高檔數(shù)控機床中永磁直線同步電機驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

尹宜勇，賈志新，李 威

YIN Yi-yong, JIA Zhi-xin, LI Wei

（北京科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

近期中央出臺的十大行業(yè)調(diào)整振興規(guī)劃，給機床工具行業(yè)的戰(zhàn)略調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級提供了前所未有的市場需求機遇，同時也給我國數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來難得的發(fā)展機遇。中國經(jīng)濟的下一步發(fā)展急需大批中高檔數(shù)控機床[1]。

高檔數(shù)控機床一般是指具有高速、高精度和多軸加工能力的機床。這就要求高檔數(shù)控機床的進給驅(qū)動系統(tǒng)必須具備很高的加速度，來實現(xiàn)高的進給速度。但傳統(tǒng)數(shù)控機床的驅(qū)動系統(tǒng)大都依賴旋轉(zhuǎn)電機加絲杠驅(qū)動。絲杠驅(qū)動本身就具有一系列不利因素，包括：剛度與長度的限制、摩擦、扭曲、較長的振動衰減時間、與電機的耦合慣量以及絲杠的軸向壓縮等。所有這些因素都限制了傳統(tǒng)驅(qū)動裝置的速度、精度和效率。

高速反應(yīng)能力的直線電機驅(qū)動技術(shù)——所謂的零傳動方式由于消除了傳統(tǒng)機械傳動鏈所帶來的一系列不良影響。因而極大地提高了進給系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力和運動精度，成為新一代數(shù)控機床中最具代表性的先進技術(shù)之一[2]。直線電機驅(qū)動技術(shù)在高檔數(shù)控機床上開始得到了可喜的應(yīng)用，其前景是誘人的。然而，直線電機驅(qū)動技術(shù)在應(yīng)用中也存在著不少需要解決的技術(shù)問題。

1 應(yīng)用于高檔數(shù)控機床的直線電機形式

在高檔數(shù)控機床上應(yīng)用的直線電機主要是交流直線電機，交流直線電機又分為直線感應(yīng)電機和永磁直線同步電機。

直線感應(yīng)電機結(jié)構(gòu)有平面型和圓筒型兩種。對于直線行程小于500mm的場合，一般采用圓筒型。對于較長行程的場合通常采用平面型結(jié)構(gòu)。直線感應(yīng)電機一般由SPWM變頻器供電，采用矢量控制及其它一些智能控制方式并針對直線電機的特點，增加一些補償辦法。永磁直線同步電機一般由專用逆變器供電，通過PWM調(diào)制，采用PID調(diào)節(jié)控制及DSP等控制方式。兩種型式各有優(yōu)劣。從總體性能上，永磁式直線同步電動機具有較大優(yōu)勢，但從價格和防磁、防塵角度看，則感應(yīng)式直線異步電動機具有它的優(yōu)勢[3]。

永磁直線同步電機兼有直線電機和永磁電機的雙重特點，具有推力大、響應(yīng)速度快、體積小等特點，是構(gòu)成高速高精度直線進給系統(tǒng)的首選機型。永磁材料性能的不斷提高及其價格的降低使永磁直線同步電機的優(yōu)點更加明顯。所以，永磁直線同步電機更適合用于直線電機驅(qū)動技術(shù)，它提高了驅(qū)動系統(tǒng)的移動速度、加速度和運動精度，在高速、高精度數(shù)控機床中的應(yīng)用越來越廣泛。下面僅對永磁直線同步電機在高檔數(shù)控機床上的應(yīng)用技術(shù)進行分析。

2 永磁直線同步電機在高檔數(shù)控機床上應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 法向磁吸力

永磁直線同步電機除了產(chǎn)生平行于運動方向的推力之外，還會在動子與定子之間產(chǎn)生一個垂直于進給運動方向的法向磁吸力，其數(shù)值為推力的10倍左右[4]。因為電機的定子是由永磁體組成的，所以無論電機動子中是否通電，法向磁吸力都存在。單邊型永磁直線同步電機驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生的法向磁吸力使承受垂向力的直線導(dǎo)軌產(chǎn)生較大的變形，影響了數(shù)控機床的加工精度。法向磁吸力還增大了直線導(dǎo)軌和滑塊之間的壓力，進而使兩者之間的摩擦力增加，會使推力產(chǎn)生波動，降低了數(shù)控機床的動態(tài)性能。目前主要通過采用雙變型結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法來解決法向磁吸力引起的問題。

針對此問題，可將永磁直線同步電機的動子、定子與機床直線導(dǎo)軌副結(jié)合起來設(shè)計，如圖1所示，1為直線電機座，2為定子連接塊，3為電機定子，4為電機動子，5為動子連接塊，6為直線導(dǎo)軌，7為工作臺，8為滑塊，9為底座。

圖1 雙直線電機水平進給平臺主視圖

如圖2所示，兩個永磁直線同步電機分別布置在工作臺運動模塊的兩側(cè)，組成A字型結(jié)構(gòu)水平進給平臺。利用動子與定子之間的法向磁吸力來實現(xiàn)了兩個永磁直線同步電機法向磁吸力水平方向的分力抵消為零，垂直方向的分力抵消了工作臺的部分重力，減小了滑塊和直線導(dǎo)軌之間的摩擦力。定子連接塊、動子連接塊橫截面的梯形設(shè)計可以在數(shù)控機床的床身、立柱等基礎(chǔ)部件不改變的情況下更好地安裝該水平進給平臺。

2.2 電機發(fā)熱問題

永磁直線同步電機運行時，由于銅損和鐵損，線圈會發(fā)熱，其溫度將會超過100℃[5]，永磁直線同步電機本身由于結(jié)構(gòu)簡單，其散熱效果還是比較好的。但是當電機應(yīng)用于數(shù)控機床時，通常安裝在機床內(nèi)部，造成散熱困難。

圖2 雙直線電機水平進給平臺立體結(jié)構(gòu)圖

如圖3所示為某型號直線電機的表面的發(fā)熱特性，橫坐標表示電機的連續(xù)額定推力的百分比，縱坐標表示動子熱力學(xué)溫度變化?？芍幢阍谒涞臈l件下，動子表面的溫升仍有15K以上。對于直線電機負荷變化頻繁的情況，初級的發(fā)熱量變化也會較大，若機床的精度要求較高，則很難滿足要求。

圖3 某型號直線電機的表面發(fā)熱特性

永磁直線同步電機的繞組、鐵芯就處在機床導(dǎo)軌附近，將嚴重引起機床導(dǎo)軌熱變形，進而影響機床的加工精度。動子溫度的升高將引起內(nèi)部繞組阻值的增大, 為使輸出力矩保持不變,就要增大繞組上的電流,反過來電流的增大又會使溫度升高, 從而形成惡性循環(huán)。所以在高檔數(shù)控機床上應(yīng)用直線電機驅(qū)動技術(shù)，解決好其散熱問題是至關(guān)重要的。

2.3 隔磁與防護問題

永磁直線同步電機要在機床定子鋼板上安裝一排強磁的永久磁鐵，而切屑、工件和工具等磁性材料很容易被永磁直線同步電機的磁場吸住，使裝配、加工很難進行。應(yīng)用于高檔數(shù)控機床上的直線電機動子和定子之間的間隙約為1mm，當磁性切屑和空氣中的磁性塵埃被吸入永磁直線同步電機的動子與定子之間很小的氣隙中，就會造成氣隙間距變的更小甚至堵塞，所以應(yīng)采取有效的隔磁防護措施。

例如，南通科技的VH1100高速立式加工中心設(shè)計上使用了新穎的循環(huán)防護板結(jié)構(gòu)的防護裝置，在加工區(qū)，無接縫的防護鋼帶被夾持在貼有塑料導(dǎo)軌板的導(dǎo)向槽內(nèi)，導(dǎo)向槽與鋼帶的配合是該技術(shù)的關(guān)鍵。

永磁直線同步電機兩端要有緩沖防護裝置和電子限位開關(guān)，防止動子失控后的碰撞。對電纜線要加保護拖鏈，輸出信號線還要加屏蔽體[6]。并且還需考慮對機床冷卻液、潤滑油等的防護。

3 結(jié)束語

永磁直線同步電機在高檔數(shù)控機床中已經(jīng)開始得到了可喜的應(yīng)用。然而直線電機直接驅(qū)動系統(tǒng)在高檔數(shù)控機床中也存在著一些需要解決的問題。2008年12月，《高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備科技重大專項》得到國家批準。專項已經(jīng)逐步啟動實施，機床行業(yè)自主創(chuàng)新能力將近一步提高，為國產(chǎn)高檔數(shù)控機床功能部件特別是直線電機的應(yīng)用提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

[1]中國機床工具工業(yè)協(xié)會數(shù)控系統(tǒng)分會.第十一屆中國國際機床展覽會(CIMT2009)國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)展品綜述[J].制造技術(shù)與機床,2009(8):34-39.

[2]郭慶鼎,趙希梅.直線電動機在機床伺服驅(qū)動應(yīng)用中的若干問題與展望[J].電氣應(yīng)用,2006,25(4):130-133.

[3]葉云岳.直線電機在現(xiàn)代機床業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].電機技術(shù),2010(3):1-5.

[4]張春良,陳子辰,梅德慶.直線電機伺服進給系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)問題[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2001(11):37-40.

[5]Jang C,Kim J,Kim Y.Thermal resistance modeling of linear motor driven stages for chip mounter applications[C].8th Intersociety Conference on Thermal and Thermommechanical phenomena in Electronic Systems,SanDiego,USA,2002.

[6]劉泉,張建民,王先逵.直線電機在機床工業(yè)中的最新應(yīng)用及技術(shù)分析[J].機床與液壓,2004(6):1-3.