郭 輝

（杭州致格智能控制技術(shù)有限公司，杭州 310015）

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直線電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)問題分析

郭 輝

（杭州致格智能控制技術(shù)有限公司，杭州 310015）

摘 要：本文闡述直線電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r以及應(yīng)用，結(jié)合其在高速精密機(jī)床上應(yīng)用的具體情況，分析其關(guān)鍵技術(shù)問題。

關(guān)鍵詞：直線電機(jī) 伺服進(jìn)給系統(tǒng) 機(jī)床 關(guān)鍵技術(shù)

直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單的機(jī)械環(huán)節(jié)，但是其動(dòng)態(tài)特征依然較為復(fù)雜，影響著系統(tǒng)的精度［1］。直線電機(jī)經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，從最初直線電機(jī)模型的提出，到中間直線電機(jī)被應(yīng)用到直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力上，再到直線電機(jī)理論的豐富，表明直線電機(jī)在漫長(zhǎng)的發(fā)展過程中，一直在完善和進(jìn)步。

1 直線電機(jī)發(fā)展概況

直線電機(jī)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展。1845年提出了初具模型的直線電機(jī)，并被用于織布機(jī)。雖然它沒有取得理想的結(jié)果，但正是這種思想的出現(xiàn)，促使現(xiàn)代電磁炮誕生。1905年，有人提出以直線電機(jī)用作列車驅(qū)動(dòng)力。然而，由于經(jīng)濟(jì)性和可靠性的限制，沒有獲得成功。但是，研究人員一直關(guān)注對(duì)其的研究，在近幾十年的時(shí)間里，磁浮列車如愿以償?shù)卦谌毡?、德?guó)等用于測(cè)試與運(yùn)行，并且獲得了測(cè)試成功。

美國(guó)西屋電氣公司在1945年首次成功研制了電力牽引彈射器。隨之，美國(guó)通過直線電機(jī)制研制造了電磁泵。當(dāng)年，英國(guó)皇家飛機(jī)制造公司在雙邊板式直線直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上研發(fā)出了發(fā)射導(dǎo)彈的裝置。但是，直線電機(jī)一直未能獲得真正意義上的應(yīng)用。直到20世紀(jì)50年代中期，控制、材料技術(shù)迅疾發(fā)展及新控制元件的呈現(xiàn)，為其廣泛應(yīng)用開啟了大門。這段時(shí)間產(chǎn)生了眾多和直線電機(jī)相關(guān)的產(chǎn)品，如日本三洋公司出產(chǎn)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的電唱機(jī)，法國(guó)出現(xiàn)的直線電機(jī)記錄儀等。此外，直線電機(jī)理論也得到了豐富，相關(guān)的文獻(xiàn)和資料圖書大量出現(xiàn)，以電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)的直線電機(jī)分析及有關(guān)計(jì)算的報(bào)道文章等也開始出現(xiàn)。此外，一些有關(guān)直線電機(jī)的新理論，如薄膜直線電機(jī)理論、超聲波直線電機(jī)理論等也相繼出現(xiàn)。

2 直線電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)用于高速高精加工機(jī)床

在高速和超高速過程中，進(jìn)給系統(tǒng)必須在極短的時(shí)間內(nèi)獲得最高速度，且可實(shí)現(xiàn)高速時(shí)的瞬間停止。但是，應(yīng)用于機(jī)床的傳統(tǒng)的以旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)，由于受工作臺(tái)慣性及螺母自身的影響，獲得的進(jìn)給速度與加速度通常不大。

從第十二、第十三屆歐洲機(jī)床展覽會(huì)和第五與第六屆我國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)的要求不難發(fā)現(xiàn)，珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)一般的進(jìn)給速度為30～40m / min，最高可達(dá)50～

60m/min。正常情況下，結(jié)構(gòu)的最大加速度難以超越1g，往往數(shù)據(jù)只有0.1～0.3g，離符合超高速機(jī)床的需求相差甚遠(yuǎn)。

當(dāng)機(jī)床伺服直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式直接使用進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)，便能夠得到一個(gè)非常高的進(jìn)給速度與進(jìn)給加速度。實(shí)際能夠利用的最大進(jìn)給速度是150～210m/min，最大供給加速度普遍達(dá)到2～10g（g=9.8m/s2）。所以，為了獲得高速、超高速，伺服進(jìn)給系統(tǒng)只適合采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式。在10年的發(fā)展中，世界各國(guó)的機(jī)床發(fā)展正朝向精密化和高速化方向邁進(jìn)，而直線電機(jī)機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)正處于快速發(fā)展中。

德國(guó)Excell-O公司于1993首次采用機(jī)床直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建了XHC-240型高速加工中心。在立體三維坐標(biāo)上，全部使用德國(guó)Indramat公司生產(chǎn)的交流感應(yīng)式直線電機(jī)，進(jìn)給速度、加速度、進(jìn)給力、進(jìn)給速度、加工精度分別為60m/min、1g、2800N、4μm。同期，美國(guó)Ingersoll公司順利研制出HVM800加工中心。在空間三維立體坐標(biāo)上，采用美國(guó)Anorad公司出產(chǎn)的永磁式直線電機(jī)，進(jìn)給速度和進(jìn)給加速度分別為76.2m/min、1～1.5g。直線電機(jī)順利應(yīng)用于直線電機(jī)，在國(guó)際機(jī)床界產(chǎn)生了極大影響。于是，許多國(guó)家加入直線機(jī)床的研制。截止1997年，在第12屆歐洲機(jī)床展覽會(huì)中了解到：20多家商家使用了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床。同時(shí)，這種情況在1999年第13屆歐洲機(jī)床展覽會(huì)時(shí)也取得了新的進(jìn)展，無論是進(jìn)給速度還是進(jìn)給加速度，也都有了進(jìn)一步提高。

3 直線電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)問題

直線電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)因?yàn)榫哂泻?jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、震動(dòng)噪聲少及高精確度等特征，在機(jī)床上的應(yīng)用前景較好。所以，機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)可采用直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，充分、全面地發(fā)揮直線電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。直線電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用一定程度推動(dòng)了現(xiàn)代技術(shù)向前發(fā)展，但機(jī)床本身也存有問題。因此，在直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、控制及裝配中，要解決好以下幾個(gè)方面的技術(shù)問題。

3.1 電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)中的效率與功率因數(shù)問題

與相同容量的旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，直線電機(jī)無論是效率因數(shù)還是功率因數(shù)均偏低，且其在直線電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下更為明顯。產(chǎn)生這一情況的原因，主要包括兩方面：一方面，相比旋轉(zhuǎn)電機(jī)，直線電機(jī)的初、次級(jí)氣隙比多了約2～3倍，所以需要較大的磁化電流，產(chǎn)生更多的損耗；另一方面，因?yàn)橹本€電機(jī)初級(jí)鐵芯兩斷點(diǎn)處均出現(xiàn)斷裂，產(chǎn)生了直線電機(jī)特定的邊端效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致波形畸變等諸多問題，損耗結(jié)果加重［2］。

針對(duì)這個(gè)問題，要從兩個(gè)方面進(jìn)行分析。首先，因?yàn)椴辉倏紤]中間機(jī)械傳動(dòng)，每個(gè)直線電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)很大程度上降低了機(jī)械摩擦，降低了系統(tǒng)的彈性變形，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)隨之遞減，進(jìn)而大幅度減少能耗。因此，相比使用旋轉(zhuǎn)電機(jī)，系統(tǒng)總效率更高。其次，設(shè)計(jì)、構(gòu)造直線電機(jī)流程，采用多種方法以保持直線電機(jī)突出的功能，尤其考慮到消弱端部效應(yīng)帶來的影響。其中，對(duì)直線電機(jī)端部槽通過使用全填滿的繞組方式，目的是為了提升設(shè)計(jì)電機(jī)的性能。同時(shí)，也可以通過主初級(jí)前端多設(shè)置一段輔助短初級(jí)，以降低入端電磁行波產(chǎn)生的效應(yīng)，然而增設(shè)補(bǔ)償繞組，增大電機(jī)質(zhì)量和成本；或者對(duì)次級(jí)鐵芯進(jìn)行開槽處理，和疊次級(jí)直線感應(yīng)電比起來，極大消弱了端部效應(yīng)，性能更加優(yōu)越。事實(shí)上，還可使用多種形式的數(shù)值算法與優(yōu)化算法，為提升性能指標(biāo)，通過計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)直線電機(jī)。

3.2 直線電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)中的法向磁吸力

在直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向上不會(huì)出現(xiàn)與之平衡的電磁推力。此外，在進(jìn)給方向上，于初級(jí)、次級(jí)間形成與之垂直的法向磁吸力，是推力大小的10倍作用。通常而言，不產(chǎn)生法向磁吸力的磁力最好。事實(shí)上，因?yàn)闄C(jī)床采用的直線電機(jī)往往不是雙邊型，所以要求一定強(qiáng)度的機(jī)床結(jié)構(gòu)剛度，且在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可忽視法向磁吸力。為確保穩(wěn)定的推力，布設(shè)直線電機(jī)務(wù)必確保結(jié)構(gòu)的對(duì)稱，或者把直線電機(jī)的初、次級(jí)和機(jī)床導(dǎo)軌副放在一塊考慮。通過初級(jí)和次級(jí)間的法向磁吸力獲得的磁懸浮導(dǎo)軌不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械接觸，從而化不利因素為有利因素。

3.3 直線電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)中的冷卻措施

直線電機(jī)因?yàn)楸旧斫Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有出色的散熱效果。然而，安裝時(shí)，它只可放置在底部，導(dǎo)致散熱困難。此外，直線電機(jī)的鐵芯、繞組位于機(jī)床導(dǎo)軌的周圍，會(huì)出現(xiàn)機(jī)床導(dǎo)軌嚴(yán)重變形的結(jié)果。相比旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)方式，還是有很大程度的不同。第一，旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過電機(jī)軸上的風(fēng)扇可較好地散熱。第二，旋轉(zhuǎn)電機(jī)經(jīng)絲杠等啟動(dòng)后，和機(jī)床導(dǎo)軌具有較遠(yuǎn)的空間距離，就不會(huì)出現(xiàn)變形的情況。因此，機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)以直線電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，還要通過循環(huán)水冷或者風(fēng)冷等進(jìn)行降溫。針對(duì)降溫問題，設(shè)計(jì)直線電機(jī)結(jié)構(gòu)與電氣參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)當(dāng)考慮。一旦條件不允許，將影響直線電機(jī)電參數(shù)的強(qiáng)度，從而限制推力的大小，制約電機(jī)性能。

3.4 直線電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)中的隔磁與防護(hù)

因?yàn)殡姍C(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不是開放的，對(duì)外界無其他影響。但是，直線電機(jī)的磁場(chǎng)是開放的，尤其是直線同步電機(jī)具有較高的磁場(chǎng)，因?yàn)樵陔姍C(jī)上安裝了磁性強(qiáng)大的永久磁鐵。此外，工具和工件均是磁性材質(zhì)，和保持磁性材料磁場(chǎng)的直線電機(jī)相互吸引是很容易的事，于是裝配工作非常困難。尤其是磁芯片與空氣中磁性材質(zhì)的塵埃，當(dāng)被吸入磁直線電機(jī)的初級(jí)和次級(jí)間的小氣隙中，會(huì)阻礙道路的順暢，導(dǎo)致電機(jī)不能運(yùn)轉(zhuǎn)。

因此，使用感應(yīng)式比同步感應(yīng)具有優(yōu)勢(shì)，且組裝難度不大。不過，工作中依然有磁場(chǎng)出現(xiàn)，一定要重視防護(hù)工作。所以，機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)無論采用同步直線電機(jī)還是采用感應(yīng)式電機(jī)，磁隔離防護(hù)對(duì)策不可缺少。例如，可以通過使用三維折疊式密封罩抑或添加套蓋的形式封閉直線電機(jī)磁場(chǎng)，或裝機(jī)噴嘴內(nèi)由內(nèi)向外排出氣體，阻止灰塵、粉末的進(jìn)入。

4 結(jié)束語

直線電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)可以精確定位及顯著提升數(shù)控機(jī)床進(jìn)給速度，同時(shí)操作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性能良好［3］。因此，必須做好一切準(zhǔn)備，迎接直線電機(jī)時(shí)代的到來。相比旋轉(zhuǎn)電機(jī)，直線電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前，應(yīng)用機(jī)床上的直線電機(jī)還處于起步階段，還需不斷完善直線電機(jī)理論和技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

［1］楊曉君，趙萬華，劉輝，張會(huì)杰.直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，（4）：44-50.

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Analysis of Linear Motor Servo Feed System and Its Key Technology

GUO Hui
（Hangzhou Intelligent Control Technology Co.， Ltd.，Hangzhou 310015）

Abstract:At present， the linear motor s ervo feed system has some problems in the key technical problems， which has become the subject of urgent research. This paper describes the development and application of linear motor， combined with the specific situation of the application of high speed precision machine tools， analyzes the key technical issues.

Key words:linear motor， servo feed system， machine tool，key technology