直线电动机高速进给单元的关键技术
直线电动机技术在数控车床上的应用
直线电动机在结构和原理上都是从旋转电动机演 变 而来 的 。它是 由初 级 部 构 芯 和次 级 部 构芯 组 成 ， 次
级部 构 芯为永 磁板 。在 初级 部构 芯 中通人 三相正 弦 电
流后 ， 会产生气 隙磁场 ； 当三相 电流随时间变化时 ， 气 隙磁场将按相序沿直线运动 ， 次级部构芯在这个移动
Ｚ ｕ 年 幂 １朋 ｕ ， Ｉ
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设计与研究 ｇｎｅ 『 ｎｄｓＣ ａ ｅｈ Ｒ ａ
考虑， 在满足直线电动机使用要求的情况下采用高速 全封闭防磁拉罩来解决这一问题 ， 采取改进拉罩结构
和采 用 防磁材料 的措施 ， 能实 现 防屑 、 既 防磁 ， 可 实 又
现较 高 的运 动速 度 。
部件即滑板和刀架等会沿 轴方向下滑 ； 尤其是在突
然 断电时 ， 也会 发生 类 似 现 象 。通 常采 用 平 衡 油缸 结
２ ２ 进 给 系统移 动部件 的轻 化结构 研 究 ．
构或用重力平衡 防止下滑 ， 由于直线电动机的移动速 度快 ， 本机床设定参数为 ６ ／ ｉ， ０ｍ ｒｎ 平衡油缸 的速度 ａ 与直 线 电动机 的移动 速度不 匹 配 ， 达不 到理 想 的效 果 。
有 德 国的 Ｄ ＭＧ和 Ｅ本 的马 扎 克公 司。在 应 用 这项 新 ｔ 技术 的过程 中 ， 我们 解决 了下面几 个关 键 问题 ：
２ １ 直线 电动 机隔磁 、 ． 防屑 技 术
２ 直线 电动机 的应用
采用直线电动机传动， 把进给传动链的长度缩短 为零 ， 避免了丝杠传动中反 向间隙 、 惯性 、 摩擦力的影
的磁 场切 割下 产生 电流 并产 生 电磁推力 。如 果次 级部 构芯 固定 ， 么初 级 部构 芯 就 会 沿 直 线运 动 。应 用 直 那
数控机床的进给传动系统
数控机床的进给传动系统摘要：本文主要阐述了数控机床对进给传动系统的基本要求，数控机床进给传动系统的主要形式。
关键词：数控机床；传动系统；进给系统1 数控机床对进给传动系统的基本要求数控机床对机械传动系统的要求主要有以下几点。
1.1 提高传动部件的刚性数控机床的直线运动定位精度和分辨率必须达到微米级，回转运动的定位精度和分辨率必须达到角秒级，伺服电动机的驱动转矩，尤其是起动、制动时的转矩也很大。
假设传动部件的刚度不强，一定会使传动部件发生弹性变形，影响系统的定位精度、动态稳定性和响应快速性。
而加大滚珠丝杠的直径，对滚珠丝杠螺母副、支承部件进行预紧，进行预拉伸等，均为提高传动系统刚度的有效办法。
1.2 减小传动部件的惯量驱动电动机，传动部件的惯量直接决定进给系统的加速度，这是影响进给系统快速性的主要原因。
尤其是高速加工的数控机床，因为对进给系统的加速度要求比较高，所以，在满足系统强度和刚度的条件下，要减小零部件的质量、直径，以降低惯量，提高快速性。
1.3 减小传动部件的间隙在开环、半闭环进给系统中，传动部件的间隙直接影响进给系统的定位精度；在闭环系统中，它是系统的主要非线性环节，影响系统的稳定性，所以，要采取有效措施消除传动系统的间隙。
消除传动部件间隙的措施是对齿轮副、丝杠螺母副、联轴器、蜗轮蜗杆副以及支承部件进行预紧或消除间隙。
而采取措施后将可能增加摩擦阻力，降低机械部件的寿命，因此，必须统筹各种因素，使间隙减小到允许范围。
1.4 减小系统的摩擦阻力进给系统的摩擦阻力会降低传动效率，产生发热；同时，它还直接影响系统的决速性；因为摩擦力的存在，动、静摩擦系数的变化，会导致传动部件的弹性变形，产生非线性的摩擦死区，影响系统的定位精度和闭环系统的动态稳定性。
采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、直线滚动导轨、静压导轨和塑料导轨等高效执行部件，能减少系统的摩擦阻力，提高运动精度，避免低速爬行。
2 数控机床进给传动系统的主要形式2.1 滚珠丝杠螺母副它的特点是：摩擦损失小，传动效率高；丝杠螺母之间预紧后，可消除间隙，提高传动刚度；摩擦阻力小，它与运动速度无关，动、静摩擦力的变化会很小，也不可能产生低速爬行现象；工作磨损小，使用寿命长，精度保持性好。
直线电机工作原理,特点及应用(数控大作业)
《数控技术》大作业二1．综述直线电机的结构可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，并将电机的圆周展开成直线而形成的。
其中定子相当于直线电机的初级，转子相当于直线电机的次级，当初级通入电流后，在初次级线圈之间的气隙中产生行波磁场，在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力，从而实现运动部件的直线运动。
直线电机的工作原理设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应图电动机。
初级做得很长，延伸到运动所需要达到的位置，也可以把次级做得很长；既可以初级固定、次级移动，也可以次级固定、初级移动．通入交流电后在定子中产生的磁通，根据楞次定律，在动体的金属板上感应出涡流。
设产生涡流的感应电压为E，金属板上有电感L和电阻R，涡流电流和磁通密度将（费来明法则）产生连续的推力F。
2．工作原理直线电动机的初级三相绕组通入三相交流电后，就会在气隙中产生一个沿直线移动的正弦波磁场，其移动方向由三相交流电的相序决定，如图所示。
显然该行波磁场的移动速度与普通电机旋转磁场在定子内圆表面的线速度相等。
行波磁场切割次级上的导体后，在导体中感应出电动势和电流，该电流与气隙磁场作用，在次级中产生电磁力，驱动次级沿着行波磁场移动的方向作直线运行，或者利用反作用力驱动初级朝相反的方向运动。
如果改变直线电动机初级绕组的通电相序，即可改变电动机的运行方向。
因此直线电动机可实现往返直线运动。
3．直线电机的特点直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需通过中问任何转换装置的新颖电机，它具有系统结构简单、磨损少、噪声低、组合性强、维护方便等优点。
旋转电机所具有的品种，直线电机几乎都有相对应的品种，其应用范围正在不断扩大，并在一些它所能独特发挥作用的地方取得了令人满意的效果。
直线感应电动机的特点是：结构简单，维护方便；散热条件好，额定值高；适宜于高速运行；能承担特殊任务，如液态金属的运输、加工等。
其缺点是气隙大，功率因数低，力能指标差，低速运行时需采用低频电源，使控制装置复杂。
直线驱动控制技术及其在无绳电梯装备上的应用研究
势， 测了直线电动机在 无绳 电梯装备 上的应用前景。 预
关键词 ： 直线电动机 ； 直接驱动 ； 控制技 术； 无绳电梯
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《 装备制造技术）０ ８ ） ０ 年第 ５ ２ 期
直线驱动控制技术及其在无绳电梯装备上的应用研究
蒋 良华
（ 衡阳技 师学 院 ， 湖南 衡 阳 ４ １０ ） ２ ０ ９
摘 要： 直线电动机 直接驱动 系统是近 １ 年发展起 来的一种新型进给传动方式， ５ 在各类 高速 、 密加 工设备上 已获得广泛 的应 用。 文介 精 本
推力 ；２ 无绳 电梯能像现有 电梯一样舒 服 ；３ 能保 证在各楼 （） （） 层 的停止精度 ；４ 在非 常情 况下确保安 全可靠 ， （） 那么 ， 无绳 电
梯 的设想就能变成 现实。
性， 以至人们一度 对它失 去信心 。直至 ２ ０世纪 ５ ０年代 中期 ， 控制 、 料等技术 的飞速 发展 ， 材 促进 了直 线电动机 的应 用和发 展。特别是近 １ 来 ， ０年 由于 高速 、 密机床进 给系统的需要 ， 精 使 得直线 电动机 的优越 性充分 体现 出来 ， 并受到 高度重视 ， 直
型直线电动机 的工作原 理可 由同类型旋转 电动机类推。
动系统是 近 １ ５年发 展起 来的一种 新型进给传 动方 式 ， 在各类 高速 、精 密加工设备上具有 广泛 的应用 前景 。机床 上传统的 “ 旋转 电机 ＋滚 珠丝杠 ” 给传 动方 式 ， 进 由于受 自身结构 的限 制 ， 给速度 、 在进 加速度 、 快速定 位精 度等 方 面很难 有突破 性
超高速加工技术
（2）汽车制造。
1
2
3
4
钻孔 表面倒棱 内侧倒棱 铰孔
高速钻孔 表面和内侧倒棱
专用机床 5轴×4工序 = 20轴（3万件/月）
刚性（零件、孔数、孔径、孔型固 定不变）
高速加工中心 1台1轴1工序（3万件/月）
柔性（零件、孔数、孔径、 孔型可变）
图12 汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）
（3）模具制造。
b）高速模具加工的过程
图14 两种模具加工过程比较
生产剃须刀的石墨电极
生产球形柄用的铜电极
图15 高速切削加工电火花加工用工具电极
（4）难加工材料领域。硬金属材料（HRC55～62），可 代替磨削，精度可达IT5~IT6级，粗糙度可达0.2～1um。
（5）超精密微细切削加工领域。
粗铣整体铝板； •精铣去口； •钻680个直径为3mm的小孔。 时间为32min。
在机床的主轴上，定子安装在主轴单元的壳体中，采用水冷 或油冷。精度高、振动小、噪声低、结构紧凑。
高速加工技术的发展与应用
图5 HSM600U型数控五轴高速加工中心
生产厂家：瑞士Mikron 主轴转速：最高42000 rpm
主轴功率：13 KW 进给速度：最高40 m / min
定位精度：0.008 mm
重复定位精度：0.005mm
图6 HSM 系列高速五轴联动小型立式加工中心
图7 HSM800 图9 HSM400
• Bremen大学在高效深磨的研究方面取得了世界公 认的高水平成果，并积极在铝合金、钛合金、铬镍 合金等难加工材料方面进行高效深磨的研究。
近年来，我国在高速、超高速加工的各关键领域 (如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、 陶瓷滚动轴承等方面)也进行了较多的研究并有相应 的研究成果。
机械制造技术基础答案
由此可见积屑瘤对粗加工有利生产中应加以利用而对精加工不利应以避免。
消除措施采用高速切削或低速切削避免中低速切削增大刀具前角降低切削力
采用切削液。
2 - 4切屑与前刀面之间的摩擦与一般刚体之间的滑动摩擦有无区别若有区别而这何处不
同
答切屑形成后与前刀面之间存在压力所以流出时有很大的摩擦因为使切屑底层又一次
逐渐缓慢甚至很少升高。
第三章
3—1机床常用的技术性能指标有哪些？1．机床的工艺范围。2．机床的技术参考数：尺寸、运动、动力参数。
3—2试说明如何区分机床的主运动与进给运动。主运动是切屑运动，是消耗功率组多的运动，且通常情况下主运动只有一个。进给运动，是实现主运动的切屑运动，进给运动可以有一个或几个。
快。
2正常磨损阶段刀具毛糙表面已经磨平这个阶段磨损比较缓慢均匀后刀面磨损量
随着切削时间延长而近似地称正比例增加这一阶段时间较长。
3急剧磨损阶段刀具表面粗糙度值增大切削力与切削温度均学苏升高磨损速度增
加很快一直刀具损坏而失去切削能力。
2 - 1 4刀具磨钝标准是什么意思他与哪些因素有关
答刀具磨损到一定限度就不能继续使用这个磨损限度称为磨钝标准
第一章
1—1特种加工在成型工艺方面与切削加工有什么不同？
答：特种加工是利用化学，物理或电化学方法对工件材料进行去除的一种方法。
1—2简述电解加工，电火花加工，激光加工和超声波加工的表面成型原理和应用范围？
答：电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学原理对工件加工，用于加工型空，型腔等。电火花加工时利用工具电极和工件电极间瞬时火花放电产生的高温熔蚀材料进行加工成型的。超声波加工是利用超声波振动的工具端面冲击工作液中的悬浮颗粒，由磨粒对工件表面撞机抛磨来实现对工件加工的方法。
第三章先进制造工艺技术(超高速加工)
床身结构
➢落地式床身，整体铸铁结构，龙门式框架的 主轴立柱，尽可能由主轴部件来实现二轴甚 至三轴的线性移动。
➢由于刀具重量变化极小，在工件乃至工作台 不进行快速线性移动的情况下， 机床快速线 性移动的部件的重量近乎常量，更容易实现 快速加速和减速情况下的运动惯量及实现动 态平衡，减少由于动态冲击所带来的不稳定， 保证稳定的且更高的加工精度和产品质量。
内装式同轴电动机主轴温升
➢ 热升温引起主轴热变形的解决办法：采用电子传 感器控制温度，使用水冷或油冷循环系统，使主 轴在高速下成为“恒温”；而用油雾润滑、混合 陶瓷轴承等新技术，使得主轴可以免维护、长寿 命、高精度。
➢ 举例：STEP－TEC的电主轴采用了矢量式闭环控 制、高动平衡的主轴结构、油雾润滑的混合陶瓷 轴承，可以随室温调整的温度控制系统，确保主 轴在全部工作时间内温度衡定。
➢常用材料：涂层碳化钨硬质合金、碳(氮)化 钛硬质合金、陶瓷刀具材料、立方氮化硼 (CBN)、立方/六方复合氮化硼(WBN)和聚晶金 刚石(PCD)等。
➢各种常用材料的高速切削速度：铝合金 1000～7000m/min；铜合金900～5000m/min； 钢500～2000m/min;灰铸件800～3000m/min。 其进给速度范围一般为2～25m/min。
➢可获得高转速和高的加(减)角速度，转速达 到0～42000r/min，甚至更高。
➢结构简化，造价下降，精度和可靠性提高。 ➢噪声、振动源消除，主轴自身热源消除。 ➢回转精度高，摩擦振动小， ➢主轴箱成为紧凑、独立、方便移动的部件，
直线感应电动机控制方法概述
现代控制理论相结合 的改进控制技术 ： 与往复控 ① 制方法结合 ， ②模糊 ＰＤ控制 ， Ｉ ③基于 回路成型 Ｈ
（ 以下 简称 ＬＭ） Ｉ 的应 用最 广 ， 电动 机 功率 覆 盖 的范 围最 宽 ， 它是 较 重 要 的一 种 直 线 电动 机 。 目前 直 故 线感 应 电动机 在交 通 领 域 如 磁 悬 浮列 车 和地 铁 ， 在 浮法 锡槽 中的玻璃 成 型 、 料传送 、 安 门 、 物 保 电梯 、 导 弹发射 等方 面得 到 了广 泛 的应用 。 尽 管 直线 感 应 电 动机 应 用 广泛 ， 由于 这种 电 但 机结 构 的特殊 性 ， 其 准 确控 制较 普 通 感 应 电动机 对 要 复杂 得多 。本 文对 直线 感应 电动 机控制 的国 内外 研 究情 况进行 概 述 。
域得 到 了越来越 广 泛 的应 用 。 在种 类 繁 多 的直 线 电动机 中 ， 线 感 应 电动 机 直
［］ １ 对直线 电动机驱动带式高速包刷分拣系统采用 ： ＰＤ控 制 和模 糊 控 制 两种 情 况 进 行 了 比较 ， 出在 Ｉ 指
直线电机进给系统伺服参数与控制参数的设计
直线电机进给系统伺服参数与控制参数的设计高峰;斯迎军【摘要】简单介绍了直线电机的分类和优点,设计了一种直线电机伺服系统的结构,说明了驱动器的使用方法及其基本工作原理.研究了直线电机进给系统的控制响应特性,建立了系统的传递函数模型,分析了伺服参数对于响应特性的影响,采用PID控制器对电机位置输出进行控制以减小电机位置输出误差,运用Matlab/Simulink进行系统建模和仿真分析.【期刊名称】《山西电子技术》【年(卷),期】2018(000)003【总页数】4页(P34-37)【关键词】直线电机;伺服系统;速度环;位置控制;参数整定【作者】高峰;斯迎军【作者单位】中国电子科技集团公司第二研究所,山西太原030024;中国电子科技集团公司第二研究所,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TM359.41 直线电机系统分类及其伺服系统的优点早在1845年，Wheatstone提出了直线电机的概念。
20世纪50年代中期，控制、材料技术的飞速发展为直线电机的应用提供了技术基础。
直至20世纪90年代，随着设备向高速化、精密化方向的发展，直线电机被用于设备伺服系统中，并且发展迅速[1]。
直线电机分为直线直流电动机、直线感应电动机、直线同步电动机、直线步进电动机、直线压电电动机、直线磁阻电动机。
目前使用比较广泛的是直线感应电动机和直线同步电动机。
直线同步电动机虽然比直线感应电动机工艺复杂、成本较高，但是效率较高、次级不用冷却、控制方便，更容易达到要求的性能。
因此随着钕铁硼永磁材料的出现和发展，永磁同步电机已成为主流。
在数控设备等需要高精度定位的场合，基本上采用的都是永磁交流直线同步电动机。
直线电机伺服系统的优点主要是结构简单、定位精度高、反应速度快、灵敏度高、随动性好。
2 直线电机伺服系统模型直线电机进给驱动系统结构如图1所示，主要由导轨、滑块、定子、动子、霍尔元件和光栅组成。
相对于传动的滚珠丝杠进给系统，它取消了中间的传动装置从而大大提高了电机的响应特性。
电主轴结构组成与各功能介绍
电主轴结构组成与各功能介绍电主轴是在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。
电主轴包括电主轴本身及其附件，包括高速轴承技术、高速电机技术、润滑、冷却装置、内置脉冲编码器、自动换刀装置、高频变频装置等。
电动机的转子直接作为机床的主轴，主轴单元的壳体就是电动机机座，并且配合其他零部件，实现电动机与机床主轴的一体化。
高速轴承技术：其通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍;有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限。
高速电机技术：电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把其看作一台高速电动机。
关键技术是高速度下的动平衡;润滑：电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑;也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。
所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。
所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。
而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。
油量控制很重要，太少，起不到润滑作用;太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。
冷却装置：为了尽快给高速运行的主轴散热，通常对其外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。
内置脉冲编码器：为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。
自动换刀装置：为了应用于加工中心，配备了自动换刀装置，包括碟形簧、拉刀油缸等。
高速刀具的装卡方式：广为熟悉的BT、ISO刀具，已被实践证明不适合于高速加工。
这种情况下出现了HSK、SKI等高速刀具。
高频变频装置：要实现主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动其内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。
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直线电动机高速进给单元的关键技术夏红梅 张伯霖(广东工业大学)
摘要 为满足超高速加工的要求,近年来出现了一种新型的直线电动机伺服驱动进给方式。文章结合我校自行研制的GD-3型高速直线电动机进给单元,介绍了在设计直线电动机高速进给单元时直线电动机参数的计算和进给单元结构布局的选择,并研究了直线电动机的防磁和散热问题、工作台和导轨等部件的设计以及直线电动机控制系统等有关问题。研究表明,直线电动机在高速数控机床上具有良好的应用前景。关键词 高速加工 进给系统 滚珠丝杠 直线电动机
高速加工是一项新兴的先进制造技术。为了实现高速加工,除了要有高速主轴,还必须同时大大提高进给系统的速度和加速度,才能使加工得以正常进行。传统数控进给系统采用的是“旋转伺服电动机+滚珠丝杠”的传动方式。目前普通丝杠的最大进给速度为40m/min,最大直线加速度为0.5g。而一些高精密滚珠丝杠的最大速度已达60m/min,最大加速度达1.0g[1]。但这种传动方式存在传动误差、摩擦磨损、惯量大、弹性变形引起爬行、反向死区等问题,在运动速度要求较高的场合,要达到更高的性能已非常困难。近年来,随着加工效率和质量要求的提高以及直线电动机技术的进步,出现了一种新型的直线电动机伺服驱动进给方式。它取消了从电动机到工作台间的一切中间传动环节,被称作为“零传动”[2]。同滚珠丝杠传动方式相比较,直线电动机驱动方式具有进给速度高、加速度大、启动推力大、刚度和定位精度高、行程长度不受限制等优点。自1993年德国Ex-Cell-O公司第一次将直线电动机用于加工中心以来,这种新型的高速进给单元已引起世界各国的普遍关注。美、德、日、英等工业发达国家对直线电动机产品进行了深入的研究与开发,采用直线电动机驱动的高速加工中心已成为21世纪机床的发展方向之一。我国对直线电动机的研究已经起步,但同国外的差距还很大。本文结合我校自行研制的GD-3型直线电动机高速进给单元,介绍了如何确定直线电动机高速进给单元的设计参数、结构形式,并重点讨论了影响直线电动机高速进给系统性能的几个关键问题。1 直线电动机高速进给单元的设计 直线电动机高速进给单元主要由直线电动机、工作台、滚动导轨、反馈测量系统、防护系统等五部分组成。图1为我校超高速加工与机床研究室研制的GD
-3型感应式交流直线电动机驱动的高速数控进给单元的横截面图。进给单元应按要求的额定进给速度、额定推力和加速度来设计或选用直线电动机,并根据其应用场合确定进给单元的结构形式,在设计过程中,
还要考虑直线电动机的防磁、散热和防护等问题。
图1 GD-3型直线电动机高速进给单元1.工作台 2.防护罩 3、12.导轨 41床身 5、8.辅助导轨 6、14.冷却板 7.次级 9.测量系统 10.光栅尺11.拖链 13.初级1.1 直线电动机基本参数的确定直线电动机的特性曲线如图2所示,在设计或选用直线电动机时应满足以下三个要求:
图2 直线电动机的特性曲线 图3 直线电动机进给单元受力分析图 11工件 21工件台 31导轨 41床身 51滑块
V
maxΕVRmax
F
maxΕFRmax
设计与研究・22 ・《制造技术与机床》 2001年第7期 FminΕFeff式中 Vmax———直线电动机的最大速度,mm/sVRmax———进给系统要求达到的最大速度,mm/sFmax———直线电动机的最大推力,NFRmax———进给系统要求达到的最大推力,NFmin———直线电动机在所要求的速度范围内的最小推力,NFeff———进给系统所要求的平均有效推力,N直线电动机的最大速度由下式计算:Vmax=2(1-s)τmax式中 s———滑差率τ———直线电动机电极距,mmfmax———交流电源的最高可调频率,Hz直线电动机进给系统受力模型如图3所示。工作台运动时受的摩擦力FR可用下式计算:FR=(mg+FAtt)μ式中 m———移动部件的总质量,kgg———重力加速度,m/s2FAtt———直线电动机初级与次级间的垂直吸力,Nμ———工作台导轨的摩擦系数工作台加速时的惯性力FAcc可用下式计算:FAcc=ma式中 a———进给运动的加速度,m/s2在一个加工周期内,进给系统所要求的平均有效推力Feff可用下式计算:Feff=∑(F2iti)∑ti式中 Fi———在一个时间间隔内系统所要求的推力,N ti———时间间隔,s一般可按照典型工作情况下的时间速度曲线来计算每个时间段电动机要求的最大进给力FRmax,并由此算出一个加工周期的平均有效进给推力Feff。再按照直线电动机产品的标准参数系列,来选择满足设计要求的直线电动机。GD-3型进给单元按额定进给速度为60m/min、加速度为1g、移动件质量337kg、工作台滚动导轨摩擦系数μ=0.01的要求设计。按上述设计方法,通过计算得到典型工作情况下要求的最大推力为3513N,系统要求的平均有效推力Feff为1676N[3]。故选用某公司生产的LAF121C-A型直线电动机。该电动机的额定推力为2000N,最大推力为4500N,最大进给速度为100m/min,总功率为8kW。直线电动机工作台所能达到的最大加速度为
amax=
Fmax-FR
m
式中,m为进给运动部件的总质量,它包括工作台质量、电动机初级的质量和工件的质量三部分。由此可见,要提高进给单元的加(减)速度,就必须减小运动部件的质量,增大系统的推力。系统的推力与摩擦力、直线电动机的型号、导轨的摩擦系数有关,而运动部件质量可通过对工作台结构的优化设计来减小。1.2 进给单元的结构设计根据直线电动机安装方式的不同,进给单元结构可分为水平布局和垂直布局两种基本方式[4]。图1所示即为水平布局方式,它具有结构简单、安装维护方便和机床工作台高度较低等优点。但由于初级与次级之间的电磁吸力与重力方向相同,若工作台刚度不足,将会使初级与次级间的间隙减小,影响直线电动机的正常工作,因而这种布局适于中等载荷以下使用。水平布局又可分为单电动机驱动与双电动机驱动两种方式。单电动机驱动布局结构简单、工作台两导轨间跨距较小、测量装置安装与维修方便,适于推力要求不大的场合。双电动机驱动布局的合成推力大,但两导轨间的跨距较大、工作台受电磁吸力变形较大,对工作台的刚度要求较高,安装也比较困难,测量与控制复杂,
只适于特殊场合使用。为了抵消直线电动机吸力对工作台刚度的影响,
可采用双电动机垂直布局的方式。这种布局具有推力大、工作台垂直变形小、工作载荷对电动机初级与次级间的间隙影响小、运动精度高等优点,适于载荷较大的高速运动场合。按安装方式不同,又可分为外垂直安装和内垂直安装两种方式。外垂直安装可保证机床的导轨跨距较小,电磁吸力产生的弯距与重力引起的弯距方向相反,可抵消工作台的部分弯曲变形,对初级和次级间的间隙影响也较小;但电动机安装高度较高,工作台两端的悬伸较大,所占空间也较大,工作台结构比较复杂。内置安装方式可使两电动机电磁力吸力方向相反,消除了电磁引力对工作台弯曲变形的影响,保证在进给调速过程中初、次级的间隙量变化最小;但两导轨间的跨距较大,安装维护困难,适于大推力、高精度的应用场合。GD-3型进给单元主要用于中小型零件的高速精密加工,因而采用单台电动机水平布局方式(见图1)。
设计与研究《制造技术与机床》 2001年第7期・23 ・1.3 直线电动机进给系统设计中应解决的其它几个问题1.3.1 防磁问题旋转电动机的磁场封闭在电动机的内部,不会对外界造成任何影响。而直线电动机的磁场是敞开的,因而采用直线电动机驱动的进给系统对环境的要求比较严格。尤其是使用永磁式直线电动机时,在机床床身上要安装一排磁力强大的永久磁铁,因此必须采取隔磁措施,否则电动机将会吸住加工中的切屑、金属工具和工件等。若这些微粒被吸入直线电动机的定子与动子间的气隙中,电动机将不能正常工作,因此要把直线电动机的磁场用三维折叠式密封罩防护起来[5]。GD-3型进给单元采用感应式直线电动机驱动,直线电动机、导轨和床身用风琴式折叠耐热防护罩加以保护,以确保电动机运行的安全。1.3.2 直线电动机的散热问题直线电动机安装在工作台和导轨之间,处于机床腹部,散热困难,又加之低速运行时效率低,发热量大,必须采取强有力的冷却措施,把电动机工作时产生的热量迅速散出,否则将会直接影响机床的工作精度,降低直线电动机的推力。GD-3型进给单元采用冷却板的形式带走电动机的热量。如图1所示,直线电动机的初级通过一块冷却板反装在工作台内顶面,次级也通过一块冷却板安装在底座上。工作时,冷却板中通以一定压力和流量的冷却水,用以吸收和带走电动机线圈中产生的热量。冷却水的压力和流量由电动机初级和次级的热损耗来确定。1.3.3 工作台的结构设计问题直线电动机的工作台是高速进给单元的运动部件,如前所述,其质量和进给单元的最大加速度成反比,要提高进给单元的加速度就必须减轻工作台的质量。为此工作台可选用高强度的轻质材料,如铝钛合金、纤维增强塑料等。同时还可采用有限元分析和最优化设计的方法,以获得所要求的动、静刚度条件下最轻的质量。GD-3型进给单元的工作台选用HT250铸铁,并用有限元法对工作台的筋板结构和整体刚度进行校验和优化设计。通过以上措施,工作台的质量比常规铸铁工作台减轻了30%～40%。1.3.4 导轨结构类型的选择由于直线进给单元运动速度高,机床工作时导轨将承受很大的动载荷和静载荷,并受到多方面的颠覆力矩,导轨的摩擦系数还会影响进给系统的加速度和进给单元的发热等,因而必须选用高精度、高刚度、承载能力强的导轨。GD-3型进给单元采用“四方等载荷型”高速滚动导轨,其摩擦系数仅为0.01,而且动、静摩擦系数相差更小,采用这种高速精密滚动导轨来引导直线电动机工作台的运动既可避免发热,又可防止爬行[6]。
2 直线电动机进给单元的控制 直线电动机和工作台之间没有任何中间传动环节,因而这种进给系统只能采用全闭环控制。此时工作台负荷的变化、直线电动机“端部效应”及其在运动中的变化,对伺服系统来说都是一个外界干扰。这些干扰没有任何缓冲环节,就直接作用到直线伺服电动机上。如果调节不好,就可能会降低系统的性能指标甚至造成振荡。因此,要求其位置与速度检测装置具有很高的分辨率和动态响应能力,系统要有鲁棒性很强的控制器,以消除内部参数摄动和外界干扰的影响[5]。我校的GD-3型直线电动机高速进给单元系统采用全双闭环控制,内环为速度环,外环为位置环,选择高精度光栅作为反馈环节的位置测量系统,并通过误差补偿和调整控制参数等方法,较好地解决了上述问题。
3 结束语 近十年来,各类直线电动机除应用于数控机床外,
已制成了许多具有实用价值的装置和产品,如直线电动机驱动的钢管输送机、起重机、空压机、冲压机、拉伸机、运煤机、电动编织机、各种电动门、电动窗等。尤其是利用直线电动机驱动的磁悬浮列车,其速度已超过500km/h,接近了航空器的飞行速度。直线电动机作为数控机床进给系统的一种崭新的驱动方式,只有短短几年的历史。目前它在设计、制造和应用方面还存在一些问题,成本也较高,有待进一步加以研究解决。然而它在高速数控机床上的应用,已呈现出一系列滚珠丝杠所无法比拟的优越性,并已成为现代世界机床技术发展的新高峰。近年来,各国推出的许多新型高速加工中心和其它数控机床,其进给系统已采用了直线电动机,直线电动机驱动有望成为21世纪高速数控机床的基本传动方式。(下转第32页)