直线电动机在数控机床中的应用

　　在大型加工设备中，龙门移动式加工中心是最具有代表性的机床之一。在龙门移动式加工中心中，移动部件和静止导轨之间存在着摩擦，这种摩擦的存在有百害而无一利。①它增加了驱动部件的功率损耗，降低了效率，降低了运动副的精度和使用寿命，提高了维护费用；②高速时增加了运动噪声和发热，甚至可能使精密部件变形，限制了运行速度的提高；③限制了机床精度的提高。由于摩擦与运动速度问存在非线性关系，特别是在低速微进给情况下，这种非线性关系难以把握，可能产生所谓的尺蠖运动方式或混沌不清的极限环现象，严重破坏了对微迸给、高精度、高响应能力的进给性能要求；④两立柱问同步误差的削减由于摩擦存在而变得很困难。

　　历来的研究都把消除或减少摩擦的不良影响，作为提高机床技术水平的努力方向之一。以往所采取的主要措施有静压技术和采用新材料构成低摩擦运动副。在上述减小摩擦方案的基础上，人们设计出先进的控制器，也取得了良好的效果，但对于更高精度、快速定位的要求来讲，还是不能满足。只有把具有一定重量的运动体悬浮起来，这才是解决摩擦问题的根本出路。在各类直线电动机中，都存在着垂直力，而且较推力大得多，一般在数倍到十几倍以上。对一般的直线电动机来说，是不希望垂直力的存在。而为了消除摩擦，可以利用这一悬浮能力设计直线电动机驱动。例如，就龙门移动式加工中心来讲，双龙门驱动的直线电动机在完成了同步直接驱动的同时，还可以充分利用垂直力悬浮立柱一横梁，用直线电动机产生的推力作伺服进给驱动，这就从根本上消除了摩擦对伺服运动的影响。可以实现无间隙、无磨损、免维护、无噪声的高精度的伺服定位和快速运动，创造出崭新一代的数控机床。当然实现这一目标有许多技术难题尚待解决。

　　1.6 路径生成问题

　　直线驱动的路径生成问题可以从三个方面进行讨论：加加速度、对加工程序段的预处理及插补。由于直线电动机具有很大的加速度，因此，在加工时可以用很高的进给速率对零件进行切削。但是在加、减速过程中，加速度的突变会对机床机械部分产生很大的冲击。为了防止这一点，可以在加、减速过程中引进加加速度(加速度对时间的一阶导数)概念，使加速度在加、减速过程中保持一定斜率，而不是无穷大。实际使用中，对于加加速度的设定既要考虑加工精度，又要保证避免对机床机械部分不必要的冲击。预处理的块长度在一般情况下不受限制。对于插补而言，传统上一般采用平面内直线插补、平面内圆弧插补(扩展的DDA圆弧插补、改进的DDA圆弧插补及角度逼近圆弧插补等)和空间直线插补算法来逼近加工路径，而直线驱动由于具有很高的动态特性，因此可以在加工过程中对自由曲面通过非均匀有理性B样条插补(NURBS)算法来获取精确而又平滑的加工路径。

　　1.7 其他问题

　　相比于旋转电动机，直线电动机仍存在价格昂贵、发热、进给力小、磁铁吸引金属尘埃等缺陷，但是这些问题正在逐步得到解决：对于价格昂贵，直线电动机的应用应着眼于高性能机床，特别是精密高速加工机床、特种加工机床、大型机床，解决传统传动方法不能解决的问题。另外，提高加工精度和加工效率也会提升机床的价值。例如，美国Cincinnati公司的HYPGR MACH高速加工中心，x轴长达46 m，采用直线电动机驱动后，加工大型薄壁飞机零件，用传统方法加工一件要8h，而用该机床只需30 min。对于处于机床腹部的直线电动机发热问题，现在国外厂商已将冷却水套与直线电动机密封为一体出售，其中与Siemens公司直线电动机配套出售的双冷却系统，可使机床温升不超过2℃。又如进给力小的问题也有所改进，近年功率密度较大的同步直线电动机的最大进给力已增至14.5kN。而为了保证磁材加工时不出事故，有的机床(如Ex-Cell-O公司的高速加工中心)使用了恒进给力和气隙都较小的异步直线电动机。

2 直线电动机在数控机床中的应用现状

　　2.1 在高速与超高速加工中的应用

　　为了提高生产效率和改善零件的加工质量而发展起来的高速和超高速加工，现在已成为机床发展的一个重大趋势。在高速与超高速加工领域中，直线电动机广泛应用于高速铣床、曲轴车床、超精车床、磨床、激光车床等领域。

　　日本神钢电动机株式会社采用直线电动机驱动高速多工序自动数控机床的工作台，其被驱动部分的质量为255 kg。试验结果表明，最大加速度为1．39。速度闭环的带宽为150 Hz，而传统的旋转电动机+滚珠丝杠的传动方式仅为0．39和80 Hz。国内南京四开公司研制开发的高速数控直线电动机车床，其x轴采用直线电动机直接驱动，光栅尺闭环反馈，anq-非圆截面异形螺纹，其刀具最大的加速度达到4～59，最大进给速度超过了100 m／min。在加工发动机活塞的中凸变椭圆裙部时，其最高转速可达3 000 r／min。现在比较热门的研究是将直线电动机应用于高速化的并联机构，即六轴、三轴并联结构机床，通过多根滑动柱塞的伸缩来控制刀具，实现对复杂型面的高速加工。苏黎世高等I业大学开发出了具有新型结构的六滑块机床，它将直线驱动技术应用在该机床的高效铣削中。

　　2.2 在异形截面加工领域中的应用

　　采用直线电动机的直线运动机构由于具有响应快、精度高的特点，已成功地用于异形截面工件(汽车发动机活塞、波瓣形轴承外环滚道、活塞环及凸轮等)由计算机控制的精密车削和磨削加工。与传统的采用“靠模”加工异形内外圆轮廓的方法相比，具有编程修改灵活、加工精度高的特点，十分适合多品种、小批量产品的加工。

3 发展趋势与前景

　　目前直线电动机直接驱动技术的发展呈现出如下趋势：各功能部件(电动机、编码器、轴承、接线器、电缆、导轨等)集成化、模块化，以减小电动机尺寸；注重相关技术的发展，如位置反馈、控制技术等。随着直线电动机研究的进一步开展，它的种类也越来越多，除了电磁驱动以外，还有压电微驱动、热微驱动、直接光微驱动、超导微驱动、高分子微驱动等多种形式。直线电动机与DSP高速运动控制器的结合，更使数控机床的结构和综合性能发生了根本性的改变，使得机床多轴运动的速度、加速度与跟踪精度大大提高，并保持很高的运动精度。直线电动机的模块化结构可以使其行程和功率几乎不受限制。专家预测，直线电动机有望成为21世纪高速数控机床进给系统的基本传动方式。