引言

　　高檔數(shù)控機(jī)床一般是指具有高速、高精度和多軸加工能力的機(jī)床。這就要求高檔數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須具備很高的加速度，來實(shí)現(xiàn)高的進(jìn)給速度。但傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大都依賴旋轉(zhuǎn)電機(jī)加絲杠驅(qū)動(dòng)。絲杠驅(qū)動(dòng)本身就具有一系列不利因素，包括：剛度與長(zhǎng)度的限制、摩擦、扭曲、較長(zhǎng)的振動(dòng)衰減時(shí)間、與電機(jī)的耦合慣量以及絲杠的軸向壓縮等。所有這些因素都限制了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置的速度、精度和效率。

　　高速反應(yīng)能力的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)——所謂的零傳動(dòng)方式由于消除了傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)鏈所帶來的一系列不良影響。因而極大地提高了進(jìn)給系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力和運(yùn)動(dòng)精度，成為新一代數(shù)控機(jī)床中最具代表性的先進(jìn)技術(shù)之一。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在高檔數(shù)控機(jī)床上開始得到了可喜的應(yīng)用，其前景是誘人的。然而，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在應(yīng)用中也存在著不少需要解決的技術(shù)問題。

1 應(yīng)用于高檔數(shù)控機(jī)床的直線電機(jī)形式

　　在高檔數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用的直線電機(jī)主要是交流直線電機(jī)，交流直線電機(jī)又分為直線感應(yīng)電機(jī)和永磁直線同步電機(jī)。

　　直線感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)有平面型和圓筒型兩種。對(duì)于直線行程小于500mm的場(chǎng)合，一般采用圓筒型。對(duì)于較長(zhǎng)行程的場(chǎng)合通常采用平面型結(jié)構(gòu)。直線感應(yīng)電機(jī)一般由 SPWM變頻器供電，采用矢量控制及其它一些智能控制方式并針對(duì)直線電機(jī)的特點(diǎn)，增加一些補(bǔ)償辦法。永磁直線同步電機(jī)一般由專用逆變器供電，通過PWM調(diào)制，采用PID調(diào)節(jié)控制及DSP等控制方式。兩種型式各有優(yōu)劣。從總體性能上，永磁式直線同步電動(dòng)機(jī)具有較大優(yōu)勢(shì)，但從價(jià)格和防磁、防塵角度看，則感應(yīng)式直線異步電動(dòng)機(jī)具有它的優(yōu)勢(shì)。

　　永磁直線同步電機(jī)兼有直線電機(jī)和永磁電機(jī)的雙重特點(diǎn)，具有推力大、響應(yīng)速度快、體積小等特點(diǎn)，是構(gòu)成高速高精度直線進(jìn)給系統(tǒng)的首選機(jī)型。永磁材料性能的不斷提高及其價(jià)格的降低使永磁直線同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)更加明顯。所以，永磁直線同步電機(jī)更適合用于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，它提高了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的移動(dòng)速度、加速度和運(yùn)動(dòng)精度，在高速、高精度數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用越來越廣泛。下面僅對(duì)永磁直線同步電機(jī)在高檔數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行分析。

2 永磁直線同步電機(jī)在高檔數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)分析

　　2.1 法向磁吸力

　　永磁直線同步電機(jī)除了產(chǎn)生平行于運(yùn)動(dòng)方向的推力之外，還會(huì)在動(dòng)子與定子之間產(chǎn)生一個(gè)垂直于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的法向磁吸力，其數(shù)值為推力的10倍左右。因?yàn)殡姍C(jī)的定子是由永磁體組成的，所以無論電機(jī)動(dòng)子中是否通電，法向磁吸力都存在。單邊型永磁直線同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的法向磁吸力使承受垂向力的直線導(dǎo)軌產(chǎn)生較大的變形，影響了數(shù)控機(jī)床的加工精度。法向磁吸力還增大了直線導(dǎo)軌和滑塊之間的壓力，進(jìn)而使兩者之間的摩擦力增加，會(huì)使推力產(chǎn)生波動(dòng)，降低了數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能。目前主要通過采用雙變型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法來解決法向磁吸力引起的問題。

　　針對(duì)此問題，可將永磁直線同步電機(jī)的動(dòng)子、定子與機(jī)床直線導(dǎo)軌副結(jié)合起來設(shè)計(jì)，如圖1所示，1為直線電機(jī)座，2為定子連接塊，3為電機(jī)定子，4為電機(jī)動(dòng)子，5為動(dòng)子連接塊，6為直線導(dǎo)軌，7為工作臺(tái)，8為滑塊，9為底座。

圖1 雙直線電機(jī)水平進(jìn)給平臺(tái)主視圖
 

圖2 雙直線電機(jī)水平進(jìn)給平臺(tái)立體結(jié)構(gòu)圖

　　如圖2所示，兩個(gè)永磁直線同步電機(jī)分別布置在工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)模塊的兩側(cè)，組成A字型結(jié)構(gòu)水平進(jìn)給平臺(tái)。利用動(dòng)子與定子之間的法向磁吸力來實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)永磁直線同步電機(jī)法向磁吸力水平方向的分力抵消為零，垂直方向的分力抵消了工作臺(tái)的部分重力，減小了滑塊和直線導(dǎo)軌之間的摩擦力。定子連接塊、動(dòng)子連接塊橫截面的梯形設(shè)計(jì)可以在數(shù)控機(jī)床的床身、立柱等基礎(chǔ)部件不改變的情況下更好地安裝該水平進(jìn)給平臺(tái)。

　　2.2 電機(jī)發(fā)熱問題

　　永磁直線同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于銅損和鐵損，線圈會(huì)發(fā)熱，其溫度將會(huì)超過100℃，永磁直線同步電機(jī)本身由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其散熱效果還是比較好的。但是當(dāng)電機(jī)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床時(shí)，通常安裝在機(jī)床內(nèi)部，造成散熱困難。

圖3 某型號(hào)直線電機(jī)的表面發(fā)熱特性

　　如圖3所示為某型號(hào)直線電機(jī)的表面的發(fā)熱特性，橫坐標(biāo)表示電機(jī)的連續(xù)額定推力的百分比，縱坐標(biāo)表示動(dòng)子熱力學(xué)溫度變化。可知即便在水冷的條件下，動(dòng)子表面的溫升仍有15K以上。對(duì)于直線電機(jī)負(fù)荷變化頻繁的情況，初級(jí)的發(fā)熱量變化也會(huì)較大，若機(jī)床的精度要求較高，則很難滿足要求。

永磁直線同步電機(jī)的繞組、鐵芯就處在機(jī)床導(dǎo)軌附近，將嚴(yán)重引起機(jī)床導(dǎo)軌熱變形，進(jìn)而影響機(jī)床的加工精度。動(dòng)子溫度的升高將引起內(nèi)部繞組阻值的增大, 為使輸出力矩保持不變,就要增大繞組上的電流,反過來電流的增大又會(huì)使溫度升高, 從而形成惡性循環(huán)。所以在高檔數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，解決好其散熱問題是至關(guān)重要的。

　　2.3 隔磁與防護(hù)問題

　　永磁直線同步電機(jī)要在機(jī)床定子鋼板上安裝一排強(qiáng)磁的永久磁鐵，而切屑、工件和工具等磁性材料很容易被永磁直線同步電機(jī)的磁場(chǎng)吸住，使裝配、加工很難進(jìn)行。應(yīng)用于高檔數(shù)控機(jī)床上的直線電機(jī)動(dòng)子和定子之間的間隙約為1mm，當(dāng)磁性切屑和空氣中的磁性塵埃被吸入永磁直線同步電機(jī)的動(dòng)子與定子之間很小的氣隙中，就會(huì)造成氣隙間距變的更小甚至堵塞，所以應(yīng)采取有效的隔磁防護(hù)措施。

　　例如，南通科技的VH1100高速立式加工中心設(shè)計(jì)上使用了新穎的循環(huán)防護(hù)板結(jié)構(gòu)的防護(hù)裝置，在加工區(qū)，無接縫的防護(hù)鋼帶被夾持在貼有塑料導(dǎo)軌板的導(dǎo)向槽內(nèi)，導(dǎo)向槽與鋼帶的配合是該技術(shù)的關(guān)鍵。

　　永磁直線同步電機(jī)兩端要有緩沖防護(hù)裝置和電子限位開關(guān)，防止動(dòng)子失控后的碰撞。對(duì)電纜線要加保護(hù)拖鏈，輸出信號(hào)線還要加屏蔽體。并且還需考慮對(duì)機(jī)床冷卻液、潤(rùn)滑油等的防護(hù)。

3 結(jié)束語

　　永磁直線同步電機(jī)在高檔數(shù)控機(jī)床中已經(jīng)開始得到了可喜的應(yīng)用。然而直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在高檔數(shù)控機(jī)床中也存在著一些需要解決的問題。2008年12月，《高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備科技重大專項(xiàng)》得到國(guó)家批準(zhǔn)。專項(xiàng)已經(jīng)逐步啟動(dòng)實(shí)施，機(jī)床行業(yè)自主創(chuàng)新能力將近一步提高，為國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床功能部件特別是直線電機(jī)的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。