引言

　　隨著航空航天映穗、汽車制造、模具加工幕随、電子制造行業(yè)等領域對高效率地進行加工的要求越來越高蚁滋，需要大量高速數(shù)控機床。機床進給系統(tǒng)是高速機床的主要功能部件赘淮。而直線電機進給系統(tǒng)徹底改變了傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動方式存在的彈性變形大泵李、響應速度慢、存在反向間隙腔族、易磨損等先天性的缺點虑夕，并具有速度高、加速度大羽折、定位精度高沼改、行程長度不受限制等優(yōu)點，令其在數(shù)控機床高速進給系統(tǒng)領域逐漸發(fā)展為主導方向巍樟。

　　1 直線電機及其驅動技術

　　現(xiàn)代先進的驅動技術主要分為兩大類：一類為電磁式的经翻，另一類則為非電磁式的。

　　電磁類的現(xiàn)代先進的驅動技術主要由現(xiàn)代電磁類驅動器與現(xiàn)代控制系統(tǒng)組成捍幽，它的驅動器包括傳統(tǒng)改進型的電磁驅動器與新發(fā)展型的電磁驅動器芋总。它們中有旋轉的、直線的兆性、磁浮的套尤、電磁發(fā)射的等等。除了在一般通用電機技術基礎上改進獲得的電機技術外赋荆，還有更多的是在通用電機技術基礎上進一步發(fā)展的新型電機技術笋妥，如直線電機技術懊昨、無刷直流電機技術、開關磁阻電機技術和各種新型永磁電機技術等春宣。

　　直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能而不需通過中問任何轉換裝置的新穎電機酵颁，它具有系統(tǒng)結構簡單、磨損少月帝、噪聲低躏惋、組合性強、維護方便等優(yōu)點嚷辅。旋轉電機所具有的品種簿姨，直線電機幾乎都有相對應的品種，其應用范圍正在不斷擴大簸搞，并在一些它所能獨特發(fā)揮作用的地方取得了令人滿意的效果扁位。

　　直線電機是將傳統(tǒng)圓筒型電機的初級展開拉直，變初級的封閉磁場為開放磁場趁俊，而旋轉電機的定子部分變?yōu)橹本€電機的初級域仇，旋轉電機的轉子部分變?yōu)橹本€電機的次級。在電機的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后剩跛，在初級和次級間產(chǎn)生氣隙磁場础恰，氣隙磁場的分布情況與旋轉電機相似，沿展開的直線方向呈正弦分布优狡。當三相電流隨時問變化時呻舆，使氣隙磁場按定向相序沿直線移動，這個氣隙磁場稱為行波磁場角涯。當次級的感應電流和氣隙磁場相互作用便產(chǎn)生了電磁推力，如果初級是固定不動的钥陪，次級就能沿著行波磁場運動的方向做直線運動腻区。即可實現(xiàn)高速機床的直線電機直接驅動的進給方式，把直線電機的初級和次級分別直接安裝在高速機床的工作臺與床身上螟扮。由于這種進給傳動方式的傳動鏈縮短為0份良，被稱為機床進給系統(tǒng)的“零傳動”

　　與“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”傳動方式相比較，直線電機直接驅動有以下優(yōu)點：（1）高速度骏挎，目前最大進給速度可達100～200m／min汗忠。（2）高加速度，可高達2g～10g兜叨。（3）定位精度高穿扳，由于只能采用閉環(huán)控制，其理論定位精度可以為0国旷，但由于存在檢測元件安裝矛物、測量誤差茫死，實際定位精度不可能為0。最高定位精度可達0．1～0．01m履羞。（4）行程不受限制峦萎，由于直線電機的次級（定子）可以一段一段地鋪在機床床身上，不論有多遠忆首，對系統(tǒng)的剛度不會產(chǎn)生影響爱榔。例如，美國CincinnatiMilacron公司為航空工業(yè)生產(chǎn)了一臺HyperMach大型高速加工中心糙及，主軸轉速為60000r／min详幽，主電機功率為80kW。直線進給采用了直線電機丁鹉，其軸行程長達46m妒潭，工作臺快速行程為100m／min，加速度達2g榆博。在這種機床上加工一個大型薄壁飛機零件只需30min仲及；而同樣的零件在一般高速銑床上加工，費時3h侧焚；在普通數(shù)控銑床上加工锭偿，則需8h，優(yōu)勢相當明顯摆地。

　　2 直線電機在數(shù)控機床的應用

　　現(xiàn)代數(shù)控機床經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，其加工速度和加工精度得到極大提高增量。其加工精度從最初的0．01mm到現(xiàn)在的1μm她打，提高了10000倍，加工速度則從每分鐘幾十毫米提高到每分鐘幾十米童唧，提高了1000倍栽埠。機床技術水平的高速發(fā)展是機床自動化技術發(fā)展的結果，也是以CNC為代表的先進制造技術對傳統(tǒng)機械制造業(yè)的滲透镐胃，從而形成的機電一體化產(chǎn)品的結果镶骗。

　　數(shù)控機床采用直線電機驅動技術躲雅，克服了傳統(tǒng)驅動方式的許多缺陷鼎姊，獲得了極高的性能指標和優(yōu)點相寇。國外在高速加工中心上已廣泛應用直線電機驅動钮科，同時也應用到機床裝備的各個領域东囚，使機床的各項性能大為提高。1993年德國Ex—cell—O公司在漢諾威國際機床博覽會上展出了世界上第一臺應用直線電機驅動技術的HSC一240型超高速加工中心战授，該機床最大快移速度為60m／min页藻。日本機床裝備發(fā)展迅猛，高檔機床大量采用直線電機驅動技術植兰。早在1998年第十九屆JIMTOF上份帐，就展出了8臺直線電機作進給驅動的機床楣导。在2002年日本東京第二十一屆JIMTOF機床展上23家公司展出了41臺裝有直線電機的數(shù)控機床捎霍，包括加工中心11臺。目前漏匿，采用直線電機驅動技術的機床是日本機床生產(chǎn)商供應的主流實用機床缨吸。歐美西方工業(yè)大國的機床制造廠商也大量應用直線電機驅動技術，著名的有DMG衅洞、Sodiek源照、Kings—bury、Anorad流肢、Jobs和ForestLine等公司锁销。在2003年的意大利米蘭EMO2003國際機床展上，直接驅動已經(jīng)成為高性能機床的重要技術手段期位，會展中德國DMG公司展品多為直線電機驅動赦牧。大批高性能加工中心采用了直線電機直接驅動技術。使用直線電機比用滾珠絲桿傳動的成本已從l0年前的高30％剩膏，降低到目前只高15％～20％胳瑟，而且參展商普遍認為用戶可以節(jié)省運行成本20％以上，從而可以及時收回附加投資砂豌。JOBS公司認為有一半以上的機床采用直線電機在技術上和經(jīng)濟上都是值得的厢岂。

　　國內直線電機技術的研究始于20世紀7O年代，上海電機廠奸鸯、寧波大學咪笑、沈陽工業(yè)大學铡协、清華大學过腰、國防科技大學系忙、浙江大學、廣東工業(yè)大學等高校都做了相關研究蓄拣，但未能實現(xiàn)真正應用到高速機床上，大推力努隙、長行程的進給球恤，不是真正意義上的應用在高速機床上的直線電機進給單元辜昵。清華大學機械學系制造工程研究所研究的長行程永磁直線伺服單元額定推力1 500N，最高速度60m／min咽斧，行程600mm堪置。沈陽工業(yè)大學研究的重點擺在了永磁同步直線電動機的控制方式及伺服系統(tǒng)；在CIM T2003（中國國際機床展覽會）上糯锦，北京機電院高技術股份公司攒陋、江蘇多棱數(shù)控機床股份有限公司展出了國產(chǎn)首批直線電機驅動的立式加工中心（VS1250），其X值膝、Y軸采用了直線電機筒煌，最大進給速度60m／s。采用直線光柵尺反饋欺垛，全閉環(huán)控制拱宗，定位精度高，穩(wěn)定性好隆鹤。該加工中心采用了西門子840D系統(tǒng)菜盒，具有很高的可靠性與穩(wěn)定性。這些研究工作為直線電機技術在高速機床上的應用發(fā)揮了積極作用聪痢。目前在我國機床行業(yè)中赶馍，應用直線電機進給系統(tǒng)的產(chǎn)品越來越多。在CIMT2005上翼袒，作為全球最大的切削機床制造商之一的DWG公司摘甜，其產(chǎn)品中有1／3的采用了直線電機驅動技術，展出的DMC 75V linear精密立式加工中心所有進給軸都采用高動力性能直線電機驅動玄柏，良好動態(tài)特性的基礎是采用了高度穩(wěn)定的龍門結構和經(jīng)優(yōu)化的高剛度床身襟衰，加速度高達2g，快移速度90m／min粪摘，從而可使生產(chǎn)率提高20％ 瀑晒，該系列加工中心特別適合于模具加工。2006年徘意，德國Zimmermann公司推出了直線驅動龍門銑床FZ38苔悦，直線電機驅動通過高 因素獲得高水平的標準控制，使得即便是在高進給率的情況下仍能保持非常小的拖曳距離和高定位精度椎咧。DMG推出了Sprint 65直線驅動機床玖详，在置軸上加速度達到g，快移速度40m／min勤讽。在2007年4月的中國國際機床展（CIMT2007）上蟋座，直線電機的應用越來越廣泛，杭州機床集團有限公司推出了國內首次使用直線電機的平面磨床（MUGK7120X5）。全球領先的運動控制解決方案提供商丹納赫傳動向臀，在現(xiàn)場的研討會中提到直接驅動電機近年來在國內外都得到了客戶的廣泛認可巢墅，它改變了原有旋轉電機加絲杠的結構，大大簡化了機械的設計隆文，提高了工作效率美卒。

　　3 總結與展望

　　直線電機驅動技術與數(shù)控機床制造的結合大大促進了世界制造業(yè)的發(fā)展，大大提高了加工精度和加工效率韧践。直線電機進給系統(tǒng)是一種能把電能直接轉換成直線運動的機械能节婶，且不需要任何中間傳動環(huán)節(jié)的驅動裝置。它將傳統(tǒng)的回轉運動轉變?yōu)橹苯拥闹本€運動追临，因此機床的速度享积、加速度、剛度蘑弊、動態(tài)性能得到完全改觀履岂。通過采用直線電機驅動技術使得在高速移動中獲得高的定位精度成為現(xiàn)實，有效克服通過傳統(tǒng)旋轉電機進行驅動時掘缭，機械傳動機構傳動鏈較長函强、體積大、效率低觅冈、能耗高反璃、精度差等缺點。所以假夺，直線電機驅動技術將是高速數(shù)控機床未來發(fā)展的方向淮蜈。

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