直線電機在數控機床中的應用

一、引言

數控機床正在向精密、高速、復合、智能、環保的方向發展。精密和高速加工對傳動及其控制提出了更高的要求，更高的動態特性和控制精度，更高的進給速度和加速度，更低的振動噪聲和更小的磨損。問題的癥結在傳統的傳動鏈從作為動力源的電動機到工作部件要通過齒輪、蝸輪副，皮帶、絲杠副、聯軸器、離合器等中間傳動環節，在些環節中產生了較大的轉動慣量、彈性變形、反向間隙、運動滯后、摩擦、振動、噪聲及磨損。雖然在這些方面通過不斷的改進使傳動性能有所提高，但問題很難從根本上解決，于出現了“直接傳動”的概念，即取消從電動機到工作部件之間的各種中間環節。隨著電機及其驅動控制技術的發展，電主軸、直線電機、力矩電機的出現和技術的日益成熟，使主軸、直線和旋轉坐標運動的“直接傳動”概念變為現實，并日益顯示其巨大的優越性。直線電機及其驅動控制技術在機床進給驅動上的應用，使機床的傳動結構出現了重大變化，并使機床性能有了新的飛躍。

二、直線電機進給驅動的主要優點

進給速度范圍寬?？蓮?（1）m/s到20m/min以上，目前加工中心的快進速度已達208m/min，而傳統機床快進速度<60m/min，一般為20～30m/min。

速度特性好。速度偏差可達（1）0.01%以下。

加速度大。直線電機最大加速度可達30g，目前加工中心的進給加速度已達3.24g，激光加工機的進給加速度已達5g，而傳統機床進給加速度在1g以下，一般為0.3g。

定位精度高。采用光柵閉環控制，定位精度可達0.1～0.01（1）mm。應用前饋控制的直線電機驅動系統可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運動部件的動態特性好，響應靈敏，加上插補控制的精細化，可實現納米級控制。

行程不受限制。傳統的絲杠傳動受絲杠制造工藝限制，一般4～6m，更的行程需要接長絲杠，無論從制造工藝還是在性能上都不理想。而采用直線電機驅動，定子可無限加長，且制造工藝簡單，已有大型高速加工中心X軸長達40m以上。

結構簡單、運動平穩、噪聲小，運動部件摩擦小、磨損小、使用壽命長、安全可靠。

三、直線電機及其驅動控制技術的進展

直線電機與普通電機在原理上類似，它只是電機圓柱面的展開，其種類與傳統電機相同，例如：直流直線電機，交流永磁同步直線電機，交流感應異步直線電機，步進直線電機等。

作為可控制運動精度的直線伺服電機在上世紀80年代末出現后，隨著材料（如永磁材料）、功率器件、控制技術及傳感技術的發展，直線伺服電機的性能不斷提高，成本日益下降，為其廣泛的應用創造了條件。

近年來，直線電機及其驅動控制技術的進展表現在以下方面：（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，可滿足不同類型機床的要求；（4）成本大幅度下降；（5）安裝和防護簡便；（6）可靠性好；（7）包括數控系統在內的配套技術日趨完善；（8）商品化程度高。

目前世界上直線伺服電機及其驅動系統的知名供應商主要有：德Siemens公司，Indramat公司；日本FANUC，三菱公司；美國Anorad，科爾摩根公司；瑞士ETEL公司等。

具有代表性的直線電機產品的技術指標：

FANUC L17000C3/2is；最大推力17000N；連續推力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；連續推力8100N（水冷）；最大速度253m/min。

在控制系統方面，Siemens、FANUC等系統供應商都可提供與直線電機控制相對應的控制軟件和接口。由于歐洲機床上應用直線電機較多，因此采用Siemens系統（如8l0D，840D）最多。

中國科學院電工所、浙江大學、沈陽工業大學等對直線電機開展了多年研究，江蘇、哈爾濱、廣東等一些公司已有小功率直線電機產品。

清華大學在“十五”攻關項目中研制成功交流永磁同步直線電機及其伺服系統，其最大運動速度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始合作生產。

四、直線電機進給驅動在機床上的應用情況

表1 直線電機驅動的國產機床部分典型產品 機床類型 型號 廠商 主要特點

電火花成形機床 GV754L 北京機床研究所 快進速度24m/min

加速度1.5g

立式加工中心 VS1250 北京機電院高技術

股份公司 X/Y軸直線電機，

快進80/120m/min

加速度0.8/1.5g

立式加工中心 XH716/5X-SM 江蘇多棱數控機床有限責任公司 X軸直線電機

車銑中心 沈陽機床集團 X軸直線電機，

快進60m/min

活塞車床 G-CNCP200 清華大學 X軸直線電機

凸輪磨床 北京航空航天大學 頭架驅動用直線電機，

精度提高，無振紋

自1993年德國Ex-Cell-O公司研發出世界上第一臺直線電機驅動工作臺的加工中心以來，直線電機已在不同種類的機床上得到應用。2001年、2003年歐洲機床展，2002年、2004年日本機床展及美國機床展上每次都有幾十家公司的展品采用直線電機驅動系統。以2002年日本機床展JIMTOF為例，在展的524臺數控機床中，有25家公司41臺機床采用直線電機進給驅動[3>，其中，加工中心11臺（立式8臺，臥式3臺），電加工機床7臺（線切割4臺，成形機2臺，小孔機1臺），磨床6臺（一般磨床4臺，齒輪磨床1臺，坐標磨床1臺），非球面加工機和微型微細加工機5臺，車床4臺，專用機床3臺，激光加工機2臺，車磨復合機床1臺，銑削加工單元（FMC）l臺。

目前，世界上最知名的機床廠家幾乎無一例外地都推出了直線電機驅動的機床產品，品種覆蓋了絕大多數機床類型。此外，在壓力機、坐標測量機、水切割機、等離子切割機、快速原型機及半導體設備的X-Y工作臺上直線電機都有應用。

此外，浙江大學直線電機與現代驅動研究所開發了直線電機驅動的壓力機、鋸床、雕刻機、線切割機床。

北京機電院高技術股份有限公司承擔的“十五”攻關項目《直線電機驅動的高速立式加工中心》，于2003年研制成功國內第一臺直線電機驅動的加工中心，并在2003年北京國際機床展覽會展出。該機床X/Y軸采用直線電機驅動，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。機床在設計中對減輕運動部件質量、加強機床剛性、解決高速高加速運動下的抗沖擊性、直線電機的防護，以及控制系統、伺服系統與直線電機的匹配和優化調試等方面做了有益的探索并取得了成功。為解決處于工作臺下方的Y軸直線電機的防護問題，設計了密封的直線驅動軸部件，并獲得了國家專利。經測定，該機床精度達到精密級加工中心標準，并有充分裕量。一年多來該機床工作穩定可靠。課題組還對直線電機初級線圈與次級磁鐵（定子）的溫升進行了試驗。以X軸為例：X軸運動部件質量>1000kg，加速度設定為O.8g，快移速度設定為70m/min，連續往復運動1小時以上。試驗結果：10分鐘后初級線圈（水冷）溫升趨于平衡，工作溫度穩定在69℃左右，遠遠低于允許工作溫度（12℃）。電機次級磁鐵溫升約2℃?？梢娭本€電機初級線圈與次級磁鐵（定子）的溫升對機床的熱影響有限，可通過補償消除。