直線電動機實現(xiàn)機床的進給系統(tǒng)零傳動

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯直線電動機實現(xiàn)機床的進給系統(tǒng)零傳動 1 引言 高速化、精密化和模塊化是現(xiàn)代制造技術(shù)的進展方向。新的切削理論認(rèn)為：當(dāng)切削速度達到肯定程度（約500m/min）后，切削區(qū)溫度不再上升，并且切削力反而會減小，刀具磨損也削減。這樣在提高生產(chǎn)率的同時還能提高零件的表面質(zhì)量和加工精度。一般來說，高速加工的切削速度和進給速度都比常規(guī)加工要高出一個數(shù)量級。因此高速主軸和快速進給系統(tǒng)是實現(xiàn)高速加工的兩項關(guān)鍵技術(shù)，其中對進給系統(tǒng)提出了以下新要求：（1）進給速度必需與高速主軸相匹配，達到60m/min或更高：（2）加速度要大，這樣才能在最短的時間和行程內(nèi)達到要求的高速度，至少要1

2、2g：（3）動態(tài)性能要好，能實現(xiàn)快速的伺服掌握和誤差補償，具有較高的定位精度和剛度。長期以來，數(shù)控機床的進給系統(tǒng)主要是“旋轉(zhuǎn)伺服電動機，滾珠絲杠”，這種進給系統(tǒng)所能達到的最高進給速度為90120m/min，最大加速度只有1.5g。同時，由于從電動機主軸到工作臺之間存在聯(lián)軸節(jié)、絲杠、螺母、軸承、支架等一系列中間環(huán)節(jié)，當(dāng)進給部件要完成啟動、加減速、反轉(zhuǎn)、停車等動作時，這些機械元件產(chǎn)生的彈性變形、摩擦、反向間隙等，會造成進給運動的滯后和其它很多非線性誤差：這些中間環(huán)節(jié)也加大了系統(tǒng)的慣性質(zhì)量，影響了對運動指令的快速響應(yīng)。另外，絲杠是瘦長桿，在力和熱的作用下，會產(chǎn)生變形，影響加工精度。為了克服傳統(tǒng)進給系

3、統(tǒng)的缺點，簡化機床結(jié)構(gòu)，滿意高速精密加工的要求，人們開頭討論新型的進給系統(tǒng)，直線電動機就是最有前途的快速進給系統(tǒng)。它取消了源動力和工作臺部件之間的一切中間傳動環(huán)節(jié)，使得機床進給傳動鏈的長度為零，這就是所謂的“直接驅(qū)動”或“零傳動”。2 直線電動機的原理和分類所謂直線電動機就是利用電磁作用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換直線運動動能的設(shè)備。在實際的應(yīng)用中，為了保證在整個行程之內(nèi)初級與次級之間的耦合保持不變，一般要將初級與次級制造成不同的長度。直線電動機與旋轉(zhuǎn)電動機類似，通入三相電流后，也會在氣隙中產(chǎn)生磁場，假如不考慮端部效應(yīng)，磁場在直線方向呈正弦分布，只是這個磁場是平移而不是旋轉(zhuǎn)的，因此稱為行波磁場。行波磁

4、場與次級相互作用便產(chǎn)生電磁推力，這就是直線電動機運行的基本原理。由于直線電動機和旋轉(zhuǎn)電動機之間存在以上對應(yīng)關(guān)系，因此每種旋轉(zhuǎn)電動機都有相對應(yīng)的直線電動機，但直線電動機的結(jié)構(gòu)形式比旋轉(zhuǎn)電動機更敏捷。直線電動機按工作原理可分為：直線直流電動機、直線感應(yīng)電動機、直線同步電動機、直線步進電動機、直線壓電電動機及直線磁阻電動機：按結(jié)構(gòu)形式可分為平板式、U形及圓筒式。3 直線電動機的優(yōu)缺點分析直線電動機的特點在于直接產(chǎn)生直線運動，與間接產(chǎn)生直線運動的“旋轉(zhuǎn)電動機，滾動絲杠”相比，其優(yōu)點是（詳細性能見下表）：（1）沒有機械接觸，傳動力是在氣隙中產(chǎn)生的，除了導(dǎo)軌外沒有其它摩擦：（2）結(jié)構(gòu)簡潔，體積小，以最少的

5、零部件數(shù)量實現(xiàn)直線驅(qū)動，而且是只有一個運動的部件：（3）行程在理論上不受限制，而且性能不會由于行程的轉(zhuǎn)變而受到影響：（4）可以供應(yīng)很寬的速度范圍，從每秒幾微米到數(shù)米，特殊是高速是其一個突出的優(yōu)點：（5）加速度很大，最大可達10g：（6）運動平穩(wěn)，這是由于除了起支撐作用的直線導(dǎo)軌或氣浮軸承外，沒有其它機械連接或轉(zhuǎn)換裝置的原因：（7）精度和重復(fù)精度高，由于消退了影響精度的中間環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的精度取決于位置檢測元件，有合適的反饋裝置可達亞微米級：（8）維護簡潔，由于部件少，運動時無機械接觸，從而大大降低了零部件的磨損，只需很少甚至無需維護，使用壽命更長。直線電動機與“旋轉(zhuǎn)電動機，滾珠絲杠”傳動性能比較表

6、直線電動機的缺點是：首先直線電動機端部磁場的畸變影響到行波磁場的完整性，使直線電動機損耗增加，推力減小，而且存在較大的推力波動，這就是直線電動機特有的“端部效應(yīng)（Edge Effect）”。直線電動機的結(jié)構(gòu)特點打算了端部效應(yīng)是不行避開的。其次直線電動機的掌握難度大，由于在電動機的運行過程中負(fù)載（如工件重量、切削力等）的變化、系統(tǒng)參數(shù)攝動和各種干擾（如摩擦力等），包括端部效應(yīng)都直接作用到電動機上，沒有任何緩沖或減弱環(huán)節(jié)，假如掌握系統(tǒng)的魯棒性不強，會造成系統(tǒng)的失穩(wěn)和性能的下降。其他缺點包括安裝困難、需要隔磁、效率低、成本高等。制造業(yè)中滿意高速加工中心進給系統(tǒng)要求的主要是溝通直線電動機。溝通直線電動

7、機可分為感應(yīng)式和同步式兩大類。雖然同步式直線電動機比感應(yīng)式直線電動機成本較高、裝配困難、需要屏蔽磁場，但效率較高、結(jié)構(gòu)簡潔、次級不用冷卻、掌握便利、更簡單達到所要求的高性能，并且隨著釹鐵硼（NdFeB）永磁材料的消失和進展，永磁同步直線電動機將漸漸進展成主流。因此在高速加工中心中永磁溝通同步直線電動機所占的比例將越來越高。4 直線電動機的進展及應(yīng)用國外直線電動機進展進展歷史直線電動機進展的起點并不比旋轉(zhuǎn)電動機晚許多，在世界上消失旋轉(zhuǎn)電動機后不久，就消失了直線電動機的雛形，但直線電動機的進展過程是曲折的。1845年英國人Charles Wheastone創(chuàng)造了世界上第一臺直線電動機，但這種直線電

8、動機由于氣隙過大而導(dǎo)致效率很低，未獲勝利。到20世紀(jì)中葉，掌握、電子、材料等技術(shù)的進展，為直線電動機的開發(fā)供應(yīng)了理論和技術(shù)上的支持，直線電動機開頭進入新的進展階段。英國的E.R.Laithwaite教授是現(xiàn)代直線電動機進展的先驅(qū)者，他強調(diào)直線電動機的基礎(chǔ)討論，以他為首的討論小組取得了不少重要的成果。代表人物還有日本的山田一教授，他撰寫了多本有關(guān)直線電動機的著作。20世紀(jì)70年月以后，直線電動機應(yīng)用的領(lǐng)域更加廣泛，如自動繪圖儀、液態(tài)金屬泵（MHD）、電磁錘、輕工機械、家電、空氣壓縮機和半導(dǎo)體制造裝置等。90年月以后，隨著高速加工概念的提出，直 線電動機開頭作為進給系統(tǒng)消失在加工中心中。由于直接驅(qū)

9、動進給系統(tǒng)具有傳統(tǒng)進給系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點和潛力，再次受到各國的重視。據(jù)有關(guān)報導(dǎo)，美國1997年直線電動機及驅(qū)動裝置的銷售額為4553萬美元，估計2002年將達到10772萬美元。直線電動機作為一種機電系統(tǒng)，將機械結(jié)構(gòu)簡潔化，電氣掌握簡單化，符合現(xiàn)代機電技術(shù)的進展趨勢。美國的Anorad公司是世界上最聞名的直線電動機生產(chǎn)商，該公司在1988年就推出了無刷直流直線電動機，并獲得美國專利。公司主要生產(chǎn)永磁同步式直線電動機，形成了不同結(jié)構(gòu)、不同功率的一系列產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。德國的Indramat公司既生產(chǎn)感應(yīng)式直線電動機，又生產(chǎn)永磁式直線電動機，共50多個型號。永磁式具有高效率（最高1.72N

10、/W）和高推力密度的特點。據(jù)報導(dǎo)，其產(chǎn)品速度能達到600m/min，推力達22kN。為了降低直線電動機的價格，Trilogy公司推出了直線編碼模塊（LEM）。它利用電動機的磁場供應(yīng)位置的反饋，與行程無關(guān)。可工作于惡劣的環(huán)境，供應(yīng)的換向信號與全行程傳感器一樣，辨別率和重復(fù)精度為5m。其他直線電動機生產(chǎn)商的產(chǎn)品各具特色，具體請見劉金凌等所著高頻響直流直線電機（刊于微特電機1993年第4期）。在機床和加工中心的應(yīng)用直線電動機在高速加工中心和其它大行程數(shù)控機床進給系統(tǒng)中的應(yīng)用還是近幾年的事情。安裝直線電動機的機床必需有先進的數(shù)控系統(tǒng)、很高的剛度和固有頻率，移動部件的質(zhì)量要盡量小，這樣才能充分發(fā)揮直線電

11、動機的力量。另外，機床中直接驅(qū)動進給系統(tǒng)的設(shè)計還要考慮冷卻與散熱問題。為了防止切屑和各種粉末被直線電動機的放開式磁場吸引，還必需實行隔磁和防磁措施。此外，直線電動機不象絲杠那樣可以自鎖，假如電動機垂直安裝，還要考慮平衡配重和制動等環(huán)節(jié)。Ford、Ingersoll和Anorad公司在80年月中期的合作，最初實現(xiàn)了直線電動機在機床上的應(yīng)用。Ford公司盼望機床既高速、高精度，又高柔性。合作的結(jié)果是Ingersoll公司推出了“高速模塊”HVM800，其三軸都安裝了Anorad公司的永磁式直線電動機，獲得很好的性能。德國Ex-Cell-O公司于1993年在德國漢諾威歐洲機床展覽會上展出世界上第一臺

12、直線電動機驅(qū)動工作臺的XHC240型高速加工中心，采納的是德國Indramat公司開發(fā)的感應(yīng)式直線電動機，各軸移動速度高達80m/min，加速度可達1g。之后，很多廠商紛紛推出安裝直線電動機的加工中心。據(jù)統(tǒng)計，1997年采納直線電動機的機床銷售量為300臺，估計到2005年將增加到3000臺。10年后，將有20%的數(shù)控機床安裝直線電動機。除了切削加工機床外，其他機床如激光切割、等離子切割、電火花加工等設(shè)備也開頭應(yīng)用直線電動機。國內(nèi)直線電動機的討論狀況雖然國內(nèi)討論直線電動機的單位不少，但將直線電動機作為機床或加工中心進給系統(tǒng)討論的主要有3所高校：廣東工業(yè)高校成立了“超高速加工與機床討論室”，主要

13、討論和開發(fā)“超高速電主軸”和“直線電動機高速進給單元”。他們討論的是直線感應(yīng)電動機，開發(fā)了GD-3型直線電動機高速數(shù)控進給單元，額定進給力為2kN，最高進給速度100m/min，定位精度0.004mm，行程為800mm。從90年月后期開頭，沈陽工業(yè)高校對永磁直線同步電動機進行討論，并制造了推力為100N的樣機。他們討論的另一重點是電動機的掌握方式及伺服系統(tǒng)，并就此發(fā)表了多篇論文。清華高校精密儀器與機械學(xué)系制造工程討論所勝利地研制了高頻響直流直線電動機，行程可達5mm，截止頻率大于250Hz，推力達幾百牛頓，用于驅(qū)動中凸變活塞車床的橫向刀架，在實際加工中獲得了較好的應(yīng)用效果?，F(xiàn)在正在進行討論的是

14、長行程永磁直線伺服單元，電動機的額定推力為1500N，最高速度60m/min，空載最大加速度1g，行程600mm。應(yīng)當(dāng)看到，在國內(nèi)，直線電動機特殊是機床進給系統(tǒng)中的直線伺服電動機的討論還處于起步階段，討論人員和經(jīng)費明顯不足，進展也比較慢，和國外的差距越來越大，加強討論已是迫在眉睫。為了打破國外的技術(shù)壟斷，必需走技術(shù)跟蹤和自主開發(fā)相結(jié)合的道路，加強基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)的討論。5 進展趨勢與討論方向進展趨勢目前直線電動機直接驅(qū)動技術(shù)的進展呈現(xiàn)出以下趨勢：機床進給系統(tǒng)用直線伺服電動機，將以永磁式為主導(dǎo)：將電動機、編碼器、導(dǎo)軌、電纜等集成，減小電動機尺寸，便于安裝和使用：將各功能部件（導(dǎo)軌、編碼器、軸承、接

15、線器等）模塊化：注意相關(guān)技術(shù)的進展，如位置反饋元件、掌握技術(shù)等，這是提高直線電動機性能 的基礎(chǔ)。討論方向直線電動機的討論目標(biāo)是提高電動機性能，滿意應(yīng)用要求。直線電動機的主要性能包括速度、加速度、推力及其波動、定位精度、重復(fù)定位精度、機械特性（速度-推力特性）、瞬態(tài)性能（速度響應(yīng)）和熱特性等。作為一種機電系統(tǒng)，要提高性能無非可從結(jié)構(gòu)和掌握兩方面著手。結(jié)構(gòu)設(shè)計直線電動機包括初、次級磁路結(jié)構(gòu)以及支撐、傳感測量、冷卻、防塵、防護等機械結(jié)構(gòu)。磁路設(shè)計磁路設(shè)計最重要的任務(wù)是使電動機的推力和推力波動達到設(shè)計要求。電動機內(nèi)磁場分布的計算是磁路設(shè)計的基礎(chǔ)。由于結(jié)構(gòu)的特別性，使得直線電動機存在端部效應(yīng)，引起磁場的

16、畸變，同時使用硅鋼片等軟磁材料來聚合磁路，媒質(zhì)邊界曲折交叉、磁路簡單、非線性強。假如采納傳統(tǒng)的等效磁路法或圖解法進行計算，將會產(chǎn)生較大的誤差，甚至是不行能的。因此目前普遍采納數(shù)值解法主要是用有限元法（FEM）來計算直線電動機的磁場分布，從而進一步計算推力及其波動以及垂直力等性能。目前市場上已經(jīng)有許多優(yōu)秀的電磁場FEM軟件可供選用，所以用FEM計算直線電動機電磁場的關(guān)鍵點在于建立精確的有限元模型。削減推力波動是磁路設(shè)計的一個重點也是難點。推力波動產(chǎn)生的緣由有：初級電流和反電動勢存在高次諧波、氣隙磁密波形非正弦、齒槽效應(yīng)、端部效應(yīng)等。通過優(yōu)化永磁鐵的外形和排列方式、降低永磁勵磁磁密、初級采納無鐵心

17、和多極結(jié)構(gòu)、增加槽的數(shù)目、加大氣隙等措施可以減小推力波動，但某些措施會造成其它性能的減弱，所以設(shè)計時應(yīng)綜合考慮設(shè)計要求，達到最佳效果。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械結(jié)構(gòu)涉及的問題許多，在這里我們只強調(diào)一下對冷卻系統(tǒng)的討論，由于這個問題很簡單被忽視。其實熱特性是直線電動機的一個重要特性，同一型號的電動機有冷卻時的推力峰值是無冷卻時的兩倍，所以電動機冷卻系統(tǒng)的好壞對電動機的性能有很大的影響，從冷卻系統(tǒng)著手進行優(yōu)化設(shè)計是提高電動機性能的一條捷徑。電動機熱特性的分析一般也采納有限元法，在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上對冷卻進行優(yōu)化設(shè)計。 #p#分頁標(biāo)題#e#掌握技術(shù)的討論掌握技術(shù)是直線電動機設(shè)計的另一個重點和難點。直線伺服系統(tǒng)

18、運行時直接驅(qū)動負(fù)載，這樣負(fù)載的變化就直接反作用于電動機：外界擾動，如工件或刀具質(zhì)量、切削力的變化等，也未經(jīng)衰減就直接作用于電動機：電動機參數(shù)的變化也直接影響著電動機的正常運行：直線導(dǎo)軌存在摩擦力：直線電動機還存在齒槽效應(yīng)和端部效應(yīng)。這些因素都給直線電動機的掌握帶來困難。掌握算法中必需要對這些擾動予以抑制或補償，否則簡單造成掌握系統(tǒng)的失穩(wěn)?？傮w來說，掌握器的設(shè)計要達到以下要求：穩(wěn)態(tài)跟蹤精度高、動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾力量強、魯棒性好。不同的直線電動機或不同的應(yīng)用場合對掌握算法會提出不同的要求，所以要依據(jù)詳細狀況采納合適的掌握方法。目前直線伺服電動機采納的掌握策略主要有傳統(tǒng)的PID掌握、解耦掌握，現(xiàn)代掌握方法如非線性掌握、自適應(yīng)掌握、滑模變結(jié)構(gòu)掌握、H掌握、智能掌握如模糊掌握