直线电动机在数控机床中的应用

　　数控机床正在向精密、高速、复合、智能、环保的方向发展。精密和高速加工对传动及其控制提出了更高的动态特性和控制精度要求，更高的进给速度和加速度，更低的振动噪声和更小的磨损。问题的症结在传统的传动链中作为动力源的电动机到工作部件要通过齿轮、蜗轮副、皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间传动环节，在这些环节中存在如下问题：①刚度低、惯量大，难以获得高进给速度和高加速度；②传动误差较大，影响机床加工精度；③机械传动链结构复杂，特别是在重型机床和多坐标机床中尤为突出；④机械噪声大、传动效率低。虽然在这些方面通过不断的改进使传动性能有所提高，但问题很难从根本上予以解决，于是，直线驱动伺服技术一零传动方式便应运而生。由于其消除了传统机械传动链所带来的一系列不良影响，极大地提高了进给系统的快速反应能力和运动精度，因而成为新一代数控机床中最具代表性的先进技术之一。直线电动机及其驱动控制技术在机床进给驱动上的应用，使机床的传动结构出现了重大变化，并使机床性能有了新的飞跃。

1 直线电动机在数控机床中应用的特殊问题

　　1.1 电动机种类的选择

　　目前，满足机床大推力进给部件要求的主要是交流直线电动机，从励磁方式分，可分为永磁(同步)式和感应(异步)式两种。

　　永磁式直线电动机的优势在于效率和推力密度高、发热少、次级不需要冷却、可控制性相对较好。但永磁同步电动机装配较困难；永磁磁场吸引铁屑，实际应用时排屑困难，电动机必须加密封以防止铁屑阻塞气隙或进入运动副中；需通过位置传感器对电动机进行电流换向控制；永磁铁有可能退磁。美国Ingersoll铣床公司生产的高速卧式加工中心HVM800的x、y、z轴均采用永磁式同步直线电动机，最大进给速度为76.2m／min，加速度为1～1.5g。

　　感应式直线电动机优势在于其次级结构简单、安装维修和除屑容易。缺点是采用电激磁，因此效率低，发热大，次级需要冷却；气隙公差严格，加工成本高；需要复杂的矢量变换技术，控制算法比直流永磁电动机的控制算法复杂。应用方面典型例子是德国Ex—Eell—O公司开发的XHC240型高速卧式加工中心，3个进给轴均采用Indramat公司的感应式直线电动机直接驱动进给部件，快速移动速度最高为60m／rain，最大加速度为1g。

　　选择哪一种电动机作为机床的驱动部件，应扬长避短，根据实际情况来决定。

　　1.2 机械简化导致控制难度增加

　　直线电动机伺服系统与传统的“旋转电动机+滚珠丝杠”的进给方式相比，虽然消除了机械传动链所带来的一些不良影响，但却增加了电气电子控制上的难度。由于直线电动机的初、次级通常是与机床I作台、床身联在一起的，工作台等移动部件必然包含在闭环系统之内，也就是说直线电动机传动控制只能采用全闭环控制，这就使得各种干扰(如1件重量、切削力等的变化)不经过任何中间环节的衰减而直接传到直线电动机上。另外，在高精度微进给的加工领域，必须考虑对象的结构和参数变化、各种非线性的影响、运行环境的改变和干扰等时变和不确定因素，否则，零传动方式将失去原来所希冀的意义。这种机械上的简化，导致了控制上难度的增加，因此，必须采用更有效的控制技术加以解决。在目前的技术水平条件下，这种“转嫁”显然是合理的。用高速微控制器实现复杂有效的控制算法来取代对精度要求很高而又笨重的机械部件，以获得更优良的性能，无论如何这是值得的。

　　1.3 控制策略的选取

　　在高精度微进给运动中，必须站在更高的层次上，考虑到一些更细微的干扰因素对伺服性能的影响，必须采取有效的措施抑制这些扰动。在选取控制方法时，既要有基于对对象模型结构和参数基本清晰的认识，又要考虑模型摄动、负载扰动等未知的不确定性因素对系统稳定性和抗扰能力的影响。更重要的是，必须认识到直线电动机伺服系统是一个高度快速的动态系统，一些仿真结果完善的现代控制策略由于算法复杂，计算量大，造成响应速度慢，无法满足直线电动机伺服系统对实时性的要求。这就要求针对产生扰动的不同原因的特殊性，以相应见长的控制策略对付之。

　　伺服系统第一重要的性能就是对其指令的跟踪能力，在理想情况下，输出能无延迟、无超调地跟踪输入指令的变化。一个成功的控制策略，必须针对具体对象的特点，满足主要功能要求的同时，兼顾跟踪能力和抗扰能力。

　　现在见诸于刊物的控制策略很多，较常见的是滑模控制、鲁棒控制、神经网络控制和模糊控制，但成功应用于实际产品的，基本上还是以PID和前馈控制为基础的控制方法，形式上完备的现代控制方法和耗时费力的智能控制尚未在实际产品中应用。

　　1.4 提高机床移动部件加速度的措施

　　采用直线电动机驱动的高速机床，快移和最大进给速度一般为70～120 m／min，加速度1～29。虽然直线电动机的加速度可达10g，但机床移动部件的加速度由于受其本身质量和其上物品质量的影响而大大下降。为了提高机床的加速度，一方面是尽量使工作台不参加运动，故大多数直线电动机驱动的高速机床采用“箱中箱”结构，工作台固定不动，34"移动轴均在工作台一侧；另一方面是使用质量轻的铝合金和纤维增强塑料来制造其中某些移动构件。比如Ingersoll公司的HVM600、Huller、Hille公司的Spech500L等。图1所示为由直线电动机驱动的轻型铝合金十字滑架作x—1，轴运动，Z轴运动也由在滑架内的铝合金滑枕来完成(工作台不动)。这样不仅移动部件质量小，而且机床刚度也好。