（机械电子工程专业论文）直线电动机在数控机床中应用的特殊性问题研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 高速切削技术是近年来发展十分迅速的一项先进制造技术。它可以提高 机床的生产效率以及零件的加工精度和表面质量，还能解决常规加工工艺难 以解决的一些问题，成为现代制造技术发展史上的一个重大突破。 实现高速切削的关键技术之一，是开发具有高速加工能力的数控机床。 这需要一个刚度高、动态响应灵敏的快速进给系统。而目前机床进给系统大 多采用滚珠丝杠传动的方式，限制了机床的最大进给速度，阻碍了机床高速 性能的发挥。相对于传统进给方式，直线电动机不需要经过任何中间转换机 构直接完成直线驱动，是现代数控机床高速高精进给驱动的理想部件。 论文首先讨论了直线电动机在数控机床上应用存在的特殊性问题，主要 包括：直线电动机的选型，与机床本体的结构对接，电动机的发热与冷却， 导轨的选择和工作台的轻化，直线电动机的端部效应，防磁措施，法向吸引 力和伺服控制策略等，并提出了相应的合理解决方案。结合高速切削理论， 详细阐述了高速数控机床选用永磁直线同步电动机( p m l s m ) 的计算方法和校 验过程。 其次，论文对直线电动机的结构及其工作原理进行了分析，建立了永磁 直线同步电动机的数学模型，深入研究了直线电动机的矢量控制方法，得到 s i m u li n k 环境下p m l s m 的仿真模型和控制系统结构原理图。 直线电动机的动子和工作台设计为一个整体，这种“零传动”方式在结 构上的简化必然增加伺服控制的难度，工作过程中受到的任何扰动都将直接 作用在直线电动机上。为了满足数控机床用永磁直线同步电动机位置伺服控 制和速度控制的性能要求，抑制参数摄动和负载扰动等不确定因素对伺服单 元的影响，论文引入二次型性能指标，设计了单神经元自适应p i d 速度控制 江苏大学硕士学位论文 器，通过数字仿真研究了控制器在各种干扰状态下的输出结果，并对结果进 行了分析比较。 最后在t 瑚z 一1 型直线电动机试验装置上进行了直线电动机的特性试验， 对其运行状况进行观察。测定了电动机推力特性、电压特性和额定参数等， 并对数据进行分析，得到直线电动机的实际工作特性，并与直线电动机特性 的数字仿真结果进行了比较。 关键词：直线电动机，数控机床，伺服系统，自适应p i d ，单神经元 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g h - s p e e dc u t t i n gt e c h n o l o g yi s a l la d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y d e v e l o p i n gv e r yr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s i tc a ni n c r e a s et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo f m a c h i n et o o l s ，a l s oi m p r o v em a c h i n i n ga c c u r a c ya n ds u r f a c eq u a l i t y ，a n ds o l v e s o m ed i f f i c u l t i e st h a tc a n tb er e s o l v e db yc o n v e n t i o n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s i t s am a j o rb r e a k t h r o u g hi nt h eh i s t o r yo fm a c h i n et o o l sd e v e l o p m e n ta n dm o d e m m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ( c n c ) m a c h i n et o o l sw i t hp e r f e c t - p e r f o r m a n c e a n dh i g h - s p e e di so n ek e yt e c h n o l o g yo ft h eh i g h s p e e dc u t t i n g ，w h i c hn e e d sa f e e ds y s t e mw i t hh i g hs t i f f n e s sa n ds e n s i t i v ed y n a m i c r e s p o n s e b u tm a c h i n et o o l s s y s t e m ss t i l lu s eb a l ls c r e w ，s ot h a tt h el a r g e s tm a c h i n et o o l sf e e ds p e e di s r e s t r i c t e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo fh i g h - s p e e dm a c h i n et o o l si sh a m p e r e d l i n e a r m o t o rw h i c hc a na c c o m p l i s ht h el i n e a rm o v e m e n tw i t h o u ta n yi n t e r m e d i a t e c o n v e r s i o nd e v i c ei sa ni d e a lc o m p o n e n to ft h em o d e mc n cm a c h i n et o o l sf o r h i g h - s p e e da n dh i g h p r e c i s i o n i nv i e wo ft h ea p p l i c a t i o ni nc n cm a c h i n et o o l s ，t h es p e c i a lp r o b l e m sa r e d i s c u s s e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h et y p es e l e c t i o no fl i n e a rm o t o r , c o n n e c t i o no f m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，h e a t i n ga n dc o o l i n go ft h e m o t o r ,c h o i c eo ft h er a i l ， l i g h t e n i n g o ft h et a b l ea n ds oo n t h ee n de f f e c t so ft h e l i n e a r m o t o r , m e a s u r e m e n t sa g a i n s tm a g n e t i c ，n o r m a lm a g n e t i cf o r c ea n dt h es e r v oc o n t r o l s t r a t e g i e sa r ea n a l y z e da sw e l la so t h e rr e l a t e dp a r t i c u l a rq u e s t i o n s f i n a l l y , t h e c o r r e s p o n d i n gr e a s o n a b l es o l u t i o n st ot h ea b o v ep r o b l e m sa r ep r o p o s e d w i t ht h e d e m a n do fh i g h s p e e dc u t t i n g ，t h ec o m p u t a t i o na n dt h ev e r i f i c a t i o np r o c e s so f p e r m a n e n tm a g n e t i cl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r ( p m l s l v 0t oc n cm a c h i n et o o l s 江苏大学硕士学位论文 a r ee x p a t i a t e di nd e t a i l ，a l s os o m ei t e m st h a ts h o u l db ep a i da t t e n t i o ni nt h ea b o v e o nt h eb a s i so fs t r u c t u r ea n do p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo ft h el i n e a rm o t o r ，t h e p e r m a n e n tm a g n e tl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o rm o d e li se s t a b l i s h e d i na d d i t i o n ，t h e v e c t o rc o n t r o lm e t h o di ss t u d i e dd e e p l y ，t h es i m u l a t i o nm o d e la n dc o n t r o ls y s t e m s c h e m a t i c sa r ep r o p o s e d t h e r ea r en o ta n yi n t e r m e d i a t em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nl i n k sb e t w e e nc o i l a n dm a g n e t t h i sd i r e c td r i v i n gs t r u c t u r ew i l li n e v i t a b l yi n c r e a s et h es e r v oc o n t r o l d i f f i c u l t y t h ed i s t u r b a n c ei nt h ew o r k i n gp r o c e s sw i l la c to nt h el i n e a rm o t o r t o m e e tp o s i t i o ns e r v oa n ds p e e dc o n t r o lp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h ep m l s m u s e di nc n cm a c h i n et o o l s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m l s mi so u tf o r w a r dt o r e s t r a i nt h ee f f e c to fs o m eu n c e r t a i nf a c t o r ss u c ha sp a r a m e t e rp e r t u r b a t i o n sa n d l o a dd i s t u r b a n c e b a s e do nq u a d r a t i ci n d e x ，t h es i n g l e n e u r o np i dc o n t r o l l e ri s r e s e a r c h e d p e r f o r m a n c eo fc o n t r o l l e ri nv a r i o u si n t e r f e r e n c e si ss i m u l a t e d ，a n dt h e r e s u l t sa r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d f i n a l l y ，s t a t i ct e s to fl i n e a rm o t o r i sc a r r i e do u to nt h h z 一1t y p el i n e a rm o t o r e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t w o r ks t a t eo ft h el i n e a rm o t o r i so b s e r v e da n dt h em o t o r t h r u s t ，r a t e dv o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp a r a m e t e r sa r em e a s u r e d b ya n a l y z i n ga n d d e a l i n gw i t ht h ed a t e ，v a l i d i t yo ft h el i n e a rm o t o rm a t h e m a t i c a lm o d e l i sv e r i f i e d k e yw o r d s ：l i n e a rm o t o r s ，c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ( c n c ) m a c h i n et o o l s ， s e r v os y s t e ma d a p t i v ep i d ，s i n g l e n e u r o n i v 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：锯拯 日期：一年i 少月，矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不傈密d 指导教师签名： 年月日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 本课题研究的目的和意义 第1 章绪论 高速切削技术越来越引起人们的关注，它是近些年来在工业发达国家发展十分迅速的 一项先进制造技术。它不但极大地提高了机床的生产效率，而且明显地提高了零件的加工 精度和表面质量，最重要的是还能解决常规加工方法难以解决的一些困难( 如非圆的加 工) ，成为现代制造技术和机床发展史上的一个重大突破。实现高速切削的关键技术之一， 是开发具有高速能力的高性能数控机床。在高速数控机床中，要有一个刚度高，动态响应 极其灵敏的快速进给系统，而机床进给系统大多仍采用滚珠丝杠传动的方式，使机床的最 大进给速度受到限制，阻碍了机床高速性能的进一步发挥。 提高速度已经很不容易，要获得很大的加速度就更加困难了。现有的“旋转伺服电动 机+ 滚珠丝杠传动方式所能达到的最大进给速度一般为2 0 - - , 3 0 m m i n ，最大加速度也只有 0 1 - - - 0 3 9 。如果要进一步提高进给速度和加速度，系统的稳定性以及刚度都会受到影响。 为了解决上述问题，研究人员把直线电动机应用到数控机床上来。直线电动机是一种将电 能直接转换成直线运动，而不需要通过任何中间转换机构的电动机，取消了从电动机到工 作台之间的一切中间机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，也称它为“零传 动 。其速度可以达到滚珠丝杠副的3 0 倍，加速度是滚珠丝杠副的1 0 倍以上，最大可达 l o g ，刚度提高了7 倍以上。另外，直线电动机直接驱动工作台，所以无反向工作死区； 由于电枢惯量小，所以由其构成的直线伺服系统可以达到较高的频率响应4 0 4 1 。 此项技术的研究与开发将促进高速切削技术的发展，同时高速加工技术、直线电动机 驱动技术与数控机床制造的结合大大促进了世界制造业的向前发展，大大提高了加工精度 和加工效率，对提高数控机床生产的有关企业的市场竞争力有重要的意义。 1 1 2 国内外研究现状 目前，世界上对直线电动机的研究已经处于应用阶段。作为高速、精密机床的关键功 能部件之一，直线电动机的核心关键技术都被国外所拥用，市场也基本被国外著名的直线 1 江苏大学硕士学位论文 电动机公司如s i e m e n s 、a n o r a d 、i n d r a m a t 、k o l l m o r g e n 、a e r o t e c h 、p a r k 等所垄断。 国内直线电动机技术的研究始于上世纪7 0 年代，现在还处于探讨和试验阶段，与发达 国家有较大差距，并且主要研究力量集中在大学和科研院所。宁波大学主要对直线步进式 电动机进行了长期的研究。西安交通大学对圆筒型直线感应电动机的性能进行了深入的理 论研究，并开发出实用电动机，在性能分析方面做了大量工作。浙江大学成立了直线电动 机研究所，研究各种类型的直线电动机及其应用。武汉工业大学、中国科学院电工研究所 等也对不同类型的直线电动机进行了研究。清华大学制造工程研究所研究的长行程永磁直 线伺服单元额定推力达至i f j l 5 0 0 n ，最高速度为6 0 m m i n ，行程为6 0 0 m m 。沈阳工业大学研究 的一个重点是直线电动机的控制。广东工业大学成立了“超高速加工与机床研究所 ，主 要研究和开发“超高速电主轴 和“直线电动机高速进给单元，开发了g d - 3 型直线电动 机高速数控进给单元，额定推力为2 0 0 0 n ，最高进给速度为l o o m m i n ，加速度为1 8 9 ，定 位精度为0 0 0 4 m m ，行程为7 5 0 m m 。 除了对直线电动机本体的研究，某些公司也开始涉足机床的高速化工作。1 9 9 3 年德国 e x c e l l 一0 公司在汉诺威国际机床博览会上展出了世界上第一台直线电动机驱动工作台的 h s c 一2 4 0 型超高速加工中心，采用了德国i n d r a m a t 公司开发成功的感应式直线电动机，该 机床最大的进给快移速度为6 0 m m i n 。 在国外，有许多机床制造厂商生产使用直线电动机的机床和高速加工中心。德国g r o b 公司展出b z5 0 0 l 高速卧式加工中心，主轴转速1 8 0 0 0 r m i n ，直线电动机驱动x 、y 、z 三轴， 行程均为6 3 0 m m ，快移速度1 2 0 m m i n ，加速度分别为l g 、1 2 9 、3 4 9 ，换刀时间只有2 5 s ， 直线电动机由s i e m e n s $ j 造。d m g 公司的d m c 7 5 vl i n e a r 精密立式加工中心所有进给轴都采 用高动力性能直线电动机驱动，加速度高达2 9 ，快移速度为9 0 m m i n ，从而可使生产效率 提高2 0 。美国c i n c i n n a t im i l a c r o n 公司的h y p e r m a c h 大型高速加工中心的主轴转速高达 6 0 0 0 0 r m i n ，x 轴行程长达4 6 m ，最大进给速度可达l o o m m i n ，加工一个飞机用大型薄壁零 件只需3 0 m i n ，用时为一般高速铣床的1 6 、普通数控铣床的1 1 6 。日本m a z a k 公司开发的 h m cf 3 6 6 0 l 加工中心，由g ef a n u c 直线电动机驱动三轴，快移速度高达2 0 8 m m i n ，加速 度为3 2 9 ，各轴在1 2 0 m m i n 的速度下进行高速加工，换刀时间只有2 4 s 。近期m a z a k 公司 宣布将推出快移速度5 0 0 m r a i n ，加速度6 9 ，主轴转速8 0 0 0 0 r m i n ，切削速度8 马赫的超音 速加工中心m 】。 国内，南京四开公司展出了自行开发的直线电动机平台。最大加速度可达4 - 一5 9 ，最 大进给速度超过了l o o m m i n 。北京机电院高技术股份公司、江苏多棱数控机床股份有限公 2 江苏大学硕士学位论文 司推出了我国第一台采用直线电动机驱动的加工中心( v s l 2 5 0 立式加工中心) 。该机床采用 s i m e n s 公司的1 f n l 型直线电动机和8 4 0 d 数控系统，x 、y 轴进给速度可达6 2 m m i n ，加速度 可达l g ，主轴最高转速1 5 ，0 0 0 r m i n 。 直线电动机在数控机床上应用存在许多特殊性问题，很多学者和单位对这些问题进行 了研究，部分问题得到解决，但尚有很多问题需要进一步研究，这些特殊性问题概括起来 主要有以下几部分： ( 1 ) 直线电动机理论研究 直线电动机有其独特的结构和工作原理，不是所有旋转电动机的理论都适用于直线电 动机，部分学者在深入研究直线电动机独特的理论。主要有直接解析法、分层理论与傅立 叶法、有限元法、边界法等。例如在合理假设的基础上提出直线电动机的物理模型，通过 引入电流层概念和对永磁体进行等效处理，建立电动机五层线性统一分析模型，对其电磁 场进行分析删。o b e r r e t l 等人在二维分层方法的基础上发散三维分层方法，模拟直线电动 机的纵向和横向边端效应。n o n a k a 等采用边界元法计算了直线感应电动机的性能。这些研 究都为人们认识直线电动机提供了理论基础。 ( 2 ) 直线电动机的设计及应用研究 直线电动机的设计主要是对直线电动机结构进行优化，降低端部效应等，提高直线电 动机的性能，例如徐月同等人通过优化电动机长度方法降低边端力，采用分数槽结构方法 降低齿槽效应，利用有限元方法计算电动机法向吸力，采用傅立叶基数进行非线性回归分 析嘶3 。毛红军等针对一种无铁心单边永磁直线电动机的结构形式，推倒了工作气隙磁场的 二维解析度，用于电动机阵列类型、永磁体厚度和永磁体占空比等结构参数的设计利。另 外，研究直线电动机的端部效应及各种干扰，对各种不利因素进行补偿。有的学者研究永 磁直线电动机定位力和低速力矩波动的产生原因及解决方法，提出多种绕组形式克服低速 力矩波动和定位力的方法。 特别在直线电动机在数控机床应用过程中，有一些问题受到学者的重视和研究。首先 是直线电动机的选型方法，比如张日升等介绍了无刷直线直流电动机的选择，另外为解决 移动部件和静止导轨之间存在的摩擦问题，张刚等提出采用磁悬浮技术来消除摩擦，王延 风等人采用c a d c a e 技术手段设计工作台，构造工作台的三维实体模型，并进行结构运行 分析仿真，进行有限元力学分析和结构优化，得到很好的效果。 ( 3 ) 直线电动机的控制 直线电动机独特的结构和工作方式，使得直线电动机的控制方法具有特殊性，因此直 3 江苏大学硕士学位论文 线电动机的控制是受到学者最为重视而且研究最多的问题，主要分为以下几类：传统控制、 现代控制和智能控制。 传统控制策略中，艾武等利用d s p 实现了对直线电动机的p i d 控制畸2 l ，叶云岳等对直线 感应电动机的新型p i d 控制进行了综述，日本学者提出了矢量解耦控制，德国m d e p e n b r o c k 提出了一种直接转矩控制的方法，这些方法都得到了进一步的研究和应用。 现在控制策略也得到广泛的研究，其中赵虎等人在精密永磁直线电动机上采用了自适 应滑模控制，孙宜表等人把滑模鲁棒控制引入直线电动机的控制，郭庆鼎等人设计了鲁棒 位置控制器，另外与日。相结合实现在直线伺服上应用。 智能控制方法发展非常迅速，目前主要包括模糊控制、神经网络控制和专家控制。张 伯霖等把模糊推理自校正控制应用于高速机床直线电机进给系统中，韩爱国等介绍了神经 网络在直线电动机进给系统建模中的应用，专家控制一般应用于复杂过程控制中，在伺服 系统的研究较少。 1 1 3 发展趋势 ( 1 ) 技术日益成熟 直线电动机及其驱动技术在技术上日益成熟，具有传统装置无法比拟的优越性。随着 电动机制造技术的发展，基本解决了存在的推力小、体积大、温升高、可靠性差、不安全、 难安装、难防护等问题。而驱动与控制技术的发展拓宽了其性能，并提高了安全可靠性。 选择合适的直线电动机及驱动控制系统，配以合适的机床设计，完全可以生产出高性能高 可靠性的机床。高速度高加速度的传动已经在加工中心、数控车床、铣床、磨床、激光加 工和重型机床上得到应用，在航空航天、模具、能源、交通等领域发挥着特殊作用。直线 电动机在电加工机床可实现0 1 岬的精密平稳移动。在微细加工及精密磨削中，可实现 l o n m 进给分辨率及2 0 m m i n 的快移速度，加工表面粗糙度小于i n m 。在重型机床上采用直线 电动机驱动数吨重的运动部件也不成问题。同步双驱动控制技术已经成熟应用。这些都说 明直线电动机及其驱动技术在机床上的应用已经成熟，并不断向前发展。此外，在国际上 已有不同类型、不同规格的直线电动机商品可提供，配套的驱动系统、检测装置、导轨、 防护装置都可提供h 2 ，6 3 1 。 ( 2 ) 成本不断下降，性能价格比更好 近年来，直线电动机系统成本不断下降，在机床成本中的比重明显下降。目前采用直 线电动机驱动仍比传统的传动装置价格要高。因此，直线电动机的应用应着眼于高性能机 4 江苏大学硕士学位论文 床，特别是精密高速加工机床、特种加工机床、大型机床，解决传统传动方法不能解决的 问题。另外，提高加工精度和加工效率也会提升机床的价值。虽然和传统进给方式的数控 机床相比，直线电动机驱动的数控机床的成本高出一些，但是它的高速高效率使用户得到 更多的利益，使整体成本有所下降。 ( 3 ) 产业化趋势明显 直线电动机在数控机床上的应用已不仅仅是概念和样品，也不是个例。各大知名企业 都推出自己的直线电动机驱动机床，有的产品已经系列化，而且这些机床都是高档机床， 因此其产业化前景是不言而喻的。 总之，随着经济的发展，航空航天业、汽车、摩托车工业、模具工业等对高速机床的 需求量越来越大。随着高速加工进一步普及，直接驱动成为高性能机床的重要技术手段。 技术上，直接驱动线性传动系统已走上一条成功之路。不但速度有很大的提高，精度也有 很大突破，同时随着直线电动机制造工艺的不断革新，生产的规模化，以及永磁材料、电 子产品价格的下降，直线电动机的成本正以每年2 0 的速度下降，在机床上的应用前景将 更加广阔。 1 2 直线电动机的工作原理及特性 1 2 1 直线电动机的基本结构 直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的传 动装置。它可以看成是将一台旋转电动机沿径向剖开，沿圆周展开成平面，由定子演变而 来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级，如图1 1 和1 2 所示。在实际应用 时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保 持不变，直线电动机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运 行费用等因素，目前一般均采用短初级长次级。 图1 1 旋转电动机和直线电动机示意图 s 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 直线电动机的工作原理 敬缓谤缀 图1 2 由旋转电动机演变为直线电动机的过程 直线电动机不仅在结构上可以看作从旋转电动机演变而来，而且其基本原理也与旋转 电动机相似，在直线电动机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，将产生气隙磁场。当 不考虑铁心两端开断引起的纵向边端效应，此气隙磁场与旋转电动机相似，看作是沿直线 运动方向呈正弦形分布，当三相电流随时间变化时，气隙磁场将沿直线运动。这个磁场与 永磁体的励磁磁场相互作用产生电磁推力。由于定子固定不动，动子便会沿行波磁场运动 的相反方向作直线运动，其运动速度为同步速度，这就是直线电动机的工作原理，如图1 3 所示。 图1 3 直线电动机的基本工作原理 1 一初级2 一次级3 一行波磁场 1 2 3 直线电动机的主要特性 直线电动机广泛地应用于工业、民用、军事及其它各种直线运动的场合，与其它非直 线驱动的装置相比，采用直线电动机驱动的装置具有以下优点： ( 1 ) 直线电动机驱动系统不需要任何中间机械传动机构，由直线电动机直接提供推 力，消除了间接传动机构引起的损耗及产生的某些限制，保证了运行的可靠性，提高了传 递效率，对给定路径可实现高速度、高精度跟踪与定位，而且系统维护简单。 ( 2 ) 具有比传统旋转电动机更大的加、减速度，而且旋转电动机受离心力影响而其圆 周速度受到影响，直线电动机不存在这种情况，因而易实现高速直线运动。 ( 3 ) 直线电动机的次级一般是通过磁体的组合来实现，永磁体的组合可以无限延长， 6 江苏大学硕士学位论文 所以直线电动机的行程长度不受限制。 ( 4 ) 结构简单，直线电动机通过电能直接产生直线电磁推力，运动平稳，噪声小，有 利于改善工作环境。 当然，任何事物都一分为二，直线电动机也有不足之处，主要表现在以下两个方面： 一是直线电动机初、次级气隙一般比旋转电动机的气隙大，因此所需的磁化电流较大，使 损耗增加，与同容量旋转电动机相比，直线电动机的效率和功率因数较低，尤其在低速时 比较明显；二是直线电动机初级铁心两端开断，产生特有的边端效应，从而引起波形畸变 等问题，直线电动机直接带动负载运动，因而易受到参数变化、负载扰动等因素的影响， 对控制系统提出了更高的要求。 综上所述，在需要直线运动的装置或系统中，是否采用直线电动机驱动，还需要进行 综合考虑。 1 3 课题研究的主要内容 本课题是江苏省自然科学基金项目“高速铣削加工关键技术的研究( 项目号 b k 2 0 0 5 1 1 1 ) 的一项子课题，主要研究直线电动机在数控机床中应用的特殊性问题，结合 工程应用要求，详细阐述了存在的特殊性问题和解决方案，并对直线电动机的选型、直线 电动机的控制方法和控制策略进行了深入研究，主要包括以下几部分： ( 1 ) 直线电动机与机床本体的结构对接以及设计和安装过程中需要解决的特殊性问 题 数控机床是一个集机、光、电、液、磁于一体的复杂系统，实现直线电动机在数控机 床上的应用需要对各方面进行合理设计，首先要进行直线电动机和机床本体对接的整体设 计，直线电动机在数控机床上应用存在许多特殊性问题，具体包括直线电动机的冷却、导 轨的选择、工作台的轻化、防尘和隔磁等，对这些特殊问题进行了研究，最后给出工程应 用的解决方法。 ( 2 ) 直线电动机的选型及计算 直线电动机的选型方法与旋转电动机相比具有其特殊性，主要体现在参数和计算过程 的不同，直线电动机在高速数控机床上的应用，需要对高速切削理论进行研究，采取合理 的工艺，对高速切削力进行正确计算，初选电动机后要进行各种参数的校验，才能为直线 电动机的正确使用做好准备。 ( 3 ) 永磁直线同步电动机工作原理、数学建模及矢量控制的研究 7 江苏大学硕士学位论文 直线电动机是一个复杂的系统，需要对其工作原理有充分的理解，在现有理论的基础 上建立并研究直线电动机的数学模型，结合矢量控制方法实现对永磁直线同步电动机的控 制，并利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立仿真模型，并对p m l s m 进行静态和动态的性能仿真。 ( 4 ) 永磁直线同步电动机伺服控制具有特殊性，本文设计了基于二次型性能指标的单 神经元p i d 速度控制器，并运用m a t l a b s i m u l i n k 软件对各种情况进行数字仿真，并对仿 真结果进行分析。 p i d 控制是一种传统的控制策略，技术相对成熟，控制精度高，仍是交流伺服电动机 最基本的控制形式。在p i d 控制基础上，尝试结合单神经元，设计具有自学习、自适应能 力的基于二次型性能指标的单神经元p i d 速度控制器，改善了直线电动机的控制效果。 ( 5 ) 在t h h z 一1 型直线电动机实验装置上观察直线电动机的运行状况，并对直线电动机 的静特性进行了试验和分析。 8 江苏大学硕士学位论文 第2 章直线电动机在数控机床中应用的特殊性问题分析 2 1 直线电动机在数控机床中的应用 长期以来，数控机床一直采用“旋转电动机+ 滚珠丝杠”的传统驱动进给方式，随着 高速加工技术的发展需求，滚珠丝杠的弱点逐渐暴露出来，由于它的组成元件多( 包括伺 服电动机、传动齿轮、丝杠、滚珠、螺母、支架等结构) ，传动链较长，滚珠丝杠又是一 种细而长的非刚性传动元件，当运动速度较高时，滚珠丝杠转动惯量大、扭转刚度低、传 动误差大、摩擦损耗严重、弹性变形引起爬行、反向死区引起非线性误差等一系列缺陷， 都会影响进给系统动态性能，远远不能满足高速加工的要求晚3 。因此近年来开始探索一种 新的传动方式直线电动机。 直线电动机在数控机床上应用主要有以下优点口1 ： ( 1 ) 结构简单，取消了中间机械传动环节，依靠电磁推力驱动，故运行安静，平稳。 ( 2 ) 进给速度范围宽，直线电动机直接驱动工作台，无旋转运动，不受离心力的作用， 容易实现高速直线运动，目前其最大进给速度可达至u 2 0 0 m m i n 以上，低速时可以达到1 删s 以下。 ( 3 ) 加速度大，直线电动机的加速度可达3 0 9 ，目前直线电动机驱动的加工中心进给 加速度可达5 9 l o g ，而传统机床的进给加速度小于l g ，一般为0 3 9 。 ( 4 ) 行程长度不受限制，传统的丝杠传动受制造工艺限制，一般最多只有4 。6 m ，延长 行程需要增加丝杠的长度，丝杠的刚度就得不到保证，制造工艺也更加困难，性能也不够 理想，而采用直线电动机驱动，动子不变，定子可以无限加长，故行程不受限制，且制造 工艺简单，造价低。 ( 5 ) 定位精度高，采用光栅尺检测电动机位置，同时采用闭环控制，定位精度一般可 达0 1 0 0 1 岬，由于直线电动机的运动特性好，响应灵敏，加上差补控制的精细化，可实 现纳米级控制。 ( 6 ) 寿命长，运动部件之间没有直接的接触，无磨损，系统维护简单，可靠性好，电 动机寿命往往取决于附件寿命。 直线电动机在数控机床上的应用，提高了驱动系统的进给速度、加速度、刚度和定位 精度，而且结构简单，噪声低，直线运动速度和行程长度理论上不受限制，电动机无机械 g 江苏大学硕士学位论文 磨损，因此能够很好地满足现代数控技术的发展需求。 2 2 总体结构设计及其特殊性问题 在不同的应用场合，直线电动机安装方式也有所不同，进给单元结构可分为水平和垂 直两种布局方式。水平布局具有结构简单、安装维护方便和机床重心低等优点。垂直布局 具有变形小、工作载荷对电动机初级与次级的间隙影响小、运动精度高等优点，适合于载 荷较大的高速运动场合。另外根据应用要求又分为单电动机驱动和双电动机驱动两种布局 方式。其中单电动机驱动结构简单、工作台跨距小、测量安装和维护方便，适用于推力要 求不大的场合。双电动机驱动合成推力较大，但两轨间的跨距较大，工作台受重力和电磁 吸力较大，对工作台的刚度要求较高，安装困难，测量与控制较复杂，一般仅用于特殊场 合 4 5 。 数控机床一般采用单电动机水平布局驱动方式，结构原理如图2 1 所示，主要包括工 作台、初级、次级( 永久磁铁) 、直线导轨、滑块、光栅尺和限位开关、保护开关等器件。 图2 1 永磁直线同步电动机安装示意图 1 一工作台 2 初级线圈 3 一次级( 永久磁铁) 4 一直线导轨5 滑快6 一标尺光栅7 一光栅读数头 永磁同步直线电动机动子( 初级) 安装于工作台下部，直线导轨和永久磁铁固定在床 身上，两部分通过滑块组合在一起，使初级和次级间的气隙保持恒定。光栅尺的读数头和 标尺一般分别安装在直线电动机的初级和次级上，两者之间的距离要适当确保测量的准确 性，光栅尺是一种昂贵精密测量仪器，因此要对它进行特殊的保护。两条导轨的距离要适 当，并且要保持平行，以免影响电动机运行及性能发挥，限位开关和保护开关避免直线电 动机在误操作和发生故障的情况下冲出运动范围，保证电动机和操作人员的安全。动子一 1 0 江苏大学硕士学位论文 般较短，且是通电端，定子一般较长，由一条可以任意加长的铁轭和交替布置的永磁磁极 组成，直接安装在床身上呻3 。 当初级的三相绕组通入三相对称正弦电流后，将产生沿直线运动的气隙磁场( 该磁场 称为行波磁场) ，并与永磁体的励磁磁场相互作用产生电磁推力。由于次级固定在床身上， 在电磁力的作用下，初级就会沿行波磁场的相反方向带动工作台做直线运动。 在数控机床结构设计和直线电动机安装过程中，要注意以下几个问题： ( 1 ) 发热与冷却直线电动机安装在机床工作台和床身之间，处于机床的腹部，散热 条件很差，工作时容易使温度升高，会产生一些负面影响。例如造成机床导轨的热变形， 影响机床的工作精度；发热问题也会影响直线电动机本身的性能，同型号的直线电动机在 冷却条件下的推力峰值是无冷却时的2 倍。冷却问题在直线电动机结构和电气设计时就 要加以考虑，应用在数控机床中需要冷却时，一般采取风冷( 自然风或压缩空气) 或循环 水冷方式进行冷却，可以在有限元法分析直线电动机热特性的基础上，对冷却系统进行优 化，以获得最佳的冷却效果口棚一 。 ( 2 ) 导轨的选择导轨的性能对数控机床的性能影响很大，要求所选导轨具有承载 大、刚度高、抗颠覆力矩性能好、精度高、启动阻力小、摩擦系数小等特点。目前，数控 机床的导轨形式主要有滑动导轨、滚动导轨和静压导轨等。静压导轨性能好，但其结构复 杂，制造成本较高，故一般采用的是高速精密的“四向等载型 直线滚动导轨嘲，结构如 图2 2 所示。 图2 2 四方等荷型滚动导轨 ( 3 ) 工作台的轻化作为和直线电动机整体运动的工作台质量大小对进给系统的动 态特性有很大影响，要求工作台的质量尽量小。为此，可以从两个方面来轻化工作台： 采用高强度的轻质材料，例如铝钛合金、碳素纤维增强塑料等。对工作台的形状和结 构尺寸进行有限元分析和优化设计，以获得所要求静、动刚度条件下最轻的工作台质量嘲。 2 3 电气设计过程中存在的特殊性问题 直线电动机在数控机床上的应用，在电气对接和伺服控制方面也存在着一些特殊性问 1 1 江苏大学硕士学位论文 题需要解决，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 端部效应永磁直线同步电动机由于结构上的特点，产生了其特有的问题，其中 端部效应是其不同于旋转电动机的主要方面。端部效应可分为横向端部效应和纵向端部效 应两种。横向端部效应是由于边缘磁通端部、连接磁通和次级纵向电流分量相互作用产生 的。其主要影响是：使等值的次级电阻率增加；在次级上产生侧向不稳定的偏心力 作用嘲。纵向端部效应是由有限长初级绕组和初级铁心引起的特殊现象，它又可以细分为 静态端部效应和动态端部效应。纵向端部效应会引起电动机的附加损耗，降低电动机的效 率和输出推力，导致电动机工作性能恶化，因此要采取多种措施降低端部效应的影响【邮1 。 例如：在主初级前面增加一段辅助短初级，在次级铁芯上开槽，改变次级磁体形状结构和布 局方式等，这些措施主要是改变电动机结构来降低端部效应，还可以采用各种数值算法和 优化算法通过对直线电动机进行计算机辅助优化设计，来降低端部效应，提高其性能指标。 目前，端部效应尚无法彻底消除，因此要求在控制过程中尽量采取补偿措施减小端部效应 的不利影响 ，盯 。 ( 2 ) 防磁措施不同于磁场封闭式的旋转电动机，直线电动机的磁场是敞开式的，特 别是永磁同步直线电动机要在机床床身上安装一排排强磁的永久磁铁，而工件、床身和刀 具一般均为磁性材料，很容易被磁化，而且会被磁铁吸住，安装很困难。另外，在工作过 程中，磁性的切屑和空气中的磁性尘埃一旦被吸入到直线电动机初、次级之间的气隙中， 就会使电动机无法正常工作，造成严重后果，因此要采取有效的隔磁措施。目前，一般采 用三维折叠式高速防护罩将直线电动机的磁场封闭起来羽，以确保直线电动机的安全运 行。 ( 3 ) 法向磁吸力直线电动机除了产生平行于运动方向的电磁推力外，还会在初级和 次级之间产生一个垂直于进给运动方向的电磁吸力，其数值大约为推力的1 0 倍左右。目前， 在数控机床上应用的直线电动机进给平台均采用传统的机械支承技术，例如前面提到的直 线滚动导轨。随着磁悬浮支承技术的发展，可以充分利用法向磁吸力，把磁悬浮导轨技术 应用到数控机床伺服进给系统中，变不利为有利。但此技术在数控机床上的应用还有不少 基础问题有待解决，目前也没有数控机床成功应用此技术的案例报道，仍处于实验室理论 研究阶段9 1 。 ( 4 ) 伺服控制策略直线电动机的动子和工作台连接成为一个整体，中间没有任何传 动环节，这种“零传动 方式最适合采用全闭环控制，因而在工作过程中，负载扰动和各 种外界扰动都直接作用在直线电动机上。另外，由于直线电动机本身的特点，例如端部效 江苏大学硕士学位论文 应和齿槽效应等也是控制过程中必须考虑的因素，因此，必须采取有效的控制策略才能满 足这些要求，在直线伺服系统中应用的控制策略主要有：传统的控制策略，如p i d 反 馈控制、s m i t h 预估控制、解耦控制等，传统控制策略技术比较成熟，具有实现简单的优 点；在高精度微进给的高性能场合，必须考虑直线电动机伺服系统的结构和参数变化、 各种非线性的影响、运行环境的改变及一些不确定因素，往往需要采用对扰动有较好抑制 作用的现代控制策略，如自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制、预见控制等；对 控制对象、环境与任务复杂的系统宜采用智能控制方法，如模糊控制、神经网络控制和专 家控制技术等。在实际应用中，控制策略并不是唯一的，根据环境和条件的不同，选择不 同的控制策略。很多学者还将两种或多种控制策略结合起来，以解决单一控制策略的不足。 控制策略也不是越先进越好，