一、引言

 

數(shù)控機床正在向精密、高速、復(fù)合、智能、環(huán)保的方向發(fā)展。精密和高速加工對傳動及其控制提出了更高的要求，更高的動態(tài)特性和控制精度，更高的進給速度和加速度，更低的振動噪聲和更小的磨損。問題的癥結(jié)在傳統(tǒng)的傳動鏈從作為動力源的電動機到工作部件要通過齒輪、蝸輪副，皮帶、絲杠副、聯(lián)軸器、離合器等中間傳動環(huán)節(jié)，在些環(huán)節(jié)中產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)動慣量、彈性變形、反向間隙、運動滯后、摩擦、振動、噪聲及磨損。雖然在這些方面通過不斷的改進使傳動性能有所提高，但問題很難從根本上解決，于出現(xiàn)了“直接傳動”的概念，即取消從電動機到工作部件之間的各種中間環(huán)節(jié)。隨著電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的發(fā)展，電主軸、直線電機、力矩電機的出現(xiàn)和技術(shù)的日益成熟，使主軸、直線和旋轉(zhuǎn)坐標運動的“直接傳動”概念變?yōu)楝F(xiàn)實，并日益顯示其巨大的優(yōu)越性。直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)在機床進給驅(qū)動上的應(yīng)用，使機床的傳動結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了重大變化，并使機床性能有了新的飛躍。

 

二、直線電機進給驅(qū)動的主要優(yōu)點

 

進給速度范圍寬?？蓮?（1）m/s到20m/min以上，目前加工中心的快進速度已達208m/min，而傳統(tǒng)機床快進速度<60m/min，一般為20～30m/min。

 

速度特性好。速度偏差可達（1）0.01%以下。

 

加速度大。直線電機加速度可達30g，目前加工中心的進給加速度已達3.24g，激光加工機的進給加速度已達5g，而傳統(tǒng)機床進給加速度在1g以下，一般為0.3g。

 

定位精度高。采用光柵閉環(huán)控制，定位精度可達0.1～0.01（1）mm。應(yīng)用前饋控制的直線電機驅(qū)動系統(tǒng)可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運動部件的動態(tài)特性好，響應(yīng)靈敏，加上插補控制的精細化，可實現(xiàn)納米級控制。

 

行程不受限制。傳統(tǒng)的絲杠傳動受絲杠制造工藝限制，一般4～6m，更的行程需要接長絲杠，無論從制造工藝還是在性能上都不理想。而采用直線電機驅(qū)動，定子可加長，且制造工藝簡單，已有大型高速加工中心X軸長達40m以上。

 

結(jié)構(gòu)簡單、運動平穩(wěn)、噪聲小，運動部件摩擦小、磨損小、使用壽命長、可靠。

 

三、直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的進展

 

直線電機與普通電機在原理上類似，它只是電機圓柱面的展開，其種類與傳統(tǒng)電機相同，例如：直流直線電機，交流永磁同步直線電機，交流感應(yīng)異步直線電機，步進直線電機等。

 

作為可控制運動精度的直線伺服電機在上世紀80年代末出現(xiàn)后，隨著材料（如永磁材料）、功率器件、控制技術(shù)及傳感技術(shù)的發(fā)展，直線伺服電機的性能不斷提高，成本日益下降，為其廣泛的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

 

近年來，直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的進展表現(xiàn)在以下方面：（1）性能不斷提高（如推力、速度、加速度、分辨率等）；（2）體積減小，溫升降低；（3）品種覆蓋面廣，可滿足不同類型機床的要求；（4）成本大幅度下降；（5）安裝和防護簡便；（6）可靠性好；（7）包括數(shù)控系統(tǒng)在內(nèi)的配套技術(shù)日趨完善；（8）商品化程度高。

 

目前直線伺服電機及其驅(qū)動系統(tǒng)的知名供應(yīng)商主要有：德Siemens公司，Indramat公司；日本FANUC，三菱公司；美Anorad，科爾摩根公司；瑞士ETEL公司等。

 

具有代表性的直線電機產(chǎn)品的技術(shù)指標：

 

FANUC L17000C3/2is；推力17000N；連續(xù)推力3400N（自然冷）/4080N（氣冷）/6800（水冷）；速度240m/min（4m/s）；加速度30g；分辨率0.01（1）m。

 

Siemens 1FN3：推力20700N；連續(xù)推力8100N（水冷）；速度253m/min。

 

在控制系統(tǒng)方面，Siemens、FANUC等系統(tǒng)供應(yīng)商都可提供與直線電機控制相對應(yīng)的控制軟件和接口。由于歐洲機床上應(yīng)用直線電機較多，因此采用Siemens系統(tǒng)（如8l0D，840D）較多。

 

中國科學(xué)院電工所、浙江大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等對直線電機開展了多年研究，江蘇、哈爾濱、廣東等一些公司已有小功率直線電機產(chǎn)品。

 

清華大學(xué)在“十五”攻關(guān)項目中研制成功交流永磁同步直線電機及其伺服系統(tǒng)，其運動速度60m/min，加速度5g，推力5000N，目前已與江蘇瑞安特公司開始合作生產(chǎn)。

 

四、直線電機進給驅(qū)動在機床上的應(yīng)用情況

 

表1 直線電機驅(qū)動的國產(chǎn)機床部分典型產(chǎn)品 機床類型 型號 廠商 主要特點

 

電火花成形機床 GV754L 北京機床研究所 快進速度24m/min

 

加速度1.5g

 

立式加工中心 VS1250 北京機電院高技術(shù)

 

股份公司 X/Y軸直線電機，

 

快進80/120m/min

 

加速度0.8/1.5g

 

立式加工中心 XH716/5X-SM 江蘇多棱數(shù)控機床有限責(zé)任公司 X軸直線電機

 

車銑中心 沈陽機床集團 X軸直線電機，

 

快進60m/min

 

活塞車床 G-CNCP200 清華大學(xué) X軸直線電機

 

凸輪磨床 北京航空航天大學(xué) 頭架驅(qū)動用直線電機，

 

精度提高，無振紋