直驱电机在精密微加工领域技术应用

文:编辑部2022年第二期

在近期举办的中国运动控制/直驱技术产业发展高峰论坛上,雅科贝思精密机电(上海)有限公司高级销售经理张宇发表了题为《直驱电机在精密微加工领域技术应用》的演讲,详细介绍了目前激光精密微加工的工艺技术以及直驱技术解决方案。


在整个制造业,直驱电机能解决很多实际应用中的难点和“痛点”问题,尤其是对于精度要求特别高的场合。


雅科贝思基础产品——直线电机

  雅科贝思不仅仅只是一个电机生产商,而是一个拥有经验丰富的设计团队,设计、生产高性价比的直驱电机(直线、力矩、音圈)和精密平,并可按照客户的应用需求特制电机、平台;进行仿真、误差预算、分析系统、优化设计 ,提供完整的运动控制方案 ,和客户一起共同开发解决方案。

  雅科贝思直线电机分为U形无铁芯电机、平板式有铁芯电机以及音圈电机。U形电机齿槽效应小,并且体积小推力大,但它的冷却比较难做,不如平板形有铁芯电机冷却效果好。精密加工领域考虑到热效应对加工效果的影响,一般首推有铁芯电机。但对于一些配合气浮导轨使用的超精机,U形电机的性能往往会得到更好的表现。音圈电机也是雅科贝思直线产品之一,它是直线电机的一种,特别适合应用在小行程、高频运动的场合。对于力矩电机,雅科贝思既可以为市场提供高性能的定转子,也可以以力矩电机为基础,为客户提供集成了精密轴承、高精度光栅尺等关键零部件的成品转台,满足客户高速、高精的应用场景要求。

 

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激光微加工

  激光微加工是雅科贝思的新业务,这里所讲的激光微加工并不是传统的大幅面、厚板材的激光切割技术,而是指厚度1毫米以下的材料、特征直径微米级别的加工。

  与一般的宏观工业加工应用(如机器人焊接或金属板材切割)相比,激光微加工应用所需工具和技术的重点在于高精度和过程控制。常见的应用可能对热输入非常敏感,并且或同时需要极高的精度,因此所用的激光器类型的规格、光学系统以及设备硬件配置对于开发可靠的大批量制造解决方案极其重要。

  激光微加工技术的重点是在于对高精度的机械设计、制造和运动过程的控制,是一个系统工程,因此更强调能够为用户提供一套整体解决方案。下面举例说明在激光微加工在一些应用领域中的典型加工工艺,包括消费电子、半导体、新能源和医疗等。

  1.激光微切割

  微切割可以切割金属、非金属或者薄膜,在获得最快加工速度的同时,它可以实现非常高的定位精度和最小的材料损耗和热损失,例如血管支架的激光微切割技术等。

  2.激光划线

  划线是半导体行业描述芯片分离技术的一个术语,通过激光在晶圆上划线,做一个半切割工艺,再沿着划痕将晶圆分成一个个芯片,例如蓝宝石激光划线等。

  3.选择性材料去除

  它是利用选择性烧蚀技术将一种材料从基材上清除或去除,通过对脉冲能量、重复频率和能量密度的精确控制,实现特征结构的精确制备,同时避免损坏基材,例如玻璃基底铬镀层光栅的去除等。

  4.激光剥离

  其利用主基材与被分离膜对激光能量吸收的差异,在激光穿过透明材料后,被背面贴合材料吸收,界面处产生的受限等离子体使材料剥离或分离,例如蓝宝石表面GaN薄膜去除等。

  5.激光退火

  通过控制激光曝光条件,对材料进行表面处理,以增加或降低其粗糙度,完成局部或大面积表面加热和控制掺杂物质激活。

  6.精细打标

  通过激光技术在一些材料表面做一些非常细小的刻字,例如可以用在一些防伪技术上,例如高精度玻璃打标等,满足新材料以及对超小标记的打标需求到微米尺度,保证打标的质量来确保高可读性。

  7.激光改性

  利用超快激光的非线性光学吸收特性,对材料进行局部改性,辅助后续腐蚀、裂片等工艺手段,实现精密切割和微钻孔。

  

无限视野加工方案(IFOV)

  无限视野加工方案(IFOV)是雅科贝思开发的另一种激光加工解决方案。振镜的视野有限,需要用平台的移动来变相的增加振镜视野。同时减少或消除同一位置的二次加工造成的疤痕或误差。依靠激光振镜和精密平台的联动,实现无限视野的激光加工。在运动控制的硬件上,IFOV系统包括主控制器、振镜控制器、振镜、激光器、运动平台及必要的伺服轴。

  IFOV的工艺流程是把要加工的图形导入专用的CAM软件,软件对几何学和运动学进行分析,生成加工程序,通过控制器、激光振镜控制器以及激光器三者联合来达到加工目的。

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 直驱产品在机床行业应用

  机床行业是一个千亿级的市场,也是雅科贝思重点关注的行业。雅科贝思在推出机床专用直线电机之前做了很多的尝试,甚至特地做机床来验证电机性能,最终推出AKM、AKMF、AKH三个系列的机床专用直线电机。针对机床行业的直线电机不管是在冷却、防护、推力和响应性上都有别于自动化行业。

  与传统机床一种沿用的伺服电机+滚珠丝杠的传动方式相比,Akribis机床专用直线电机传动具有明显的优势:

  •  没有丝杆,结构紧凑,无反响间隙、无磨损;

  •  行程不受限制。需要多长的行程,直线电机的磁板就可以铺多长;

  •  可实现0.1μm的微进给量;

  •  精度寿命长,免维护。

  直驱转台是雅科贝思针对机床行业做的另外一个直驱产品,考虑到机床的使用工况,如油雾、切屑液、重载、重切削等,对转台的防护等级、刚性提出了更高的要求。Akribis直驱转台采用直驱技术,无任何中间传动机构,以IP67作为基本防护等级,标配高分辨率圆光栅,轴承采用YRT转台专用轴承,壳体采用铸件或锻件,既能满足刚性要求,又能满足精度及高响应要求,其具体的应用优势包括:

  •  高动态响应,无磨损,零背隙;

  •  扭矩密度高,加速度大;

  •  液压夹紧系统,可用于3+2加工;

  •  高精度编码器,兼容多种数控系统;

  •  铸铁壳体,兼具硬度、 强度和刚性。


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