直线电机在龙门加工中心Y轴驱动上的应用【10张CAD图纸和说明书】
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沈阳工学院毕业设计说明书本科毕业设计（论文）直线电机在龙门加工中心Y轴驱动上的应用学生姓名： 白晓东学 号： 12101825专 业： 机械设计制造及其自动化指导教师： 徐兆成 沈阳工学院2016年5月摘 要 随着现代航空航天、模具加工、汽车制造、电子制造行业等领域对产品加工效率和精度的要求越来越高,而高速数控机床能够满足这一需求。机床进给系统是高速机床的主要功能部件。而直线电机的进给系统改变了传统滚珠丝杠传动方式中存在的弹性变形大、存在一定反向间隙、响应速度慢、易磨损等一些难以避免的缺点,同时具有速度高、定位精度高、加速度大、行程长度不受限制等一些优点,使其在数控机床的进给系统领域渐渐发展为主导方向。近些年，有越来越多企业开始在数控机床上采用直线电机，究其根本原因是：为了提高生产效率和改善零件的加工质量而发展的高速以及超高速加工方式现已成为机床发展的一个重大趋势，一个响应快、轻便的驱动系统是解决此问题的关键所在。直线电机，其速度最高能达到传统传动方式“旋转电机+滚珠丝杠”的1030倍，加速度最高是传统传动方式的10倍，刚度提高了7倍左右。直线电机直接驱动的进给轴无反向间隙，而且电机惯量较小，所以直线电机驱动系统能够达到较高的响应频率。现在已经出现了大推力直线电机，所以在重型龙门机床上采用直线电机驱动数吨重的运动部件也已不成问题，直线电机驱动技术将是未来数控机床发展的方向。关键词：直线电机；数控机床；进给系统；高精度AbstractWith modern aerospace, would processing, automobile manufacturing, electronic manufacturing industry in areas such as more and more high to the requirement of product processing precision and efficiency, and high speed CNC machine can satisfy this requirement. Machine tool feed system is the main function of high speed machine tool parts. And linear motor feed system completely changed the traditional way of ball screw transmission of large elastic deformation, slow response speed and reverse clearance, easy to wear, are inevitable shortcomings, such as with high velocity, high acceleration, high positioning accuracy, the advantages of stroke length is not restricted, make its gradual development in the field of nc machine tool high-speed feed system as the leading direction.In recent years, more and more enterprises in the linear motor is used on nc machine tools, its basic reason is: in order to improve production efficiency and the improvement of the machining quality of parts and the development of high speed and ultra-high speed machining has become a major trend in the development of machine tool, a responsive, high speed, light drive system is the key to solve this problem. Linear motor, its highest speed is the traditional transmission mode rotary motor and ball screw 10 30 times, maximum acceleration was 10 times higher than the traditional transmission mode, stiffness increased 7 times; Linear motor direct drive feed shaft without reverse clearance; Since the motor inertia small, composed of the linear motor drive system can achieve high frequency response; Now there have been great thrust linear motor, so on the heavy gantry machine driven by linear motor has tons of moving parts is not a problem, technology driven by linear TV will be the developing direction of high speed nc machine tools in the future.Keywords: linear motor; CNC machine tools; Feed system; High precision目 录摘 要IAbstractII1 绪论12 直线电机国内外发展现状22.1 直线电机的发展历史22.2 直线电机国内外的研究现状32.2.1 国外直线电机的研究现状32.2.2 国内直线电机的研究现状52.3 直线电机的发展方向和前景52.3.1 直线电机的发展方向52.3.2 直线电机的前景63 直线电机的工作原理73.1 直线电机的基本结构和分类73.1.1 直线电机的基本结构73.1.2 直线电机的分类83.2 直线电动机的工作原理103.3 直线电机的优缺点124 直线电机在龙门加工中心Y轴驱动上的应用144.1 直线电机的选型计算144.2 直线电机的安装方式154.3 直线电机的测量反馈154.4 直线电机的紧急制动控制164.5 直线电机冷却控制设计164.6 西门子840D系统中直线电机的调试17结论19致谢20参考文献21 1 绪论在常规的机床进给系统中，仍一直采用“旋转电动机+滚珠丝杠的传动体系。随着近几年超高速加工技术的发展，滚珠丝杠机构已不能满足高速度和高精度的要求，直线电动机开始展示出其强大的生命力。本文采用永磁同步直线电机代替传统的“旋转电动机+滚珠丝杠”。由于永磁同步直线电机省去了中间传动和变换环节，实现了电动机与负载的刚性耦合，因此消除了原来中间传动机构产生的传动误差，例如齿轮误差，丝杠螺母误差等，提高了传动精度，从根本消除了非线性摩擦力和弹性形变的影响，也不再有爬行现象，提高了定位精度和可重复性能。近几年以来，人们在追求高生产效率和高产品质量的过程中，运动控制系统的复杂度与集成度也同时大大提高了。随着机电产品对零件精度要求的不断提高，迫切需要高速、高精度的数控机床，大型龙门加工中心功能完善，加工精度高，能加工出微米甚至纳米级的零件，但大型龙门加工中心还有许多关键技术需要攻破，大型龙门加工中心双直线电机同步控制技术和冷却控制设计是目前龙门加工中心实现高速、高精度的关键技术。由于制造误差、外部扰动(包括摩擦力、模型不确定性)以及各轴增益参数不匹配等综合因素的影响，使双直线电机保持高度的一致性变得很困难，影响产品的加工精度。因此，同步控制及冷却技术仍然是机床行业所面临的重大研究课题，对振兴我国的装备制造业具有深远的意义。2 直线电机国内外发展现状2.1 直线电机的发展历史 直线电机的出现，最早可以追溯到1840年，惠斯登（Wheatstone）已经开始提出并制作了具有雏形的直线电机，但未能取得成功。实际上，直线电动机几乎是和旋转电动机同时出现的，但是当时由于直线电动机气隙特别大，工作效率低，未能取得成功。旋转电动机是依靠动子在磁场中的旋转动作来获得动力的，因此理论上旋转电动机应多用于旋转运动领域；而直线电动机可以直接产生直线运动，应多用于直线运动领域。但事实上大部分直线运动领域至今仍采用旋转电动机，很少采用直线电动机。这是由直线电动机研究的不充分和其应用的局限性造成的。而这又反过来导致直线电动机的研究难以开展和发展缓慢。很多领域都是避开直线电动机而绕行，试图通过旋转电动机和传动机构的配合来实现直线运动，以此来解决问题。尽管直线电动机不需要中间传动环节就可获得直线运动，在很多方面比旋转电动机有优势，但直线电动机的发展一直非常缓慢。直到 1965 年以后，随着材料性能和科学技术的进步，直线电动机才得到快速发展，其实用机械才开始出现。例如：自动绘图仪，磁头定位驱动装置等。直线电机从最早提出到现在已经有170年的历史，在这一百多年的历史过程中，直线电机经历了探索实验、开发应用和实用商品化三个阶段1。1、探索实验阶段（1840-1955） 在这一段历史发展中，直线电机从最初的设想到实验及部分实验成果的应用，经历了一个不断探索、屡遭失败的过程。自惠斯登最先提出并试制直线电机之后，1890年匹兹堡市市长在自己写的一篇文章中明确地提出了直线电机及其专利。当时这个专利是想把直线电动机应用到织布机的梭子上，这个想法也激起了很多科学家的兴趣，因此在这之后的很长一段时间里，许多科学家在这方面投入了很多精力，做出了很大努力。但是，由于当时材料性能、制造水平及控制技术的限制，经过断断续续 20 多年的努力后都未取得成功。2、开发应用阶段（1956-1970 年） 从 1955 年以来，直线电动机进入了一个全面发展的阶段，这个时期也可以说成是直线电动机的“文艺复兴时期”。而这个时期材料性能和控制技术的飞速发展，大大促进了直线电动机的这种发展势头。这个历史阶段申请直线电动机专利的件数急速增加，直线电动机专利的增长率超过了所有其他技术领域的平均增长率。这种增长主要归结于两个方面：一是材料性能和控制技术的显著提高促进；二是前一阶段的理论知识和实验研究工作中的技术积累起到了重要的作用。直到1965年之后，随着材料性能和控制技术的明显提高，直线电机的实用设备才逐步被开发出来。3、实用商品阶段（1971 至今）从1971年到目前这个阶段，直线电机终于进入了独立应用阶段，在这期间，直线电动机迅速推广到了实际应用中，研制出许多实用价值很高的装置和产品，如直线电动机驱动的冲压机、起重机、电动门和输送机等。其中最成功的应当是利用直线电机驱动的磁悬浮列车，其速度已经超过了500km/h，行程达到数十万千米，接近航空飞行速度。在这个时期，研究人员通过对直线电动机整个发展过程的分析总结，决定在旋转电机无能为力的领域寻找出路，找到适合自己发展的系统，而不是与旋转电动机直接对抗。直线电机系统横向发展，出现了磁悬浮列车、液态金属的输送与搅拌、电磁泵、计算机磁盘定位机构等应用。2.2 直线电机国内外的研究现状2.2.1 国外直线电机的研究现状在国外,一些高校和研究机构从很早就开始进行直线电机方面的研究，有些发达国家的大学里都专门开这方面的课程，并设有相应的实验室。近些年随着直线电动机的迅速发展，一些著名的电器公司专门成立研究机构，投入大量的人力物力财力到直线电机的研究当中，开发直线电机的实用产品，美国西屋（Westinghouse）公司、德国西门子（SIEMENS）公司和日本松下、富士等都是典型的例子。美国西屋（Westinghouse）公司在1945年就成功地研制出电力牵引飞机弹射器，用其动力来源就是直线电动机，它能使重量为4500多千克的飞机在4秒的时间内速度由零达到188千米/小时，而这整个行程也仅有160多米。1993年，德国ZxCell-O公司推出了世界上第一个由直线电机驱动的工作台HSC-240 型高速加工中心，机床主轴最高速达到 24000r/min，最大进给速度为60m/min，加速度达到1g，当进给速度为20m/min 时，其轮廓精度可达0.004mm。美国的Ingersoll公司紧接着推出了HVM-800型高速加工中心，主轴最高转速为20000r/min，最大进给速度为 75.20m/min2。日本紧随其后从1996年开始，相继研制成功采用直线电机的卧式加工中心、高速机床、超高速小型加工中心、超精密镜面加工机床和高速成形机床等。在国外一些国家，直线电动机在机床、交通、物料输送、建筑、办公设备和医疗器械等领域都有很好的应用。在机床进给系统中，直线电动机的应用取消了从电动机到工作台之间的机械中间传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零。这种传动方式被称为“零传动”。正由于这种“零传动”方式，带来了原旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。 在交通运输方面，磁悬浮列车改变了常规轮轨铁路的运营方式，采用电磁力悬浮车体、直线电机驱动技术，实现了无接触、不带燃料的高速运行，是交通技术史上的一次重大突破。它具有速度高、运量大、对环境影响小、能耗低、维护方便、运行安全平稳和爬坡能力强等一系列优点。德国和日本是研究磁悬浮列车时间最长、投放经费最多的国家，其技术水平处于世界前列。直线电机在各种物料输送和搬运方面具有独特的优势。直线电机在垂直输送方面有直线电机电梯、升降机；在平面输送方面有直线电机驱动的邮政分拣输送线、行李分拣输送线、钢材生产输送线、食品加工线、制药生产线等各种工业加工线、商场、医院等场合的物料输送及立体仓库的搬运。如日本神钢公司开发的采用直线电机驱动的立体搬运系统，充分利用空间，既能水平行走，又能升降移动。 在民用与建筑业方面，直线电机也得到广泛应用，如居住条件最基本的单元门，人们希望它安全、可靠、坚固、耐用、简单方便。直线电机驱动门正是迎合了这种要求，它可以应用于千家万户，更可以应用于工厂企业、机关单位等，市场前景看好。还有用直线电机驱动的洗衣机、干燥机、晾衣架、电动工具、搬手、拧紧装置等。 在计算机设备和办公设备中直线电机也得到广泛应用。如日本先锋电子公司将直线电机的应用到电唱机等产品上；IBM公司的打印机和X-Y平面仪均采用直线电机驱动；美国奥基电气公司在计算机软盘驱动方面也采用直线电机等。 在军事领域，目前国外己把直线电机应用到电磁炮、潜艇、军用仿真设施中，在卫星和宇宙飞船上也采用了一些直线电机。美国在 1978 年即成立了有关电磁发射技术研究机构，主要研究电磁发射技术在运输、航空航天、能源和军事领域的应用，并逐年增加经费；英国的国家计划中，所有电磁发射技术的研究都是以军事应用为目的，并建造了两台口径分别为40mm和90mm的导轨型实验装置 2。在医疗器械领域也出现了许多直线电机驱动系统，如：直线电机驱动的人工心脏、盲人触觉模拟器以及在电疗、磁疗按摩捶击等相关方面也应用了直线电机。如日本由山田等开发的作为人造心脏驱动器的脉冲直线电机（LPM），其重量不足1Kg，体积不足100mL，该LPM的磁束贯通上下定子，励磁方式为2相16极型。其推力/功率之比为22.2 N/W，推力/体积之比为l.1N/mL，推力/质量之比为0.1N/g3。2.2.2 国内直线电机的研究现状 我国直线电机的研究和发展比较晚，始于上世纪70年代初。1972年，浙江大学在国内首先翻译了一本直线感应电动机译文集，这是当时国内唯一的一本有关直线电机的中文书籍。随后，上海工大、上海电机厂、中科院电工所等又编译了一些直线电机的书籍并出版。近几年来，浙江大学又连续出版了3本直线电机著作。国内开展直线电机应用研究的单位主要有：中科院电工所、清华大学、西安交通大学、浙江大学、上海大学、太原工业大学、焦作矿业学院等。主要的研究成果有工厂桥式起重机、电磁锤、冲压机、摩擦压力机、磁分选机、玻璃搅拌、拉伸机、送料机、邮政分拣机、矿山运输系统、计算机磁盘定位系统、自动绘图仪、直线电机驱动门、炒茶机等，在磁悬浮列车的研究和开发方面也取得了重大进展，并率先进入实用化阶段。国内生产直线电机及其系统产品的厂家很少，其中最大的是哈尔滨泰富科技实业有限责任公司，该公司依托浙江大学的技术优势，并与中国电工学会直线电机专委会以及英、美、日等国紧密合作，从设计、生产制造到检测试验均已初具规模，已具备了生产多品种规格的直线电机及其系统产品的能力，在国内已有较大影响力2。我国直线电机的研究工作虽然也取得了一些成绩，但与国外相比起来，在实际应用和推广方面还存在很大的差距。国内不少研究单位也越来越注意到这点，浙江大学就已经专门成立了全国首家直线电机研究所，并已取得了许多成果，其中不少已在社会上推广应用，取得了可喜的经济效益和社会效益。例如：浙江大学研制了一种由直线电机驱动的冲压机；浙江大学生产工程研究所设计了用圆筒型直线电机驱动的并联机构坐标测量机；清华大学1989年就研制出一台经济型中凸变椭圆活塞数控加工机床，1994年又开发出中凸变椭圆活塞数控车削系统；2001年南京四开公司推出了自行开发的采用直线电机直接驱动的数控直线电机车床；2003年第8届中国国际机床展览会上，北京电院高技术股份公司展出其生产的VS1250直线电机取得的加工中心，该机床主轴最高转速达15000r/min 3。2.3 直线电机的发展方向和前景2.3.1 直线电机的发展方向随着直线电动机的飞速发展，世界上一些发达国家越来越重视对直线电机的研究与开发，由于其众多的优点，发展很快，目前已经呈现以下几个方向发展 3： 新原理直线电机不断出现：如日本古河电气公司研制的超导直线电机，美国帕特鲁玛机电公司研制的微步距直线电机，日本电气公司研制的压电驱动式直线电机，日本东京新生工业公司研制的超声波直线电机，还有国外近年开始研究用薄膜材料作电机的定子、动子基片制作薄膜直线电机等。 在结构设计上向功能部件方向发展：直线电机在结构设计上应注重模块化、规格化和系列化从而形成功能部件。除电机主体外，应在防尘、防切屑、冷却、防磁和安全保护等方面进行研究，形成完整的直线电机系统，且易于安装和调整。 在技术性能上向高精度方向发展：直线电机在技术性能上应提高动态性能和刚度，减少端部效应、齿槽效应等所造成的推力波动，通过磁路设计达到推力和推力波动的要求，提高速度和加速度以适应高速和超高速切削的要求。精度方面要提高定位精度和重复定位精度。 在控制技术上向数字化方向发展：直线电机实际上是一个直线运动伺服单元，控制系统是其不可分割的部分。直线电机与数字信号处理器（DSP）的结合，更使直线电机系统的综合性能发生了根本性的变化。直线电机还处于开发和研究中，在性能测试和质量检测方面尚有大量工作要做。 直线电机生产的商品化：应该加强各专业，企、研、学之间的紧密合作，充分发挥个体、集体战斗作用，加强直线电机的研究、开发、推广和应用，尽快将科研、攻关成果转化为商品。2.3.2 直线电机的前景 直线电动机系统具有结构简单、重量轻、惯性小、动态响应快、速度和加速度大、精确度高、振动和噪声小等优点,因此可以大大提高进给系统的快速反应能力和控制精度，是各类超高速精密机床的理想传动方式，世界各国工业化企业都在加紧研制开发新的直线电机系统，以期通过新技术，占领更多的市场份额。因此，直线电动机系统在各类高速、精密加工设备上具有广阔的应用前景。 随着其技术的完善，各类直线电机应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品，它的应用已不是样品，不是个例，而是已经被广泛的应用于各个领域，进入了独立的应用时代，直线电机已经逐渐呈产业化发展趋势。3 直线电机的工作原理3.1 直线电机的基本结构和分类3.1.1 直线电机的基本结构 直线电机不需要任何中间传动环节就可以将电能直接转换成作直线运动的机械能。直线电机结构十分简单，它可以看作是旋转电机在结构上的一种转化，旋转电机沿径向剖开，并展成平面而成，如图 3.1所示。 图3.1 直线电机的转变过程 由原来旋转电机定子部分转变过来的一侧称为直线电机的初级，而由转子部分转变而来的一侧称为次级。直线电机工作的过程中，初级与次级之间做相对平移运动，如果初级和次级在平移开始时正好对齐，那么运动过程中，初级与次级互相重合的部分就会越来越少，最终导致直线电机不能正常运动。因此在实际应用中，初级和次级往往被制造成不同的长度，这样才能保证在一定的行程范围内两者之间的耦合保持不变。直线电机可以制造成初级短次级长，也可以是初级长次级短。但是考虑到两种方法的制造成本和工作过程的费用，目前一般制造为短初级长次级。如果仅在直线电动机的一边安放初级，则这种结构型式直线电机称为单边型直线电机；如果在直线电动机的两边都安放初级，则成为双边型直线电动机（如图3.2所示)。单边型直线电动机的初级与次级之间存在一个很大的法向吸力,大多数场合下这种法向吸力是不希望存在的，而双边型直线电动机的法向吸力就可以相互抵消，单边型和双边型直线电动机又统称为扁平型直线电机，是目前应用最广泛的一种。除了这种结构型式外还有圆筒型、圆弧型和圆盘型结构的直线电动机。图3.2 双边型直线电机3.1.2 直线电机的分类 直线电机的分类有很多种方式，如：按结构型式、功能用途或工作原理分类，不同的场合下分类方式也有所不同。直线电机按结构型式主要分为：扁平型、圆筒型、圆弧型和圆盘型（如图3.3，3.4，3.5）；按功能用途主要分为：力电机、功电机和能电机；按工作原理主要分为直线电动机和直线驱动器，直线电动机包括交流直线感应电动机(Linear Induction MotorsLIM)、交流直线同步电动机(Linear Synchronous MotorsLSM)、直线直流电动机(Linear DC MotorsLDM)、直线步进电动机(Linear Stepper(Pulse) MotorsLPM)和混合式直线电动机(Linear Hybrid MotorsLHM)。直线驱动器包括直线振荡电动机（Linear Oscillating MotorsLOM)、直线电磁螺线管电动机(Linear Electric SolenoiLES)、直线电磁泵(Linear Electromagnetic PumpLUM)、直线超声波电动机(Linear Ultrasonic MotorsLUM)等4。(a)旋转电机 （b）扁平型单边直线电机 （c）圆筒型直线电机图3.3 旋转电机演变成圆筒型直线电机的过程图3.4 圆弧型直线电机图3.5 圆盘型直线电机3.2 直线电动机的工作原理直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。将图3.6所示的旋转电机在顶上沿径向剖开，并将圆周拉直，就成了图3.7所示的直线电机。在直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，会产生气隙磁场。在不考虑铁心两端开端引起的纵向边端效应时，气隙磁场可看成是沿展开直线方向呈正弦形分布，当三相电流随时间变化时，气隙磁场也将沿直线移动。直线电机的磁场是平行移动的，因此被称为行波磁场。行波磁场的平移速度与旋转磁场在定子内圆表面的线速度是相等的，为（m/s）,也称为同步速度：=2 (3.1)式中 -极距(m)； -电源频率(Hz)。1-定子 2-转子 3-磁场方向图3.6 旋转电机的基本工作原理1-初级 2-次级 3-行波磁场图3.7 直线电机基本工作原理 次级导条在行波磁场的作用下，将产生感应电动势和电流，导条的电流和气隙磁场相互作用就产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，如果初级固定不动，则次级将沿着行波磁场运动的方向作直线运动 2 。次级平移的速度用v表示，转差率用s表示（电机运行过程中0s1）,则有：s=(-v)/ (3.2)-v=s (3.3) v=(1-s) (3.4) 与旋转电机一样，对换直线电机任意两相的电源线后，运动方向也会反过来，根据这一原理，直线电机可做往复直线运动。3.3 直线电机的优缺点 直线电动机不需要通过中间传动装置就可以直接得到做直线运动的机械能，完全实现了零传动，这相比需要复杂中间传动环节的旋转电机来说在很多方面有很大的优势。 1、应用直线电动机作为一些机械系统的动力源时，不需要中间的传动装置，因此能在很大程度上简化系统结构，减少中间传动环节的能耗和机械磨损，从而提高机构的有效利用率并降低系统成本。 2、直线电动机是直接获得直线运动，在气隙磁场的作用下平移，所以理论上其平移或直线运动的速度不会受到限制，而普通的旋转电动机则不同，它是由动子的旋转来获得动力的，旋转就会受到离心力的作用，所以其旋转的圆周速度必然会受到离心力的限制。3、直线电动机是由于初级和次级之间的气隙磁场产生直线电磁推力，初级和次级之间有一定的间隙没有直接接触，所以在它的驱动装置中，可以保证系统的动子和定子之间没有机械接触，这样会大大减小零部件之间的摩损，延长机构的寿命。4、旋转电机通过丝杠、皮带、齿条等中间传动转换机构实现旋转运动向直线运动的转化，这些传动机构在运行中，很难避免噪声；而直线电动机依靠电磁力直接推动动子带动执行机构运行，所以整个装置或系统的噪声很小或根本无噪声，运行环境好。 5、直线电动机相比旋转电机一个很大的优势就是结构简单，初级在缠绕上线圈绕组之后，可以用一些特殊材料如树脂材料将其密封成一个整体，利用直线电动机的这个特点可以将其应用到一些特殊的环境当中，比如一般电机不能应用的比较潮湿的环境或者水中，超高温或者超低温环境和对金属有腐蚀性或有毒的气体当中。6、直线电动机通过改变绕组线圈中的电流大小和方向，可以让电磁力的大小和方向相应改变，直线电机工作过程中产生的电磁力就是推力的来源，因此直线电机可以实现次级（动子）的高频率往复直线运动，并且这个频率可以达到很高。而传统的旋转电动机想实现往复直线运动需要通过一些中间传动机构把原来的旋转运动变成直线运动，经过一系列的中间传动机构后是不可能实现高频运动的，此外如果频率过高也会导致中间传动环节相互之间的摩擦和磨损加快，产生噪音，只能大大降低整个系统的使用寿命，严重时还可能出现意外事故。 7、直线电动机的结构相对于旋转电机内部圆形定子和动子的结构来说是非常简单的，而且旋转电机的结构是封闭的，常见直线电机的结构是敞开式的，尤其是扁平型的直线电动机，它的初级和次级都直接在空气中，工作过程中产生的热量可以直接散发出去，而不需要任何辅助冷却装置或措施。扁平型直线电机的特殊结构就决定了它的散热性会远远好于旋转电机，热负荷可以很高。 但是，直线电机不可能是完美无缺的，任何一种事物都有其两面性，直线电机也逃脱不了这个法则，它本身也存在一些缺点和难以解决的问题。现在直线电动机的相关理论和关键技术研究还不完善，在实际应用上还存在很多问题，这也是现在越来越多的人投身于直线电动机研究的动力所在。直线电动机现阶段比较明显的几个缺点和不足有： 1、虽然直线电动机不需要繁琐的中间传动环节就能得到直线运动的机械能，但是如果仅对直线电机本身来说，功率、效率和功率因数等性能参数与相同规格下的旋转电动机相比较，还是明显要低得多，在速度较小的时候体现的就更加明显。但是如果从整个机构或系统的角度来考虑，由于直线电动机省去了中间的繁琐传动环节，因此，整个机构或系统的效率或效率因数有时还是会比采用旋转电机的高。 2、由于直线电动机工作的时候，电源电压对其影响很大，如果某些环境或场合的电源不是特别稳定将会直接限制直线电机的应用，所以在需要应用直线电机的环境或者应用直线电机有优势的领域应采取必要的措施来保证直线电机电源的稳定性。 3、直线电动机由于可以直接实现直线运动，所以经常被应用于往复运动的场合，近些年随着控制技术和电子技术的发展，直线电机越来越多的应用到数控加工中心中，就是结合直线电机自身直线运动的特点和龙门加工中心的高效达到做高频往复运动的目的。但是这其中也存在着一个问题，如果频率过高的话，将导致行程大幅减小，这也是实际应用中的一个矛盾。4 直线电机在龙门加工中心Y轴驱动上的应用4.1 直线电机的选型计算 在高速龙门五轴加工中心上共有2个进给轴应用了直线电机驱动，其中X轴使用4个直线电机，Y轴使用2个直线电机。如图4.1所示。以Y轴为例简要介绍直线电机的选择。Y轴的主要负载为滑枕，其质量估算为6200kg，最大加速度要求达到5。峰值推力要求为7000N，摩擦力及其它阻力为200N。通过计算可以得到其最大加速力为15600N，故可以选择2个西门子1FN3900-4WB00-0BA1直线电机来共同驱动该轴。为了验证选择电机的正确性,可以使用西门子的Sidim LM电机计算软件，图4.2为Sidim LM软件得出的电机特性曲线，可以看到所选择的电机完全满足工作需要。同理可以计算出X轴需要使用4个1FN3900-4WB00-0BA1直线电机。图4.1 直线电机安装方案图4.2 直线电机特性曲线在设计或选用点线电动机时应满足以下3个要求： (3.1) (3.2) (3.3)式中 -直线电动机的最大速度，mms； -进给系统要求达到的最大速度，rams； -直线电动机的最大推力，N； -进给系统要求达到的最大推力，N； -直线电动机在所要求的速度范围内的最小推力，N； -进给系统所要求的平均有效推力，N。4.2 直线电机的安装方式 直线电机是由初级(定子)和次级(动子)两部分组成的。针对不同的应用场合可以选择不同的安装方式。在高速龙门加工中心上一共应用了两种直线电机的安装方式。 1、多个初级使用同一个次级(如图4.1中X轴的直线电机初级X1和X2共用一个次级、X3和X4共用一个次级；Y轴的直线电机初级Y1和Y2共用一个次级)； 2、多个初级的GANTRY排列(如图4.1中的X1、X2 和X3、X4形成的GANTRY结构)。 4.3 直线电机的测量反馈 直线电机的测量系统可以选用3种反馈元件：封闭式带EnDat信号的绝对式直线光栅、敞开式的带有一个参考标记或距离编码的增量式直线光栅、感应或磁性的直线尺。由于本机床的X轴和Y轴的行程长，故选用海德汉公司的LB382C增量式光栅尺。测量系统必须配套使用霍尔元件用于直线电机的位置测量反馈。霍尔元件的安装必须满足一定的机械尺寸。这样直线电机才能正常可靠工作。针对所使用1FN3900-4WB00-0BAl直线电机，其霍尔元件的安装必须满足图4.3所示的机械尺寸要求。1FN3直线电机能够为现代机械工程需求的直线直驱系统进行最优化的调整。1FN3直线电机由初级和带有稀土永磁材料的次级组成。初级的尺寸固定，次级为了适合不同行程的需求而制作成独立的标准模块。初级与次级相对平行运动，进给推力和行程可以矩阵式选择，规格丰富，选择灵活。图4.3 适用于1 FN3900系列的霍尔元件安装要求4.4 直线电机的紧急制动控制 由于直线电机没有自锁功能，那么当出现供电、光栅、NC、总线等无法预料的故障情况时。要求直线电机能够实现快速制动，以避免出现不必要的人员伤亡及经济损失。在已经安装了机械缓冲装置的前提条件下。还可以通过以下方法来实现直线电机的有效制动： 1、利用直流母线的能量来实现制动。这种情况下要求必须有一个可以储存能量的电容模块及可以消耗能量的刹车电阻。其优点是响应快、制动快。缺点是如果系统损坏，则功能无法实现。 2、短路制动。这种方法是通过外围接触器来实现的，当出现故障后，直线电机的动力供给被从驱动端切断，并且通过外部接触器实现直线电机供电的短接。其优点是高速到低速的过程制动快。缺点是制动力取决于直线电机的速度，不足以完成制动的全过程。 3、机械抱闸(液压、气动或电动)。这种方法能可靠有效地实现直线电机的制动，但是响应慢。 4、机械缓冲装置。此种制动方式主要是在各轴的两端加装缓冲装置或能量吸收装置，例如：ENI-DINE(美国)液压缓冲器。优点：可靠有效，安装简便；缺点：响应慢。上述4种制动方式中，前两种是直线电机系统自带，后两种是在机床装配时安装的。但是，后两种制动方式在应用直线电机时必须选用，以提高安全。有效地实现直线电机的紧急制动，防止意外发生。 4.5 直线电机冷却控制设计 直线电机用在机床进给系统中驱动Y轴工作台的进给，结构通常是把直线电机的初级与工作台做刚性连接，以实现工作台的进给运动（如图4.4）。直线电机的初、次级绕组在进行电磁能量转换的过程中产生的热量将使温度升高，直线电机一般位于机床的腹部，散热条件比较差，当采用永磁式直线电机时，发热向题就更为严重。其结果必将造成机床导轨的热变形，影响机床的工作精度；另外，发热问题也会影响电机本身的性能，同一型号的电机有冷却的推力峰值可以达到无冷却时峰值的2倍，所以必须采取强有力的冷却措施，把电动机工作时产生的热量迅速散出。合理设计电机冷却系统是解决该问题的捷径。 图4.4 驱动工作台的进给1. 液压缸 2.过滤器 3.冷却装置 4.液压泵 5.压力继电器 6.电液比例节流阀7.微控制器 8.温度传感器 9.内置循环管道的直线电机图4.5 冷却系统简图该冷却系统采用循环液对直线电机的初级和次级导轨进行控温，此智能冷却系统主要由以下结构组成 (如图4.5所示)：循环液压泵，其为循环液提供原动力。多采用变量泵，以降低成本和节能；电液比例节流阀，由其控制流量，实现系统循环速度的调节；温度传感器，其安装在直线电机的导轨附近，及时获得导轨的温度情况。并实时将数据传送给微控制器，应用中多采用热电偶传感器；直线电机的循环管道，其以一定的缠绕方式安装在直线电机内部，循环液流过时实现降温，循环液可用油或水，液压泵和液体介质可与机床其他部位冷却系统共用，以简化机床结构、降低制造成本。4.6 西门子840D系统中直线电机的调试在初级、次级和霍尔元件都安装正确并且冷却系统已正常运转的前提条件下，可进行电气调试。这台高速龙门加工中心选用的系统为西门子840D，本文所介绍的相关内容都是基于西门子840D系统所讲述的。每台直线电机与驱动系统之间的连接如图4.6所示。 图4.6 直线电机与驱动系统之间的连接图 在西门子840D系统的电机配置过程中，直线电机的初始配置和普通1FT系列电机的配置过程大体上是相同的，需要特别注意的地方是： 1、 要检查电机热保护系统是否已正常工作，即SME盒的连接是否正确。如果连接正确，那么在操作界面上就可以看到电机的实际温度。2、 在配置系统参数的过程中，电机转子的粗识别过程要选择Hall
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