（机械工程专业论文）新型直线直流电机的开发研究及应用.pdf

山东大学硕士论文 新型直线直流电机的开发研究及应用 摘要 f “随着高速精密加工技术的不断发展，对伺服驱动系统的伺服 ，k 灵敏度和伺服精度提出了越来越高的要求；在有些情况下，依靠 传统的旋转电机+ 滚珠丝杠方式已无法满足使用要求，因此，直线 电机以其高速度、高灵敏度在直线伺服方面发挥了明显的优势。 电机的研究，通过理论公式，进行了多种直线直流电机的结构设 计和伺服控制系统的设计；并成功地将设计成果应用在电火花成 型机床上的主轴头上，取得了良好的经济效益和社会效益，通过 大量的加工实验和实际生产应用，给出了直线直流电机的性能特 点，并与旋转电机的性能特点进行了比较：通过实际加工证明了 直线直流电机用作电火花成型机床主轴伺服驱动时具有运动速度 快、加速度大、反映灵敏、定位精度高等特点；反映在加工效果 上有加工速度快，修光快，不烧结，可以实现不抬刀连续加工等。 关键词：直线直流电机电火花 主轴头轮胎模词氓 其 状 流 ， 展 直 展 发 线 进 外 直 的 内 对 足 国 始 长 及 开 了 型 ， 得 类 手 获 的 着 内 机 题 围 电 问 范 线 际 界 直 实 世 了 的 在 绍 到 机 介 遇 电 文 所 线 本 中直弋践 ，一猛 实 叶 迅 产 半 常 生 下 非，在 纪 头 从 世 势 并 十 展 ， 二 发 况 山东大学硕士论文 t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h en e wt y p el d m a b s t r a c t a st h ec o n t i n u o u s l yd e v e l o p m e n to fm a c h i n i n gt e c h n o l o g yt oh i g h s p e e da n dp r e c i s e ，t h er e q u i r e m e n t s o ft h es e r v ep r o c e s s i n ga n d a c c u r a c yo ft h es e r v ep o w e rs y s t e ma r eh i g h e ra n dh i g h e r i nt h i s s i t u a t i o n ，i tc a n n o tb e t t e rm e e tt h en e e do fp r a c t i c a la p p l i c a t i o nw i t h t h et r a d i t i o n a lr e v o l v i n ge l e c t r i c a lm o t o r + b a l ls c r e w t h e r e f o r et h e l i n e a rm o t o rp l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n t r u l ew i t hi t s h i g h s p e e da n dh i g hs e n s i t i v i t y i nt h el i n e a rs e r v os y s t e m i nt h e s e c o n dh a l fo ft w e n t yc e n t u r y ，l mh a db e e ng r e a td e v e l o p m e n ti nt h e w h o l ew o r l d a n dt h i st r e n dw i l lb em o r ef a s ti nt h i sc e n t u r y t h ist h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h el mi no u r c o u n t r ya n do v e r s e a ，g i v e sar e s e a r c ho ft h en e wt y p el i n e a rd ir e c t c u r r e n tm o t o r ( l d m ) b e g i n n i n gf r o me x i s t e dr e a lp r o b l e mi nt h e p r a c t i c ep r o c e s s i n g w i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y z i n g ，t h ep a r a m e t e r s o ft h es y s t e mh a v e b e e nd e s i g n e d s e v e r a lt y p e so fl d mi n c l u d i n g c o n s t r u c t i o na n ds e r v os y s t e mh a v eb e e nd e s i g n e d a n dt h er e s u l t s h a v eb e e nu s e di nt h eh e a do ft h ee d m w h i c hi sak i n do fe l e c t r i c a l c h a r g em a c h i n et o o ld e v e l o p e db yu s t h ev e r yg o o de c o n o m i ca n d s o c i a lb e n e f i t sa r er e w a r d e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el d ma r e g i v e nb yd o i n g al a r g ea m o u n to f e x p e r i m e n t s a n dp r a c t i c a l p r o c e s s i n gr e s e a r c h ，a s w e l la s c o m p a r e d w i t ht h e r e v o l v i n g e l e c t r i c a lm o t o r t h er e s u i t ss h o wt h en e wl d mh a v eal o to f a d v a n t a g e s ：m o v i n gf a s t ，l a r g ea c c e l e r a t i o n ，r e a c ts e n s i t i v i t y ，h i g h p r e c i s eo r i e n t a t i n ga n de t c a f t e rt h en e wl d mb e i n gu s e da st h e s e r v es y s t e mo ft h ee d mh e a d ，t h ee m dh a st h eh i g h e rm a c h i n i n g e f f i c i e n c y ，f a s t e rr e p a i r i n go ft h es m o o t hf i n i s h ，n os i n t e r i n ga n dc a n p r o c e s sc o n t i n u o u s l yw i t h o u tl i f t i n gu pt h ew o r kh e a da n de t c k e yw o r d s ：l i n e a rd i r e c t c u r r e n tm o t o r ( l d m ) ，e l e c t r i c a l s p a r k ，w o r kh e a d ，t y r em o u l d ， s e r v o 1 绪论 山东大学硕士论文 1 1 研究课题综述 1 1 1 课题的提出 高速化、精密化是现代制造技术的发展方向。所谓高速化亦 即高速加工，其切削速度和进给速度通常要比常规加工高出一个 数量级。快速进给系统是实现高速加工的一项关键技术，为此对 进给系统提出了以下要求：( 1 ) 进给速度要快达到4 0 m r a i n 以 上；( 2 ) 加速度要大，至少要l 2 9 ；( 3 ) 反映要灵敏，能实现快速 的伺服控制和误差补偿。 通常，机床的伺服进给系统主要是“旋转电机+ 滚珠丝杠”方 式，这种进给系统由于从电机到直线运动部件之间存在着连轴节、 丝杠、螺母、轴承等一系列中间环节，当进给部件要完成启动、 加减速、反转、停车等动作时，这些机械元件不可避免的会产生 弹性变形、摩擦、反向间隙等，造成进给运动的滞后和其它许多 非线性误差；加大了系统的惯性质量，影响了对运动指令的快速 响应n3 。另外，丝杠大都是细长件，在力和热的作用下，会产生 变形，影响加工效果。 为了克服传统进给系统的缺点，简化机床结构，满足高速精 密加工的要求，人们不得不开始研究新型的进给系统，直线电动 山东大学硕士论文 机( 简称直线电机) 就是最有前途的快速进给系统。它取消了原 动力和执行部件之间的一切中帕j 传动环节，使得机床进给传动链 的长度为零，这就是所谓的“零传动”l 。 基于直线电机的突出优点及在轮胎模加工机床中实际需要， 我们提出了开发研制直线直流电机的课题。 1 1 2 直线电机的发展史 正是由于直线电机具有许多比普通旋转电机更加优越的性 能，所以人们从十九世纪中叶就开始了探索研究心1 ，18 4 5 年英国 人查尔斯威斯顿( c h a r l e sw h e t s t o n e ) 发明了第一台直线电机，但 是，直到二十世纪五十年代，直线电机j 开始进入开发应用阶段。 此后直线电机获得了长足的发展，特别是近二十年来，直线电机 在西方发达国家和日本获得了广泛的应用。到目前为止，直线电 机已经成功地应用于磁悬浮列车、电脑绘图仪、冰箱压缩机、小 型冲床、数控机床等领域。美国的a n o r a d 公司是世界上最著名的 直线电机制造商，该公司主要生产永磁同步式直线电机，并行成 了不同结构、不同功率的一系列产品，广泛应用于各种领域。具 有关报道，美国1 9 9 7 年囊线电机及驱动装置的销售额为4 5 3 3 万 美元，预计2 0 0 2 年将达到1 0 7 7 2 力i 美元；日本s o d i k 公司于1 9 9 9 年成功地将交流直线电机应用到电火花成型机的主轴头上，并取 山东大学硕士论文 i i 得成功，在世界电加工领域引起了不4 、的轰动1 。 我国对直线电机的研究起步较晚，目前尚未形成较大的产业， 在这方面研究成果较多的是广东工业大学、浙江大学、沈阳工业 大学等。应该看到，国内直线电动机特别是机床进给系统中的直 线伺服电动机的研究还处于起步阶段，进展也比较缓慢，和日本 及西方发达国家的差距很大。 1 2 本课题的内容及要解决的问题 通过分析通用旋转电机在做直线伺服驱动时不可避免地存在 着滞后，无法满足精密高速加工的需要。得出只有发展直线电机 才能从根本上解决问题，实现直接驱动。由此确定本科题的研究 内容为： ( 1 ) 根据电磁学的原理导出直线直流电机的理论公式，通过参数 选定和理论计算得出l d m 5 0 型直线直流电机的计算结果 ( 2 ) 进行结构设计和控制系统设计分析，通过实验验证计算结果 ( 3 ) 通过实际生产实践，验证直流直线电机的性能特点，并与交 流伺服电机进行比较得出结论。 山东大学硕士论文 直线电机的原理和分类 2 1 内容提要 本章提出了直线电机的概念和性能，并分别根据直线电机原 理和结构形式进行了分类。 2 2 直线电机的原理 所谓直线电机就是利用电磁作用原理，将电能直接转化为直 线运动动能的装置，中间不需要任何传动转换环节，能够实现直 接传动。 直线电机与间接产生直线运动的“旋转电机+ 滚珠丝杠”相比 其优点是：( 1 ) 反映灵敏：( 2 ) 结构简单，体积小；( 4 ) 可以 提供很宽的速度范围，从每秒几微米数十米，特别是高速性能最 为突出：( 5 ) 加速度很大，最大可达lo g ；( 6 ) 精度和重复定位 精度高。 直线电机的缺点是：( 1 ) 力量比较小，若想获得较大的推力 需要很大的功率或者是加平衡装置：( 2 ) 控制系统较复杂，需要 有高灵敏度。 4 山东大学硕士论文 2 3 直线电机的分类 直线电机按工作原理可分为 ( 1 ) 直线直流电动机 ( 2 ) 直线感应电动机 ( 3 ) 直线同步电动机 ( 4 ) 直线步进电动机 ( 5 )直线磁阻电动机等。 直线电机按结构形式可以分为：扁平型、圆桶型、圆盘型和 圆弧型四种。从理论上讲，每种旋转电动机都有与之相对应的直 线电动机。 直线电机的分类见图2 1 2 4 直线直流电机与交流直线电机的区别 国内外直线电机的开发应用基本上是以交流直线电机为主 所谓交流直线电机，指的是其输入电流为三相交流电的直线电机 其工作原理与交流旋转电机相同，所不同的是交流直线电机的锭 子就相当于将交流旋转电机的锭子剖开后平铺开来。交流直线电 机应用比较广泛，缺点是结构较复杂，很难做到体积很小，其控 制系统须借助于变频调速器才能精确控制，因而成本较高。 交流直线电机的工作原理见图2 - 2 。 山东大学硕士论文 本文所述的直线直流电机与交流直线电机又有不同，主要区别 是，直线直流电机的输入电压为一直流电压，而非三相交流电压， 因而控制比较容易；其线圈结构也比较简单，其外型结构可以根据 需要做的很小，因而成本比较低；另外，直线直流电机的伺服控制 系统相对比较简单。 2 5 本章小结 给出了直线电机的概念，指出了直线电机的优缺点，并分别按 直线电机的原理和结构进行了分类；简述了本课题与交流赢线电机 的性能区别。 6 山东大学硕士论文 直 线 电 丰几 直 线 电 动 机 直 线 驱 动 器 交流直线感 应电动机 ( l i m ) 交流直线同 步电动机 ( l s m ) 直线直流电 动机( l d m ) 直线步进电 动机( l p m ) 混合式直线 电动机 ( l h m ) 电磁式( e m ) 永磁式( p m ) 可变阻抗 混合式( h b ) 超导体( s c ) 电磁式l d m 永磁式l d m 直线震荡电动机( l o m ) 直线电磁螺旋管电动机 直线电磁泵( l e p ) 直线超声波电动机 直线发电机( l g ) 图2 1 直线电机分类 山东大学硕士论文 l 初级2 次级3 行波磁场 图2 2 交流直线电机的基本工作原理 山东大学硕士论文 3 直线直流电机的原理及设计 3 1 内容提要 推导理论公式，选择计算参数，进行受力分析，进行结构设 计并分析影响因素，设计伺服控制电路并进行电路分析。 3 2 多匝线圈受力的理论公式推导 3 2 1 公式推导 根据电磁学的原理，通电直线导体在磁场中会受到力的作用 这种受力由安培定律描述： f = b i l受力方向根据左手定则判定 式中：f 一安培力单位牛顿n b 一磁场强度单位特斯拉t i 一通电导体中通过的电流单位安培a l 一磁场中通电导体的有效长度单位米m 由上式可以看出f 正比于b 、i 和l 。 通常情况下b 和l 为常数，因此f 只与i 有关，改变i 的大 小，即可改变f 的大小；改变i 的方向即可改变f 的方向。 从理论上讲要想增加f 可以同时增大b 、i 、l 或者是增大其 中的两个或一个。实际上增加磁场强度b 非常困难，而增加i 则 9 山东大学硕士论文 会受到体积和发热等很多的限制，l 理论上为一根直线导体，实际 上一根直线不可能做的很长，只能用线圈来体现。但是圆形线圈中 电流的方向是随时改变的，这样根据左手定则其受力的方向也将随 时改变，导致无法形成宏观力。 如何使整个线圈各点的受力都相同，从而将整个线圈的受力叠 加而形成宏观力，成为解决问题的关键。 如图3 - 1 所示，为一圆柱形线圈其中的一匝，l 是其中任一 微小线段，根据微分原理，当该线段足够小时，可以看作是直线 建立一个环型磁场b ，使得该磁场所产生的磁力线垂直穿过线圈， 当线圈中通过电流l 时，根据电磁学的原理，通电直线导体在磁场 中将受到力的作用，因此，微小线段l 的受力为 f = b i l 其受力方向符合左手定则；又因为环型磁场的建立，使得整个 线圈的受力方向都相同，故整个线圈的受力为 f = f = e b i a l = f o b i d l = b i l 其中：b 为所建环型磁场的磁场强度 i 为线圈中通过的电流： l 为整圈线圈的长度。 o 山东大学硕士论文 图3 1 单匝线圈受力分析 若整个线圈共有n 匝，则整个线圈的受力为： f = n b i l 。( 3 1 ) 此即为圆柱状线圈直线直流电机的受力公式。 实际上，圆柱状线圈很容易制作，但是制造个环型磁场却不 那么容易。目前，市场上能够买到的比较成熟的磁钢产品大都是是 矩形。上述原理同样适用于其它形式的线圈，如矩形线圈。 3 2 2 直线直流电机的几种不同形式 根据构成磁场的方式不同，直线直流电机又可分为几种不同的 形式如图3 2 所示。 山东大学硕士论文 图3 - 2 直线直流电动机的基本结构分类 3 3 参数确定及受力分析 3 3 1 设计目的 设计一种小型直线直流电机驱动式主轴头及其伺服驱动系统， 可与轮胎模加工专用电火花成型机床配套使用。根据轮胎模花纹都 比较小的特点，要求主轴头的最大提升重量不小于5 0 牛顿，伺服 行程7 0 毫米。 3 3 2 背景技术 随着我国汽车工业的飞速发展，对汽车的关键配件之一轮胎 的要求越来越高，从而对轮胎模的制作水平提出了更高的要求；而 1 2 山东大学硕士论文 我国几十年来一直沿用的手工刻模不仅精度很差，而且工人的劳 动强度也很大，在这种情况下，山东豪迈机械科技有限公司等企 业，先后研制开发了“轮胎模加工专用电火花成型机床”系列产 品，取得了很好的效果。不足的是其主轴头仍然采用通用的“旋 转电机+ 滚珠丝杠”的结构形式，由于这种结构形式反映滞后，致 使加工效率，修光速度等不够理想，另外主轴的体积也不够小， 操作不方便。要克服上述缺点必须依靠直线电机技术。 3 3 3 参数确定 原则：在满足提升力量的前提下，体积尽可能她小。 电机的结构形式选择为：永磁式、动铁形、半开磁路。 设计思路：首先根据经验和市场行情确定已知参数，然后根 据公式3 1 计算出最大提升力看能否满足设计要求。 磁钢选择市场上磁性最强的钕铁硼( n d f e b ) ，表面场强 b = o 4 特斯拉，工作温度耋8 0 ；规格：长 宽 高= 6 0 * 4 0 * 1 5 m m 3 漆包线选择巾= 0 7 5 姻，绕三层。如图3 3 所示。 线圈供电电压选3 6 v 直流安全电压；根据欧姆定律： i = v r ， r = i 0 q ( 工艺保证) n = 6 0 0 7 5 3 2 = 4 8 0 ( 匝) 山东大学硕士论文 i 。= 4 0 帆= 0 0 4 m 委蓁蚕 _ - 萋摹萋 弋瓮 萋毒 喜囊妻 根据公式( 3 - 1 ) f = 1 3 b i l = n b v l r 图3 3 绕线结构示意图 = 4 8 0 3 1 4 x0 4 3 6 0 0 4 1 0 = 8 6 8 ( n ) 3 3 4 受力分析 1 4 山东大学硕士论文 i i i i i i i i _ _ l _ _ 机床在实际放电加工中，主轴的受力分析是十分复杂的，是以 下几种力共同作用的结果，其受力分析如图3 4 所示。 f ，一主轴的提升力，方向朝上， f 。一火花产生的爆炸力，方向朝上， m g 一运动部件的重力，方向朝下， m ：一主轴的质量， m 。一电极的质量， f 。一主轴运动时产生的摩擦阻力， f 一加速度a 产生的运动阻力，f = m g 受力方程为： f 。+ f b = m g + f 。+ f 当放电处于平衡状态时a = 0 ，f a = 0 f 。= m g + f 。 = f m z + m d ) g + f m f 。= f n 其中f 为摩擦系数，n 为预紧力可人为调整，在主轴 处于垂直状态时一般将其调至1 0 牛；所以 f 。= m g + f 。 = ( m ：+ m d ) g + f m = ( 1 + 5 ) 9 8 + 1 0 = 6 8 8 ( n ) 山东大学硕士论文 f tf h 运动部件芯质量 ，毫 x 喜 f 蕾 图3 4 主轴受力分析图 因为f = 8 6 8 n f t = 6 8 8 n ，故能满足设计要求。 3 3 5 结果分析 以上计算是在理想的情况下进行的，实际情况要复杂的多 f 列几种因素都会影响主轴的运动状态： a ) 自感电动势e a 线圈通电后，不仅会产生安培力，根据电磁学的原理当线圈 1 6 山东大学硕士论文 ( 电枢) 在电磁力的作用下一一旦产卜运动后，线圈绕组的导体会 切割磁力线产生自感电动势e a ，自感电动势的方向根据楞次定律 知总是指向反对线圈电流变化的方向，其大小可由下式表示： e a = ( b 。l ) v 式中：b 。一磁通密度l 一线圈有效总长度 v 一线圈切割磁力线的速度，即主轴的移动速度。 由上式可知，反电动势e a 与v 有关，当v 较大时不能忽略。 但是，正常放电时v 很小，即使有时瞬时速度很快但因时间很短， 故e a 可不考虑。另外，当线圈中的电流方向发生变化时，线圈也 会产生自感电动势来反抗电流变化。当上述干扰较大时，必须采 取抗干扰措施。 b ) 边界效应的影响 磁感应强度b 是由永磁式磁钢产生的，由于制造工艺的影响 和磁力线分布的边缘效应( 靠近边缘处磁力线密度增加) ，这些 现象要影响受力的均匀性，当磁钢的面积较大时此影响不可忽略。 不过由于本例中所采用的磁钢面积仅为0 0 4 x0 0 6 = 0 0 0 2 4r l l 2 ， 故可暂不考虑边界效应的影响。 c ) 温度的影响 线圈通电后，会产生热量而导致温度上升，根据导线的物理特 性，温度升高后导线的电阻率会上升，从而导致实际电流下降。 山东大学硕士论文 可采取适当控制线圈电流和冷却措施。本例中应控制温升不超过 8 0 。c 。 3 4 结构设计 3 4 1 结构设计 l d m 一5 0 永磁式动铁型直线直流电机的结构如图3 5 所示。 图中：l 一外罩2 一测速线圈3 一磁棒4 一磁钢固定架 5 一磁钢6 一钢球7 一缓冲垫8 一导向架9 一壳体1 0 一导向 套l l 一夹具1 2 一铁芯1 3 一线圈。 磁钢( 5 ) 为外购件，其构成为粉末高温烧结而成，很脆、易碎、 且由于磁性很大，易吸铁屑故无法自己加工，只能提供图纸和技术 要求让专业厂制造。 铁芯( 1 乃应选择软磁性材料：如铁氧体或矽钢片，考虑到成本等 因素，本例选用矽钢片叠加而成，矽钢片除了成本较低外，还有个 最大的特点就是可以有效地避免涡流的产生，从而减少发热。 为了充分利用磁钢，本例采用动铁形结构形式，磁钢在中间， 两边平行布置两个固定线圈，磁力线的大部分从n 极出发穿过线 圈绕组，然后经铁芯上行或下行，通过导磁铁进入另一铁芯，再穿 过另一绕组后到达s 极形成闭合磁路。另一部分则成发散状穿过线 圈构成开磁路。 山东大学硕士论文 磁路构成如图3 6 所示： ，一一 ：二、 ， ，一、 、 ；li r i ll i i i i i 1 i i i l i i j i ， ： ， i i t ：。 i i 、 ， ? jl i i ；f l i ：l l 、 图3 6 磁路结构示意图 磁钢( 5 ) 被上下4 个紧定螺钉固定在磁钢固定架( 4 ) 上，磁钢架( 4 ) 两侧开有v 型导向槽与导向架( 8 ) 对立，导向槽内装有钢球，采用滚 动导向的目的是为了减少摩擦力，若采用滚动直线导轨则效果更 好，只是体积要增大不少：磁钢固定架下端的固定杆与导向套构 成滑动配合，以增加钢性，导向套也可以用直线轴承。 磁钢( 3 ) 和线圈之间的间隙越小越好，但是考虑到零件的热 1 9 山东大学硕士论文 胀冷缩和制造读差等因素，此间隙也不宜太小，一般应选择单向间 隙在0 1 0 3 毫米之间，过大则会使磁场强度下降过大。 壳体( 9 ) 主要起到固定作用，导向架( 8 ) 和导向套及测速线圈( z ) 固定在壳体上。夹具a o 用以夹持电极，缓冲垫( 7 ) 的材料为橡胶，起 到缓冲作用。 3 4 2 反馈系统设计 根据电火花放电加工的工艺特点，本系统采用速度负反馈方 式。因此，需要有测速环节，而且根据直线电机移动速度快，反应 灵敏度高的特点，采用普通的测速发电机无法满足要求，必须采用 直线测速发电机，如图3 7 所示。本系统采用测速线圈加磁杆的 结构形式，既能满足反应灵敏的求，而且体积小，成本低，易于制 造。 测速发电机的工作原理是：磁杼( 3 ) 通过其下端的螺纹部分固定 在磁钢固定架( 4 ) 上并随之一起运动，磁杆( 3 ) 发出的磁力线穿过测速 线圈( 2 ) ，当磁杆移动时，测速线圈便切割磁力线产生感应电动势， 根据左手定则，当磁杆的移动速度变化时，测速线圈中产生的感生 电动势也随之变化，当磁杆的移动方向变化时，测速线圈中产生的 山东大学硕士论文 12 一 一 、 、 1。 4 f ，7 t 、弋 i。 f _ i ； 、土7 ， i rf 身 厂、 l 一 - - _ - 厂 嗣。| ；i 稳 x ， | t | i 广 1 3 _ _ - 盈 _ ， - 椰 。 8 ，、 2 ； 厂 - j 苌 0 ， - ll ：门2 _ j u嫜 10 r ： 1 1 一 f 工 r 。 ，一 一尚 1 图3 5 l d m 一5 0 型动铁型直线直流电机结构图 2 i 山东大学硕士论文 l _ - 目_ - i _ _ _ i _ _ l _ i _ _ i _ i l _ _ _ l _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ - l - 、 盛铜 ， 、 蔫逮襄_ 葵 r十 蓁 + k+ + i -+ + 十 + b -+ ( - 卜 。x 、 ! 图3 7 壹线测速发电机结构图 感生电动势的方向也随之改变。因此测速线圈中产生的感应电动势 的大小，就反映了磁钢固定架_ _ 一也就是主轴的运动状态。 将测速线圈中产生的感应电压信号经放大后，输入主轴控制系 统运算放大器的同相输入端，与控制信号进行比较，起到速度负 反馈的作用，增加控制系统的刚性。 山东大学硕士论文 3 5 电气控制系统设计 3 5 1 电气控制系统设计 直线电机伺服控制电路的设计有以下特点：( 1 ) 系统运行速 度要快；( 2 ) 线路中不能串联有延迟速度的元气件，如：电容、 光耦；( 3 ) 线路要尽量简短，元器件要尽量少。 本直线直流电机的伺服控制系统方框如图3 8 所示。控制系统原 理图如图3 9 所示。图3 一1 0 为原理图局部放大图。 山东大学硕士论文 图3 8 控制系统方框图 i 山东大学硕士论文 厂i ； l 1l ： j1 ll i蚓蚓讨 峪 j _ i 兰 ；南。 厂 l ：l i ll l i 二 _ _ 毒 iii】。il ( 嗣眈 l 萧 i i 趣! 矗 卜词 j 1 ”o h “一 f i j卜 i l ，卜 i i ， l 儿jl i。b 丛j ib l l 。 i j i i ： ；，4 ： r _ 一 i，：盂 i 二 l ，俏 i l il lii iili li lllll l 图3 9 控制系统原理图 山东大学硕士论文 !i ：圆! 四 i 。 i 凶 醚謦 5 1 置篱 翟 器良 l 吝 藕靠 i 吐焉茕。强肴 i 墨 一。i z !星薹 醛龋 莹盲姜6 量薹 l 奄 lo 誊【x i 一一l l i 薯强 一 一篆鱼i 基量j 墨苴墨墨一g 量j 基曼 盆 星滔静寸“ h 曩 一1 星变 i 凶t 翼卿鎏鎏； 涌 l j = 罾黉繁卜菱嘧 i 。七。三蚕饕6霹黾 i 重t m 暖盘 镧鲤! 】 i 皇冠by 1 一 量赣0秘盆 一 一哥，。鼍6 盈冒冀二 习 导 电 娄孽 粤季霎棚雪臻。 图3 1 0 原理图局部放大图 山东大学硕士论文 3 5 2 控制线路分析 伺服控制线路可分为三部分： 第一部分：i 区一信号拾取 控制系统的控制信号取自电极( 固定在主轴下端) 和工件之间 的i 可隙电压信号，3 0 3 接电极，2 0 0 接床身( 工件) ；实际放电加工 时从3 0 3 和2 0 0 之间取得的信号是十分复杂的，根本无法辨析。因 此，信号必须处理，经电容1 c 1 ( 0 0 1 u f ) 、电阻l r 4 ( 3 k ) 、l r 5 ( 3 k ) 、 1 r 6 ( 2 k ) 、二极管l v 2 ( 4 0 0 4 ) 、电阻1 r 7 ( 3 0 k ) 、电容1 c 2 ( 0 0 3 3 u f ) 降压、整流后加到运算就放大器a 1 的反相输入端6 脚，此时的电 压值是一个约为8 v 平均电压，改变l r p l 电位器的阻值，可以人为 的改变输入信号的幅值。 第二部分：i i 区一信号处理 来自4 0 3 的给定电源电压( + 】5 v ) 经1 r l3 、1 r p 2 、l r 8 、l r 9 降压分压后( 约为8 v ) 输入到运算放大器a l 的5 脚与6 脚的间隙 电压信号进行比较放大处理后，经a l 的7 脚输出，经过1 r 1 2 ( 8 2 k ) 输入到运算放大器a 2 的反向输入端13 脚：由测速发电机t g 发出 的反映主轴移动速度快慢的电压信号，经1 r 2 0 ( 2 k ) 、1 r p 4 ( 4 7 k ) 、 l r l 9 ( 2 0 k ) 输入到运算放大器a 3 的同向输入端1 0 脚，经过a 3 的整形放大后再经l r l 6 ( 1 0 k ) 加到a 2 的同向输入端1 2 脚，经与 加到13 脚的来自a 1 的信号进行比较放大后由1 4 脚输出，形成最 终控制信号，此信号将随实际加工状态的改变在1 4 v 之间变化， 用以控制主轴的运动状态。 第三部分：i i i 区主控回路 该控制信号输出至p 点后，一路经二极管d 2 、d 1 电阻1 r 2 6 山东大学硕士论文 _ _ - - _ _ - i _ _ - - - _ _ _ _ 1 i ii i i ( 2 0 k ) 到达场效应管l v l 6 ( i r f 6 4 0 ) 的控制极( 栅极) ，控制直线 电机( m ) 的进给，另一路信号经二极管d 3 、d 4 、d 5 、d 6 、d 7 、 电阻1 r 2 5 ( 2 0 k ) 到达场效应管1 v 1 5 ( i r f 9 6 4 0 ) 的控制极( 栅极) ， 控制直线电机( m ) 的回升。 2 2 0 v 交流电经变压器t 后产生两组2 4 v 交流电压，分别加到 0 5 4 - - 0 5 5 和0 5 6 一0 5 7 端，再经过2 v 1 4 和2 v 5 8 全桥接流， 电 容2 c 1 5 ( 0 3 3 u f ) 、2 c 1 4 ( 2 2 0 0 u f ) 和2 c 1 7 ( 0 3 3 u f ) 、2 c 1 6 ( 2 2 0 0 u f ) 及电阻2 r 5 ( 2 k ) 、2 r 6 ( 2 k ) 稳压后，再经过场效应管1 v 1 5 和i v l 6 加到直线电机线圈上，为直线电机提供能源。 放电工作时两只场效应管交替导通： 当i v l 6 导通时，电流方向为： 0 5 7 f 2 2 v 58 i v l 6 m 2 v 58 0 5 6 ； 此时直线电机做进给运动。 当i v l 5 导通时，电流方向为： 0 5 5 f 1 啼2 v 14 啼m i v l 5 啼2 v i4 斗0 5 4 ： 此时流经直线电机线圈的电流方向与i v l 6 导通时相反，直线 电机做回升运动。 由此可见，场效应管i v l 5 导通时主轴回升，i v l 6 导通时主轴进 给。那么，二者的到通有谁来确定昵? 间隙电压信号经稳压和两级运放处理后由运算放大器a 2 的 c 1 4 脚输出，其幅值在一1 4 v + 1 4 v 之间变化。 空载时间隙电压最大( 1 6 0 v ) ，此时对应1 4 脚输出为+ 1 4 v ， 即p 点的电位是+ 1 4 v ，丽此时d 3 、d 4 、d 5 、d 6 、d 7 导通电流的 方向为： 山东大学硕士论文 4 0 3 ( + 15 v ) l r 2 4 - - d l 斗d 2 + d 3 d 4 d 5 d 6 d 7 斗1 r 2 3 4 0 5 ( 一l 5 v ) ； 此时m 点的电位v m = + 14 0 7 5 = + l o 5 v 此电压通过1 r 2 5 ( 2 0 k ) 加到i v l5 的栅极。因为i v l5 ( 9 6 4 0 ) 为n 构道场效应 管，其开启电压为一3 5 v ，故不导通； 电极和工件接触( 短路) 时问隙电压最小为0v ，此时对应1 4 脚输出为l4v ，即p 点的电位是一l4v ，而此时d3 、d 4 、d5 、d6 、d7 因承受反向电压而截止，405 处的一15 v 经1r23 、lr25 加到1vl5 的控制端使1vl5 导通， 直线电机回升。n 点电位被牵制在一1 4 + 0 7 2 = 一1 2 6 v ，此电位经 l r l 6 加到l v l 6 的控制极使之截止。这时的电流方向为： 4 0 3 ( + l5 v ) 1 r 2 4 d 1 d 2 d 3 - - - - 1 0 4 d 5 d 6 d 7 1 r 2 3 4 0 5 。 本控制线路的特点是响应速度快，线路简单可靠，成本低，便 于维修。 3 6 本章小结 根据电磁学的原理和微积分公式推导出直线直流电机受力的理 论公式，根据计算结果和给定参数设计了一种动铁型直线直流电机 的机械结构并进行了具体分析，设计了直线直流电机的电气控制电 路并进行了分析。 山东大学硕士论文 4 使用直线直流电机的电火花加工性能 4 1 内容提要 本章通过实验对采用直线直流电动机作为伺服进给的电火花成 型机和采用普通旋转电机作为伺服进给的灵敏度和高速抬刀性能进 行了比较，并对在轮胎模加工专用电火花成型机床和锻模加工专用 电火花成型机床上使用直线电动机及其伺服系统的实际使用情况进 行分析。 4 2 情况介绍 本人根据机床的用途，开发了两种型号的直线电机，分别在轮 胎模加工专用电火花成型机床和通用电火花成型机床上进行了试 验，取得了良好的效果。电火花成型机床的加工性能受加工条件的 影响很大，当加工条件恶劣，排屑效率差发生加工屑滞留时，就会导 致异常放电，使加工无法进行下去。所以，在通用电火花成型机床 进行加工时，生产中通常都采用喷液、抬刀等措施，来稳定加工。 有的还通过控制放电停歇时间、采用扩大间隙的方法来达到稳定加 工。但这些方法都牺牲了加工速度，还会造成电极损耗过大。 4 3 性能实验结果及分析 4 3 1 高灵敏度响应 伺服响应的评价指标：阶跃响应和斜坡响应是反映电机运动系 统灵敏度的重要指标，下面将通过实验结果对直线电动机方式与旋 山东大学硕士论文 s ! ! e 目e ! e 目_ e 目i l l _ _ l | g _ _ _ 目i _ 自l _ | 目_ - _ e e ! _ 目自_ 自_ _ ! ! 自_ 目e 自 转电动机方式进行对比评价。 旋转电动机方式是利用编码器进行反馈控制的。因此，不能赢 接拾取主轴头的动作数据，需要在主轴头上安装一根光栅尺，以此 来读取电极的位置数据。 表4 一l 是实验所使用的驱动参数。 表4 1 驱动参数 旋转电动机方式直线电动机方式 电动机参数 3 0 0 0 r r a i n0 6 n m4 0 m m i n6 0 n 检测方式编码器1 0 0 0 0 脉冲光栅 1 u l t l 滚珠丝杠导程 4 r a m r 最小驱动单位 0 5 u l - n0 5 u m ( 1 ) 阶段响应图4 一l 、图4 2 分别为旋转电动机方式与直线电 动机方式的阶跃响应测试结果。 都给位置控制装置发送2 0 u m 的移动指令。在1 0 u m 之前的初期 阶段，从光栅尺的坐标值可以知道，旋转电动机方式的加工电极还 没有动作反应，然而编码器却已经记数，表明电动机已经旋转。由 此可以想到，因滚珠丝杠及联轴器等传动机构所产生的扭转变形吃 掉了旋转电动机开头几步回转运动，致使加工电极动作滞后。另外， 尽管只是2 0 u m 的指令，最终也将产生3 - 4 u m 的稳定误差。可以认 为，这也是由传动机构的扭转变形引起的。而从图2 可知，直线电 动机方式，由于不存在加工电极与电动机之间产生弹性变形和滞后 因素的机械结构，所以能获的电动机原始的工作特性，因而未产生 山东大学硕士论文 动作滞后及稳定误差。 1 5 0 ： i 三 磊 5 0 丑 i g 一 魍 耀 制 时月 s 图4 1 旋转电机伺服阶跃效应 时间( s ) 图4 2 直线电机伺服阶跃响应 如 山东大学硕士论文 ( 2 ) 斜坡响应图4 3 、图4 4 是旋转电动机方式与直线电动 机方式的斜坡响应的检测结果。都给位置控制装置发送了移动量 2 0 u m 和移动速度1 2 m m i n 的指令。从图中可知，与阶跃响应的检测 结果一样，旋转电动机方式光栅尺检测到的位置滞后于编码器检测 到的位置。可以认为，这仍然是由传动机构滞后因素造成的。滞后 时间最大为3 0 m s 左右。而且，在移动指令结束后，同样产生3 4 u s 的稳定误差。而直线电动机方式，最大滞后时间只在2 0 m s 以下，而 且最终不产生稳定误差。 4 3 2 高灵敏度响应伺服控制加工的评价 为评价高灵敏度响应伺服控制对加工速度的影响，采取了停止 抬刀动作及停止喷液等加工液处理两个措施，并采取了容易排屑的 单侧敞开加工方法。试件加工深度为5 m m ，表4 2 为实验采用的 加工条件，图4 5 为加工形状。 亩 i 捌 蜷 普i 时间( s ) 图4 3 旋转电机伺服的斜坡响应 如 o 山东大学硕士论文 。言 j 一 趣丑 监 剞 时间( s ) 图4 4 直线电机伺服的斜坡响应 表4 2实验的加工条件 放电持续时间 1 2 8 u s 放电停歇时间1 0 0 u s 放电峰值电流8 a 平均加工电压7 0 v 空载电压1 6 0 v 抬刀动作无 电极材质石墨 工件材料4 5 钢 踟 如 山东大学硕士论文 用直线电动机方式加工时间为1 0 m i n ，用旋转电动机方式加工 时 、日j 为2 5 m i n 。图4 6 所示为加1 结果。观察加工状念，当加工深 度超过2 2 m m 时，就开始出现短路现象。可以认为，这是因为没有 采取加工液处理措施而导致加工屑难以排出，滞留在两极之间所造 成的结果。当采用旋转电动机方式加工时，极间便处于频繁短路与 开路的状态。而采用直线电动机方式加工时，也存在短路现象，但 由于主轴的瞬间移动，在尚未烧结之前便立即过度到稳定的加工状 态。由此可以认为，高灵敏度响应伺服控制能发挥加工的稳定性， 一定能提高加工速度。 电极 图4 5 试件加工示意 山东大学硕士论文 言 一 鬃 星 加工时问( m in 图4 6 加工试验结果比较 4 3 3 高速抬刀动作 在电火花成型加工机中，能最大限度地发挥直线电机高速性这 一优点的，是抬刀动作。众所周知，抬刀的目的是使加工屑从间隙 中排出，并且抬刀动作分为上升和下降两个过程。在上升中由于电 极的抬起使得加工液流入间隙，在下降中电极下压将加工液从间隙 中挤出。通过这一周期性的上、下动作将加工屑排出去，加工得以 正常进行。此时，若提高加工液的流入量( 流出量) 及流速，就能起 到更有效的搅拌、混合作用。为此，需要提高抬刀速度和增大电极 的移动量。但是，单纯靠提高抬刀高度就会增加动作上的时间，使 加工效率受到损失。因此，需要增大抬刀的加速度、减少动作时问， 山东大学硕士论文 ! ! ! 女自! e g 目e ! ! 一i i i t !i _ s g s 自! | 以提高效率和更有效的排出加工屑。 图4 7 表示直线电机方式以3 0 m m i n 进行抬刀动作时由光栅尺 读的速度。从图7 中可以看出，抬刀动作上升时问约为0 1s ，下降 时间也约为0ls 。此时，由于用o 0 5 s 的时佃j 加速到最大速度，所以， 抬刀上升的平均加速度约为1 9 ( 重力加速度) 。下降的平均加速度也 一样。瞬间的加速度达到1 2 9 左右。 4 3 4 高速抬刀加工的评价 在通常加工条件下，当加工屑被滞留时，就容易过度电，若到 异常放发生短路时很容易损伤石墨电极。现在以抬刀速度可达 3 0 r e ，r a i n 的直线电动机方式与抬刀速度仅为l ，3 m r a i n 旋转电动机方 式，在无喷液的条件下，对加工速度进行了比较。图4 8 为电 芒 矗 角 鼍 。剿 r 尊导 图4 7 直线电机高速抬刀速度 山东大学硕士论文 极形态，表4 3 为加工条件，表4 4 为抬刀条件和加工深度。图 4 9 所示为加工结果。 在以往的加工中，通常加工深度越深，则加工速度