直线电机进给系统特点及改进方案

君临天下 · 发表于 2011-7-13 23:58:25

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1　引言
　　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。对此，国内外有关专家也先后提出了用直线电动机直接驱动机床工作台的有关方案。欧洲机床行业迅速掀起的“直线电动机热”，被日本某杂志选为1997年工厂自动化行业的国际十大新闻之一［1］。
　　从直线电动机工作原理来讲，它与旋转电动机一样，也有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种类型。而从其结构来讲，它又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等形式。由此，直线电动机可派生出比旋转电动机更多的种类。但应用于机床进给机构，究竟应采用哪一种类型、结构较合适；又如何根据直线电动机的控制性能特点和在机床运行过程中可能存在的问题及所要求的性能，汲取以往教训，采用当前已成熟的相关技术，通过扬长避短、综合分析，选择更合理的设计方案。这正是当今世界机床行业中“直线电动机热”所要关心、讨论、研究和应用的。
2　直线电机用于机床进给系统的特点
　　机床进给系统采用直线电动机直接驱动与原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）之间的一切机械中间传动环节。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”，也又称为“零传动”［1］。正由于这种“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一定优点。但也带来了新的矛盾和问题。
2.1　优点
　　（1）高速响应性　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，使反应异常灵敏快捷。
　　（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。同时直线电动机的布局，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。通常设计成均布对称（如附图），使其运动推力平稳。
　　（4）速度快、加减速过程短　直线电动机最早主要用于磁浮列车（时速可达500km/h），现在用于机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进给速度（要求达60～100m/min或更高）当然是没问题的。也由于“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件，就可无限延长动件的行程长度。
　　（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滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），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。
2.2　问题
　　（1）发热问题　由于直线电动机直接处于散热条件较差的机床内部，其初、次级绕组在进行电磁能量转换过程中所产生的热量，极易使温度T升高；并且T的升高又将引起电动机绕组阻值R增大，该时为确保驱动力输出不变，就要增大其电流I，反过来I的增大又将使T升高，从而形成恶性循环的正反馈过程。又由于直线电动机的绕组、铁芯就贴在机床导轨上，其结果将严重引起机床导轨热变形。这与旋转电动机传动方式相比，一方面利用电动机本身轴上的风扇即能较好地散热，另一方面旋转电动机经丝杠等传动后，到机床导轨的空间距离已较远，也就不存在由此引起的热变形问题。所以机床进给系统采用直线电动机驱动后，解决好其散热问题是至关重要的一步。
　　（2）隔磁及防护问题　由于旋转电动机磁场是封闭式的，而直线电动机磁场是敞开式的，并且就在机床工作台附近，其工件、切屑和工具等磁性材料很容易被该磁场吸住，而妨碍其正常工作。为此，虽然采用电磁式要比永磁式好一点，但其隔磁防护仍不能忽视。并且还需考虑对机床冷却液、润滑油等的防护。
　　（3）负载干扰问题　直线电动机传动控制只能是全闭环控制。其工作台负载（工件重量、切削力等）的变化，对一个稳定系统来说就是外界干扰，若自动调节不好就会引起系统震荡而失稳。因此对整个直线进给驱动系统来讲，除了要求直线电动机有较强的带负载能力外，还必须同时具备速度、位置检测负反馈，和高速信息传输、校正、响应能力。并且也应尽量减小导轨间的摩擦阻尼，如采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨。另外在加大直线电动机容量的同时，若适当增加工作台自重，对减小其负载干扰系数会有一定作用。
　　（4）垂直进给中的自重问题　当直线电动机应用于垂直进给机构时，由于存在拖板自重，因此必须解决好直线电动机断电时的自锁问题和通电工作时重力加速度对其影响问题。为此，除了增加合适的平衡配重块（或用液压支承），断电时采取机械自锁装置外，还必须在伺服驱动控制模块上采取相应的措施。
3　几种改进设计方案分析
　　通过上述特点分析，再综合考虑其各种相关技术，特此提出几种改进设计方案，以供参考。
3.1　附加制冷机实现恒温电机控制
　　从直线电动机发热过程的分析可知，由电动机产生的热量一方面制约着其允许的电参数（如电流）强度，也就制约了该电动机驱动推力的大小。另一方面也将严重引起机床导轨热变形。为从根本上解决该问题，可以在直线电动机与机床导轨间增加一恒温控制装置［3］。其方法是在直线电动机与机床导轨内嵌入氟里昂制冷机的蒸发管（当然也可以用半导体制冷元件或其它制冷元件），利用蒸发管的热传导进行降温。并通过温度反馈以实现恒温（15～30℃）控制。
3.2　无刷直流直线电机
　　由于机床进给用的直线电动机驱动系统，必定要采用直线位置检测反馈来实现全闭环控制。因此，利用其位移检测信号与所设计的电动机极距进行比较，以此来控制改变电枢绕组的电流方向。这样即省去了电刷换向机构，又避免了电刷换向带来的弊病，增加了其稳定性和可靠性。
3.3　速度、位移反馈及位置测量误差定点软件补偿
　　为获得直线电动机较好的调速特性，需采用测速负反馈控制。对此，既可在直线电动机内另增加一组测速发电绕组进行反馈；但也可直接利用位移测量信号，对其进行微分后作为速度信号来反馈控制。
　　关于直线位置检测元件的选择。考虑激光器件成本较高，而感应同步器、磁栅又都是利用电磁感应原理检测的，为防止直线电动机自身的电磁场对其干扰，应选择利用光电转换原理工作的光栅较合理。为进一步提高位置检测的分辨率和精度，基于现有的光栅检测元件由于制造工艺等原因，在未能提高光栅玻璃直尺刻线密度的情况下，可以通过电子线路进一步细分来提高分辨率。同时采用软件定点补偿来提高精度。其方法是在整个直线位置控制装置安装完毕后，再借助于更高一级的位置测量装置，如激光干涉仪，进行测量比较，设定多点并逐点进行误差记录，将值存入微机的EPROM中，然后运行时通过微机软件控制，进行定点补偿来提高其检测精度。
3.4　多极电磁式、双边对称结构与磁垫悬浮导轨
　　为提高直线电动机低速运行特性，电动机需设计成多磁极型。由于直线电动机磁场是平摊着的，这对电动机制造不会带来很大难度。同时考虑到上述隔磁问题，其磁场应采用电磁式较好，并且这样更便于控制。通过分析可知，直流直线电动机在运行中要产生两种力，一种是由励磁产生的磁拉力（也可成为电动机的制动力）；另一种就是由电枢绕组产生所需要的驱动推力。因此通过测速、位置反馈来合理调节控制其励磁电流和电驱电流，即可较好地实现起动、加速、运行、制动、定位和自锁等要求。为保证推力平稳，直线电动机的布局应做成双边对称结构（见附图）。

　　并且此时也可实现无机械接触的磁垫悬浮导轨，即利用直线电动机的动、定件兼作机床导轨副。为确保磁浮气隙间的平衡，在气隙间安装一间隙测量传感器，通过间隙测量来反馈控制两侧对称励磁绕组的电流，以改变两侧定件与动件之间的磁拉力，即兼作磁垫导轨的悬浮力，从而调整两侧对称的磁垫气隙间距。
3.5　附加压电式微步进的组合式直线电机
　　为满足超精密加工的要求，需通过微量进给、精密定位来实现。为此，可在原直线电动机进给机构中再以串联方式安置一微进给直线步进电动机。该直线步进电动机利用压电陶瓷的磁致伸缩原理制成，可实现0.1～0.01μm的微小步距进给。利用该组合式直线电动机，在同一台机床上即可同时满足快、慢速进给和微量进给、精密定位的多种切削要求。
4　结束语
　　随着直线电动机在机床中的应用，整台机床的机械结构将发生革命性的变化；通过先进的电气控制，不仅简化了机械结构，更重要的是使机床的性能指标得到更大提高。由于该方面的应用目前还处于初级阶段，因此不仅对有关理论还需进一步研究、完善，并且对有关术语定义、标准制定等也有待尽早统一。随着各相关配套技术的进一步成熟和有关直线电动机制造工艺的改进、完善，相信用直线电动机作进给驱动的机床必将得到推广，其性能价格比也将大大提高。同时它也将促进超高速切削、超精密加工技术得到进一步发展。
文章关键词：电机

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