直線電機(jī)在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用

程雪峰

摘 要：本文介紹了直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理，與機(jī)械傳動形式對比列舉了直線電機(jī)在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)用上的優(yōu)點(diǎn)，舉出了直線電機(jī)在應(yīng)用時出現(xiàn)的問題及應(yīng)對方案，敘述了直線電機(jī)在數(shù)控機(jī)床上實(shí)際的連接和調(diào)整策略。

關(guān)鍵詞：直線電機(jī)；數(shù)控機(jī)床；高速切削；進(jìn)給系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.003

0 引言

1840年，Wheastone制造了直線電機(jī)的雛形，經(jīng)過100多年的發(fā)展，直線電機(jī)已廣泛應(yīng)用于繪圖、影視、電梯、物流運(yùn)輸、軌道交通、機(jī)械加工等多個領(lǐng)域[1]。尤其在機(jī)械加工方面，由于大功率高轉(zhuǎn)速電主軸的出現(xiàn)，高速切削策略在鋁材及鋁合金加工中的應(yīng)用，要求機(jī)床各坐標(biāo)軸不僅具有非?？斓囊苿铀俣龋€需要具有超高的加減速能力。直線電機(jī)憑借其精度高、無磨損、噪音低、效率高、響應(yīng)快、節(jié)省空間等突出優(yōu)點(diǎn)使其在高檔數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域占有重要一席，而且它必將是高速機(jī)床未來發(fā)展的趨勢。

1 直線電機(jī)的原理

普通同步交流伺服電機(jī)，分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分，兩部分都有按規(guī)則纏繞的線圈。當(dāng)定子線圈通入三相交變電流時，在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生交變磁場。轉(zhuǎn)子線圈受磁場影響自身產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于通電導(dǎo)體在磁場中要受到力的作用，受到的電磁力使電機(jī)轉(zhuǎn)子部分繞電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)。直線電機(jī)好似將普通交流伺服電機(jī)沿經(jīng)過圓筒半徑和電機(jī)軸的截面剖開，將定子和轉(zhuǎn)子平鋪展成兩個平直的矩形部分，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[2]。直線電機(jī)的初級對應(yīng)普通交流伺服電機(jī)的定子，次級對應(yīng)轉(zhuǎn)子，這樣普通交流伺服電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動就轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€電機(jī)初級與次級的相對直線運(yùn)動。直線電機(jī)的初級和次級可安裝于兩個需要做相對運(yùn)動的機(jī)械部件上，一般固定部分選擇初級，運(yùn)動部分選擇次級。但在一些特定場合，出于能耗等經(jīng)濟(jì)因素考慮，固定部分也有選擇次級的情況，比如直線電機(jī)在長距離龍門移動式數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用。數(shù)控機(jī)床各軸的進(jìn)給部分通常采用伺服電機(jī)+減速箱+絲杠絲母，或伺服電機(jī)+減速箱+齒輪齒條的傳動形式，而直線電機(jī)的運(yùn)用使進(jìn)給部分減少了中間環(huán)節(jié)，提高了傳動精度和傳動效率。

2 直線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

直線電機(jī)與“旋轉(zhuǎn)電動機(jī)+滾珠絲杠”傳動性能對比見表1。

（1）布局簡單。安裝直線電機(jī)的數(shù)控機(jī)床去掉了中間傳動環(huán)節(jié)，不需要安裝凸起的絲杠端支撐軸承座。鋪設(shè)直線電機(jī)非常的規(guī)整，布局簡單，這就使機(jī)床空間設(shè)計(jì)可以更加合理。

（2）高動態(tài)響應(yīng)，高精度。絲杠絲母等數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的常規(guī)傳動形式，由于傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其動態(tài)相應(yīng)時間較長，從而拖累了系統(tǒng)的整體反應(yīng)時間。驅(qū)動形式如采用直線電機(jī)，其傳動的響應(yīng)時間理論上就是電氣元件的動態(tài)響應(yīng)時間，它非常短，從而進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的整體反應(yīng)速度。整體動態(tài)相應(yīng)的提升使系統(tǒng)滯后引起的誤差變小，因此機(jī)床可具有更出色的動態(tài)精度。

（3）無摩擦。機(jī)械傳動部結(jié)構(gòu)，零件與零件之間相互接觸，產(chǎn)生摩擦，同時會伴隨著噪音。直線電機(jī)初級與次級兩級之間不直接接觸，無磨擦、噪聲小[3]。直線電機(jī)減小了數(shù)控機(jī)床因?yàn)閭鲃幽Σ翈淼哪芰繐p耗，提高了能量利用率，對噪聲污染的降低更有利于機(jī)床操作者的身體健康。

（4）行程長。采用絲杠絲母傳動形式的數(shù)控機(jī)床，由于絲杠長度有限，行程不可能很長。直線電機(jī)可以像齒輪齒條結(jié)構(gòu)一樣，使機(jī)床行程理論上不受限制。以西門子1FN3系列直線電機(jī)為例，它的次級由正負(fù)磁極永磁體交替排列的極板一節(jié)一節(jié)拼接而成，可不斷地加長，從而使機(jī)床行程延伸。

3 直線電機(jī)應(yīng)用上的問題

一切事物總是有兩面性，直線電機(jī)在使用過程中也暴露出一些問題，限制了它的應(yīng)用。

（1）發(fā)熱問題。直線電機(jī)運(yùn)行過程中初級的線圈和鐵芯會發(fā)熱?；跈C(jī)床結(jié)構(gòu)的緊湊和防護(hù)，直線電機(jī)往往安裝在較密閉的空間里，不利于其自然散熱。累積的熱量會使附近的機(jī)床導(dǎo)軌受熱變形，影響機(jī)床精度。目前的解決方案是采用水冷散熱。

西門子開發(fā)的1FN3系列直線電機(jī)，通過安裝初級部件主冷卻器、初級部件精密冷卻器、次級部件主冷卻器，再加上絕熱層的分隔，可將直線電機(jī)表面溫升控制在2K之內(nèi)。

（2）法向磁吸力問題。直線電機(jī)初級與次級之間存在法向磁吸力，法向力一方面會引起機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，另一方面會造成進(jìn)給系統(tǒng)產(chǎn)生額外摩擦力。法向力的變化會影響進(jìn)給系統(tǒng)摩擦力的大小，進(jìn)而使機(jī)床進(jìn)給力產(chǎn)生波動，使機(jī)床的加工精度降低。目前解決法向磁吸力影響的途徑主要是采用雙邊型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還有些單位將直線電機(jī)和導(dǎo)軌副綜合考慮來設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，也取得了較好的效果。

（3）直線電機(jī)邊端效應(yīng)問題。直線電機(jī)是平直的，鐵心和纏繞在其槽中的繞組在初級兩端不連續(xù)，這就使各相之間的互感不相等，造成邊端效應(yīng)[4]。直線電機(jī)產(chǎn)生的推力會因?yàn)檫叾诵?yīng)發(fā)生波動。為減小推力波動，可優(yōu)化初級結(jié)構(gòu)，讓槽的數(shù)目增加、氣隙增大或直接采用無鐵芯結(jié)構(gòu)。

（4）隔磁。直線電機(jī)會對其周圍的磁性材料產(chǎn)生吸力，一旦吸附的雜物影響到氣隙的大小，磁場力會發(fā)生改變，機(jī)床推力會產(chǎn)生波動。因此，設(shè)計(jì)機(jī)床時應(yīng)采取必要的隔磁措施。

（5）緊急制動和防護(hù)。安裝直線電機(jī)的機(jī)床可具有較大的速度和加速度，由于電磁傳動環(huán)節(jié)幾乎沒有傳動阻力，機(jī)床的運(yùn)動部分本身慣性又比較大，一旦控制出現(xiàn)問題，運(yùn)行中的機(jī)床很難立即停車，所以必須采取必要的緊急制動和防護(hù)措施。用于緊急制動，力求縮短制動距離的辦法主要有三種：1）使用電容模塊，儲存足夠的能量，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，通過直流母線對直線電機(jī)進(jìn)行電磁制動。2）對直線電機(jī)初級進(jìn)行短接實(shí)現(xiàn)制動。3）通過加裝組件進(jìn)行機(jī)械制動。實(shí)際操作上往往同時應(yīng)用以上三種方法。第1種方法失效時，第2種和第3種作為補(bǔ)充。為防止機(jī)床在失控時造成直接的碰撞沖擊，在行程兩端必須加裝緩沖器或減震器。

4 直線電機(jī)的應(yīng)用

直線電機(jī)可應(yīng)用于機(jī)床進(jìn)給的各種場合，工作臺移動、龍門架移動或橋式龍門軸控制都可以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)負(fù)載較大時，可增加直線電機(jī)初級以提高推力。西門子1FN3系列直線電機(jī)，初級可串聯(lián)，如圖3。兩初級的對應(yīng)孔距必須是極對寬的整數(shù)倍[5]。

1FN3常用的初級控制連接如圖。直接測量系統(tǒng)（WMS），霍爾元件（HSB），初級中的溫度檢測元件通過SME93連接至西門子611D驅(qū)動系統(tǒng)。

直線電機(jī)與伺服電機(jī)不同，它不具有電機(jī)編碼器，只有一個測量系統(tǒng)。因此在西門子840D系統(tǒng)，實(shí)施全閉環(huán)控制時，MD30200編碼器數(shù)量應(yīng)為1，MD30240編碼器類型只需對第[0]位進(jìn)行設(shè)置。

5 總結(jié)

本文介紹了直線電機(jī)的原理、優(yōu)點(diǎn)，使用中出現(xiàn)的問題和應(yīng)對措施，以及在實(shí)際機(jī)床上的應(yīng)用。直線電機(jī)雖說在使用上還有一些問題，但是瑕不掩瑜，它是高速機(jī)床發(fā)展的趨勢，必將有力地助推機(jī)械制造業(yè)向前發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[4]張倩，萬里冰，趙彤.直線電機(jī)在高檔數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].航空制造技術(shù)，2013（05）：53-54.

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