图
1
直线电机结构示意图
与 “旋转伺服电机
+
滚珠丝杠 ”传动方式相比
较
,
直线电机直接驱动有以下优点
:
( 1 )
高速度
,
目前最大进给速度可达
100
～
200m /m in
。
( 2)
高加速
度
,
可高达
2
g
～
10
g
。
( 3)
定位精度高
,
由于只能采
用闭环控制
,
其理论定位精度可以为
0,
但由于存在
检测元件安装 、测量误差
,
实际定位精度不可能为
0
。最高定位精度可达
0
1
1
～
0
1
01m
。
( 4)
行程不受限
制
,
由于直线电机的次级
(
定子
)
可以一段一段地
铺在机床床身上
,
不论有多远
,
对系统的刚度不会产
生影响 。例如
,
美国
Cincinnati M ilacron
公司为航空
工业生产了一台
HyperMach
大型高速加工中心
,
主轴
转速为
60 000 r /m in,
主电机功率为
80kW
。直线进给
采用了直线电机
,
其
X
轴行程长达
46m ,
工作台快速
行程为
100m /m in,
加速度达
2
g
。在这种机床上加工
一个大型薄壁飞机零件只需
30m in;
而同样的零件在
一般高速铣床上加工
,
费时
3h;
在普通数控铣床上
加工
,
则需
8h,
优势相当明显
[ 1 ]
。
2 直线电机在数控机床的应用
现代数控机床经过半个世纪的发展
,
其加工速度
和加工精 度 得 到 极 大 提 高 。其 加 工 精 度 从 最 初 的
0
1
01mm
到现在的
1
μ
m ,
提高了
10
4
倍
,
加工速度则
从每分钟几十毫米提高到每分钟几十米
,
提高了
10
3
倍 。机床技术水平的高速发展是机床自动化技术发展
的结果
,
也是以
CNC
为代表的先进制造技术对传统
机械制造业的渗透
,
从而形成的机电一体化产品的结
果
[ 2 ]
。
数控机床采用直线电机驱动技术
,
克服了传统驱
动方式的许多缺陷
,
获得了极高的性能指标和优点 。
国外在高速加工中心上已广泛应用直线电机驱动
,
同
时也应用到机床装备的各个领域
,
使机床的各项性能
大为提高 。
1993
年德国
Ex - cell - O
公司在汉诺威国
际机床博览会上展出了世界上第一台应用直线电机驱
动技术的
HSC - 240
型超高速加工中心
,
该机床最大
快移速度为
60m /m in
。日本机床装备发展迅猛
,
高档
机床大量采用直线电机驱动技术 。早在
1998
年第十
九届
J IMTOF
上
,
就展出了
8
台直线电机作进给驱动
的机床 。在
2002
年日本东京第二十一届
J IMTOF
机床
展上
23
家公司展出了
41
台装有直线电机的数控机
床
,
包括加工中心
11
台
[ 3 ]
。目前
,
采用直线电机驱
动技术的机床是日本机床生产商供应的主流实用机
床 。欧美西方工业大国的机床制造厂商也大量应用直
线 电 机 驱 动 技 术
,
著 名 的 有
DMG
、
Sodick
、
Kings
2
bury
、
Anorad
、
Jobs
和
Forest L ine
等公司 。在
2003
年
的意大利米兰
EMO2003
国际机床展上
,
直接驱动已
经成为高 性 能 机 床 的 重 要 技 术 手 段
,
会 展 中 德 国
DMG
公司展品多为直线电机驱动 。大批高性能加工
中心采用了直线电机直接驱动技术 。使用直线电机比
用滚珠丝杆传动的成本已从
10
年前的高
30% ,
降低
到目前只高
15%
～
20% ,
而且参展商普遍认为用户
可以节省运行成本
20%
以上
,
从而可以及时收回附
加投资 。
JOBS
公司认为有一半以上的机床采用直线
电机在技术上和经济上都是值得的
[ 4 ]
。
国内直线电机技术的研究始于
20
世纪
70
年代
,
上海电机厂 、宁波大学 、沈阳工业大学 、清华大学 、
国防科技大学 、浙江大学 、广东工业大学等高校都做
了相关研究
[ 5 - 6 ]
,
但未能实现真正应用到高速机床
上
,
大推力 、长行程的进给
,
不是真正意义上的应用
在高速机床上的直线电机进给单元 。清华大学机械学
系制造工程研究所研究的长行程永磁直线伺服单元额
定推力
1 500N ,
最高速度
60m /m in,
行程
600mm
[ 7 ]
。
沈阳工业大学研究的重点摆在了永磁同步直线电动机
的控制方式及伺服系统
[ 8 ]
;
在
C IM T2003 (
中国国际
机床展览会
)
上
,
北京机电院高技术股份公司 、江
苏多棱数控机床股份有限公司展出了国产首批直线电
机驱动的立式加工中心
(VS1250 ) ,
其
X
、
Y
轴采用
了直线电机
,
最大进给速度
60m / s
。采用直线光栅尺
反馈
,
全闭环控制
,
定位精度高
,
稳定性好 。该加工
中心采用了西门子
840D
系统
,
具有很高的可靠性与
稳定性
[ 9 ]
。这些研究工作为直线电机技术在高速机床
上的应用发挥了积极作用 。目前在我国机床行业中
,
应用直线电机进给系统的产品越来越多。在
C IMT2005
上
,
作为全球最大的切削机床制造商之一的
DW G
公
司
,
其产品中有
1 /3
的采用了直线电机驱动技术
,
展
出的
DMC 75V linear
精密立式加工中心所有进给轴都
采用高动力性能直线电机驱动
,
良好动态特性的基础
是采用了高度稳定的龙门结构和经优化的高刚度床
身
,
加速度高达
2
g
,
快移速度
90m /m in,
从而可使
生产率提高
20% ,
该系列加工中心特别适合于模具
加工
[ 10 ]
。
2006
年
,
德国
Zimmermann
公司推出了直线
驱动龙门铣床
FZ38,
直线电机驱动通过高
Kv
因素获
得高水平的标准控制
,
使得即便是在高进给率的情况
下仍能 保 持 非 常 小 的 拖 曳 距 离 和 高 定 位 精 度
[ 11 ]
。
DMG
推出了
Sp rint 65
直线驱动机床
,
在
X
3
轴上加速
度达到
g
,
快移速度
40m /m in
[ 12 ]
。在
2007
年
4
月的
中国国际机床展
( C IMT2007 )
上
,
直线电机的应用
越来越广泛
,
杭州机床集团有限公司推出了国内首次
(下转第 70页 )
・
3
6
・
第
3
期
唐振宇
:
直线电机进给驱动技术在数控机床上的应用