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

0．01mm 到现在的 1μm，提高了 10000 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

1000 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 一 240 型超高速加工中心，该机

床最大快移速度为

60m／min。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 JIMTOF 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

JIMTOF 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、Sodiek、Kings

—bury、Anorad、Jobs 和 ForestLine 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

l0 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 7O 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／min，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 CIM 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

CIMT2005 上，

作为全球最大的切削机床制造商之一的

DWG 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 精密立式电机供应商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

 2g，快移速度 90m／min，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

 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 Sprint 65 直线驱动机床，在置轴上加

速度达到

g，快移速度 40m／min[12] 。在 2007 年 4 月的中国国际机床展（CIMT2007）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使用直线电机的平面
磨床（

MUGK7120X5）。全球领先的运动控制解决方案提供商丹纳赫传动，在现场的研讨

会中提到直接驱动电机近年来在国内外都得到了客户的广泛认可，它改变了原有旋转电机
加丝杠的结构，大大简化了机械的设计，提高了工作效率。