передаче: в обоих случаях используется непрямой (open loop) привод с исключительно точным силовым механизмом преобразования движения и контролем только угловой координаты винта.
В табл.1 и 2 приведено попарное сравнение характеристик трех обсуждаемых приводов с минимальными комментариями.
Табл.1 демонстрирует решительное превосходство магнитной пары над прямым приводом по всем показателям за исключением, может быть, максимальной скорости. Действительно, при однозаходной резьбе с малым шагом, скорость больших станочных приводов с магнитной парой ограничена величиной около 300 мм/мин, а скорость малых приборных приводов – величиной 500 мм/мин. Но это ограничение, во-первых, легко обходится за счет использования многозаходной резьбы, а во-вторых, для оборудования с практической точностью в единицы-десятки нанометров экономия времени на свободных ходах оказывается, как правило, неактуальной. А вот возможность использовать механизм преобразования движения с огромной кратностью может быть весьма продуктивной.
Табл.2 позволяет выявить два пункта, которые требуют более внимательного сравнения. Максимальная скорость у гидростатической передачи существенно ниже, чем у линейного двигателя, но, тем не менее, заметно выше, чем у магнитной пары. Обсуждение этого обстоятельства повторяет аргументацию комментария к табл.1.
Вопрос о соотношении жесткостей требует более детального разбора. Жесткость собственно гидростатической пары винт-гайка в 3–4 раза превосходит жесткость оптимально сконструированной магнитной пары. Однако на практике она явно избыточна. В полной системе привода все остальные силовые элементы (подшипники и, в особенности, винт) имеют существенно меньшую жесткость, а, как известно, результирующая жесткость упругой системы определяется слабейшим элементом. Таков винт в гидростатической передаче, у которого за счет глубоко врезанных канавок резьбы сильно ослаблена осевая жесткость, и в еще большей степени – жесткость "на скрутку". При больших оборотах винта вязкое трение создает вращающий момент, который сильно скручивает ослабленный винт, что приводит к возникновению дополнительной и весьма существенной ошибки. Винт у магнитной пары цельный и жесткий, и это практически уравнивает ее динамическую точность в сравнении с гидростатической передачей во всех реалистических ситуациях. При этом, магнитная пара свободна от проблем с высоким давлением и перегревом масла.
СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА МАГНИТНОЙ ПАРЫ. ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
Мы указывали выше на субъективные проблемы, которые до поры до времени препятствовали успешному использованию приводов с магнитной парой в промышленности. Однако в их развитии большую роль играли и объективные трудности. Необходимо было создать технологии работы с редкоземельными магнитами, магнитомягкими сплавами, немагнитными сталями, пористыми материалами. Значительные трудности у машиностроителей вызывала необходимость нарезания мелкой (шаг 0,1 мм) резьбы непривычных профилей в капризных магнитных сплавах. Решение этих проблем стало возможным благодаря усилиям небольшого числа людей. Существенную роль сыграло и то, что называется индивидуальным личным мастерством, часто упоминаемое в негативном аспекте, но без которого немыслимы первые шаги многих больших дел.
К настоящему времени мы располагаем работающими образцами одномодульных магнитных винтовых пар. На рис.2 представлены пары диаметров 20 и 25 мм в сборе и технологический образец длинного ходового винта с диаметром 50 мм. Нами изготовлен и отправлен зарубежному заказчику привод для записи матриц CD, который работает уже около 15 лет.
На рис.3 приведен демонстрационный макет привода с винтом диаметром 20 мм и дискретом 1 нм. Мы располагаем оптимальными конструкциями и воспроизводимыми промышленными технологиями изготовления одномодульных магнитных винтовых пар в широком диапазоне размеров и характеристик (с диаметром винта от 10 до 60 мм). Разработаны магнитные пары с оптимальным числом модулей (4–6) с обновленной конструкцией магнитной цепи и технологией намагничивания. Именно такое решение должно задать промышленный стандарт серийных магнитных винтовых пар.
В технической политике применения магнитных передач просматриваются две ветви – промышленная и приборная. Промышленная ветвь делает особую ставку на высокие силовые параметры приводов (жесткость 1 000–1 500 Н/мкм) и большие хода (500 мм и более). В металлообработке эта технология вместе с передовыми технологиями металлосъема (например, твердым точением) обеспечит революционное преобразование процессов производства точных изделий машиностроительного ряда. Высочайший уровень точности позволит получать детали высших квалитетов, соответствующих доводочной шлифовке и доводке свободным абразивом, на токарных и вихрефрезеровальных станках за один постанов черновых заготовок.
В приборной ветви будут доминировать требования практической точности, которая в рамках данного подхода может быть доведена до 0,1 нм при ходе около 25 мм. Для этого круга задач конкуренцию могут составлять шаговые пъезодвигатели, у которых ход имеет тот же порядок, и разрешение также на уровне долей нанометра. Преимущества приводов с магнитной парой заключаются в схеме с разомкнутой цепью, которая не требует внешней реперной "линейки", а также в полном отсутствии вибрации. Для решения производственных задач при создании магнитных винтовых пар этого класса необходимо дополнительно применить новейшие технологии формирования заданного рельефа с помощью микромашининга фемтосекундным лазером.
При анализе характеристик субпрецизионной механики возникает вопрос: каким образом и где возможно применение данных изделий? В области машиностроения это могут быть комплексы по металлообработке, использующиеся в аэрокосмической, электронной и оптико-механических областях (производство компонент систем позиционирования, зеркал, прецизионных муфт и т.д.). Огромным плюсом, как сказано выше, является одноэтапность производства сложных поверхностей с высокими квалитетами точности обработки.
Компания "Центр перспективных технологий" уже на протяжении нескольких лет ведет успешное внедрение и производство металлообрабатывающих малогабаритных фрезерных центров, предназначенных для обучения и производства [11]. Широкий спектр задач, поставленных перед станками с ЧПУ ATCNano, успешно выполняются благодаря точности (около 0,002 мм по всем осям), жесткости (консольная конструкция станка) и высокой производительности (подача за счет ШВП и линейных направляющих – 1 800 мм/мин). На рис.4 представлена матрица, использующаяся для производства микрофлюидных чипов методом мягкой литографии. Габариты матрицы – 32 Ч 24 мм, размер дорожек – 0,2 Ч 0,2 мм.
С помощью современного программного обеспечения также достигается значительная точность при аппроксимации сложных поверхностей одним инструментом. На рис.5 представлен фрезерованный рельеф, полученный при аппроксимации сферической фрезой D4, R2 с шагом 0,05 мм (материал – Д16Т).
Развитие проекта фрезерного центра с ЧПУ ATCNano (рис.6), спроектированного с применением современных механических, электронных и электромеханических компонент, не стоит на месте. Освоение в производстве и замена стандартных механических комплектующих, таких как ШВП, ходовой винт с гайкой, на прецизионные магнитные винтовые пары, открывает новые возможности и расширяет области применения оборудования. С учетом разработки и внедрения новых бесфрикционных компонент, приближение к нанометровой точности обработки уже кажется не фантастикой, а закономерной реальностью.
Помимо материалообрабатывающих комплексов, компания занимается разработкой и испытаниями автоматизированных прецизионных подвижек для лабораторного оборудования и микроскопии [12, 13]. При компактных габаритах (200 Ч 200 мм) установка датчиков слежения и микро-ШВП позволила, в совокупности с передовой электронной (контроллер, драйвер), электромеханической (серводвигатели) частями получать полностью автоматизированную съемку изображений с точностью, недостижимой обычными ручными подвижками и столиками. Дальнейшая полная замена подвижной механики на бесконтактно-магнитную позволит приблизиться к точности перемещений, сравнимой с пьезокерамическими двигателями и трубками, но заметно выигрывающей в простоте настройки и скоростях перемещений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Индукаев К.В. Бесконтактные сверхточные мехатронные узлы и их компоненты разработки Российской компании "Лаборатории Амфора" // Приводная техника. 2008. № 2 (72). С. 38–47.
2. Литвиненко Д.В. Магнитная винтовая передача // В сб. Методы повышения точности и производительности металлорежущих станков. ЭНИМС. – Машиностроение, 1967.
3. Литвиненко Д.В. Гидростатическая винтовая передача // В сб. Методы повышения точности и производительности металлорежущих станков. ЭНИМС. – Машиностроение, 1967.
4. Shinshi T., Hashimoto Ju., Chen B.-Ch., Sato K., Shimokohbe A. A New Magnetic Lead Screw and Its Basic Characteristics, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers Series C. Vol. 64 (1998) No. 618. P. 690–697.
5. Chang T.N. , Wong T., Bhaskar D., Ji Zh., Shimanovich M., Caudill R. Control of ultrahigh-precision magnetic leadscrew using recurrent neural networks. Proc. SPIE 3518, Sensors and Controls for Intelligent Machining. Agile Manufacturing and Mechatronics. 1998/12/17. DOI: 10.1117/12.332796.
6. http://dx.doi.org/10.1117/12.332796.
7. http://ieeexplore.ieee.org/document/908390.
8. USA Patent № 5.990.587.
9. http://www.hyprostatik.de/startseite.
10. http://docplayer.net/31645531-Drive-technology-hydrostatic-bearing-systems.html.
11. Ахметова А., Белов Ю., Яминский И. Трехкоординатный фрезерно-гравировальный центр с ЧПУ ATCNano // НАНОИНДУСТРИЯ. 2017. № 5 (76). C. 62–64.
12. Ахметова А., Белов Ю., Мешков Г., Яминский И. Системы 3D-позиционирования в точной обработке материалов // НАНОИНДУСТРИЯ. 2017. № 1 (71). C. 102–104.
13. Ахметова А., Белов Ю., Яминский И. Модульный многоосевой обрабатывающий центр для наноиндустрии // НАНОИНДУСТРИЯ. 2016. № 6 (68). С. 82–84.
Отзывы читателей
