關(guān)鍵詞：直線電機；進給驅(qū)動技術(shù)；數(shù)控機床
The Application of Feed-driven Technology of Linear M otor in NC M achine Tool
TANG Zhenyu
（1．Department of Marine Engineering，Guangzhou Marine College，Guangzhou Guangdong 5 10725，China；2．Academy of Electro — mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 5 10090，China）
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行加工的要求越來越高，需要大量高速數(shù)控機床。機床進給系統(tǒng)是高速機床的主要功能部件。而直線電機進給系統(tǒng)徹底改變了傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動方式存在的彈性變形大、響應速度慢、存在反向間隙、易磨損等先天性的缺點，并具有速度高、加速度大、定位精度高、行程長度不受限制等優(yōu)點，令其在數(shù)控機床高速進給系統(tǒng)領(lǐng)域逐漸發(fā)展為主導方向。
1 直線電機及其驅(qū)動技術(shù)
現(xiàn)代先進的驅(qū)動技術(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)代先進的驅(qū)動技術(shù)主要由現(xiàn)代電磁類驅(qū)動器與現(xiàn)代控制系統(tǒng)組成，它的驅(qū)動器包括傳統(tǒng)改進型的電磁驅(qū)動器與新發(fā)展型的電磁驅(qū)動器。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技術(shù)基礎(chǔ)上改進獲得的電機技術(shù)外，還有更多的是在通用電機技術(shù)基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的新型電機技術(shù)，如直線電機技術(shù)、無刷直流電機技術(shù)、開關(guān)磁阻電機技術(shù)和各種新型永磁電機技術(shù)等。
直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能而不需通過中問任何轉(zhuǎn)換裝置的新穎電機，它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、磨損少、噪聲低、組合性強、維護方便等優(yōu)點。旋轉(zhuǎn)電機所具有的品種，直線電機幾乎都有相對應的品種，其應用范圍正在不斷擴大，并在一些它所能獨特發(fā)揮作用的地方取得了令人滿意的效果。
直線電機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。直線電機是將傳統(tǒng)圓筒型電機的初級展開拉直，變初級的封閉磁場為開放磁場，而旋轉(zhuǎn)電機的定子部分變?yōu)橹本€電機的初級，旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子部分變?yōu)橹本€電機的次級。在電機的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，在初級和次級間產(chǎn)生氣隙磁場，氣隙磁場的分布情況與旋轉(zhuǎn)電機相似，沿展開的直線方向呈正弦分布。當三相電流隨時問變化時，使氣隙磁場按定向相序沿直線移動，這個氣隙磁場稱為行波磁場。當次級的感應電流和氣隙磁場相互作用便產(chǎn)生了電磁推力，如果初級是固定不動的，次級就能沿著行波磁場運動的方向做直線運動。即可實現(xiàn)高速機床的直線電機直接驅(qū)動的進給方式，把直線電機的初級和次級分別直接安裝在高速機床的工作臺與床身上。由于這種進給傳動方式的傳動鏈縮短為0，被稱為機床進給系統(tǒng)的“零傳動”。
與“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”傳動方式相比較，直線電機直接驅(qū)動有以下優(yōu)點：（1）高速度，目前最大進給速度可達100～200m／min。（2）高加速度，可高達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，但由于存在檢測元件安裝、測量誤差，實際定位精度不可能為0。最高定位精度可達0．1～0．01m。（4）行程不受限制，由于直線電機的次級（定子）可以一段一段地鋪在機床床身上，不論有多遠，對系統(tǒng)的剛度不會產(chǎn)生影響。例如，美國CincinnatiMilacron公司為航空工業(yè)生產(chǎn)了一臺HyperMach大型高速加工中心，主軸轉(zhuǎn)速為 60000r／min，主電機功率為80kW。直線進給采用了直線電機，其軸行程長達46m，工作臺快速行程為100m／min，加速度達2g。在這種機床上加工一個大型薄壁飛機零件只需30min；而同樣的零件在一般高速銑床上加工，費時3h；在普通數(shù)控銑床上加工，則需8h，優(yōu)勢相當明顯[1]。
2 直線電機在數(shù)控機床的應用
現(xiàn)代數(shù)控機床經(jīng)過半個世紀的發(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。機床技術(shù)水平的高速發(fā)展是機床自動化技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，也是以CNC為代表的先進制造技術(shù)對傳統(tǒng)機械制造業(yè)的滲透，從而形成的機電一體化產(chǎn)品的結(jié)果[2]。
數(shù)控機床采用直線電機驅(qū)動技術(shù)，克服了傳統(tǒng)驅(qū)動方式的許多缺陷，獲得了極高的性能指標和優(yōu)點。國外在高速加工中心上已廣泛應用直線電機驅(qū)動，同時也應用到機床裝備的各個領(lǐng)域，使機床的各項性能大為提高。1993年德國Ex—cell—O公司在漢諾威國際機床博覽會上展出了世界上第一臺應用直線電機驅(qū)動技術(shù)的HSC一240型超高速加工中心，該機床最大快移速度為60m／min。日本機床裝備發(fā)展迅猛，高檔機床大量采用直線電機驅(qū)動技術(shù)。早在1998年第十九屆JIMTOF上，就展出了8臺直線電機作進給驅(qū)動的機床。在2002年日本東京第二十一屆JIMTOF機床展上23家公司展出了41臺裝有直線電機的數(shù)控機床，包括加工中心11臺[3]。目前，采用直線電機驅(qū)動技術(shù)的機床是日本機床生產(chǎn)商供應的主流實用機床。歐美西方工業(yè)大國的機床制造廠商也大量應用直線電機驅(qū)動技術(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國際機床展上，直接驅(qū)動已經(jīng)成為高性能機床的重要技術(shù)手段，會展中德國DMG公司展品多為直線電機驅(qū)動。大批高性能加工中心采用了直線電機直接驅(qū)動技術(shù)。使用直線電機比用滾珠絲桿傳動的成本已從l0年前的高30％，降低到目前只高15％～20％，而且參展商普遍認為用戶可以節(jié)省運行成本20％以上，從而可以及時收回附加投資。JOBS公司認為有一半以上的機床采用直線電機在技術(shù)上和經(jīng)濟上都是值得的[4]。
國內(nèi)直線電機技術(shù)的研究始于20世紀7O年代，上海電機廠、寧波大學、沈陽工業(yè)大學、清華大學、國防科技大學、浙江大學、廣東工業(yè)大學等高校都做了相關(guān)研究[5-6]，但未能實現(xiàn)真正應用到高速機床上，大推力、長行程的進給，不是真正意義上的應用在高速機床上的直線電機進給單元。清華大學機械學系制造工程研究所研究的長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]。沈陽工業(yè)大學研究的重點擺在了永磁同步直線電動機的控制方式及伺服系統(tǒng)[8]；在CIM T2003（中國國際機床展覽會）上，北京機電院高技術(shù)股份公司、江蘇多棱數(shù)控機床股份有限公司展出了國產(chǎn)首批直線電機驅(qū)動的立式加工中心（VS1250），其X、Y軸采用了直線電機，最大進給速度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技術(shù)在高速機床上的應用發(fā)揮了積極作用。目前在我國機床行業(yè)中，應用直線電機進給系統(tǒng)的產(chǎn)品越來越多。在CIMT2005上，作為全球最大的切削機床制造商之一的DWG公司，其產(chǎn)品中有1／3的采用了直線電機驅(qū)動技術(shù)，展出的DMC 75V linear精密立式加工中心所有進給軸都采用高動力性能直線電機驅(qū)動，良好動態(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Zimmermann公司推出了直線驅(qū)動龍門銑床FZ38，直線電機驅(qū)動通過高 因素獲得高水平的標準控制，使得即便是在高進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)動機床，在置軸上加速度達到g，快移速度 40m／min[12] 。在2007年4月的中國國際機床展（CIMT2007）上，直線電機的應用越來越廣泛，杭州機床集團有限公司推出了國內(nèi)首次使用直線電機的平面磨床（MUGK7120X5）。全球領(lǐng)先的運動控制解決方案提供商丹納赫傳動，在現(xiàn)場的研討會中提到直接驅(qū)動電機近年來在國內(nèi)外都得到了客戶的廣泛認可，它改變了原有旋轉(zhuǎn)電機加絲杠的結(jié)構(gòu)，大大簡化了機械的設(shè)計，提高了工作效率。
3 總結(jié)與展望
直線電機驅(qū)動技術(shù)與數(shù)控機床制造的結(jié)合大大促進了世界制造業(yè)的發(fā)展，大大提高了加工精度和加工效率。直線電機進給系統(tǒng)是一種能把電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動的機械能，且不需要任何中間傳動環(huán)節(jié)的驅(qū)動裝置。它將傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯拥闹本€運動，因此機床的速度、加速度、剛度、動態(tài)性能得到完全改觀。通過采用直線電機驅(qū)動技術(shù)使得在高速移動中獲得高的定位精度成為現(xiàn)實，有效克服通過傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機進行驅(qū)動時，機械傳動機構(gòu)傳動鏈較長、體積大、效率低、能耗高、精度差等缺點。所以，直線電機驅(qū)動技術(shù)將是高速數(shù)控機床未來發(fā)展的方向。
參考文獻
[1]張伯霖，楊慶東，陳長年． 高速切削技術(shù)及應用[J]．1版．北京：機械工業(yè)出版社，2002．
[2]李佳特．現(xiàn)代CNC發(fā)展趨勢[J]．制造技術(shù)與機床，2003 （4）：5—7．
[3]陳循介．21JIMTOF展出的用直線電機驅(qū)動的展品41臺[J]．世界制造技術(shù)與裝備市場，2003，64（1）：29．
[4]遇立基，楊春林．米蘭EMO2003國際機床展綜述[J]．世界制造技術(shù)與裝備市場，2003，69 （6）：27— 28．
[5]楊少東．永磁直線同步電機控制技術(shù)的研究[D]．浙江大學，2006．
[6]何國鋒．永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制脈動性能研究[D]．沈陽工業(yè)大學，2006．
[7]周惠興，王先逵．集成制造系統(tǒng)中基于重復控制的直線伺服單元[J]．計算機集成制造系統(tǒng)，1998（2）：42—45．
[8]夏加寬，劉曉霞，王成元，等．機床進給直接驅(qū)動直線伺服電動機[J]．制造技術(shù)與機床，2003 （4）：8— 11．
[9]世界制造技術(shù)與裝備市場編輯部．第八屆中國國際機床展覽會（CIMT2003）紀實[J]．世界制造技術(shù)與裝備市場，2003（3）：29—31．
[10]世界制造技術(shù)與裝備市場編輯部．直線電機驅(qū)動技術(shù)加速駛向未來[J]．世界制造技術(shù)與裝備市場，
[11]Zimmermann公司．Zimmermann公司的直線驅(qū)動龍門銑床FZ38[J]．模具制造，2006（2）．
[12]德馬吉公司．德馬吉SPRINT65直線驅(qū)動機床[J]．航空制造技術(shù)，2006 （7）．
（轉(zhuǎn)載）
