数控机床用直线电机高速进给单元应用设计

来源 : www.udows.com   发布时间 : 2015-08-25

华东船舶工业学院、南京四开电子企业公司 《数控机床直线电机应用》项目组

1、前言

随着超高速切削、超精密加工等先进制造技术发展，对机床各项性能指标提出了越来越高的要求。特别是对机床进给系统的伺服性能提出了更高的要求：要有很高的驱动推力、快速进给速度和有极高的快速定位精度。尽管当前世界先进的交直流伺服（旋转电动机）系统性能已大有改进，但由于受到传统机械结构（即旋转电动机+滚珠丝杠）进给传动方式的限制，其有关伺服性能指标（特别是快速响应性）难以突破提高。

   直线电机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达500km/h），1993年德国ExCell—O公司推出了世界上第一个由直线电机驱动工作台的HSC—240型高速加工中心，采用德国Indramat公司的感应式直线电机，机床主轴最高转速达到24000 r／min，最大进给速度为60 m／min，加速度达到了1g，当进给速度为20 m／min时，其轮廓加工精度可达0.004mm。美国的Ingersoll公司紧接着推出了HVM—800型高速加工中心，采用了美国Anorad公司的永磁式直线电机，主轴最高转速20000 r／min，最大进给速度76.2m／min。直线电机在高速加工中心上的成功应用，轰动了国际机床界和学术界。此后，直线电机进给系统的应用和研究在美、英、法、瑞典、日本等工业发达国家蓬勃发展起来。
2　直线电机的工作原理及应用特点

2.1 工作原理

   直线电机从原理上讲非常简单，就是将普通的旋转电机沿其轴线的平面剖开，并展成一平面而成(图1)．由原来旋转电机的定子转变而来的一侧(即电能馈人部分)称为初级；由原来的转子转变而来的一侧(则不馈电部分)称为次级。初级(铁心和绕组)的长度是有限的，称为直线感应电机实际长度，它有—个始端和—个终端。这两个端部有端部效应，这种现象只有直线电机才有。如果向初级线圈通入交流电，则在初级和次级导体之间产生直线方向移动的交变磁场。由于这个交变磁场在次级导板中产生感应电流与磁场互相作用，使次级产生感生电流，此电流与初级磁场互相作用产生电磁力，从而推动初级与次级作相对运动。   

                  图1.直线电机形成原理

2.2 应用特点

机床进给系统采用直线电动机直接驱动与旋转电动机传动方式的最大区别是取消了从电动机到工作台（拖板）之间的一切中间传动环节。即把机床进给传动链的长度缩短为零。故这种传动方式即称“直接驱动”（Direct Drive），惯称为“直线驱动”，亦称为“零传动”。这种“零传动”方式带来了原旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点，但同时也带来了新的矛盾和问题。

首先，直线电机和旋转电机相比，无旋转运动，不受离心力作用。因此，直线电机的速度可以达到很高，而且调速方便，适用于高速场合。具体比较见表1。

表1. 滚珠丝杠进给系统与直线电机进给系统的比较

比较项目
    

旋转电机+滚珠丝杆传动副
    

直线电机直接驱动

最大速度
    

≤60m/min
    

可达5m/s

最大加速度
    

0.5~1g
    

5~10g

进给力
    

通过减速可达很高
    

一般<10kN

控制方式
    

开环/半闭环/闭环
    

只能闭环

磨损
    

大,特别是快速运动时
    

小,直线导轨是唯一磨损件

传动链
    

根据力和速度要求而变化,最短传动链是电机直接驱动滚珠丝杠
    

零传动链,直线电机直接驱动最终运动部件

维护性能
    

中等，传动元件磨损需要调整或更换
    

好，直线电机本身无磨损

防护要求
    

需要对导轨和滚珠丝杠进行防护
    

不仅需要对导轨和滚珠丝杠防护，特别要防止漏磁吸引铁屑进入

冷却
    

一般不需要，高速进给时需冷却丝杆
    

需要

对铁磁性切屑的敏感性
    

不敏感
    

敏感

碰撞防护
    

可以机械防护
    

机械防护较难,可采用电子防护

工作行程长度
    

受滚珠丝杠加工长度的限制
    

不限

导轨形式
    

滑动、滚动、直线等各种导轨
    

直线滚动或气压、静压导轨

 

直线电机的主要优点为：

（1）快速响应性　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如丝杠等机械传动件，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，使反应速度灵敏快捷；

（2）高精度性　由于取消了丝杠等机械传动机构，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 “直接驱动”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布置；

（4）速度快、加减速过程短　由于“零传动”的高速响应性，使其加减速过程大大缩短，从而实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。加速度一般可达到2～10g（g=9.8m/s2）；

（5）行程长度不受限制　在导轨上通过串联直线电动机的定子，就可任意延长动子的行程长度；

（6）运行时噪声低　由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，而其导轨副又可采用直线滚动导轨，使运动噪声大大下降；

（7）效率高　由于无中间传动环节，也就取消了其机械摩擦时的能量损耗。

当然，直线电机直接驱动也存在一些缺点和问题，除控制难度大（中间没有缓冲环节和存在端部效应）外，还必须解决散热、隔磁、足够的推力、自锁和移动部件轻量化等方面的问题，才能在机床上实际应用，同时成本较高。因此，在进行直线电机进给系统设计时应注意以下几点：

（1）将直线电机用于数控机床的进给驱动，滑台的结构在保持高刚度的前提下重量尽可能轻，导轨摩擦阻力要小，导轨能承受较大的表面法向力；

（2）运动部件重心尽可能低，在高加速度运动状态下，重心越低振动也越小；

（3）用直线电机的机床对环境要求比较严格，灰尘、切屑粉末，要严防被磁导体吸入，因此要考虑增加防护装置，这一点也增加了制造成本。

（4）解决散热冷却问题。
3．直线电机驱动式数控进给部件设计

    南京四开公司最新研制的直线电机驱动非圆截面异型螺纹数控车床，最大加速度可达4~5g，最大进给速度超过了100m/min。该机床主要用于加工凿岩机与钎杆的连接的异型螺纹，以前一般采用液压仿形车床，用靠模及尖刀加工，精度差、效率低，且靠模的制造也比较困难。这台数控直线电机车床加工时，X轴用直线电机代替靠模快速往复运动。加工的截面形状由程序控制，螺纹轮廓完全数字化，是一种数字化螺纹加工方式，用尖刀像车外圆一样一刀完成，速度快，精度高，表面质量好。

 

图2.直线电机用于数控车床的X轴的结构

1.定子 2.动子 3.滑台 4.直线导轨副 5.光栅 6.底座 7.机械挡块 8.非圆截面工件 9.刀架 10.限位开关 11.导线拖链

 

为了便于直线电机技术在数控机床的应用，华东船舶工业学院与南京四开电子企业公司合作，研制了数控机床用标准化、通用化的直线电机进给系统。结构简图如图2所示。该结构的设计特点主要有：设计行程为100mm，加工工件直径φ100mm；动子采用无铁芯线圈形式，定子为永久磁铁结构，对称立式安装，受力合理；滑台和简易刀架采用轻质高强度合金材料，优化的结构设计以尽可能减小滑台质量，提高进给系统的快速响应性能和加速度；导轨采用直线滚动导轨；直线电机的额定驱动力为500N；进给系统设计有接近开关电子限位和弹簧空气阻尼式机械挡块二级安全过冲防护，确保滑台不会因为误操作而冲出导轨；光栅位置反馈装置位于滑台内部，以免受到外界油污和铁屑污染；系统具有全封闭防护结构和由内向外的吹风冷却功能（图中未表示）；由于采用短动子（初级）结构，长定子（次级）只有部分时间在发热，散热容易。这使得高速加工中，受热变形的影响小，有利于超高速加工。

带有直线电机初级和刀架的滑台，是高速进给单元的运动部件，其质量的大小对进给系统的动态性能有很大的影响．直线电机所能达到的最大加速度αmax，根据牛顿第二定律并忽略摩擦，可得：

αmax＝Fmax/(m1+m2+m3)

式中：Fmax:直线电机的最大进给力. N

      m1——滑台的质量，为1.4kg（包括直线导轨座的重量）；

      m2——直线电机初级的质量，为1.5kg

m3——刀架的与刀具的质量.1.4kg

运动部件的总质量约为4.3kg，所选直线电机的额定驱动力为500N，算得进给滑台的加速度为116 ，合11.8g。如果加上直线电机的瞬时过载能力，理论加速度远远超过实际需求，完全能够满足非圆截面加工的快速响应特性。

通过采用轻质高强度材料和对对工作台截面形状和尺寸进行有限元分析和最优化设计，可以获得所要求动、静刚度条件下最轻的重量。这样能使工作台的质量比常规钢制工作台减轻40％左右。

图3为SolidWorks下设计的滑台立体结构图，质量仅为1.1kg.，在不降低刚性的前提下，尽可能减轻质量。

图3.滑台立体结构
4　结束语

采用直线电机的直线运动机构由于具有响应快、精度高的特点，能有效地用于异型非圆截面的加工。与传统的采用“靠模”加工方法相比．具有编程修改灵活、加工效率高、精度高的特点，十分适合于多品种、中小批量零件的加工。因此，直线电机的运用为异型内外圆零件的加工开辟了一条新途径。

虽然直线电机仍存在价格较贵、控制系统复杂、需采取防护措施解决磁铁吸引切屑以及发热等问题，但是其在数控机床进给系统中的应用已表现出滚珠丝杠无法比拟的优点。因此，随着科技的进一步发展，直线电机在数控机床进给系统中的应用将会得到快速发展。有专家预测，直线电机有望成为21世纪高速数控机床进给系统的基本传动方式。