直线电机在高速精密加工中的应用

直线电机在高速精密加工中的应用摘要直线电机直接驱动方式是高速精密机床进给系统的一种理想驱动方式。本文首先介绍了直线电机的发展历程，说明了其工作原理及优缺点。其次，探究了高速精密加工对机床进给系统的要求,以及直线电机在高速精密机床上应用所具备的优点与存在的问题。关键词：直线电机；高速精密加工；机床AbstractLinearmotordirectdriveisakindofidealdrivemodeoffeedsystemofhigh-speedprecisionmachinetool.Firstly,Thispaperintroducesthedevelopmentoflinearmotor，andillustratesitsworkingprinciple、advantagesanddisadvantages。Secondly,thispaperexplorestherequirementofthefeedsystemofhigh-speedprecisionmachinetool,andthelinearmotorhastheadvantagesofandproblemsexistingintheapplicationofhigh-speedprecisionmachinetool.Keyword:linearmotor,high-speedprecisionmachining,machinetool引言高速精密加工技术越来越引起人们的关注。实现高速精密加工的关键技术之一，是开发具有高速能力的精密数控机床。数控机床具有高柔度、高精度、高速度、高效率和高可靠性等特，其应用范围迅速扩大，发挥的作用也愈来愈大，所处的地位变得越来越重要。高速加工技术采用比常规加工高5～10倍的切削速度和进给速度进行加工，可大大减少加工时间，同时还可以减小切削力和提高加工质量，正是在这种环境下，直线电机直接驱动的高速进给系统应运而生，实践证明它也是实现高速精密加工的理想驱动方式。1.直线电机1.1直线电机的原理直线电机是一种将电能直接转化成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置。由于采用了“零传动”，从而较传统传动方式有明显的优势，如结构简单、无接触、无磨损、噪声低、速度快、精度高等。近年来，随着工业加工质量和运动定位精度等要求的提高，直线电机受到了广泛的关注。在国外，直线电机驱动技术已进入工业化阶段，特别是在高速精密加工中已经有了广泛应用，但国内尚处于起步阶段。直线电机是将传统的旋转电机沿径向切开，并展成平面而成，如图1-1所示。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。直线电机不仅在结构上相当于从旋转电机演变而来，而且其基本原理也与旋转电机相似，在直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，将产生气隙磁场。当不考虑铁心两端开断引起的纵向边端效应，此气隙磁场与旋转电机的相似，可看成是沿直线运动方向呈正弦形分布，当三相电流随时间变化时，气隙磁场将沿直线运动。这个磁场与永磁体的励磁磁场相互作用产生电磁推力。由于次级固定不动，动子便会沿行波磁场运动的相反方向作直线运动，其运动速度为同步转速。图1-1由旋转电机演变为直线电机的过程1.2历史、现状及前景1.2.1发展历史直线电机的历史最早可追溯到1840年惠斯登提出和制作雏形但不成功的直线电机,至今已有160多年。其发展大致可分为三个阶段:探索实验阶段(1840—1955)、开发应用阶段(1956—1970)和实用商品化阶段(1971—至今)。第一阶段是直线电机探索实验和部分实验应用时期。由于直线电机还没能找到唯独它能解决问题的领域,以及直线电机在设计方面也没有突破性的成功,所以直线电机在这一时期绐终未能得到真正的应用。第二阶段是直线电机全面的开发阶段。在这期间,以英国E·Laithwaite教授为首的一些人在强调直线电动机的基础研究的情况下,取得了不少研究成果,包括发表直线电机理论分析文章和出版比较系统介绍直线电机的专著《InductionMachinesforSpecialPurposes》。这些给直线电机领域起到了一个推动作用,作出了开创性的贡献,也使直线电机再一次受到了重视。从1971年开始直线电机进入了独立应用阶段。在这个时期,研究人员终于选择一条适合直线电机自身发展的独特思路。各类直线电机的应用得到了迅速的推广,出现了许多具有实用价值的产品,如运煤机、空压机、冲压机等。1.2.2研究现状近几年,直线电机发展十分迅速,在国外相继出现了许多直线电机研究室和研究人员。国际上许多电气企业均在研究和开发相关产品,如美国的Koll-morgen公司和Westinghouse公司,日本三井精机公司、松下和德国的SIEMENS公司等。随着各种技术的进步和研究的展开,诸多高质量的直线电机产品和科研成果纷纷出现。1985年,美国Ingersol铣床公司生产了采用永磁同步直线电机的HVM600高速加工中心，最大进给速度达76.2m/min，加速度达(1～1.5)g。在1993年EMO展览会上，仅德EX-Cell-O公司一家展出直线电机产品。而在1997年,汉诺威EMO展览会上有20多家公司展出了直线电机传动装置,如德Trumpf公司的激光机床、法国Renaultautomation公司的加工中心等，展出的直线电机最大速度达150～200m/min，加速度达50m/s²。这些被称为最有前途的展品表明，在高速度机床的进给机构中愈来愈多的采用直线电机。新型磁性材料和控制技术、冷却方法的出现,为应用经济高速高动力直线电机创造了条件。如Indramat公司研制了最完整系列的直线电机：包括无罩壳同步直线电机,无罩壳异步直线电机和封闭式异步直线电机。直线电机的控制系统有标准接口,可保证与各种改型的数字变换器和程序控制器的兼容性。在我国,直线电机的研究和应用发展起步较晚,从20世纪70年代初开始。1972年,浙江大学首先翻译了《直线感应电动机》译文集。之后,上海大学、中科院电工所等又编译了一些直线电机的书籍并出版。受国外直线电机应用潮流的影响,近几年,国内也涌现了诸多直线电机应用开发单位,主要有中科院电工所、西安交通大学、浙江大学等。在浙江大学、沈阳工业大学等都已有样机。其中浙江大学成立了全国首家直线电机研究所,取得了许多成果。国内主要研究成果有冲压机、摩擦压力机、矿山运输系统、自动绘图仪、直线电机驱动门等,部分产品在社会上得到了推广应用。此外,令人感到欣慰的是2002年底,在上海,磁悬列车试通成功,它每小时的行驶速度最高可达432km。这些都表明国内的直线电机应用研究已经起步,并且在飞速发展，但与国外相比还存在很大的差距。1.2.3前景由于直线电机自身独特的优势,更多的国家开展了对直线电机的专题研究,越来越多的相关优质产品出现。相信在不久的将来,直线电机在各个领域必将得到广泛的应用。(1)在交通运输业中。可由直线电机驱动的磁悬浮列车、地铁等,具有高速、舒适、安全、无污染等优点,将在实现新的交通输送工具发挥重要作用。(2)在工业中。直线电机在直线传动和物料输送等方面具有独特的优势,如分拣输送线、升降机等。在各种工业机床中,也可广泛使用直线电机代替旋转电机,主要是利用其速度快精度高的特点,如直线电机驱动的冲压机、压铸机、电火花成形机等。(3)在民用方面。一些生活用品如家电(空调、冰箱等)、驱动门等都可用上直线电机,日本的日东工器公司制造的A1015-0920直线电机驱动的空气压缩机就已经成为一种非常成熟的产品。(4)在军事方面,由于直线电机的速度极高,利用这点可将其应用于导弹、火箭和大炮中,这也是完全可能的。1.3直线电机的优势及不足在结构上,直线电机相当于旋转电机在顶上沿径向剖开并将其圆周拉直,工作原理同旋转电机相似。它不需要任何中间环节可直接驱动被控制对象产生直线轨迹运动,打破了传统“旋转电机+机械变换环节”的传动形式,具有独特的优点:(1)不存在中间环节的磨损问题,对给定路径可用高速进行高精度跟踪与定位。系统维护简单,可靠性好。(2)具有比传统旋转电动机大得多的加、减速度。由于不会象旋转电机那样受到离心力的作用,因而直线速度可以不受限制。(3)进给行程长度不受限制。(4)结构简单,依靠电磁推力驱动,故运动安静,噪声低,从而改善工作环境。另一方面直线电机也有其不足之处:(1)因气隙比旋转电机大,所以效率和功率因素要相对低一些,尤其在低速时比较明显。(2)初级铁心两端开断,会产生端部效应,特别是在高速直线电机中不容忽视。可以看出,直线电机的优势是非常明显的。只要在应用时综合权衡利弊,直线电机定能发挥很大的作用。2.直线电机在高速精密加工中的应用超高速加工是近十年来在工业发达国家发展十分迅速的一项先进制造技术。它不但极大地提高了机床的生产效率，而且显著地提高了零件的加工精度和表面质量，还能解决常规加工方法难以解决的一些特殊问题，是现代制造技术和机床发展史上的一个重大突破。要实现超高速加工，首先要有超高速机床。在超高速数控机床中，除了要有性能优良的超高速主轴单元外，还要有一个刚度高、动态响应极其灵敏的快速进给系统。国外的经验和我们自己的实践都表明，从某种意义上讲，后者更为重要、更具特色，是新一代数控机床的一个主要标志。2.1高速精密加工对机床进给系统的要求研究表明采用比常规加工高5–10倍的切削速度和进给速度加工,可大大减少加工时间,同时还可以减小切削力和提高加工质量。因此,高速加工机床不仅要有高的主轴转速,也应具备与主轴转速相匹配的高的进给速度。分析表明,在加工半径为r0的圆弧时,最大进给速度vmax与轴的最大进给加速度amax有如下关系也就是说,在加工相同半径的圆弧时,如果最大进给速度提高1倍,则轴的最大进给加速度需要提高4倍。此外,为了保证高速加工复杂曲面的高精度,机床也必须具备高的进给加速度,以满足根据不同的曲率半径在最短的时间内不断地调整进给速度的需要。总之,高速精密加工对机床进给系统不仅要求速度快,与高速主轴相匹配,而且要求动态特性好,能实现快速的伺服控制与误差补偿,另外具有较高的定位精度和刚度。2.2直线电机的应用及优缺点传统的数控机床进给系统主要是通过“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的方式,将旋转运动转化为直线运动。这种进给系统涉及的中间环节多,如联轴节、丝杠、螺母、轴承等,不仅加大了系统的转动惯量,影响系统动态特性,而且会产生摩擦、弹性变形、滞后和许多非线性误差,因此其线性速度、加速度及定位精度均有限,不能满足高速精密加工的需要。而采用直线电机直接驱动实现进给的方式,取消了动力源和工作台之间所有的中间传动环节,即把机床进给传动链的长度缩短为零,即所谓的“直接驱动”或“零传动”。正是由于这种“零传动”方式,实现了原旋转电机驱动方式无法达到的一系列性能指标和优点,同时也带来了新的矛盾和问题。优点：(1)响应时间短。一般来讲机械传动件比电气元器件的动态响应时间要大几个数量级。由于系统中取消了一些响应时间常数较大的机械传动件(丝杠),使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高,反应更灵敏快捷。(2)定位精度高。由于没有机械传动机构,因而减少了插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制,可大大提高机床的定位精度。(3)传动刚度高、推力平稳。“零传动”提高了其传动刚度,同时直线电机的布局,可根据机床导轨的形面结构及其工作台运动时的受力情况来考虑,使其运动推力平稳。(4)运行速度高、加(减)速度大。运行时,直线电机不会像旋转电机那样受到离心力作用,因此其速度不受限制,容易实现高速直线运动。又由于/零传动0的响应时间短,使其加(减)速度大,从而实现起动时瞬间达到高速,高速运行时又能瞬间准停。(5)行程长度不受限制。由于直线电机是由旋转电机展开形成,在理论上其行程不受限制。通过在导轨