一、引言

 

數(shù)控機(jī)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(jìn)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(jī)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(yùn)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(jìn)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(jī)到工作部件之間的各種中間環(huán)節(jié)。隨著電機(jī)及其驅(qū)動控制技術(shù)的發(fā)展，電主軸、直線電機(jī)、力矩電機(jī)的出現(xiàn)和技術(shù)的日益成熟，使主軸、直線和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)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(jī)及其驅(qū)動控制技術(shù)在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動上的應(yīng)用，使機(jī)床的傳動結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了重大變化，并使機(jī)床性能有了新的飛躍。

 

二、直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動的主要優(yōu)點(diǎn)

 

進(jìn)給速度范圍寬。可從1（1）m/s到20m/min以上，目前加工中心的快進(jìn)速度已達(dá)208m/min，而傳統(tǒng)機(jī)床快進(jìn)速度<60m/min，一般為20～30m/min。

 

速度特性好。速度偏差可達(dá)（1）0.01%以下。

 

加速度大。直線電機(jī)加速度可達(dá)30g，目前加工中心的進(jìn)給加速度已達(dá)3.24g，激光加工機(jī)的進(jìn)給加速度已達(dá)5g，而傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)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(dá)0.1～0.01（1）mm。應(yīng)用前饋控制的直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運(yùn)動部件的動態(tài)特性好，響應(yīng)靈敏，加上插補(bǔ)控制的精細(xì)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(jī)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(dá)40m以上。

 

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

 

三、直線電機(jī)及其驅(qū)動控制技術(shù)的進(jìn)展

 

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

 

作為可控制運(yùn)動精度的直線伺服電機(jī)在上世紀(jì)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(jī)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(jī)及其驅(qū)動控制技術(shù)的進(jìn)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(jī)床的要求；（4）成本大幅度下降；（5）安裝和防護(hù)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(jī)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(jī)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)：

 

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(jī)控制相對應(yīng)的控制軟件和接口。由于歐洲機(jī)床上應(yīng)用直線電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)及其伺服系統(tǒng)，其運(yùn)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(jī)進(jìn)給驅(qū)動在機(jī)床上的應(yīng)用情況

 

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

 

電火花成形機(jī)床 GV754L 北京機(jī)床研究所 快進(jìn)速度24m/min

 

加速度1.5g

 

立式加工中心 VS1250 北京機(jī)電院高技術(shù)

 

股份公司 X/Y軸直線電機(jī)，

 

快進(jìn)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(jī)床有限責(zé)任公司 X軸直線電機(jī)

 

車銑中心 沈陽機(jī)床集團(tuán) X軸直線電機(jī)，

 

快進(jìn)60m/min

 

活塞車床 G-CNCP200 清華大學(xué) X軸直線電機(jī)

 

凸輪磨床 北京航空航天大學(xué) 頭架驅(qū)動用直線電機(jī)，

 

精度提高，無振紋