直線電機(jī)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

直線電機(jī)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

一、引言

數(shù)控機(jī)床正在向精密、高速、復(fù)合、智能、環(huán)保的方向發(fā)展。精密和高速加工對(duì)傳動(dòng)及其控制提出了更高的要求，更高的動(dòng)態(tài)特性和控制精度，更高的進(jìn)給速度和加速度，更低的振動(dòng)噪聲和更小的磨損。問(wèn)題的癥結(jié)在傳統(tǒng)的傳動(dòng)鏈從作為動(dòng)力源的電動(dòng)機(jī)到工作部件要通過(guò)齒輪、蝸輪副，皮帶、絲杠副、聯(lián)軸器、離合器等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，在些環(huán)節(jié)中產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、彈性變形、反向間隙、運(yùn)動(dòng)滯后、摩擦、振動(dòng)、噪聲及磨損。雖然在這些方面通過(guò)不斷的改進(jìn)使傳動(dòng)性能有所提高，但問(wèn)題很難從根本上解決，于出現(xiàn)了“直接傳動(dòng)”的概念，即取消從電動(dòng)機(jī)到工作部件之間的各種中間環(huán)節(jié)。隨著電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，電主軸、直線電機(jī)、力矩電機(jī)的出現(xiàn)和技術(shù)的日益成熟，使主軸、直線和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的“直接傳動(dòng)”概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并日益顯示其巨大的優(yōu)越性。直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)上的應(yīng)用，使機(jī)床的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了重大變化，并使機(jī)床性能有了新的飛躍。

二、直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)

進(jìn)給速度范圍寬?？蓮?（1）m/s到20m/min以上，目前加工中心的快進(jìn)速度已達(dá)208m/min，而傳統(tǒng)機(jī)床快進(jìn)速度<60m/min，一般為20～30m/min。

速度特性好。速度偏差可達(dá)（1）0.01%以下。

加速度大。直線電機(jī)最大加速度可達(dá)30g，目前加工中心的進(jìn)給加速度已達(dá)3.24g，激光加工機(jī)的進(jìn)給加速度已達(dá)5g，而傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)給加速度在1g以下，一般為0.3g。

定位精度高。采用光柵閉環(huán)控制，定位精度可達(dá)0.1～0.01（1）mm。應(yīng)用前饋控制的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)特性好，響應(yīng)靈敏，加上插補(bǔ)控制的精細(xì)化，可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)控制。

行程不受限制。傳統(tǒng)的絲杠傳動(dòng)受絲杠制造工藝限制，一般4～6m，更的行程需要接長(zhǎng)絲杠，無(wú)論從制造工藝還是在性能上都不理想。而采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定子可無(wú)限加長(zhǎng)，且制造工藝簡(jiǎn)單，已有大型高速加工中心X軸長(zhǎng)達(dá)40m以上。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小，運(yùn)動(dòng)部件摩擦小、磨損小、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠。

三、直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)展

直線電機(jī)與普通電機(jī)在原理上類(lèi)似，它只是電機(jī)圓柱面的展開(kāi)，其種類(lèi)與傳統(tǒng)電機(jī)相同，例如：直流直線電機(jī)，交流永磁同步直線電機(jī)，交流感應(yīng)異步直線電機(jī)，步進(jìn)直線電機(jī)等。

作為可控制運(yùn)動(dòng)精度的直線伺服電機(jī)在上世紀(jì)80年代末出現(xiàn)后，隨著材料（如永磁材料）、功率器件、控制技術(shù)及傳感技術(shù)的發(fā)展，直線伺服電機(jī)的性能不斷提高，成本日益下降，為其廣泛的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

近年來(lái)，直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)展表現(xiàn)在以下方面：（1）性能不斷提高（如推力、速度、加速度、分辨率等）；（2）體積減小，溫升降低；（3）品種覆蓋面廣，可滿足不同類(lèi)型機(jī)床的要求；（4）成本大幅度下降；（5）安裝和防護(hù)簡(jiǎn)便；（6）可靠性好；（7）包括數(shù)控系統(tǒng)在內(nèi)的配套技術(shù)日趨完善；（8）商品化程度高。

目前世界上直線伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的知名供應(yīng)商主要有：德Siemens公司，Indramat公司；日本FANUC，三菱公司；美國(guó)Anorad，科爾摩根公司；瑞士ETEL公司等。

具有代表性的直線電機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)：

FANUC L17000C3/2is；最大推力17000N；連續(xù)推力3400N（自然冷）/4080N（氣冷）/6800（水冷）；最大速度240m/min（4m/s）；最大加速度30g；分辨率0.01（1）m。

Siemens 1FN3：最大推力20700N；連續(xù)推力8100N（水冷）；最大速度253m/min。

在控制系統(tǒng)方面，Siemens、FANUC等系統(tǒng)供應(yīng)商都可提供與直線電機(jī)控制相對(duì)應(yīng)的控制軟件和接口。由于歐洲機(jī)床上應(yīng)用直線電機(jī)較多，因此采用Siemens系統(tǒng)（如8l0D，840D）最多。

中國(guó)科學(xué)院電工所、浙江大學(xué)、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)等對(duì)直線電機(jī)開(kāi)展了多年研究，江蘇、哈爾濱、廣東等一些公司已有小功率直線電機(jī)產(chǎn)品。

清華大學(xué)在“十五”攻關(guān)項(xiàng)目中研制成功交流永磁同步直線電機(jī)及其伺服系統(tǒng)，其最大運(yùn)動(dòng)速度60m/min，最大加速度5g，最大推力5000N，目前已與江蘇瑞安特公司開(kāi)始合作生產(chǎn)。

四、直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)在機(jī)床上的應(yīng)用情況

表1 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的國(guó)產(chǎn)機(jī)床部分典型產(chǎn)品 機(jī)床類(lèi)型 型號(hào) 廠商 主要特點(diǎn)

電火花成形機(jī)床 GV754L 北京機(jī)床研究所 快進(jìn)速度24m/min

加速度1.5g

立式加工中心 VS1250 北京機(jī)電院高技術(shù)

股份公司 X/Y軸直線電機(jī)，

快進(jìn)80/120m/min

加速度0.8/1.5g

立式加工中心 XH716/5X-SM 江蘇多棱數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司 X軸直線電機(jī)

車(chē)銑中心 沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán) X軸直線電機(jī)，

快進(jìn)60m/min

活塞車(chē)床 G-CNCP200 清華大學(xué) X軸直線電機(jī)

凸輪磨床 北京航空航天大學(xué) 頭架驅(qū)動(dòng)用直線電機(jī)，

精度提高，無(wú)振紋

自1993年德國(guó)Ex-Cell-O公司研發(fā)出世界上第一臺(tái)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的加工中心以來(lái)，直線電機(jī)已在不同種類(lèi)的機(jī)床上得到應(yīng)用。2001年、2003年歐洲機(jī)床展，2002年、2004年日本機(jī)床展及美國(guó)機(jī)床展上每次都有幾十家公司的展品采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。以2002年日本機(jī)床展JIMTOF為例，在展的524臺(tái)數(shù)控機(jī)床中，有25家公司41臺(tái)機(jī)床采用直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)[3>，其中，加工中心11臺(tái)（立式8臺(tái)，臥式3臺(tái)），電加工機(jī)床7臺(tái)（線切割4臺(tái)，成形機(jī)2臺(tái)，小孔機(jī)1臺(tái)），磨床6臺(tái)（一般磨床4臺(tái)，齒輪磨床1臺(tái)，坐標(biāo)磨床1臺(tái)），非球面加工機(jī)和微型微細(xì)加工機(jī)5臺(tái)，車(chē)床4臺(tái)，專用機(jī)床3臺(tái)，激光加工機(jī)2臺(tái)，車(chē)磨復(fù)合機(jī)床1臺(tái)，銑削加工單元（FMC）l臺(tái)。

目前，世界上最知名的機(jī)床廠家?guī)缀鯚o(wú)一例外地都推出了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床產(chǎn)品，品種覆蓋了絕大多數(shù)機(jī)床類(lèi)型。此外，在壓力機(jī)、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、水切割機(jī)、等離子切割機(jī)、快速原型機(jī)及半導(dǎo)體設(shè)備的X-Y工作臺(tái)上直線電機(jī)都有應(yīng)用。

此外，浙江大學(xué)直線電機(jī)與現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)研究所開(kāi)發(fā)了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓力機(jī)、鋸床、雕刻機(jī)、線切割機(jī)床。

北京機(jī)電院高技術(shù)股份有限公司承擔(dān)的“十五”攻關(guān)項(xiàng)目《直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速立式加工中心》，于2003年研制成功國(guó)內(nèi)第一臺(tái)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心，并在2003年北京國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)展出。該機(jī)床X/Y軸采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，行程分別為1250/630mm，最大快移速度80/120m/min，最大加速度O.8/1.5g。機(jī)床在設(shè)計(jì)中對(duì)減輕運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量、加強(qiáng)機(jī)床剛性、解決高速高加速運(yùn)動(dòng)下的抗沖擊性、直線電機(jī)的防護(hù)，以及控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)與直線電機(jī)的匹配和優(yōu)化調(diào)試等方面做了有益的探索并取得了成功。為解決處于工作臺(tái)下方的Y軸直線電機(jī)的防護(hù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了密封的直線驅(qū)動(dòng)軸部件，并獲得了國(guó)家專利。經(jīng)測(cè)定，該機(jī)床精度達(dá)到精密級(jí)加工中心標(biāo)準(zhǔn)，并有充分裕量。一年多來(lái)該機(jī)床工作穩(wěn)定可靠。課題組還對(duì)直線電機(jī)初級(jí)線圈與次級(jí)磁鐵（定子）的溫升進(jìn)行了試驗(yàn)。以X軸為例：X軸運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量>1000kg，加速度設(shè)定為O.8g，快移速度設(shè)定為70m/min，連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)1小時(shí)以上。試驗(yàn)結(jié)果：10分鐘后初級(jí)線圈（水冷）溫升趨于平衡，工作溫度穩(wěn)定在69℃左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于允許工作溫度（12℃）。電機(jī)次級(jí)磁鐵溫升約2℃?？梢?jiàn)直線電機(jī)初級(jí)線圈與次級(jí)磁鐵（定子）的溫升對(duì)機(jī)床的熱影響有限，可通過(guò)補(bǔ)償消除。