一、引言

 

數控機床正在向精密、高速、復合、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。問題的癥結在傳統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、聯軸器、離合器等中間傳動環(huán)節(jié)，在些環(huán)節(jié)中產生了較大的轉動慣量、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)。隨著電機及其驅動控制技術的發(fā)展，電主軸、直線電機、力矩電機的出現和技術的日益成熟，使主軸、直線和旋轉坐標運動的“直接傳動”概念變?yōu)楝F實，并日益顯示其巨大的優(yōu)越性。直線電機及其驅動控制技術在機床進給驅動上的應用，使機床的傳動結構出現了重大變化，并使機床性能有了新的飛躍。

 

二、直線電機進給驅動的主要優(yōu)點

 

進給速度范圍寬。可從1（1）m/s到20m/min以上，目前加工中心的快進速度已達208m/min，而傳統機床快進速度<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。應用前饋控制的直線電機驅動系統可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運動部件的動態(tài)特性好，響應靈敏，加上插補控制的精細化，可實現納米級控制。

 

行程不受限制。傳統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。

 

結構簡單、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、直線電機及其驅動控制技術的進展

 

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年代末出現后，隨著材料（如永磁材料）、功率器件、控制技術及傳感技術的發(fā)展，直線伺服電機的性能不斷提高，成本日益下降，為其廣泛的應用創(chuàng)造了條件。

 

近年來，直線電機及其驅動控制技術的進展表現在以下方面：（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）包括數控系統在內的配套技術日趨完善；（8）商品化程度高。

 

目前直線伺服電機及其驅動系統的知名供應商主要有：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品的技術指標：

 

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。

 

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

 

中國科學院電工所、浙江大學、沈陽工業(yè)大學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品。

 

清華大學在“十五”攻關項目中研制成功交流永磁同步直線電機及其伺服系統，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。

 

四、直線電機進給驅動在機床上的應用情況

 

表1 直線電機驅動的國產機床部分典型產品 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

 

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 江蘇多棱數控機床有限責任公司 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 X軸直線電機

 

凸輪磨床 北京航空航天大學 頭架驅動用直線電機，

 

精度提高，無振紋