直线电动机实现机床的进给系统零传动

1、本文格式为Word版，下载可任意编辑直线电动机实现机床的进给系统零传动 1 引言 高速化、精密化和模块化是现代制造技术的进展方向。新的切削理论认为：当切削速度达到肯定程度（约500m/min）后，切削区温度不再上升，并且切削力反而会减小，刀具磨损也削减。这样在提高生产率的同时还能提高零件的表面质量和加工精度。一般来说，高速加工的切削速度和进给速度都比常规加工要高出一个数量级。因此高速主轴和快速进给系统是实现高速加工的两项关键技术，其中对进给系统提出了以下新要求：（1）进给速度必需与高速主轴相匹配，达到60m/min或更高：（2）加速度要大，这样才能在最短的时间和行程内达到要求的高速度，至少要1

2、2g：（3）动态性能要好，能实现快速的伺服掌握和误差补偿，具有较高的定位精度和刚度。长期以来，数控机床的进给系统主要是“旋转伺服电动机，滚珠丝杠”，这种进给系统所能达到的最高进给速度为90120m/min，最大加速度只有1.5g。同时，由于从电动机主轴到工作台之间存在联轴节、丝杠、螺母、轴承、支架等一系列中间环节，当进给部件要完成启动、加减速、反转、停车等动作时，这些机械元件产生的弹性变形、摩擦、反向间隙等，会造成进给运动的滞后和其它很多非线性误差：这些中间环节也加大了系统的惯性质量，影响了对运动指令的快速响应。另外，丝杠是瘦长杆，在力和热的作用下，会产生变形，影响加工精度。为了克服传统进给系

3、统的缺点，简化机床结构，满意高速精密加工的要求，人们开头讨论新型的进给系统，直线电动机就是最有前途的快速进给系统。它取消了源动力和工作台部件之间的一切中间传动环节，使得机床进给传动链的长度为零，这就是所谓的“直接驱动”或“零传动”。2 直线电动机的原理和分类所谓直线电动机就是利用电磁作用原理，将电能直接转换直线运动动能的设备。在实际的应用中，为了保证在整个行程之内初级与次级之间的耦合保持不变，一般要将初级与次级制造成不同的长度。直线电动机与旋转电动机类似，通入三相电流后，也会在气隙中产生磁场，假如不考虑端部效应，磁场在直线方向呈正弦分布，只是这个磁场是平移而不是旋转的，因此称为行波磁场。行波磁

4、场与次级相互作用便产生电磁推力，这就是直线电动机运行的基本原理。由于直线电动机和旋转电动机之间存在以上对应关系，因此每种旋转电动机都有相对应的直线电动机，但直线电动机的结构形式比旋转电动机更敏捷。直线电动机按工作原理可分为：直线直流电动机、直线感应电动机、直线同步电动机、直线步进电动机、直线压电电动机及直线磁阻电动机：按结构形式可分为平板式、U形及圆筒式。3 直线电动机的优缺点分析直线电动机的特点在于直接产生直线运动，与间接产生直线运动的“旋转电动机，滚动丝杠”相比，其优点是（详细性能见下表）：（1）没有机械接触，传动力是在气隙中产生的，除了导轨外没有其它摩擦：（2）结构简洁，体积小，以最少的

5、零部件数量实现直线驱动，而且是只有一个运动的部件：（3）行程在理论上不受限制，而且性能不会由于行程的转变而受到影响：（4）可以供应很宽的速度范围，从每秒几微米到数米，特殊是高速是其一个突出的优点：（5）加速度很大，最大可达10g：（6）运动平稳，这是由于除了起支撑作用的直线导轨或气浮轴承外，没有其它机械连接或转换装置的原因：（7）精度和重复精度高，由于消退了影响精度的中间环节，系统的精度取决于位置检测元件，有合适的反馈装置可达亚微米级：（8）维护简洁，由于部件少，运动时无机械接触，从而大大降低了零部件的磨损，只需很少甚至无需维护，使用寿命更长。直线电动机与“旋转电动机，滚珠丝杠”传动性能比较表

6、直线电动机的缺点是：首先直线电动机端部磁场的畸变影响到行波磁场的完整性，使直线电动机损耗增加，推力减小，而且存在较大的推力波动，这就是直线电动机特有的“端部效应（Edge Effect）”。直线电动机的结构特点打算了端部效应是不行避开的。其次直线电动机的掌握难度大，由于在电动机的运行过程中负载（如工件重量、切削力等）的变化、系统参数摄动和各种干扰（如摩擦力等），包括端部效应都直接作用到电动机上，没有任何缓冲或减弱环节，假如掌握系统的鲁棒性不强，会造成系统的失稳和性能的下降。其他缺点包括安装困难、需要隔磁、效率低、成本高等。制造业中满意高速加工中心进给系统要求的主要是沟通直线电动机。沟通直线电动

7、机可分为感应式和同步式两大类。虽然同步式直线电动机比感应式直线电动机成本较高、装配困难、需要屏蔽磁场，但效率较高、结构简洁、次级不用冷却、掌握便利、更简单达到所要求的高性能，并且随着钕铁硼（NdFeB）永磁材料的消失和进展，永磁同步直线电动机将渐渐进展成主流。因此在高速加工中心中永磁沟通同步直线电动机所占的比例将越来越高。4 直线电动机的进展及应用国外直线电动机进展进展历史直线电动机进展的起点并不比旋转电动机晚许多，在世界上消失旋转电动机后不久，就消失了直线电动机的雏形，但直线电动机的进展过程是曲折的。1845年英国人Charles Wheastone创造了世界上第一台直线电动机，但这种直线电

8、动机由于气隙过大而导致效率很低，未获胜利。到20世纪中叶，掌握、电子、材料等技术的进展，为直线电动机的开发供应了理论和技术上的支持，直线电动机开头进入新的进展阶段。英国的E.R.Laithwaite教授是现代直线电动机进展的先驱者，他强调直线电动机的基础讨论，以他为首的讨论小组取得了不少重要的成果。代表人物还有日本的山田一教授，他撰写了多本有关直线电动机的著作。20世纪70年月以后，直线电动机应用的领域更加广泛，如自动绘图仪、液态金属泵（MHD）、电磁锤、轻工机械、家电、空气压缩机和半导体制造装置等。90年月以后，随着高速加工概念的提出，直 线电动机开头作为进给系统消失在加工中心中。由于直接驱

9、动进给系统具有传统进给系统无法比拟的优点和潜力，再次受到各国的重视。据有关报导，美国1997年直线电动机及驱动装置的销售额为4553万美元，估计2002年将达到10772万美元。直线电动机作为一种机电系统，将机械结构简洁化，电气掌握简单化，符合现代机电技术的进展趋势。美国的Anorad公司是世界上最闻名的直线电动机生产商，该公司在1988年就推出了无刷直流直线电动机，并获得美国专利。公司主要生产永磁同步式直线电动机，形成了不同结构、不同功率的一系列产品，广泛应用于各种领域。德国的Indramat公司既生产感应式直线电动机，又生产永磁式直线电动机，共50多个型号。永磁式具有高效率（最高1.72N

10、/W）和高推力密度的特点。据报导，其产品速度能达到600m/min，推力达22kN。为了降低直线电动机的价格，Trilogy公司推出了直线编码模块（LEM）。它利用电动机的磁场供应位置的反馈，与行程无关。可工作于恶劣的环境，供应的换向信号与全行程传感器一样，辨别率和重复精度为5m。其他直线电动机生产商的产品各具特色，具体请见刘金凌等所著高频响直流直线电机（刊于微特电机1993年第4期）。在机床和加工中心的应用直线电动机在高速加工中心和其它大行程数控机床进给系统中的应用还是近几年的事情。安装直线电动机的机床必需有先进的数控系统、很高的刚度和固有频率，移动部件的质量要尽量小，这样才能充分发挥直线电

11、动机的力量。另外，机床中直接驱动进给系统的设计还要考虑冷却与散热问题。为了防止切屑和各种粉末被直线电动机的放开式磁场吸引，还必需实行隔磁和防磁措施。此外，直线电动机不象丝杠那样可以自锁，假如电动机垂直安装，还要考虑平衡配重和制动等环节。Ford、Ingersoll和Anorad公司在80年月中期的合作，最初实现了直线电动机在机床上的应用。Ford公司盼望机床既高速、高精度，又高柔性。合作的结果是Ingersoll公司推出了“高速模块”HVM800，其三轴都安装了Anorad公司的永磁式直线电动机，获得很好的性能。德国Ex-Cell-O公司于1993年在德国汉诺威欧洲机床展览会上展出世界上第一台

12、直线电动机驱动工作台的XHC240型高速加工中心，采纳的是德国Indramat公司开发的感应式直线电动机，各轴移动速度高达80m/min，加速度可达1g。之后，很多厂商纷纷推出安装直线电动机的加工中心。据统计，1997年采纳直线电动机的机床销售量为300台，估计到2005年将增加到3000台。10年后，将有20%的数控机床安装直线电动机。除了切削加工机床外，其他机床如激光切割、等离子切割、电火花加工等设备也开头应用直线电动机。国内直线电动机的讨论状况虽然国内讨论直线电动机的单位不少，但将直线电动机作为机床或加工中心进给系统讨论的主要有3所高校：广东工业高校成立了“超高速加工与机床讨论室”，主要

13、讨论和开发“超高速电主轴”和“直线电动机高速进给单元”。他们讨论的是直线感应电动机，开发了GD-3型直线电动机高速数控进给单元，额定进给力为2kN，最高进给速度100m/min，定位精度0.004mm，行程为800mm。从90年月后期开头，沈阳工业高校对永磁直线同步电动机进行讨论，并制造了推力为100N的样机。他们讨论的另一重点是电动机的掌握方式及伺服系统，并就此发表了多篇论文。清华高校精密仪器与机械学系制造工程讨论所胜利地研制了高频响直流直线电动机，行程可达5mm，截止频率大于250Hz，推力达几百牛顿，用于驱动中凸变活塞车床的横向刀架，在实际加工中获得了较好的应用效果。现在正在进行讨论的是

14、长行程永磁直线伺服单元，电动机的额定推力为1500N，最高速度60m/min，空载最大加速度1g，行程600mm。应当看到，在国内，直线电动机特殊是机床进给系统中的直线伺服电动机的讨论还处于起步阶段，讨论人员和经费明显不足，进展也比较慢，和国外的差距越来越大，加强讨论已是迫在眉睫。为了打破国外的技术垄断，必需走技术跟踪和自主开发相结合的道路，加强基础和关键技术的讨论。5 进展趋势与讨论方向进展趋势目前直线电动机直接驱动技术的进展呈现出以下趋势：机床进给系统用直线伺服电动机，将以永磁式为主导：将电动机、编码器、导轨、电缆等集成，减小电动机尺寸，便于安装和使用：将各功能部件（导轨、编码器、轴承、接

15、线器等）模块化：注意相关技术的进展，如位置反馈元件、掌握技术等，这是提高直线电动机性能 的基础。讨论方向直线电动机的讨论目标是提高电动机性能，满意应用要求。直线电动机的主要性能包括速度、加速度、推力及其波动、定位精度、重复定位精度、机械特性（速度-推力特性）、瞬态性能（速度响应）和热特性等。作为一种机电系统，要提高性能无非可从结构和掌握两方面着手。结构设计直线电动机包括初、次级磁路结构以及支撑、传感测量、冷却、防尘、防护等机械结构。磁路设计磁路设计最重要的任务是使电动机的推力和推力波动达到设计要求。电动机内磁场分布的计算是磁路设计的基础。由于结构的特别性，使得直线电动机存在端部效应，引起磁场的

16、畸变，同时使用硅钢片等软磁材料来聚合磁路，媒质边界曲折交叉、磁路简单、非线性强。假如采纳传统的等效磁路法或图解法进行计算，将会产生较大的误差，甚至是不行能的。因此目前普遍采纳数值解法主要是用有限元法（FEM）来计算直线电动机的磁场分布，从而进一步计算推力及其波动以及垂直力等性能。目前市场上已经有许多优秀的电磁场FEM软件可供选用，所以用FEM计算直线电动机电磁场的关键点在于建立精确的有限元模型。削减推力波动是磁路设计的一个重点也是难点。推力波动产生的缘由有：初级电流和反电动势存在高次谐波、气隙磁密波形非正弦、齿槽效应、端部效应等。通过优化永磁铁的外形和排列方式、降低永磁励磁磁密、初级采纳无铁心

17、和多极结构、增加槽的数目、加大气隙等措施可以减小推力波动，但某些措施会造成其它性能的减弱，所以设计时应综合考虑设计要求，达到最佳效果。机械结构设计 机械结构涉及的问题许多，在这里我们只强调一下对冷却系统的讨论，由于这个问题很简单被忽视。其实热特性是直线电动机的一个重要特性，同一型号的电动机有冷却时的推力峰值是无冷却时的两倍，所以电动机冷却系统的好坏对电动机的性能有很大的影响，从冷却系统着手进行优化设计是提高电动机性能的一条捷径。电动机热特性的分析一般也采纳有限元法，在计算结果的基础上对冷却进行优化设计。 #p#分页标题#e#掌握技术的讨论掌握技术是直线电动机设计的另一个重点和难点。直线伺服系统

18、运行时直接驱动负载，这样负载的变化就直接反作用于电动机：外界扰动，如工件或刀具质量、切削力的变化等，也未经衰减就直接作用于电动机：电动机参数的变化也直接影响着电动机的正常运行：直线导轨存在摩擦力：直线电动机还存在齿槽效应和端部效应。这些因素都给直线电动机的掌握带来困难。掌握算法中必需要对这些扰动予以抑制或补偿，否则简单造成掌握系统的失稳。总体来说，掌握器的设计要达到以下要求：稳态跟踪精度高、动态响应快、抗干扰力量强、鲁棒性好。不同的直线电动机或不同的应用场合对掌握算法会提出不同的要求，所以要依据详细状况采纳合适的掌握方法。目前直线伺服电动机采纳的掌握策略主要有传统的PID掌握、解耦掌握，现代掌握方法如非线性掌握、自适应掌握、滑模变结构掌握、H掌握、智能掌握如模糊掌握