直线电动机实现机床进给系统零传动

空中的鱼

　　1引言
# I7 l, [# I- W0 m1 x5 q6 P6 U0 K　　高速化、精密化和模块化是现代制造技术的发展方向。新的切削理论认为：当切削速度达到一定程度(约500m/min)后，切削区温度不再上升，并且切削力反而会减小，刀具磨损也减少。这样在提高生产率的同时还能提高零件的表面质量和加工精度。
　　一般来说，高速加工的切削速度和进给速度都比常规加工要高出一个数量级。因此高速主轴和快速进给系统是实现高速加工的两项关键技术，其中对进给系统提出了以下新要求：(1)进给速度必须与高速主轴相匹配，达到60m/min或更高：(2)加速度要大，这样才能在最短的时间和行程内达到要求的高速度，至少要1～2g：(3)动态性能要好，能实现快速的伺服控制和误差补偿，具有较高的定位精度和刚度。
　　长期以来，数控机床的进给系统主要是“旋转伺服电动机，滚珠丝杠”，这种进给系统所能达到的最高进给速度为90～120m/min，最大加速度只有1.5g。同时，由于从电动机主轴到工作台之间存在联轴节、丝杠、螺母、轴承、支架等一系列中间环节，当进给部件要完成启动、加减速、反转、停车等动作时，这些机械元件产生的弹性变形、摩擦、反向间隙等，会造成进给运动的滞后和其它许多非线性误差：这些中间环节也加大了系统的惯性质量，影响了对运动指令的快速响应。另外，丝杠是细长杆，在力和热的作用下，会产生变形，影响加工精度。
- a: Y% d- D5 V! ?　　为了克服传统进给系统的缺点，简化机床结构，满足高速精密加工的要求，人们开始研究新型的进给系统，直线电动机就是最有前途的快速进给系统。它取消了源动力和工作台部件之间的一切中间传动环节，使得机床进给传动链的长度为零，这就是所谓的“直接驱动”或“零传动”。
　　2直线电动机的原理和分类
　　所谓直线电动机就是利用电磁作用原理，将电能直接转换直线运动动能的设备。在实际的应用中，为了保证在整个行程之内初级与次级之间的耦合保持不变，一般要将初级与次级制造成不同的长度。直线电动机与旋转电动机类似，通入三相电流后，也会在气隙中产生磁场，如果不考虑端部效应，磁场在直线方向呈正弦分布，只是这个磁场是平移而不是旋转的，因此称为行波磁场。行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力，这就是直线电动机运行的基本原理。由于直线电动机和旋转电动机之间存在以上对应关系，因此每种旋转电动机都有相对应的直线电动机，但直线电动机的结构形式比旋转电动机更灵活。直线电动机按工作原理可分为：直线直流电动机、直线感应电动机、直线同步电动机、直线步进电动机、直线压电电动机及直线磁阻电动机：按结构形式可分为平板式、U形及圆筒式。
  A8 ?9 \$ i0 N4 b  A6 m　　3直线电动机的优缺点分析
　　直线电动机的特点在于直接产生直线运动，与间接产生直线运动的“旋转电动机，滚动丝杠”相比，其优点是(具体性能见下表)：
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　　(1)没有机械接触，传动力是在气隙中产生的，除了导轨外没有其它摩擦：(2)结构简单，体积小，以最少的零部件数量实现直线驱动，而且是只有一个运动的部件：(3)行程在理论上不受限制，而且性能不会因为行程的改变而受到影响：(4)可以提供很宽的速度范围，从每秒几微米到数米，特别是高速是其一个突出的优点：(5)加速度很大，最大可达10g：(6)运动平稳，这是因为除了起支撑作用的直线导轨或气浮轴承外，没有其它机械连接或转换装置的缘故：(7)精度和重复精度高，因为消除了影响精度的中间环节，系统的精度取决于位置检测元件，有合适的反馈装置可达亚微米级：(8)维护简单，由于部件少，运动时无机械接触，从而大大降低了零部件的磨损，只需很少甚至无需维护，使用寿命更长。
　　直线电动机与“旋转电动机，滚珠丝杠”传动性能比较表

　　直线电动机的缺点是：首先直线电动机端部磁场的畸变影响到行波磁场的完整性，使直线电动机损耗增加，推力减小，而且存在较大的推力波动，这就是直线电动机特有的“端部效应(Edge Effect)”。直线电动机的结构特点决定了端部效应是不可避免的。其次直线电动机的控制难度大，因为在电动机的运行过程中负载(如工件重量、切削力等)的变化、系统参数摄动和各种干扰(如摩擦力等)，包括端部效应都直接作用到电动机上，没有任何缓冲或削弱环节，如果控制系统的鲁棒性不强，会造成系统的失稳和性能的下降。其他缺点包括安装困难、需要隔磁、效率低、成本高等。
! ^& W- o+ G0 q, `+ N　　制造业中满足高速加工中心进给系统要求的主要是交流直线电动机。交流直线电动机可分为感应式和同步式两大类。虽然同步式直线电动机比感应式直线电动机成本较高、装配困难、需要屏蔽磁场，但效率较高、结构简单、次级不用冷却、控制方便、更容易达到所要求的高性能，并且随着钕铁硼(NdFeB)永磁材料的出现和发展，永磁同步直线电动机将逐渐发展成主流。因此在高速加工中心中永磁交流同步直线电动机所占的比例将越来越高。
' B0 m* G/ `8 R4 \  _　　4直线电动机的发展及应用
4 Y5 g! N2 E$ v! S8 g- {) r, k　　国外直线电动机发展
, x# Z& s# M5 t' l/ r) i" j　　发展历史
: x6 z/ m) R' x- u0 u9 P　　直线电动机发展的起点并不比旋转电动机晚很多，在世界上出现旋转电动机后不久，就出现了直线电动机的雏形，但直线电动机的发展过程是曲折的。
　　1845年英国人Charles Wheastone发明了世界上第一台直线电动机，但这种直线电动机由于气隙过大而导致效率很低，未获成功。到20世纪中叶，控制、电子、材料等技术的发展，为直线电动机的开发提供了理论和技术上的支持，直线电动机开始进入新的发展阶段。英国的E.R.Laithwaite教授是现代直线电动机发展的先驱者，他强调直线电动机的基础研究，以他为首的研究小组取得了不少重要的成果。代表人物还有日本的山田一教授，他撰写了多本有关直线电动机的著作。20世纪70年代以后，直线电动机应用的领域更加广泛，如自动绘图仪、液态金属泵(MHD)、电磁锤、轻工机械、家电、空气压缩机和半导体制造装置等。90年代以后，随着高速加工概念的提出，直线电动机开始作为进给系统出现在加工中心中。由于直接驱动进给系统具有传统进给系统无法比拟的优点和潜力，再次受到各国的重视。据有关报导，美国1997年直线电动机及驱动装置的销售额为4553万美元，预计2002年将达到10772万美元。
　　直线电动机作为一种机电系统，将机械结构简单化，电气控制复杂化，符合现代机电技术的发展趋势。
) p9 D- K" B! ^7 x　　美国的Anorad公司是世界上最著名的直线电动机生产商，该公司在1988年就推出了无刷直流直线电动机，并获得美国专利。公司主要生产永磁同步式直线电动机，形成了不同结构、不同功率的一系列产品，广泛应用于各种领域。
/ ]( O1 F) Q/ ~" {　　德国的Indramat公司既生产感应式直线电动机，又生产永磁式直线电动机，共50多个型号。永磁式具有高效率(最高1.72N/W)和高推力密度的特点。据报导，其产品速度能达到600m/min，推力达22kN。
　　为了降低直线电动机的价格，Trilogy公司推出了直线编码模块(LEM)。它利用电动机的磁场提供位置的反馈，与行程无关。可工作于恶劣的环境，提供的换向信号与全行程传感器一样，分辨率和重复精度为5µm。
) d  p" [1 l, h$ p　　其他直线电动机生产商的产品各具特色，详细请见刘金凌等所著《高频响直流直线电机》(刊于《微特电机》1993年第4期)。在机床和加工中心的应用直线电动机在高速加工中心和其它大行程数控机床进给系统中的应用还是近几年的事情。安装直线电动机的机床必须有先进的数控系统、很高的刚度和固有频率，移动部件的质量要尽量小，这样才能充分发挥直线电动机的能力。另外，机床中直接驱动进给系统的设计还要考虑冷却与散热问题。为了防止切屑和各种粉末被直线电动机的敞开式磁场吸引，还必须采取隔磁和防磁措施。此外，直线电动机不象丝杠那样可以自锁，如果电动机垂直安装，还要考虑平衡配重和制动等环节。Ford、Ingersoll和Anorad公司在80年代中期的合作，最初实现了直线电动机在机床上的应用。Ford公司希望机床既高速、高精度，又高柔性。合作的结果是Ingersoll公司推出了“高速模块”HVM800，其三轴都安装了Anorad公司的永磁式直线电动机，获得很好的性能。
! w5 R5 K  E4 p- }. x　　德国Ex-Cell-O公司于1993年在德国汉诺威欧洲机床会上展出世界上第一台直线电动机驱动工作台的XHC240型高速加工中心，采用的是德国Indramat公司开发的感应式直线电动机，各轴移动速度高达80m/min，加速度可达1g。之后，许多厂商纷纷推出安装直线电动机的加工中心。据统计，1997年采用直线电动机的机床销售量为300台，预计到2005年将增加到3000台。10年后，将有20%的数控机床安装直线电动机。
　　除了切削加工机床外，其他机床如激光切割、等离子切割、电火花加工等设备也开始应用直线电动机。
　　国内直线电动机的研究情况
　　虽然国内研究直线电动机的单位不少，但将直线电动机作为机床或加工中心进给系统研究的主要有3所大学：广东工业大学成立了“超高速加工与机床研究室”，主要研究和开发“超高速电主轴”和“直线电动机高速进给单元”。他们研究的是直线感应电动机，开发了GD-3型直线电动机高速数控进给单元，额定进给力为2kN，最高进给速度100m/min，定位精度0.004mm，行程为800mm。从90年代后期开始，沈阳工业大学对永磁直线同步电动机进行研究，并制造了推力为100N的样机。他们研究的另一重点是电动机的控制方式及伺服系统，并就此发表了多篇论文。清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所成功地研制了高频响直流直线电动机，行程可达5mm，截止频率大于250Hz，推力达几百牛顿，用于驱动中凸变活塞车床的横向刀架，在实际加工中获得了较好的应用效果。现在正在进行研究的是长行程永磁直线伺服单元，电动机的额定推力为1500N，最高速度60m/min，空载最大加速度1g，行程600mm。
- F4 b: U7 {- X! c. R4 S; u4 N. M　　应该看到，在国内，直线电动机特别是机床进给系统中的直线伺服电动机的研究还处于起步阶段，研究人员和经费明显不足，进展也比较慢，和国外的差距越来越大，加强研究已是迫在眉睫。为了打破国外的技术垄断，必须走技术跟踪和自主开发相结合的道路，加强基础和关键技术的研究。
　　5发展趋势与研究方向
  M* z4 I+ s5 A　　发展趋势
　　目前直线电动机直接驱动技术的发展呈现出以下趋势：
　　机床进给系统用直线伺服电动机，将以永磁式为主导：
8 W: W8 j0 {! k" k; K3 q4 U　　将电动机、编码器、导轨、电缆等集成，减小电动机尺寸，便于安装和使用：
  y. P' T! f2 B! L( B. _　　将各功能部件(导轨、编码器、轴承、接线器等)模块化：
　　注重相关技术的发展，如位置反馈元件、控制技术等，这是提高直线电动机性能的基础。
　　研究方向
+ M% n0 z4 t, G. `( r3 C: f　　直线电动机的研究目标是提高电动机性能，满足应用要求。直线电动机的主要性能包括速度、加速度、推力及其波动、定位精度、重复定位精度、机械特性(速度-推力特性)、瞬态性能(速度响应)和热特性等。
5 n$ d7 ?0 ~8 ^# w　　作为一种机电系统，要提高性能无非可从结构和控制两方面着手。
　　结构设计
　　直线电动机包括初、次级磁路结构以及支撑、传感测量、冷却、防尘、防护等机械结构。
　　磁路设计
　　磁路设计最重要的任务是使电动机的推力和推力波动达到设计要求。
　　电动机内磁场分布的计算是磁路设计的基础。由于结构的特殊性，使得直线电动机存在端部效应，引起磁场的畸变，同时使用硅钢片等软磁材料来聚合磁路，媒质边界曲折交错、磁路复杂、非线性强。如果采用传统的等效磁路法或图解法进行计算，将会产生较大的误差，甚至是不可能的。因此目前普遍采用数值解法—主要是用有限元法(FEM)来计算直线电动机的磁场分布，从而进一步计算推力及其波动以及垂直力等性能。目前市场上已经有很多优秀的电磁场FEM软件可供选用，所以用FEM计算直线电动机电磁场的关键点在于建立精确的有限元模型。减少推力波动是磁路设计的一个重点也是难点。推力波动产生的原因有：初级电流和反电动势存在高次谐波、气隙磁密波形非正弦、齿槽效应、端部效应等。通过优化永磁铁的形状和排列方式、降低永磁励磁磁密、初级采用无铁心和多极结构、增加槽的数目、加大气隙等措施可以减小推力波动，但某些措施会造成其它性能的减弱，所以设计时应综合考虑设计要求，达到最佳效果。
　　机械结构设计机械结构涉及的问题很多，在这里我们只强调一下对冷却系统的研究，因为这个问题很容易被忽略。其实热特性是直线电动机的一个重要特性，同一型号的电动机有冷却时的推力峰值是无冷却时的两倍，所以电动机冷却系统的好坏对电动机的性能有很大的影响，从冷却系统着手进行优化设计是提高电动机性能的一条捷径。电动机热特性的分析一般也采用有限元法，在计算结果的基础上对冷却进行优化设计。
　　控制技术的研究
　　控制技术是直线电动机设计的另一个重点和难点。
6 [. K+ }4 o  f3 D0 o% P) e5 z　　直线伺服系统运行时直接驱动负载，这样负载的变化就直接反作用于电动机：外界扰动，如工件或刀具质量、切削力的变化等，也未经衰减就直接作用于电动机：电动机参数的变化也直接影响着电动机的正常运行：直线导轨存在摩擦力：直线电动机还存在齿槽效应和端部效应。这些因素都给直线电动机的控制带来困难。控制算法中必须要对这些扰动予以抑制或补偿，否则容易造成控制系统的失稳。
# r/ J$ R6 V$ H! a2 X* G& F　　总体来说，控制器的设计要达到以下要求：稳态跟踪精度高、动态响应快、抗干扰能力强、鲁棒性好。不同的直线电动机或不同的应用场合对控制算法会提出不同的要求，所以要根据具体情况采用合适的控制方法。目前直线伺服电动机采用的控制策略主要有传统的PID控制、解耦控制，现代控制方法如非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制、H∞控制、智能控制如模糊控制、人工智能(如人工神经元网络系统)控制等。
　　可以看出，直线电动机的控制算法运算量大，而且在高速加工进给系统的实际应用中实时性很强，因此对整个数控系统提出了很高的要求。要满足这种要求，在优化控制算法的同时，还应采用高性能的硬件。在高速加工中心进给系统中通常采用全数字驱动技术，以PC作为基本平台，DSP实现插补和伺服控制。
+ ~8 n% {# |# _3 u　　虽然直线电动机的控制比旋转电动机难度大得多，但他们的电磁特性和运行原理基本相似，而旋转电动机的伺服控制技术已发展得比较成熟。所以在实验研究阶段，为了尽快建立实验系统，以验证设计的可行性，我们也可以将旋转电动机的伺服控制器改造成直线电动机的伺服控制器，这样可以降低研制的成本和周期，对开发专用的直线电动机伺服控制器也有指导意义。
　　试验研究理论研究是设计的基础，但要确定电动机的性能，归根到底还要靠具体的试验。旋转电动机的性能试验技术已经很成熟，并且已经标准化，但直线电动机的性能试验还没有统一的方法。因此研究高效精确的直线电动机性能试验方法也是一个很重要的课题，对理论研究也有促进作用。试验研究的关键点在于各项参数如速度、加速度、静态力、动态力、位移、温度等的准确测量，如果需要还要设计专门的试验台。根据理论计算的结果进行设计方案优化，在此基础上制造出样机，然后通过对样机进行性能试验，验证设计的正确性。一台性能优良的直线电动机往往要经过多次反复计算、试验才能制造出来。【MechNet】
1 ?' E4 l5 f" L) }- E4 u; X- `文章关键词： 电动机