1、.直線電機在高速精密加工中地應用摘要直線電機直接驅動方式是高速精密機床進給系統(tǒng)地一種理想驅動方式.本文首先介紹了直線電機地發(fā)展歷程,說明了其工作原理及優(yōu)缺點.其次,探究了高速精密加工對機床進給系統(tǒng)地要求, 以及直線電機在高速精密機床上應用所具備地優(yōu)點與存在地問題.關鍵詞：直線電機；高速精密加工；機床 Abstract Linear motor direct drive is a kind of ideal drive mode of feed system of high-speed precision machine tool .Firstly,This paper introduces t

2、he development of linear motor ,and illustrates its working principle、advantages and disadvantages.Secondly,this paper explores the requirement of the feed system of high-speed precision machine tool , and the linear motor has the advantages of and problems existing in the application of high-speed

3、precision machine tool.Keyword: linear motor , high-speed precision machining,machine tool 引言高速精密加工技術越來越引起人們地關注.實現(xiàn)高速精密加工地關鍵技術之一,是開發(fā)具有高速能力地精密數(shù)控機床.數(shù)控機床具有高柔度、高精度、高速度、高效率和高可靠性等特,其應用范圍迅速擴大,發(fā)揮地作用也愈來愈大,所處地地位變得越來越重要.高速加工技術采用比常規(guī)加工高510 倍地切削速度和進給速度進行加工,可大大減少加工時間,同時還可以減小切削力和提高加工質量,正是在這種環(huán)境下,直線電機直接驅動地高速進給系統(tǒng)應運而生,實

4、踐證明它也是實現(xiàn)高速精密加工地理想驅動方式.1. 直線電機1.1 直線電機地原理直線電機是一種將電能直接轉化成直線運動機械能而不需要任何中間轉換機構地傳動裝置.由于采用了“零傳動”, 從而較傳統(tǒng)傳動方式有明顯地優(yōu)勢, 如結構簡單、無接觸、無磨損、噪聲低、速度快、精度高等.近年來,隨著工業(yè)加工質量和運動定位精度等要求地提高,直線電機受到了廣泛地關注.在國外,直線電機驅動技術已進入工業(yè)化階段, 特別是在高速精密加工中已經(jīng)有了廣泛應用,但國內尚處于起步階段.直線電機是將傳統(tǒng)地旋轉電機沿徑向切開,并展成平面而成,如圖1-1所示.在實際應用時,將初級和次級制造成不同地長度,以保證在所需行程范圍內初級與次

5、級之間地耦合保持不變.直線電機可以是短初級長次級,也可以是長初級短次級.考慮到制造成本、運行費用,目前一般均采用短初級長次級.由定子演變而來地一側稱為初級,由轉子演變而來地一側稱為次級.直線電機不僅在結構上相當于從旋轉電機演變而來,而且其基本原理也與旋轉電機相似,在直線電機地三相繞組中通入三相對稱正弦電流后,將產(chǎn)生氣隙磁場.當不考慮鐵心兩端開斷引起地縱向邊端效應,此氣隙磁場與旋轉電機地相似,可看成是沿直線運動方向呈正弦形分布,當三相電流隨時間變化時,氣隙磁場將沿直線運動.這個磁場與永磁體地勵磁磁場相互作用產(chǎn)生電磁推力.由于次級固定不動,動子便會沿行波磁場運動地相反方向作直線運動,其運動速度為同

6、步轉速.圖1-1 由旋轉電機演變?yōu)橹本€電機地過程1.2 歷史、現(xiàn)狀及前景1.2.1 發(fā)展歷史直線電機地歷史最早可追溯到1840 年惠斯登提出和制作雛形但不成功地直線電機, 至今已有160 多年.其發(fā)展大致可分為三個階段: 探索實驗階段(18401955)、開發(fā)應用階段(19561970) 和實用商品化階段(1971至今).第一階段是直線電機探索實驗和部分實驗應用時期.由于直線電機還沒能找到唯獨它能解決問題地領域,以及直線電機在設計方面也沒有突破性地成功,所以直線電機在這一時期紿終未能得到真正地應用.第二階段是直線電機全面地開發(fā)階段.在這期間, 以英國E·Laithwaite 教授為首

7、地一些人在強調直線電動機地基礎研究地情況下,取得了不少研究成果,包括發(fā)表直線電機理論分析文章和出版比較系統(tǒng)介紹直線電機地專著Induction Machines for Special Purposes.這些給直線電機領域起到了一個推動作用,作出了開創(chuàng)性地貢獻,也使直線電機再一次受到了重視.從1971 年開始直線電機進入了獨立應用階段.在這個時期,研究人員終于選擇一條適合直線電機自身發(fā)展地獨特思路.各類直線電機地應用得到了迅速地推廣,出現(xiàn)了許多具有實用價值地產(chǎn)品,如運煤機、空壓機、沖壓機等.1.2.2 研究現(xiàn)狀近幾年, 直線電機發(fā)展十分迅速, 在國外相繼出現(xiàn)了許多直線電機研究室和研究人員.國際

8、上許多電氣企業(yè)均在研究和開發(fā)相關產(chǎn)品,如美國地Koll-morgen公司和Westinghouse公司,日本三井精機公司、松下和德國地SIEMENS 公司等.隨著各種技術地進步和研究地展開,諸多高質量地直線電機產(chǎn)品和科研成果紛紛出現(xiàn).1985 年,美國Ingersol銑床公司生產(chǎn)了采用永磁同步直線電機地HVM600高速加工中心,最大進給速度達76.2m/min,加速度達(11.5)g.在1993年EMO展覽會上,僅德EX-Cell-O公司一家展出直線電機產(chǎn)品.而在1997年,漢諾威EMO展覽會上有20多家公司展出了直線電機傳動裝置,如德Trumpf公司地激光機床、法國Renault autom

9、ation公司地加工中心等,展出地直線電機最大速度達150200m/min,加速度達50m/s².這些被稱為最有前途地展品表明,在高速度機床地進給機構中愈來愈多地采用直線電機.新型磁性材料和控制技術、冷卻方法地出現(xiàn),為應用經(jīng)濟高速高動力直線電機創(chuàng)造了條件.如Indramat公司研制了最完整系列地直線電機：包括無罩殼同步直線電機,無罩殼異步直線電機和封閉式異步直線電機.直線電機地控制系統(tǒng)有標準接口,可保證與各種改型地數(shù)字變換器和程序控制器地兼容性.在我國,直線電機地研究和應用發(fā)展起步較晚,從20世紀70年代初開始.1972 年,浙江大學首先翻譯了直線感應電動機譯文集.之后,上海大學、中

10、科院電工所等又編譯了一些直線電機地書籍并出版.受國外直線電機應用潮流地影響,近幾年,國內也涌現(xiàn)了諸多直線電機應用開發(fā)單位,主要有中科院電工所、西安交通大學、浙江大學等.在浙江大學、沈陽工業(yè)大學等都已有樣機.其中浙江大學成立了全國首家直線電機研究所, 取得了許多成果.國內主要研究成果有沖壓機、摩擦壓力機、礦山運輸系統(tǒng)、自動繪圖儀、直線電機驅動門等 ,部分產(chǎn)品在社會上得到了推廣應用.此外, 令人感到欣慰地是2002年底, 在上海, 磁懸列車試通成功, 它每小時地行駛速度最高可達432 km.這些都表明國內地直線電機應用研究已經(jīng)起步,并且在飛速發(fā)展,但與國外相比還存在很大地差距.1.2.3 前景由于

11、直線電機自身獨特地優(yōu)勢,更多地國家開展了對直線電機地專題研究,越來越多地相關優(yōu)質產(chǎn)品出現(xiàn).相信在不久地將來,直線電機在各個領域必將得到廣泛地應用.(1) 在交通運輸業(yè)中.可由直線電機驅動地磁懸浮列車、地鐵等,具有高速、舒適、安全、無污染等優(yōu)點,將在實現(xiàn)新地交通輸送工具發(fā)揮重要作用.(2) 在工業(yè)中.直線電機在直線傳動和物料輸送等方面具有獨特地優(yōu)勢, 如分揀輸送線、升降機等.在各種工業(yè)機床中,也可廣泛使用直線電機代替旋轉電機,主要是利用其速度快精度高地特點,如直線電機驅動地沖壓機、壓鑄機、電火花成形機等.(3) 在民用方面.一些生活用品如家電(空調、冰箱等)、驅動門等都可用上直線電機,日本地日東

12、工器公司制造地A1015-0920直線電機驅動地空氣壓縮機就已經(jīng)成為一種非常成熟地產(chǎn)品.(4) 在軍事方面,由于直線電機地速度極高, 利用這點可將其應用于導彈、火箭和大炮中,這也是完全可能地.1.3 直線電機地優(yōu)勢及不足在結構上, 直線電機相當于旋轉電機在頂上沿徑向剖開并將其圓周拉直, 工作原理同旋轉電機相似.它不需要任何中間環(huán)節(jié)可直接驅動被控制對象產(chǎn)生直線軌跡運動,打破了傳統(tǒng)“旋轉電機+機械變換環(huán)節(jié)”地傳動形式,具有獨特地優(yōu)點:(1) 不存在中間環(huán)節(jié)地磨損問題,對給定路徑可用高速進行高精度跟蹤與定位.系統(tǒng)維護簡單,可靠性好.(2) 具有比傳統(tǒng)旋轉電動機大得多地加、減速度.由于不會象旋轉電機那

13、樣受到離心力地作用,因而直線速度可以不受限制.(3) 進給行程長度不受限制.(4) 結構簡單,依靠電磁推力驅動,故運動安靜,噪聲低,從而改善工作環(huán)境.另一方面直線電機也有其不足之處:(1) 因氣隙比旋轉電機大,所以效率和功率因素要相對低一些,尤其在低速時比較明顯.(2) 初級鐵心兩端開斷,會產(chǎn)生端部效應,特別是在高速直線電機中不容忽視.可以看出,直線電機地優(yōu)勢是非常明顯地.只要在應用時綜合權衡利弊,直線電機定能發(fā)揮很大地作用.2. 直線電機在高速精密加工中地應用 超高速加工是近十年來在工業(yè)發(fā)達國家發(fā)展十分迅速地一項先進制造技術.它不但極大地提高了機床地生產(chǎn)效率,而且顯著地提高了零件地加工精度和

14、表面質量,還能解決常規(guī)加工方法難以解決地一些特殊問題,是現(xiàn)代制造技術和機床發(fā)展史上地一個重大突破.要實現(xiàn)超高速加工,首先要有超高速機床.在超高速數(shù)控機床中,除了要有性能優(yōu)良地超高速主軸單元外,還要有一個剛度高、動態(tài)響應極其靈敏地快速進給系統(tǒng).國外地經(jīng)驗和我們自己地實踐都表明,從某種意義上講,后者更為重要、更具特色,是新一代數(shù)控機床地一個主要標志.2.1 高速精密加工對機床進給系統(tǒng)地要求研究表明采用比常規(guī)加工高510倍地切削速度和進給速度加工,可大大減少加工時間,同時還可以減小切削力和提高加工質量.因此,高速加工機床不僅要有高地主軸轉速,也應具備與主軸轉速相匹配地高地進給速度.分析表明,在加工半

15、徑為r0地圓弧時,最大進給速度vmax與軸地最大進給加速度amax有如下關系也就是說,在加工相同半徑地圓弧時,如果最大進給速度提高1倍,則軸地最大進給加速度需要提高4倍.此外,為了保證高速加工復雜曲面地高精度,機床也必須具備高地進給加速度,以滿足根據(jù)不同地曲率半徑在最短地時間內不斷地調整進給速度地需要.總之,高速精密加工對機床進給系統(tǒng)不僅要求速度快,與高速主軸相匹配, 而且要求動態(tài)特性好,能實現(xiàn)快速地伺服控制與誤差補償,另外具有較高地定位精度和剛度.2.2 直線電機地應用及優(yōu)缺點傳統(tǒng)地數(shù)控機床進給系統(tǒng)主要是通過“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”地方式, 將旋轉運動轉化為直線運動.這種進給系統(tǒng)涉及地中間

16、環(huán)節(jié)多,如聯(lián)軸節(jié)、絲杠、螺母、軸承等,不僅加大了系統(tǒng)地轉動慣量,影響系統(tǒng)動態(tài)特性,而且會產(chǎn)生摩擦、彈性變形、滯后和許多非線性誤差,因此其線性速度、加速度及定位精度均有限,不能滿足高速精密加工地需要.而采用直線電機直接驅動實現(xiàn)進給地方式,取消了動力源和工作臺之間所有地中間傳動環(huán)節(jié),即把機床進給傳動鏈地長度縮短為零,即所謂地“直接驅動”或“零傳動”.正是由于這種“零傳動”方式,實現(xiàn)了原旋轉電機驅動方式無法達到地一系列性能指標和優(yōu)點,同時也帶來了新地矛盾和問題.優(yōu)點：( 1) 響應時間短.一般來講機械傳動件比電氣元器件地動態(tài)響應時間要大幾個數(shù)量級.由于系統(tǒng)中取消了一些響應時間常數(shù)較大地機械傳動件(絲

17、杠),使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應性能大大提高,反應更靈敏快捷.( 2) 定位精度高.由于沒有機械傳動機構,因而減少了插補時因傳動系統(tǒng)滯后帶來地跟蹤誤差.通過直線位置檢測反饋控制,可大大提高機床地定位精度.( 3) 傳動剛度高、推力平穩(wěn).“零傳動”提高了其傳動剛度, 同時直線電機地布局,可根據(jù)機床導軌地形面結構及其工作臺運動時地受力情況來考慮,使其運動推力平穩(wěn).( 4) 運行速度高、加(減) 速度大.運行時,直線電機不會像旋轉電機那樣受到離心力作用,因此其速度不受限制,容易實現(xiàn)高速直線運動.又由于/ 零傳動0地響應時間短,使其加(減)速度大,從而實現(xiàn)起動時瞬間達到高速,高速運行時又能瞬間準停.(

18、 5) 行程長度不受限制.由于直線電機是由旋轉電機展開形成,在理論上其行程不受限制.通過在導軌上串聯(lián)直線電動機地定件,就可無限延長動件地行程長度.( 6) 工作安全可靠、壽命長.直線電機可以實現(xiàn)無接觸傳遞力,機械摩擦損耗幾乎為零,所以故障少,免維修,因而工作安全可靠、壽命長.缺點：( 1) 絕熱與散熱問題.由于直線電機一般位于散熱條件較差地機床腹部, 當其初、次級繞組在進行電磁能量轉換時,會產(chǎn)生熱量使溫度升高；而采用感應式直線電機時,發(fā)熱問題就更為嚴重.又由于直線電機地繞組、鐵芯就貼在機床導軌上,其結果必將引起機床導軌熱變形,影響機床地工作精度；另外,發(fā)熱問題也會影響電機本身地性能.所以機床進

19、給系統(tǒng)采用直線電機驅動后,解決好其絕熱與散熱問題是關鍵.( 2) 隔磁與防護問題.由于直線電機磁場是敞開地,工件、切屑和工具等磁性材料很容易被該磁場吸住而妨礙正常工作,因此應該對其進行隔磁.另外還需要考慮對機床冷卻液、潤滑油、電纜線等地防護,對信號線還要屏蔽.( 3) 負載干擾與系統(tǒng)控制問題.由于直線電機沒有中間傳動環(huán)節(jié),負載干擾(工件質量、切削力等地變化)直接作用于電機,同時直線電機具有邊端效應,增加了控制難度,要求控制器抗干擾能力強、魯棒性好,因此必須采用全閉環(huán)控制.( 4) 垂直進給中地自重問題.當直線電動機應用于垂直進給機構時,為了克服斷電或者失控時地動子下落,以及通電工作時地重力加速

20、度對其影響地問題,需要有配重設施,另外還必須在電機結構和伺服控制模塊上采取一些相應地措施.2.3 發(fā)展趨勢雖然直線電機在數(shù)控機床進給系統(tǒng)中地應用仍存在上述問題,但是它已表現(xiàn)出傳統(tǒng)方式所無法比擬地諸多優(yōu)點.目前直線電機直接驅動技術地發(fā)展呈現(xiàn)出如下趨勢：由于散熱問題難以解決,機床進給系統(tǒng)所用直線電機將以永磁式為主；各功能部件(電機、編碼器、軸承、接線器、電纜、導軌等)集成化、模塊化,以減小電機尺寸；注重相關技術地發(fā)展,如位置反饋、控制技術等. 總結隨著直線電機理論與技術地進一步發(fā)展, 制造工藝地不斷進步, 生產(chǎn)規(guī)模地不斷擴大, 以及永磁材料、電子產(chǎn)品價格地下降, 直線電機在機床上地應用必定會越來越

21、廣泛, 特別是在高速精密機床上將有廣闊地應用前景.參考文獻1. 宋書中, 胡業(yè)發(fā), 周祖德. 直線電機地發(fā)展及應用概況J. 控制工程, 2006, 13(3): 199-201.2.王偉進. 直線電機地發(fā)展及應用概況J. 微電機, 2004, 37(1): 45-46.3.張伯霖. 直線電機及其在超高速機床上地應用J. 中國機械工程, 1997, 8(4): 85-88.4. 郜業(yè)猛, 楊正新, 于世江, 張翊誠. 直線電機在數(shù)控機床進給系統(tǒng)中應用現(xiàn)狀與趨勢 J. 合肥工業(yè)大學學報, 2002, 25(5): 777-781.5. 郜業(yè)猛, 楊正新, 于世江, 張翊誠. 直線電機在數(shù)控機床進給系統(tǒng)中應用現(xiàn)狀與趨勢 J. 合肥工業(yè)大學學報, 2002, 25(5): 777-781.6. Brandenburg, G. ; Tech. Univ. Munchen, Garching, Germany ; Bruckl, S. ; Dormann, J.; Heinzl, J. Comparative investigation of rotary and linear motor feed drive systems for high precision machine tools J.Advanced Motion Cont