直线电机驱动技术在机床中的应用

2016-10-20张培中

科技传播 2016年18期

关键词：机床直线长度

张培中

青海第二机床制造有限责任公司，青海西宁 810021

直线电机驱动技术在机床中的应用

张培中

青海第二机床制造有限责任公司，青海西宁 810021

随着直线电机的迅速推广，直线电机中的驱动技术在现代数控机床中得到越来越广泛的应用，其高速响应性、高精度性及推力平稳等特点使直线电机在机床零件加工中呈现诸多优越性。本文着重介绍了直线电机的工作原理、与传统驱动方式相比之下的优势，并就其在国内外机床中的应用情况和未来发展趋势做一些探讨。

直线电机；驱动技术；机床；应用

直线电机是20世纪下半叶以来电工行业中一项具备新原理和新理论的新技术。随着自动化及控制技术的发展，直线电机的驱动装置系统得到越来越广的应用，近年来，尤其是在机床业中，直线电机驱动技术替代了传统旋转电机带动传动的结构方式，省略了中间转换的步骤，靠电磁推力驱动，设置简单，减少磨损，在机床零件加工中有着很高的应用价值。

1 直线电机工作原理

直线电机将电能直接转换为直线运动机械能，是一种不经过任何中间转换的传动装置[1]。直线电机类似于旋转同步交流电机，从原来上看，将电机沿柱面截面展开，定子部分为直线电机的初级，转子部分为直线电机的次级。具体结构见图1所示。当多个方向的交流电在相对称绕组中通过时，次级导体上会在行波磁场的作用下产生感应电流，电磁推力的产生就是行波磁场与感应电流之间相互作用的结果，进而直线电机的次级与初级就会发生直线运动。

图1　直线电机结构示意图

2 直线电机驱动技术的优势

在机床业中，随着零件切割、加工的高速和精密要求的提高，在驱动推力方面也有着更高的性能指标要求。传统机床旋转驱动的装置本身存在着很多问题：丝杆的轴向压缩、刚度与长度的限制、机械磨损、扭曲及螺距之间周期误差的存在、振动衰减时间较长、与电机的耦合惯量等，这些问题在一定程度上限制了机床加工的速度、精度及效率。而当前直线电机采用的驱动装置不同于传统旋转驱动，省略了电机到工作台之间的中间传动环节，在机床加工中，传动链的长度为零，这种“直接驱动”的结构避免了传统旋转驱动丝杆传动中的耦合惯性、机械磨损及刚性不足等劣势，使得机床加工的各项性能指标提高[2]。直线电机的驱动技术主要存在以下特点：

1）节省空间。与传统驱动装置结构相比，直线电机的驱动装置省略了中间传动环节，减少丝杠端支撑轴承座，等空间，机床设计中合理的布局节省了驱动更多的空间；2）高速响应性。电磁感应下的电气元件响应速度较传统驱动机械传动更高，传统驱动装置中以丝杆传动的方式不仅增加了机械间反应的时间，还影响了系统整体的反应时间，因此，直线电机的电磁传动方式可大大提高驱动的动态响应性能；3）噪音低、无磨损、效率高。直线电机驱动的设计取消了机械传动部件，机械之间零接触，这样就减少了机械磨损、噪音低，同时减少了机械摩擦中的能量损耗，不仅提高了机床的环保性能方，还大大提高了整体系统的运行效率；4）行程长度不限。旋转驱动中的行程长度一直以来受丝杠长度的限制，在机床加工中不能高效运转，而直线电机中的驱动行程取决于初级铺设的长度，初级铺设的长度决定了行程的长度。

3 直线电机驱动技术在国外的应用综述

从应用现状来看，国外对直线电机驱动技术的应用明显比国内更早，也更广泛。早在1993年，德国的EX-cell-o公司在XHC240卧式加工中心就采用了感应式的直线电机驱动装置进给部件，电机最高转速为60m/ min，加速度可达到1g。同时，美国在1994年国际机床展览会上将直线电机技术转让给了日本Fanuc公司，并应用于机床驱动中。在第19届JIMTOF展会上，各国共展示了8台采用直线电机驱动技术的机床，它们分别是森精机公司的HVM600卧式加工中心、大隈公司的超高速卧式加工中心、新日本工机公司的超高速多轴加工中心、松浦机械制造的超高速小型加工中心、丰田工机的Linea M高速加工机床、Taylor Mobson公司的两轴小型超精密镜面加工机床、山田Dobby公司在洁净环境下高速成形的机床及自动压力领域Aid Engineering公司电子元件机床[3]。

4 直线电机驱动技术在国内机床的应用研究

我国的直线电机驱动技术还处于探索阶段，与国外差距较大。主要研究直线驱动的单位有浙江大学在90年代研发的直线电机冲床、永磁直线电机系统及雕刻机用步进直线电机系统等。广东大学开发的直线感应电机驱动的高速数控进给单元及北京机床研究所开发的直线驱动的电火花成型机床等。2007年我国在国际机床展上展出的由杭机集团研发的直线电机平面磨床MUGK7120X5，该数控磨床采用了立柱中腰移动专利技术，拥有三轴联动修整的功能，能实现非平表面的成形磨削。

5 未来发展趋势

随着直线电机驱动技术的日趋成熟，世界各国对其的研究与应用的不断加深，直线电机驱动技术有望成为今后机床驱动发展的主要方向。但要想此技术在机床应用中得到更好的发展，还应客服技术中发热及防护等问题，同时，直线电机驱动装置的高昂价格也是其在机床业得到推广的关键。此外，直线驱动要在机床上得到更好的应用离不开控制技术的支撑，将直线电机与高速运动的控制技术相结合，才能让机床的性能得到实质性的改变，实现精度、速度上质的飞跃。