直線電機(jī)在立式加工中心上的應(yīng)用

王亮，張偉

（沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110142）

1 引言

隨著世界機(jī)床業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)床的速度、加速度、精度的要求也不斷提升，直線電機(jī)以其無(wú)沖擊、無(wú)磨損、噪聲低、效率高、精度高等特點(diǎn)為高速高精機(jī)床所青睞。1993年首臺(tái)采用直線電機(jī)的數(shù)控加工中心研制成功，如今用直線電機(jī)取代絲杠傳動(dòng)已成為機(jī)床行業(yè)發(fā)展的新方向。國(guó)內(nèi)外各大知名機(jī)床企業(yè)、科研院校都積極參與到直線電機(jī)的研制和其在機(jī)床行業(yè)應(yīng)用的研究中去，投入了大量的人力和物力，并取得了一定的成果。

2 直線電機(jī)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)方式相比，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有以下特點(diǎn)［1］：

（1）直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)的原理是將原始的電機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)床的速度、加速度、動(dòng)靜剛度、定位精度以及動(dòng)態(tài)性能都將得到大幅改觀。數(shù)字控制技術(shù)和閉環(huán)反饋系統(tǒng)的使用，又使得直線電機(jī)獲得高質(zhì)量的控制效果，進(jìn)而獲得高的定位精度。

（2）直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)無(wú)需使用機(jī)械傳動(dòng)部件，真正實(shí)現(xiàn)了零傳動(dòng)，無(wú)沖擊、無(wú)磨損、噪聲低，同時(shí)具有較高的剛度、精度和裝配維修簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。采用直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)的機(jī)床在快移、加速及回程等性能方面較傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式有了大幅的提升，從而提高了生產(chǎn)率。

（3）與傳統(tǒng)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)相比，直線驅(qū)動(dòng)進(jìn)給方式在進(jìn)給方向上的動(dòng)態(tài)特性與傳動(dòng)路線無(wú)關(guān)，而只受機(jī)床結(jié)構(gòu)的制約。在機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)為了完全發(fā)揮直線電機(jī)的特點(diǎn)，必須對(duì)相關(guān)的部件進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，并且對(duì)由直線電機(jī)的缺點(diǎn)而帶來(lái)的問(wèn)題要給予充分考慮。

3 直線電機(jī)應(yīng)用中遇到的問(wèn)題和解決辦法

3.1 直線電機(jī)的選擇

交流直線同步電動(dòng)機(jī)按照工作原理不同可分為電磁式、永磁式、混合式等幾個(gè)種類［2］，其中永磁式直線同步電動(dòng)機(jī)以其高效、低損耗、尺寸小、維修保養(yǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于機(jī)床行業(yè)。

本機(jī)床在直線電機(jī)選型時(shí)根據(jù)用戶需求、機(jī)床結(jié)構(gòu)和直線電機(jī)特點(diǎn)等方面綜合考慮，最終選擇了ETEL 公司生產(chǎn)的永磁式直線同步電動(dòng)機(jī)（下簡(jiǎn)稱直線電機(jī)）。

3.2 設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題

（1）法向磁吸力

永磁式直線電機(jī)除了會(huì)在進(jìn)給方向上產(chǎn)生推力之外，還會(huì)在初級(jí)與次級(jí)之間產(chǎn)生一個(gè)與進(jìn)給方向垂直的法向磁吸力。因?yàn)殡姍C(jī)的次級(jí)是由永磁材料組成的，電機(jī)的初級(jí)又為磁性材料，所以無(wú)論電機(jī)是否通電，法向磁吸力都存在［3］。在設(shè)計(jì)中選用的這款直線電機(jī)的法向磁吸力約為30kN。

圖1 水平放置直線電機(jī)的機(jī)床結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，如果將左右立柱上的直線電機(jī)水平放置，法向磁吸力會(huì)使承受垂向力的直線導(dǎo)軌產(chǎn)生較大的變形，容易影響數(shù)控機(jī)床的加工精度。為了改善直線導(dǎo)軌的受力情況，考慮將直線電機(jī)豎直放置，如圖2 所示。這樣的設(shè)計(jì)帶來(lái)的問(wèn)題就是 零 件 A在30kN的磁吸力作用下極易變形，造成初級(jí)和次級(jí)的間隙減小或不均勻，電機(jī)推力的波動(dòng)性大。

綜合考慮這兩種設(shè)計(jì)方案最終選取圖1的設(shè)計(jì)方法。為了減小直線導(dǎo)軌的受力變形量，一方面，增加了導(dǎo)軌的數(shù)量，做到單側(cè)立柱兩根導(dǎo)軌，如圖3 所示；另一方面，將圖1的“7”字型立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化為圖4的“Y”字型結(jié)構(gòu)，在立柱筋板設(shè)計(jì)時(shí)將豎直筋板設(shè)計(jì)在兩根導(dǎo)軌下方，這樣就提高了導(dǎo)軌和立柱的剛性；最后再選取承載能力較強(qiáng)的滑塊為支撐。

圖2 豎直放置直線電機(jī)的機(jī)床結(jié)構(gòu)

圖3 改進(jìn)后的機(jī)床結(jié)構(gòu)

圖4 立柱剖面圖

（2）隔磁與防護(hù)問(wèn)題

永磁式直線電機(jī)的次級(jí)主要是由永磁材料構(gòu)成，而加工零件、零件切屑和安裝工具等磁性材料很容易被次級(jí)上的永磁材料吸住，這樣就使得加工和裝配很難進(jìn)行。應(yīng)用于本項(xiàng)目機(jī)床上的直線電機(jī)初級(jí)和次級(jí)之間的間隙約為1mm，當(dāng)磁性切屑和空氣中的磁性粉塵被吸入直線電機(jī)初級(jí)與次級(jí)之間的間隙中，就會(huì)造成間隙間距變小甚至堵塞，所以必須采取有效的隔磁防護(hù)措施。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中一方面機(jī)床結(jié)構(gòu)采用龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，這樣就使得加工區(qū)和直線電機(jī)在位置上相距較遠(yuǎn)；另一方面，在加工區(qū)和直線電機(jī)間設(shè)計(jì)了兩層防護(hù)措施，分別是機(jī)床加工區(qū)的內(nèi)防護(hù)和直線電機(jī)的風(fēng)琴式防護(hù)罩。通過(guò)這兩個(gè)方面和兩層防護(hù)措施達(dá)到隔磁與防護(hù)的目的。

3.3 裝配中遇到的問(wèn)題

圖5 分段安裝法

直線電機(jī)在裝配的過(guò)程中遇到的最大問(wèn)題就是克服法向磁吸力將初級(jí)和次級(jí)分別安裝到滑板和立柱上，一般可采用輔助導(dǎo)軌法或分段安裝法［4］。根據(jù)設(shè)計(jì)的行程長(zhǎng)度和初級(jí)長(zhǎng)度確定采用分段安裝法進(jìn)行直線電機(jī)的安裝（如圖5 所示），安裝工序是：①將直線電機(jī)的初級(jí)安裝到移動(dòng)部件（如工作臺(tái)、滑板）上；②將裝有初級(jí)的移動(dòng)部件安裝到導(dǎo)軌滑塊上，并將其推到導(dǎo)軌的一側(cè)；③按照直線電機(jī)的安裝要求，裝好左側(cè)各段次級(jí)；④將移動(dòng)部件推到左側(cè)；⑤按照③的方法安裝右側(cè)各段次級(jí)。

4 直線電機(jī)在立式加工中心上應(yīng)用的前景

目前從國(guó)內(nèi)市場(chǎng)來(lái)看，應(yīng)用直線電機(jī)的立式加工中心還為數(shù)不多，同時(shí)在設(shè)計(jì)水平上也與國(guó)外同行存在著一定差距。但是數(shù)控機(jī)床的高速、高精化的發(fā)展方向已經(jīng)明確，相信隨著機(jī)床產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐的加快，直線驅(qū)動(dòng)機(jī)床產(chǎn)品必將系列化和規(guī)模化，逐步成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。

［1］毛麗青.直線電機(jī)在機(jī)床領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展［J］.機(jī)械工程師，2006（10）：22-23.

［2］閻熠.基于FOC的高精度直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用［D］.上海：東華大學(xué)，2008.

［3］尹宜勇，等.高檔數(shù)控機(jī)床中永磁直線同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2011（7）：89-90.

［4］劉泉，等.面向裝配的平板形永磁直線電機(jī)的設(shè)計(jì)與制造［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2004（9）：22-24.