浅谈直线电机在数控机床中的应用及发展趋势

1.高速加工对机床进给系统的要求

高速切削理论创立以来, 特别是应用于立铣刀加工铝合金获得巨大成功后, 高速机床得到了迅猛发展。紧随高速机床之后, 标准机床的切削速度也越来越快, 主轴转速已高达12000r/ min, 进给量可达25m/ min。高速机床在提高主轴转速的同时, 必须具有高的轴向进给速度和高的进给加、减速度。传统的滚珠丝杠进给系统由于本身结构的限制, 难以满足以上要求。这样, 以直线电机驱动的高速机床进给系统便应运而生。

直线电机可以直接驱动刀具工作台, 这样就取消了驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节, 从而克服了传统驱动方式的传动环节带来的缺点, 显著提高了机床的动态灵敏度、加工精度和可靠性。因此直线电机更适于现代高速加工状态。

2.直线电机的原理

直线电机的工作原理和旋转电机类似, 也是利用电磁作用将电能转换成为运动动能。只是在其气隙中产生的磁场不是旋转的, 而是直线方向上呈正弦分布的、平移的, 被称为行波磁场。次级导条在行波磁场切割磁力线, 将感应电动势产生电流, 电流和磁场相互作用就产生电磁推力, 如果初级是固定的, 那么次级就沿行波磁场运动的方向作直线运动。

3.直线电动机的优点

直线电动机驱动具有高推力、高速、高精 度、平滑进给运动等特性。机床进给系统采用直 线电动机直接驱动与原旋转电动机传动方式的 最大区别是：取消了从电动机到工作台之间的 机械中间传动环节。即把机床进给传动链的长 度缩短为零，故这种传动方式称为“直接驱动” (DireetDrive)，也称“零传动”。直接驱动避免 了丝杠传动中的反向间隙、惯性、磨擦力和刚性 不足等缺点，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。主要表现在以下几个方面：

(1)高响应性：一般来讲，电气元器件比机械传动件的动态响应时间要小几个数量级。由于系统中取消了响 应时间较大的如丝杠等机械传动件，使整个闭环 伺服系统动态响应性能大大提高。

(2)高精度性：由于取消了丝杠等机械传动机构，因而减少了传动系统滞后所带来的跟踪误差。通过高精度直线位移传感器(如 受)，进行位置检测反馈控制，大大提高机床的定位精度。

(3)速度快、加减速过程短：机床直线电机进给系统，能够满足60m／min ~200m／min或更高的超高速切削进给速度。由于 具有高速响应性，其加减速过程大大缩短，加速度一般可达到2g~20g。

(4)传动刚度高、推力平稳：“直接驱动”提高了传动刚度。直线电动机 的布局，可根据机床导轨的形面结构及其工作台 运动时的受力情况来布置，通常设计成均布对称，使其运动推力平稳。

(5)行程长度不受限制 ：通过直线电动机的定子的铺设，就可无限延长动子的行程长度。

(6)运行时噪声低：取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，导轨副可采用滚动导轨或磁悬浮导轨(无机械接触)，使运动噪声大大下降。

(7)效率高：由于无中间传动环节，也就取消了其机械摩擦时的能量损耗，系统效率大大提高。

4.直线电机应用现状与趋势

4.1国外研究情况：美国在直线电机应用于机床方面居于领先地位。美国Cincinnati Milacron公司的Hyper Mach大型高速加工中心的主轴转速高达60000r/ min, X轴行程长达46m, 最高进给速度可达100m/ min, 加工一个飞机用大型薄壁零件只需30min, 用时为一般高速铣床的1/ 6、普通数控铣床的1/ 16。众所周知, 精密和超精密加工在制造业中的地位举足轻重, 无论是民用大型集成电路、精密轴承, 还是军用惯性制导陀螺仪、雷达波导管, 其性能都取决于超精密加工的水平。而微进给机构则是精密和超精密加工的关键技术, 它既是重要的进给元件, 也是对工艺系统误差进行动态、静态补偿的关键元件。目前, 压电陶瓷式、超声波式、电致伸缩式和磁致伸缩式直线电机在精密微进给装置中的应用越来越广泛。美国LLL国家实验室的DTM-3大型光学金刚石车床、英国Cranfieid公司的OAGM2500大型精密车床都采用了电致伸缩式微量进给装置。日本东京大学研制的声表面波式直线电机, 步进分辨率高达5nm。

4.2国内的研究情况：从20世纪70年代初先锋电机厂开发研制我国第一台直线电机至今, 我国的直线电机研究已取得了长足的进步。

国内将直线电机作为机床进给系统来研究的主要有以下几家机构: 广东工业大学的超高速加工与机床研究室, 主要研究直线感应电动机, 开发的GD-3型直线电机高速数控进给单元额定推力2000N,最高进给速度100m/ min, 定位精度0. 004mm, 行程800mm; 清华大学机械学系制造工程研究所, 研究的长行程永磁直线伺服单元额定推力1500N, 最高速度60m/ min, 最大加速度达到g, 行程600mm; 国防科技大学在活塞非圆切削中采用直线电机来直接驱动刀具, 直线电机伺服机构运动部件的质量仅为0. 8kg, 大大降低了惯性, 使刀具的工作进给频率有效值达到200Hz。

4.3展趋势与前景：虽然直线电机仍存在价格昂贵、用于垂直驱动时需加平衡制动器、控制系统复杂、需采取措施解决磁铁吸引金属尘埃以及发热等缺陷, 但是它在数控机床进给系统中的应用已表现出滚珠丝杠所无法比拟的诸多优点。目前直线电机直接驱动技术的发展呈现出如下趋势: 由于散热问题难以解决, 机床进给系统用直线电机将以永磁式为主; 各功能部件( 电机、编码器、轴承、接线器、电缆、导轨等) 集成化、模块化, 以减小电机尺寸; 注重相关技术的发展, 如位置反馈、控制技术等。

随着直线电机研究的进一步开展, 它的种类也越来越多, 除了电磁驱动以外, 还有压电微驱动、热微驱动、直接光微驱动、超导微驱动、高分子微驱动等多种形式。直线电机与DSP高速运动控制器的结合, 更使数控机床的结构和综合性能发生了根本性的改变, 使得机床多轴运动的速度、加速度与跟踪精度大大提高, 并保持很高的运动精度。直线电机的模块化结构可以使其行程和功率几乎不受限制。专家预测, 直线电机有望成为21世纪高速数控机床进给系统的基本传动方式。