簡述了直線電機(jī)工作原理及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)，并且舉例說明了直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”的傳動(dòng)方式對比具有的巨大優(yōu)勢。介紹了直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床上的幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例，指出直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)技術(shù)將是高速數(shù)控機(jī)床未來發(fā)展的方向。
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(jìn)行加工的要求越來越高，需要大量高速數(shù)控機(jī)床。機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)是高速機(jī)床的主要功能部件。而直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)徹底改變了傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動(dòng)方式存在的彈性變形大、響應(yīng)速度慢、存在反向間隙、易磨損等先天性的缺點(diǎn)，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(diǎn)，令其在數(shù)控機(jī)床高速進(jìn)給系統(tǒng)領(lǐng)域逐漸發(fā)展為主導(dǎo)方向。
1 直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)
現(xiàn)代先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)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(jìn)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要由現(xiàn)代電磁類驅(qū)動(dòng)器與現(xiàn)代控制系統(tǒng)組成，它的驅(qū)動(dòng)器包括傳統(tǒng)改進(jìn)型的電磁驅(qū)動(dòng)器與新發(fā)展型的電磁驅(qū)動(dòng)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(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上改進(jìn)獲得的電機(jī)技術(shù)外，還有更多的是在通用電機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的新型電機(jī)技術(shù)，如直線電機(jī)技術(shù)、無刷直流電機(jī)技術(shù)、開關(guān)磁阻電機(jī)技術(shù)和各種新型永磁電機(jī)技術(shù)等。
直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能而不需通過中問任何轉(zhuǎn)換裝置的新穎電機(jī)，它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、磨損少、噪聲低、組合性強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)所具有的品種，直線電機(jī)幾乎都有相對應(yīng)的品種，其應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大，并在一些它所能獨(dú)特發(fā)揮作用的地方取得了令人滿意的效果。
直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。直線電機(jī)是將傳統(tǒng)圓筒型電機(jī)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(jī)的定子部分變?yōu)橹本€電機(jī)的初級，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分變?yōu)橹本€電機(jī)的次級。在電機(jī)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(jī)相似，沿展開的直線方向呈正弦分布。當(dāng)三相電流隨時(shí)問變化時(shí)，使氣隙磁場按定向相序沿直線移動(dòng)，這個(gè)氣隙磁場稱為行波磁場。當(dāng)次級的感應(yīng)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(dòng)的，次級就能沿著行波磁場運(yùn)動(dòng)的方向做直線運(yùn)動(dòng)。即可實(shí)現(xiàn)高速機(jī)床的直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給方式，把直線電機(jī)的初級和次級分別直接安裝在高速機(jī)床的工作臺與床身上。由于這種進(jìn)給傳動(dòng)方式的傳動(dòng)鏈縮短為0，被稱為機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的“零傳動(dòng)”。
與“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”傳動(dòng)方式相比較，直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）高速度，目前最大進(jìn)給速度可達(dá)100～200m／min。（2）高加速度，可高達(dá)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(shí)際定位精度不可能為0。最高定位精度可達(dá)0．1～0．01m。（4）行程不受限制，由于直線電機(jī)的次級（定子）可以一段一段地鋪在機(jī)床床身上，不論有多遠(yuǎn)，對系統(tǒng)的剛度不會(huì)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(jī)功率為80kW。直線進(jìn)給采用了直線電機(jī)，其軸行程長達(dá)46m，工作臺快速行程為100m／min，加速度達(dá)2g。在這種機(jī)床上加工一個(gè)大型薄壁飛機(jī)零件只需30min；而同樣的零件在一般高速銑床上加工，費(fèi)時(shí)3h；在普通數(shù)控銑床上加工，則需8h，優(yōu)勢相當(dāng)明顯[1]。
2 直線電機(jī)在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用
現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)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(jī)床技術(shù)水平的高速發(fā)展是機(jī)床自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，也是以CNC為代表的先進(jìn)制造技術(shù)對傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)的滲透，從而形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品的結(jié)果[2]。
數(shù)控機(jī)床采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，克服了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的許多缺陷，獲得了極高的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。國外在高速加工中心上已廣泛應(yīng)用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也應(yīng)用到機(jī)床裝備的各個(gè)領(lǐng)域，使機(jī)床的各項(xiàng)性能大為提高。1993年德國Ex—cell—O公司在漢諾威國際機(jī)床博覽會(huì)上展出了世界上第一臺應(yīng)用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的HSC一240型超高速加工中心，該機(jī)床最大快移速度為60m／min。日本機(jī)床裝備發(fā)展迅猛，高檔機(jī)床大量采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。早在1998年第十九屆JIMTOF上，就展出了8臺直線電機(jī)作進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的機(jī)床。在2002年日本東京第二十一屆JIMTOF機(jī)床展上23家公司展出了41臺裝有直線電機(jī)的數(shù)控機(jī)床，包括加工中心11臺[3]。目前，采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的機(jī)床是日本機(jī)床生產(chǎn)商供應(yīng)的主流實(shí)用機(jī)床。歐美西方工業(yè)大國的機(jī)床制造廠商也大量應(yīng)用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)床展上，直接驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為高性能機(jī)床的重要技術(shù)手段，會(huì)展中德國DMG公司展品多為直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。大批高性能加工中心采用了直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)。使用直線電機(jī)比用滾珠絲桿傳動(dòng)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(rèn)為用戶可以節(jié)省運(yùn)行成本20％以上，從而可以及時(shí)收回附加投資。JOBS公司認(rèn)為有一半以上的機(jī)床采用直線電機(jī)在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是值得的[4]。
國內(nèi)直線電機(jī)技術(shù)的研究始于20世紀(jì)7O年代，上海電機(jī)廠、寧波大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、浙江大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)等高校都做了相關(guān)研究[5-6]，但未能實(shí)現(xiàn)真正應(yīng)用到高速機(jī)床上，大推力、長行程的進(jìn)給，不是真正意義上的應(yīng)用在高速機(jī)床上的直線電機(jī)進(jìn)給單元。清華大學(xué)機(jī)械學(xué)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(xué)研究的重點(diǎn)擺在了永磁同步直線電動(dòng)機(jī)的控制方式及伺服系統(tǒng)[8]；在CIM T2003（中國國際機(jī)床展覽會(huì)）上，北京機(jī)電院高技術(shù)股份公司、江蘇多棱數(shù)控機(jī)床股份有限公司展出了國產(chǎn)首批直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的立式加工中心（VS1250），其X、Y軸采用了直線電機(jī)，最大進(jìn)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(jī)技術(shù)在高速機(jī)床上的應(yīng)用發(fā)揮了積極作用。目前在我國機(jī)床行業(yè)中，應(yīng)用直線電機(jī)進(jìn)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(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，展出的DMC 75V linear精密立式加工中心所有進(jìn)給軸都采用高動(dòng)力性能直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，良好動(dòng)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(dá)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(dòng)龍門銑床FZ38，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)通過高 因素獲得高水平的標(biāo)準(zhǔn)控制，使得即便是在高進(jìn)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(dòng)機(jī)床，在置軸上加速度達(dá)到g，快移速度40m／min[12] 。在2007年4月的中國國際機(jī)床展（CIMT2007）上，直線電機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，杭州機(jī)床集團(tuán)有限公司推出了國內(nèi)首次使用直線電機(jī)的平面磨床（MUGK7120X5）。全球領(lǐng)先的運(yùn)動(dòng)控制解決方案提供商丹納赫傳動(dòng)，在現(xiàn)場的研討會(huì)中提到直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)近年來在國內(nèi)外都得到了客戶的廣泛認(rèn)可，它改變了原有旋轉(zhuǎn)電機(jī)加絲杠的結(jié)構(gòu)，大大簡化了機(jī)械的設(shè)計(jì)，提高了工作效率。
3 總結(jié)與展望
直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)與數(shù)控機(jī)床制造的結(jié)合大大促進(jìn)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(jī)進(jìn)給系統(tǒng)是一種能把電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，且不需要任何中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置。它將傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯拥闹本€運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)床的速度、加速度、剛度、動(dòng)態(tài)性能得到完全改觀。通過采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)使得在高速移動(dòng)中獲得高的定位精度成為現(xiàn)實(shí)，有效克服通過傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈較長、體積大、效率低、能耗高、精度差等缺點(diǎn)。所以，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)將是高速數(shù)控機(jī)床未來發(fā)展的方向。
（轉(zhuǎn)載）
