摘要：簡(jiǎn)述了直線電機(jī)工作原理及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)，并且舉例說明了直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”的傳動(dòng)方式對(duì)比具有的巨大優(yōu)勢(shì)。介紹了直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床上的幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例，指出直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)技術(shù)將是高速數(shù)控機(jī)床未來(lái)發(fā)展的方向。 關(guān)鍵詞：直線電機(jī)；進(jìn)給驅(qū)動(dòng)技術(shù)；數(shù)控機(jī)床

The Application of Feed-driven Technology of Linear M otor in NC M achine Tool

Abstract：The principle and driving technology of the linear motor were introduced，and the great advantage of linear motor direct—driving mode instead of the traditional driving mode．such as“the rotary servo motor+ball bearing screw mandrel” was discussed．The application of the feed—driven technology of the linear motor in NC machine tool was introduced． In conclusion，thefeed—driven technology of linear motor is the trend of high speed NC machine tool in development． Keywords：Linear motor；Feed—driven technology ；NC machine tool 0 引言 　　隨著航空航天、汽車制造、模具加工、電子制造行業(yè)等領(lǐng)域?qū)Ω咝实剡M(jìn)行加工的要求越來(lái)越高，需要大量高速數(shù)控機(jī)床。機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)是高速機(jī)床的主要功能部件。而直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)徹底改變了傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動(dòng)方式存在的彈性變形大、響應(yīng)速度慢、存在反向間隙、易磨損等先天性的缺點(diǎn)，并具有速度高、加速度大、定位精度高、行程長(zhǎng)度不受限制等優(yōu)點(diǎn)，令其在數(shù)控機(jī)床高速進(jìn)給系統(tǒng)領(lǐng)域逐漸發(fā)展為主導(dǎo)方向。 1 直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù) 　　現(xiàn)代先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要分為兩大類：一類為電磁式的，另一類則為非電磁式的。 　　電磁類的現(xiàn)代先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要由現(xiàn)代電磁類驅(qū)動(dòng)器與現(xiàn)代控制系統(tǒng)組成，它的驅(qū)動(dòng)器包括傳統(tǒng)改進(jìn)型的電磁驅(qū)動(dòng)器與新發(fā)展型的電磁驅(qū)動(dòng)器。它們中有旋轉(zhuǎn)的、直線的、磁浮的、電磁發(fā)射的等等。除了在一般通用電機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上改進(jìn)獲得的電機(jī)技術(shù)外，還有更多的是在通用電機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的新型電機(jī)技術(shù)，如直線電機(jī)技術(shù)、無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)、開關(guān)磁阻電機(jī)技術(shù)和各種新型永磁電機(jī)技術(shù)等。 　　直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能而不需通過中問任何轉(zhuǎn)換裝置的新穎電機(jī)，它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、磨損少、噪聲低、組合性強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)所具有的品種，直線電機(jī)幾乎都有相對(duì)應(yīng)的品種，其應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大，并在一些它所能獨(dú)特發(fā)揮作用的地方取得了令人滿意的效果。 　　直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。直線電機(jī)是將傳統(tǒng)圓筒型電機(jī)的初級(jí)展開拉直，變初級(jí)的封閉磁場(chǎng)為開放磁場(chǎng)，而旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子部分變?yōu)橹本€電機(jī)的初級(jí)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分變?yōu)橹本€電機(jī)的次級(jí)。在電機(jī)的三相繞組中通入三相對(duì)稱正弦電流后，在初級(jí)和次級(jí)間產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，氣隙磁場(chǎng)的分布情況與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，沿展開的直線方向呈正弦分布。當(dāng)三相電流隨時(shí)問變化時(shí)，使氣隙磁場(chǎng)按定向相序沿直線移動(dòng)，這個(gè)氣隙磁場(chǎng)稱為行波磁場(chǎng)。當(dāng)次級(jí)的感應(yīng)電流和氣隙磁場(chǎng)相互作用便產(chǎn)生了電磁推力，如果初級(jí)是固定不動(dòng)的，次級(jí)就能沿著行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向做直線運(yùn)動(dòng)。即可實(shí)現(xiàn)高速機(jī)床的直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給方式，把直線電機(jī)的初級(jí)和次級(jí)分別直接安裝在高速機(jī)床的工作臺(tái)與床身上。由于這種進(jìn)給傳動(dòng)方式的傳動(dòng)鏈縮短為0，被稱為機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的“零傳動(dòng)”。 　　與“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”傳動(dòng)方式相比較，直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）高速度，目前最大進(jìn)給速度可達(dá)100～200m／min。（2）高加速度，可高達(dá)2g～10g。（3）定位精度高，由于只能采用閉環(huán)控制，其理論定位精度可以為0，但由于存在檢測(cè)元件安裝、測(cè)量誤差，實(shí)際定位精度不可能為0。最高定位精度可達(dá)0．1～0．01m。（4）行程不受限制，由于直線電機(jī)的次級(jí)（定子）可以一段一段地鋪在機(jī)床床身上，不論有多遠(yuǎn)，對(duì)系統(tǒng)的剛度不會(huì)產(chǎn)生影響。例如，美國(guó)CincinnatiMilacron公司為航空工業(yè)生產(chǎn)了一臺(tái)HyperMach大型高速加工中心，主軸轉(zhuǎn)速為60000r／min，主電機(jī)功率為80kW。直線進(jìn)給采用了直線電機(jī)，其軸行程長(zhǎng)達(dá)46m，工作臺(tái)快速行程為100m／min，加速度達(dá)2g。在這種機(jī)床上加工一個(gè)大型薄壁飛機(jī)零件只需30min；而同樣的零件在一般高速銑床上加工，費(fèi)時(shí)3h；在普通數(shù)控銑床上加工，則需8h，優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯[1]。 2 直線電機(jī)在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用 　　現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，其加工速度和加工精度得到極大提高。其加工精度從最初的0．01mm到現(xiàn)在的1μm，提高了10000倍，加工速度則從每分鐘幾十毫米提高到每分鐘幾十米，提高了1000倍。機(jī)床技術(shù)水平的高速發(fā)展是機(jī)床自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，也是以CNC為代表的先進(jìn)制造技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)的滲透，從而形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品的結(jié)果[2]。 　　數(shù)控機(jī)床采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，克服了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的許多缺陷，獲得了極高的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。國(guó)外在高速加工中心上已廣泛應(yīng)用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也應(yīng)用到機(jī)床裝備的各個(gè)領(lǐng)域，使機(jī)床的各項(xiàng)性能大為提高。1993年德國(guó)Ex—cell—O公司在漢諾威國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)上展出了世界上第一臺(tái)應(yīng)用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的HSC一240型超高速加工中心，該機(jī)床最大快移速度為60m／min。日本機(jī)床裝備發(fā)展迅猛，高檔機(jī)床大量采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。早在1998年第十九屆JIMTOF上，就展出了8臺(tái)直線電機(jī)作進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的機(jī)床。在2002年日本東京第二十一屆JIMTOF機(jī)床展上23家公司展出了41臺(tái)裝有直線電機(jī)的數(shù)控機(jī)床，包括加工中心11臺(tái)[3]。目前，采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的機(jī)床是日本機(jī)床生產(chǎn)商供應(yīng)的主流實(shí)用機(jī)床。歐美西方工業(yè)大國(guó)的機(jī)床制造廠商也大量應(yīng)用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，著名的有DMG、Sodiek、Kings—bury、Anorad、Jobs和ForestLine等公司。在2003年的意大利米蘭EMO2003國(guó)際機(jī)床展上，直接驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為高性能機(jī)床的重要技術(shù)手段，會(huì)展中德國(guó)DMG公司展品多為直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。大批高性能加工中心采用了直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)。使用直線電機(jī)比用滾珠絲桿傳動(dòng)的成本已從l0年前的高30％，降低到目前只高15％～20％，而且參展商普遍認(rèn)為用戶可以節(jié)省運(yùn)行成本20％以上，從而可以及時(shí)收回附加投資。JOBS公司認(rèn)為有一半以上的機(jī)床采用直線電機(jī)在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是值得的[4]。 　　國(guó)內(nèi)直線電機(jī)技術(shù)的研究始于20世紀(jì)7O年代，上海電機(jī)廠、寧波大學(xué)、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、浙江大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)等高校都做了相關(guān)研究[5-6]，但未能實(shí)現(xiàn)真正應(yīng)用到高速機(jī)床上，大推力、長(zhǎng)行程的進(jìn)給，不是真正意義上的應(yīng)用在高速機(jī)床上的直線電機(jī)進(jìn)給單元。清華大學(xué)機(jī)械學(xué)系制造工程研究所研究的長(zhǎng)行程永磁直線伺服單元額定推力1 500N，最高速度60m／min，行程600mm[7]。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)研究的重點(diǎn)擺在了永磁同步直線電動(dòng)機(jī)的控制方式及伺服系統(tǒng)[8]；在CIM T2003（中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)）上，北京機(jī)電院高技術(shù)股份公司、江蘇多棱數(shù)控機(jī)床股份有限公司展出了國(guó)產(chǎn)首批直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的立式加工中心（VS1250），其X、Y軸采用了直線電機(jī)，最大進(jìn)給速度60m／s。采用直線光柵尺反饋，全閉環(huán)控制，定位精度高，穩(wěn)定性好。該加工中心采用了西門子840D系統(tǒng)，具有很高的可靠性與穩(wěn)定性[9]。這些研究工作為直線電機(jī)技術(shù)在高速機(jī)床上的應(yīng)用發(fā)揮了積極作用。目前在我國(guó)機(jī)床行業(yè)中，應(yīng)用直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)的產(chǎn)品越來(lái)越多。在CIMT2005上，作為全球最大的切削機(jī)床制造商之一的DWG公司，其產(chǎn)品中有1／3的采用了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，展出的DMC 75V linear精密立式加工中心所有進(jìn)給軸都采用高動(dòng)力性能直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，良好動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)是采用了高度穩(wěn)定的龍門結(jié)構(gòu)和經(jīng)優(yōu)化的高剛度床身，加速度高達(dá)2g，快移速度90m／min，從而可使生產(chǎn)率提高20％ ，該系列加工中心特別適合于模具加工[10]。2006年，德國(guó)Zimmermann公司推出了直線驅(qū)動(dòng)龍門銑床FZ38，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)通過高 因素獲得高水平的標(biāo)準(zhǔn)控制，使得即便是在高進(jìn)給率的情況下仍能保持非常小的拖曳距離和高定位精度[11]。DMG推出了Sprint 65直線驅(qū)動(dòng)機(jī)床，在置軸上加速度達(dá)到g，快移速度40m／min[12] 。在2007年4月的中國(guó)國(guó)際機(jī)床展（CIMT2007）上，直線電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，杭州機(jī)床集團(tuán)有限公司推出了國(guó)內(nèi)首次使用直線電機(jī)的平面磨床（MUGK7120X5）。全球領(lǐng)先的運(yùn)動(dòng)控制解決方案提供商丹納赫傳動(dòng)，在現(xiàn)場(chǎng)的研討會(huì)中提到直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外都得到了客戶的廣泛認(rèn)可，它改變了原有旋轉(zhuǎn)電機(jī)加絲杠的結(jié)構(gòu)，大大簡(jiǎn)化了機(jī)械的設(shè)計(jì)，提高了工作效率。 3 總結(jié)與展望 　　直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)與數(shù)控機(jī)床制造的結(jié)合大大促進(jìn)了世界制造業(yè)的發(fā)展，大大提高了加工精度和加工效率。直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)是一種能把電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，且不需要任何中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置。它將傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯拥闹本€運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)床的速度、加速度、剛度、動(dòng)態(tài)性能得到完全改觀。通過采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)使得在高速移動(dòng)中獲得高的定位精度成為現(xiàn)實(shí)，有效克服通過傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)、體積大、效率低、能耗高、精度差等缺點(diǎn)。所以，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)將是高速數(shù)控機(jī)床未來(lái)發(fā)展的方向。 參考文獻(xiàn) [1]張伯霖，楊慶東，陳長(zhǎng)年． 高速切削技術(shù)及應(yīng)用[J]．1版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002． [2]李佳特．現(xiàn)代CNC發(fā)展趨勢(shì)[J]．制造技術(shù)與機(jī)床，2003 （4）：5—7． [3]陳循介．21JIMTOF展出的用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的展品41臺(tái)[J]．世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2003，64（1）：29． [4]遇立基，楊春林．米蘭EMO2003國(guó)際機(jī)床展綜述[J]．世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2003，69 （6）：27— 28． [5]楊少東．永磁直線同步電機(jī)控制技術(shù)的研究[D]．浙江大學(xué)，2006． 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