直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在機(jī)床中的應(yīng)用

張培中

青海第二機(jī)床制造有限責(zé)任公司，青海西寧 810021

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在機(jī)床中的應(yīng)用

張培中

青海第二機(jī)床制造有限責(zé)任公司，青海西寧 810021

隨著直線電機(jī)的迅速推廣，直線電機(jī)中的驅(qū)動(dòng)技術(shù)在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其高速響應(yīng)性、高精度性及推力平穩(wěn)等特點(diǎn)使直線電機(jī)在機(jī)床零件加工中呈現(xiàn)諸多優(yōu)越性。本文著重介紹了直線電機(jī)的工作原理、與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式相比之下的優(yōu)勢(shì)，并就其在國(guó)內(nèi)外機(jī)床中的應(yīng)用情況和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)做一些探討。

直線電機(jī)；驅(qū)動(dòng)技術(shù)；機(jī)床；應(yīng)用

直線電機(jī)是20世紀(jì)下半葉以來(lái)電工行業(yè)中一項(xiàng)具備新原理和新理論的新技術(shù)。隨著自動(dòng)化及控制技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置系統(tǒng)得到越來(lái)越廣的應(yīng)用，近年來(lái)，尤其是在機(jī)床業(yè)中，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)替代了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)方式，省略了中間轉(zhuǎn)換的步驟，靠電磁推力驅(qū)動(dòng)，設(shè)置簡(jiǎn)單，減少磨損，在機(jī)床零件加工中有著很高的應(yīng)用價(jià)值。

1 直線電機(jī)工作原理

直線電機(jī)將電能直接轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，是一種不經(jīng)過(guò)任何中間轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置[1]。直線電機(jī)類似于旋轉(zhuǎn)同步交流電機(jī)，從原來(lái)上看，將電機(jī)沿柱面截面展開，定子部分為直線電機(jī)的初級(jí)，轉(zhuǎn)子部分為直線電機(jī)的次級(jí)。具體結(jié)構(gòu)見圖1所示。當(dāng)多個(gè)方向的交流電在相對(duì)稱繞組中通過(guò)時(shí)，次級(jí)導(dǎo)體上會(huì)在行波磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，電磁推力的產(chǎn)生就是行波磁場(chǎng)與感應(yīng)電流之間相互作用的結(jié)果，進(jìn)而直線電機(jī)的次級(jí)與初級(jí)就會(huì)發(fā)生直線運(yùn)動(dòng)。

圖1　直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

在機(jī)床業(yè)中，隨著零件切割、加工的高速和精密要求的提高，在驅(qū)動(dòng)推力方面也有著更高的性能指標(biāo)要求。傳統(tǒng)機(jī)床旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的裝置本身存在著很多問(wèn)題：絲桿的軸向壓縮、剛度與長(zhǎng)度的限制、機(jī)械磨損、扭曲及螺距之間周期誤差的存在、振動(dòng)衰減時(shí)間較長(zhǎng)、與電機(jī)的耦合慣量等，這些問(wèn)題在一定程度上限制了機(jī)床加工的速度、精度及效率。而當(dāng)前直線電機(jī)采用的驅(qū)動(dòng)裝置不同于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，省略了電機(jī)到工作臺(tái)之間的中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，在機(jī)床加工中，傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度為零，這種“直接驅(qū)動(dòng)”的結(jié)構(gòu)避免了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)絲桿傳動(dòng)中的耦合慣性、機(jī)械磨損及剛性不足等劣勢(shì)，使得機(jī)床加工的各項(xiàng)性能指標(biāo)提高[2]。直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要存在以下特點(diǎn)：

1）節(jié)省空間。與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)相比，直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置省略了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，減少絲杠端支撐軸承座，等空間，機(jī)床設(shè)計(jì)中合理的布局節(jié)省了驅(qū)動(dòng)更多的空間；2）高速響應(yīng)性。電磁感應(yīng)下的電氣元件響應(yīng)速度較傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)更高，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置中以絲桿傳動(dòng)的方式不僅增加了機(jī)械間反應(yīng)的時(shí)間，還影響了系統(tǒng)整體的反應(yīng)時(shí)間，因此，直線電機(jī)的電磁傳動(dòng)方式可大大提高驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能；3）噪音低、無(wú)磨損、效率高。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)取消了機(jī)械傳動(dòng)部件，機(jī)械之間零接觸，這樣就減少了機(jī)械磨損、噪音低，同時(shí)減少了機(jī)械摩擦中的能量損耗，不僅提高了機(jī)床的環(huán)保性能方，還大大提高了整體系統(tǒng)的運(yùn)行效率；4）行程長(zhǎng)度不限。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)中的行程長(zhǎng)度一直以來(lái)受絲杠長(zhǎng)度的限制，在機(jī)床加工中不能高效運(yùn)轉(zhuǎn)，而直線電機(jī)中的驅(qū)動(dòng)行程取決于初級(jí)鋪設(shè)的長(zhǎng)度，初級(jí)鋪設(shè)的長(zhǎng)度決定了行程的長(zhǎng)度。

3 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在國(guó)外的應(yīng)用綜述

從應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，國(guó)外對(duì)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用明顯比國(guó)內(nèi)更早，也更廣泛。早在1993年，德國(guó)的EX-cell-o公司在XHC240臥式加工中心就采用了感應(yīng)式的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)給部件，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為60m/ min，加速度可達(dá)到1g。同時(shí)，美國(guó)在1994年國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上將直線電機(jī)技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了日本Fanuc公司，并應(yīng)用于機(jī)床驅(qū)動(dòng)中。在第19屆JIMTOF展會(huì)上，各國(guó)共展示了8臺(tái)采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的機(jī)床，它們分別是森精機(jī)公司的HVM600臥式加工中心、大隈公司的超高速臥式加工中心、新日本工機(jī)公司的超高速多軸加工中心、松浦機(jī)械制造的超高速小型加工中心、豐田工機(jī)的Linea M高速加工機(jī)床、Taylor Mobson公司的兩軸小型超精密鏡面加工機(jī)床、山田Dobby公司在潔凈環(huán)境下高速成形的機(jī)床及自動(dòng)壓力領(lǐng)域Aid Engineering公司電子元件機(jī)床[3]。

4 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)機(jī)床的應(yīng)用研究

我國(guó)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)還處于探索階段，與國(guó)外差距較大。主要研究直線驅(qū)動(dòng)的單位有浙江大學(xué)在90年代研發(fā)的直線電機(jī)沖床、永磁直線電機(jī)系統(tǒng)及雕刻機(jī)用步進(jìn)直線電機(jī)系統(tǒng)等。廣東大學(xué)開發(fā)的直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速數(shù)控進(jìn)給單元及北京機(jī)床研究所開發(fā)的直線驅(qū)動(dòng)的電火花成型機(jī)床等。2007年我國(guó)在國(guó)際機(jī)床展上展出的由杭機(jī)集團(tuán)研發(fā)的直線電機(jī)平面磨床MUGK7120X5，該數(shù)控磨床采用了立柱中腰移動(dòng)專利技術(shù)，擁有三軸聯(lián)動(dòng)修整的功能，能實(shí)現(xiàn)非平表面的成形磨削。

5 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的日趨成熟，世界各國(guó)對(duì)其的研究與應(yīng)用的不斷加深，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)有望成為今后機(jī)床驅(qū)動(dòng)發(fā)展的主要方向。但要想此技術(shù)在機(jī)床應(yīng)用中得到更好的發(fā)展，還應(yīng)客服技術(shù)中發(fā)熱及防護(hù)等問(wèn)題，同時(shí)，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的高昂價(jià)格也是其在機(jī)床業(yè)得到推廣的關(guān)鍵。此外，直線驅(qū)動(dòng)要在機(jī)床上得到更好的應(yīng)用離不開控制技術(shù)的支撐，將直線電機(jī)與高速運(yùn)動(dòng)的控制技術(shù)相結(jié)合，才能讓機(jī)床的性能得到實(shí)質(zhì)性的改變，實(shí)現(xiàn)精度、速度上質(zhì)的飛躍。

6 結(jié)論

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)以其直線驅(qū)動(dòng)一改傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)磨損、噪音及行程短等缺陷，逐漸被應(yīng)用于現(xiàn)代機(jī)床業(yè)中，本文從介紹直線電機(jī)原理出發(fā)，就其驅(qū)動(dòng)技術(shù)特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用狀況進(jìn)行了探究，希望對(duì)讀者在直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)與機(jī)床應(yīng)用方面有所幫助。

[1]蔣薏，莊麗陽(yáng).直線電機(jī)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用[J].數(shù)控技術(shù)，2012（5）：47.

[2]池海寧.直線電機(jī)在高速機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)械，2010（33）：182.

[3]陸啟建.直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用[J].機(jī)電一體化，2011（8）：48.

TM3

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1674-6708（2016）171-0240-01

張培中，青海第二機(jī)床制造有限責(zé)任公司。