做座直线电机在数控机床中的应用及发展趋势

直线电机在数控机床中的应用及发展趋势

一、引言

数控机床正在向精密、高速、复合、智能、环保的方向发展。精密和高速加工对传动及其控制提出了更高的要求，更高的动态特性和控制精度，更高的进给速度和加综合精度可达0.01%速度，更低的振动噪声和更小的磨损。问题的症结在传统的传动链从作为动力源的电动机到工作部件要通过齿轮、蜗轮副，皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间传动环节，在这些环节中产生了较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损。虽然在这些方面通过不断的改进使传动性能有所提高，但问题很难从根本上解决，于是出现了“直接传动”的概念，即取消从电动机到工作部件之间的各种中间环节。随着电机及其驱动控制技术的发展，电主轴、直线电机、力矩电机的出现和技术的日益成熟，使主轴、直线和旋转坐标运动的“直接传动”概念变为现实，并日益显示其巨大的优越性。直线电机及其驱动控制技术在机床进给驱动上的应用，使机床的传动结构出现了重大变化，并使机床性能有了新的飞跃。

二、直线电机进给驱动的主要优点

·进给速度范围宽。可从1(1)m/s到20m/min以上，目前加工中心的快进速度已达208m/min，而传统机床快进速度机床类型型号厂商主要特点电火花成形机床GV754L北京机床研究所快进速度24m/min

加速度1.5g立式加工中心VS1250北京机电院高技术

股份公司X/Y轴直线电机，

快进80/120m/min

加速度0.8/1.5g立式加工中心XH716/5X-SM江苏多棱数控机床有限公司X轴直线电机车铣中心沈阳机床集团X轴直线电机，

快进60m/min活塞车床G-CNCP200清华大学X轴直线电机凸轮磨床北京航空航天大学头架驱动用直线电机，

精度提高，无振纹

目前，世界上最知名的机床厂家几乎无一例外地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。此外，在压力机、坐标测量机、水切割机、等离子切割机、快速原型机及半导体设备的X-Y工作台上直线电机都有应用。

此外，浙江大学直线电机与现代驱动研究所开发了直线电机驱动的压力机、锯床、雕刻机、线切割机床。

北京机电院高技术股份有限公司承担的“十五”攻关项目《直线电机驱动的高速立式加工中心》，于2003年研制成功国内第一台直线电机驱动的加工中心，并在2003年北京国际机床展览会展出。该机床X/Y轴采用直线电机驱动，行程分别为1250/630mm，最大快移速度80/120m/min，最大加速度O.8/1.5g。机床在设计中对减轻运动部件质量、加强机床刚性、解决高速高加速运动下的抗冲击性、直线电机的防护，以及控制系统、伺服系统与直线电机的匹配和优化调试等方面做了有益的探索并取得了成功。为解决处于工作台下方的Y轴直线电机的防护问题，设计了密封的直线驱动轴部件，并获得了国家专利。经测定，该机床精度达到精密级加工中心标准，并有充分裕量。一年多来该机床工作稳定可靠。课题组还对直线电机初级线圈与次级磁铁(定子)的温升进行了试验。以X轴为例：X轴运动部件质量>1000kg，加速度设定为O.8g，快移速度设定为70m/min，连续往复运动1小时以上。试验结果：10分钟后初级线圈(水冷)温升趋于平衡，工作温度稳定在69℃左右，远远低于允许工作温度(12℃)。电机次级磁铁温关于磨擦系数实验有以下几点需求阐明：升约2℃。可见直线电机初级线圈与次级磁铁(定子)的温升对机床的热影响有限，可通过补偿消除。

图2 VS1250型直线电机驱动的加工中心

五、发展趋势

1) 技术日益成熟

直线电机及其驱动控制系统在技术上已日趋成熟，已具有传统传动装置无法比拟的优越性能。过去人们所担心的直线电机推力小、体积大、温升高、可靠性差、不安全、难安装、难防护等问题，随着电机制造技术的改进，已不再是大有突出的阻燃性问题。而驱动与控制技术的发展又为其性能拓展和安全性提供了保证。选择合适的直线电机及驱动控制系统，配以合理的机床设计，完全可以生产出高性能、高可靠性的机床。现在直线电机驱动进给速度100m/min，加速度1～2g的机床已很普遍，已有机床达到快进240m/min，加速度5g的指标(日本AMADA激光切割机)。日本Mazak公司宣称，该公司将在近期推出快移速度500m/min，加速度6g，主轴速度80000r/min切削速度8马赫的超音速加工中心。高速度高加速度的传动已在加工中心、数控铣床、车床、磨床、复合加工机床、激光加工机床及重型机床上得到广泛应用，这类机床在航空、汽车、模具、能源、通用机械等领域发挥着特殊的作用。在电加工机床上采用直线电机驱动可实现0.1(1)m的精密平稳移动。在微细加工及精密磨削中，可实现10um进给分辨率及20m/min82沥青复合胎柔性防水卷材的快移速度，加工表面粗糙度