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直线电机在高速数控机床中的应用摘要:高速切削加工是伴随着生产发展和科技进步而出现的一项先进制造技术，快速进给系统是其重要组成部分。本文介绍了直线电机在高速进给机构中的巨大优势及其应用历史与现状，讨论了直线电机进给机构的伺服控制技术以及其常见问题。关键词：直线电机;控制算法;高速进给Abstract：High-speedmachining,whichappearswiththedevelopmentofindustryandtheimprovementoftechnology,isanadvancedmanufacturingtechnologyandhigh-speedfeedsystemisoneofthemostimportantcomponentsofit.Thearticlepresentsthepastandpresentapplicationsandthegreatadvantagesoflinearmotor,discussestheservocontroltechnologyandthecommonproblemsofthelinearmotorfeedingdevice.Keywords:Linearmotor;Controlalgorithm;Highspeed1引言随着国防、航天、汽车、微电子等高技术行业不断发展，对制造加工业提出了更高的要求，超高速加工和超精密加工成为未来机床业发展的两个主题。传统的机床进给驱动系统是“旋转电机+滚珠丝杠”机构。这种驱动系统涉及的中间部件多，运动惯量大，而且滚珠丝杠本身具有物理局限性，因此产生的线性速度、加速度及定位精度均有限，不能满足超高速、高精密加工的需要；于是直线电机受到人们关注，它直接产生直线运动，结构简洁，运动惯量小，系统刚度高，快速响应特性好，高速情况下能实现精密定位，产生推力大，尤其运动速度、加速度高于滚珠丝杠的若干倍，工作行程可以无限长，维护少、寿命长。这些优点使它成为现代机床进给驱动的理想部件。2直线电机原理图1直线电机原理直线电机从原理上讲，就是将普通的旋转电机沿过轴线的平面剖开，并展成一直线而成。与旋转交流电机的分类相对应，直线交流电机按照励磁方式可分为直线永磁(同步)式和直线感应(异步)式两类。特别是直线永磁同步电机(示意图1)，因采用高能永磁体，具有高推力强度、低损耗、电气时间常数小、响应快速、易于实现矢量控制等特点，成为高速数控设备伺服进给系统的最佳选择。直线电机驱动机构取消了一切中间传动环节，将电能直接转化为机床执行部件(工作台、溜板等)的直线运动，从根本上改变了以往“旋转电机+滚珠丝杠”进给系统中由于机械传动链引起的一系列问题，被称为“零传动”进给驱动，具有速度高、加速度大、刚度高、动态响应快、定位精度高等优点。另外，由于直线电机的次级是一段一段连续铺在机床床身上的，初级铺到哪里，次级(工作台)就可以运动到哪里，因此，行程不受限制，对整个进给系统的刚度没有任何影响。3直线电机应用于进给机构的历史与现状首先将直线电机应用在机床上的是德国人，1993年德国Ex-cell-O公司在汉诺威国际机床博览会上展出世界上第一台采用直线电动机驱动工作台的HSC-240型高速加工中心，其三个坐标方向上都采用了德国Indramat公司生产的交流感应式直线电机，该机床工作台行程630-710mm，进给速度达到60m／min，进给力2800N，进给速度多920m／min时的位置精度可达4µm。几乎与此同时，美国Ingersoll公司也研制成功HVM．800型高速加工中心，该机床采用美国Anorad公司生产的永磁式直线电机，工作台最大进给速度达到76．2m／min。直线电机在机床E的成功应用，拉开了高速进给的序幕，被同行专家评价为90年代国际机床工业一个新的技术高峰。在高速高精加工机床领域，直线电机驱动和滚珠丝杠驱动还会并存相当长一段时间，但总的趋势是直线电机驱动所占比重会越来越大，成为高速进给驱动的主流。现在世界知名的机床制造商几乎无一例外的都推出了直线电机驱动的机床产品，品种覆盖了绝大多数机床类型，直线电机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。在我国，中国科学院电工所、清华大学、浙江大学、沈阳工业大学、广州工业大学、西安交通大学、国防科技大学等科研机构对直线电机开展了多年研究，并取得了重大成果。4直线电机伺服控制技术研究随着直线电机在高速加工中的优势日益明显，研究和发展高性能的直线电机伺服系统已成为数控加工及机器人控制等领域的研究热点之一．国内外众多学者在直线电机的伺服控制方面作出大量研究，多种先进的控制策略在直线电机伺服控制领域都有了成功的应用，大致可以归纳如下：4.1传统控制策略PID控制作为传统控制策略的代表，蕴涵了动态控制过程过去、现在和将来的信息，根据不同被控对象适当整定PID的三个参数，可以获得比较满意的控制效果，因此PID控制作为一种简单而实用的控制方法，在伺服控制系统中获得了广泛的应用。文献[4]在直线电机进给系统中采用了P型位置控制器和PI型速度控制器。文献[5]利用单片机实现了对直线电机的PID控制。但PID控制对被控对象模型参数的变化较为敏感，当对象特性发生变化时，难以保持良好的控制性能。此外，PID控制的整定比较费时，由于参数间相互影响，往往难以收到最优的效果。因此，常规的PID控制已很难满足高性能直线伺服系统的要求．目前PID控制更多的是与其它控制策略．如模糊控制、神经网络控制等相结合，形成了带有智能的新型复合控制，使直线电机伺服系统的鲁棒性得到增强。4.2现代控制算法在对象模型确定、不变化且为线性条件下，传统控制策略是简单有效的。但在高精度微进给的高性能场合，就必须考虑对象的结构与参数变化、运行环境的改变以及环境干扰等时变和不确定因素的影响，才能得到满意的控制效果。因此，现代控制策略如自适应控制、鲁棒控制、预见控制、滑模变结构控制等在直线电机伺服控制中的应用引起广泛重视。4.2.1自适应控制自适应控制是一种将反馈控制与辨识理论相结合，通过寻求某些性能指标最优来完成对被控对象整体调节的控制方法，大致可分为模型参考自适应与自校正控制两种方法。模型参考自适应控制系统不需要控制对象的精确数学模型，也无须进行参数辨识，它的关键问题是设计自适应参数调整律，在保证系统稳定性的同时使误差信号趋于零，其主要优点是比较容易实现和自适应速度快，因而在直线伺服控制中得到了成功应用，可以有效地克服直线电机模型参数的缓慢变化所引起的影响，但对于高频的外部干扰则效果不佳。自校正控制系统的一个主要特点是具有被控对象数学模型的在线辨识环节，可以灵活地实现极点配置、最优控制等多种控制技术，设计方法具有更强的灵活性，但计算量一般比较大，因此在对实时性要求较高的伺服系统中应用不多。4.2.2滑模变结构控制滑模变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性。由于滑动模块可以进行设计，且与控制对象的参数及扰动无关，因此滑模变结构控制具有快速响应、对参数及扰动变化不敏感、无需在线辨识与设计等优点，因而在直线电机伺服系统中得到了成功的应用，但抖振问题是限制滑模变结构控制广泛应用的一个主要因素。文献[6]采用一种串联的滑模变结构控制器设计交流伺服系统，内外环均采用滑模变结构控制策略，系统具有很好的鲁棒性能。文献[7]提出了一种基于滑模变结构的直线电机速度环控制方案，并利用负载转矩观测器来减小抖振，达到了较好的鲁棒控制效果，但扰动观测器的带宽影响了系统伺服性能的提高。文献[8]将模糊自学习与滑模变结构控制有机地结合以减小抖振。但模糊自学习难以保证系统的稳定性。4.2.3鲁棒控制鲁棒控制的研究是针对模型的不确定性问题提出的，其研究重点是讨论控制系统的菜种性能或某个指标在某种扰动下保持不变的程度。经过20多年的研究和发展，鲁棒控制理论取得了十分丰富的结果，其中乩控制通过使系统由扰动至偏差的传递函数矩阵的如范数取极小或小于某一给定值来设计控制器，对抑制扰动具有良好的效果。很多学者对H∞控制理论在直线电机伺服系统中的应用傲了大量的研究和尝试，取得了不少成果．Aiter和Tsao[9]采用比控制器来获得对外部干扰的鲁棒性，文献[10-12]对二自由度^k控制器进行了研究，以同时满足指令跟踪性能和干扰抑制性能的要求。文献[13，14]将鲁棒如控制律应用于具有时变不确定性的直线伺服系统控制中，以保证系统对参数不确定性和外部扰动信号的良好抑制作用。4.2.4预见控制预见控制是指在目标值的过去、现在、未来及干扰信号的未来情况完全知道的情况下，使目标值与被控量的偏差整体达到最小。预见控制伺服系统是在普通伺服系统的基础上附加了使用未来信息的前馈补偿后构成的，它能极大地减小目标值与被控量的相位延迟，也就是说，被控量能没有延迟地跟踪目标值。文献[15]将预见前馈补偿应用于直线电机伺服控制系统中。4.3智能控制智能控制突破了经典控制理论中必须基于数学模型的框架，它所研究的主要目标不再是单一的数学解析模型。而是数学解析和知识系统相结合的广义模型；其次。智能控制继承了人脑思维的非线性特征，更适用控制对象、环境和任务复杂的系统。模糊逻辑控制、神经网络控制和专家控制是当前三种比较典型的智能控制策略。目前智能控制方法一般是与其它控制方法复合使用，如将模糊自学习与滑模变结构控制相结合用于直线电机的伺服控制，使得系统性能大大优于传统的模糊控制和滑模控制等。目前智能控制用于交流伺服系统的仍处于开创性研究阶段，待研究问题还较多，如依赖于人的经验，神经网络的发展并不完善，在控制系统的稳定性、能控性、能观性、自学习速率的研究方面还存在许多问题。从上述分析可以看出，国内外众多学者在寻求高性能直线电机伺服控制策略方面进行了大量的研究和实践，提出了许多具有建设性的新思路，并取得了一些具有实用性意义的成果。随着被控对象的复杂化及控制要求的不断提高，采用单一的控制策略已难以满足被控对象的控制要求，把不同的控制策略进行集成以形成新型的复合控制策略，已成为控制策略的一大发展趋势。5线电机在机床应用中的关键技术问题用于机床进给伺服系统的主要是交流直线电机，又分为同步式和感应式两大类。随着稀土钕铁硼(NdFeB)永磁材料的出现和性价比的提高，永磁同步直线电机发展成为主流，应用最多。现以这类直线电机在高速、高精密机床上的应用为例，分析需要克服的关键问题。5.1绝热与散热问题永磁直线电机运行时，由于铜损和铁损，线圈会发热，带来几个负面影响：(1)对线圈绝缘层造成老损或破坏，使线圈不便通入更大电流，从而不能产生更大推力。(2)温度升高会改变永磁体的工作点。(3)如果热量传递到机床工作台或者导轨，产生热变形会影响加工精度，所以，尤其是平板形大推力直线电机，必须降温，要求磁钢温度最高不超过70℃，线圈温度不超过130℃。对于动圈式(Movingcoil)和一般的动磁式直线电机，对线圈部位冷却即可；但在超精密要求下的动磁式直线电机，应该采取双层水冷方式，配以温度传感器监测系统。国际上Indramat、siemens的部分直线电机采取了类似措施。u形直线电机由于结构原因，一般不用冷却措施。5.2隔磁与防护问题机床切削液、铁屑、灰尘等会污染腐蚀电机，甚至堵塞气隙，所以必须封闭电机。永磁钢对铁磁性物质有强吸引力，为安全起见应该隔磁，可采用不锈钢罩封闭。直线电机两端要有缓冲防护装置(Shock-absorbing)和电子限位开关，防止动子失控后的碰撞。对电缆线要加保护拖链，输出信号线还要加屏蔽体。5.3线性导轨要求承受载荷，适应高速运动并保证精度，选择导轨要考虑行程大小、机械特性、精密性与速度承受能力等。一般用滚动(滚珠或滚柱)直线导轨，安装时要保证相互平行度，目前性能较好的有日本THK公司的产品等。对于超精密要求的情况，可使用空气静压导轨。6结束语随着直线电机制造工艺的不断革新，生产的规模化，以及永磁材料、电子产品价格的下降，直线电机的成本正以每年20％的速度下降，在机床上的应用前景广阔。但这一应用毕竟是新事物，无论是直