直线电机在数控机床中的应用及发展趋势

本文论述了直线电机及其驱动控制技术的进展，在机床中的应用及发展趋势，
提出了我国机床行业加速开发应用直线电机技术的建议。

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<60m/min，一般为 20～
30m/min  

。

    • 速度特性好。速度偏差可达(1)0.01%

 

以下。

    • 加速度大。直线电机最大加速度可达30g，目前加工中心的进给加速度已
达 3.24g，激光加工机的进给加速度已达 5g，而传统机床进给加速度在 1g
以下，一般为 0.3g  

。

    • 定位精度高。采用光栅闭环控制，定位精度可达0.1～0.01(1)m。应用前
馈控制的直线电机驱动系统可减少跟踪误差 200 倍以上。由于运动部件的动态

 

特性好，响应灵敏，加上插补控制的精细化，可实现纳米级控制。

    • 行程不受限制。传统的丝杠传动受丝杠制造工艺限制，一般 4～6m，更
长的行程需要接长丝杠，无论从制造工艺还是在性能上都不理想。而采用直线
电机驱动，定子可无限加长，且制造工艺简单，已有大型高速加工中心 X 轴
长达 40m

 

以上。

    • 结构简单、运动平稳、噪声小，运动部件摩擦小、磨损小、使用寿命长、安全
可靠。