15-直线电机在机床工业中的最新应用及技术分析

・２・《机床与液压》２００４．Ｎｏ．６
的生产量。

当今世界最优秀的超高速机床，可能要数日本Ｍａｚａｋ公司开发的ＨＭＣ乃一６６０Ｌ了（见图１）。

主轴可在１．６ｓ秒内从０加速到２００００ｒ／ｍｉｎ；由ＧＥＦＡＮＵｃ直线电机驱动三轴，快移速度高达２０８ｍ／ｍｉｎ，加速度３．２９，各轴在１２０ｍ／ｍｉｎ速度下进行高速加工，换刀时间只有２．４ｓ“。

我国广东工业大学开
发了感应宜线电机驱动的
高速加工中心ＧＤ一３型，
额定进给力２０００Ｎ，最高
速度达１００Ｉｎ／ｍｉｎ，定位精
度达４“ｍ”１ｏ
２００３年４月，在北京
举行的ｃＩＭＴ２００３中国国图ｌＭｚａｋ的ＨＭｃ
际机床展览会上，德国Ｆ３—６６０Ｌ
ＧＲＯＢ公司展出ＢＺ５００Ｌ
高速卧式加工中心，主轴转速１８０００ｒ／ｍｉｎ，直线电机驱动ｘ、Ｙ、ｚ三轴，行程均为６３０ｍｍ，快移速度１２０ｎ∥ｍｉｎ，加速度分别为１９、１．２９、３．４９，换刀时间只有２．５ｓ；直线电机由ｓｉｅｍｅｎｓ制造。

参展的还有德国ＤＭＧ公司的ＤＭｃ６４Ｖ立式加工中心，ＥＭＡＧ公司的ＶＧ１１０Ｄｓ立式车磨中心，都使用了直线电机驱动技术。

北京机电研究院展出了一台立式高速加工中心，直线电机驱动ｘ、Ｙ轴，快移速度６０Ｉｎ／ＩＩｌｉｎ。

类似这些高速加工中心，代表着先进制造技术的未来发展方向。

２直线电机驱动超精密机床及其它机床
尖端技术、微电子工业等离不开精密和超精密加工（ｕｈｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎｃｕｔｔｉｎｇ）技术，如制造微型机器人，陀螺仪，大型太空望远镜的镜面，大规模集成电路、芯片等。

现在的超精密加工精度已经达到百分之几微米。

可采用液体静压轴承或空气静压轴承主轴，空气静压导轨，国际上空气导轨的直线度可达０．１一Ｏ．２仙ｎ∥（２５０ｍｍ）。

直线电机用于超精密加工机床，可以获得很好的效果。

如美国Ｐｒｅｃｉｔｅｃｈ公司的Ｎａｎｏｆｏｌｍ２００，是两轴的超精密数控仿形机床，机床用的直线电机是Ｍ啊Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ公司制造，主要加工大型太空望远镜的镜面，使用金刚石刀具，压电晶体误差补偿技术，加工精度达到０．０２５斗ｍ，获得镜面效果；速度范围大，在ｌｕ皿／ｓ低速下无爬行。

另外，瑞士ＥＴＥＬｓＡ公司将直线电机用于激光刻模机，配用空气导轨，制作ＶＬＳＩ（超大规模集成电路）。

清华大学精密仪器系制造所，研制成功了高频响小行程直流直线电机，截止频率大于２５０Ｈｚ，用于驱动中凸变椭圆活塞车床的横向刀架，与广州机床厂合作开发了数控活塞车床ＨＪ。

法国Ｒｅｎ叫１ｔＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＣｏｍａｕ的一款ＵｍｎｅＳＸ概念机床，并联结构，三条“腿”均由Ｋｒａｕｓｓ—Ｍａｆｆｅｉ公司的新型直线电机驱动，速度为１００ｒｎ／ｍｉｎ，加速度达３．５９＂。

（见图２）。

类推其它并联机床也能够通过使用直线电机驱动，获得高速度、高精度和高刚度。

除了切削加工机床
外，激光切割机、等离子
切割机、电火花加工设备
也开始应用直线电机。

典
型的有日本Ｓｏｄｉｃｋ公司，
直线电机驱动电火花成型
机和电火花线切割机。

我
国北京机床研究所也开发图２法国ｕｒ蚰ｅｓｘ
了直线电机驱动的电火花并联机床
成型机床Ｇ１瞩刀４５Ｌ。

随着直线电机技术和数控技术的发展，直线电机必将越来越广泛地应用于各类机床。

３直线电机在机床应用中的关键技术问题
用于机床进给伺服系统的主要是交流直线电机，又分为同步式和感应式两大类。

随着稀土钕铁硼（ＮｄＦｅＢ）永磁材料的出现和性价比的提高，永磁同步直线电机发展成为主流，应用最多。

现以这类直线电机在高速、高精密机床上的应用为例，分析需要克服的关键问题。

３．１绝热与散热问题
永磁直线电机运行时，由于铜损和铁损，线圈会发热，带来几个负面影响：（１）对线圈绝缘层造成老损或破坏，使线圈不便通入更大电流，从而不能产生更大推力。

（２）温度升高会改变永磁体的工作点。

（３）如果热量传递到机床工作台或者导轨，产生热变形会影响加工精度，所以，尤其是平板形大推力直线电机，必须降温，要求磁钢温度最高不超过７０℃，线圈温度不超过１３０℃。

对于动圈式（Ｍｏｖｉｎｇｃｏｉｌ）和一般的动磁式（Ｍｏｖｉｎｇｍ啷№ｔ）直线电机，对线圈部位冷却即可；但在超精密要求下的动磁式直线电机，应该采取双层水冷方
式（见图３），配以温度传
感器监测系统。

图，中，ｌ
是外层冷却管，２是内层
（线圈部位）冷却管，３是
姿磐登塑蝥竺篁三卜兰襞塾图３动圈式直线电避免了热量向机床部件的一磊孓蒜磊。

扩散。

国际上Ｉｎｄｒａｍａｔ、
ｓｉｅｍｅｎｓ的部分直线电机采取了类似措施。

ｕ形直线
电机由于结构原因，一般不用冷却措施。

《机床与液压》２００４．Ｎｏ．６．３．
３．２隔磁与防护问题
机床切削液、铁屑、灰尘等会污染腐蚀电机，甚至堵塞气隙，所以必须封闭电机（见图４）。

永磁钢对铁磁性物质有强吸引
力，为安全起见应该隔
磁，可采用不锈钢罩封
闭。

直线电机两端要有缓
冲防护装置（Ｓｈｏｃｋ—ａｂ．
竺≈ｎ！’，翼鬯ｉ里譬孑鲞，图４直线电机的防护外观防止动子失控后的碰撞。

对电缆线要加保护拖链，输出信号线还要加屏蔽体。

３．３线性导轨
要求承受载荷，适应高速运动并保证精度，选择导轨要考虑行程大小、机械特性、精密性与速度承受能力等。

一般用滚动（滚珠或滚柱）直线导轨，安装时要保证相互平行度，目前性能较好的有日本ＴＨＫ公司的产品等。

对于超精密要求的情况，可使用空气静压导轨。

３．４信号反馈与控制技术
由于直线电机没有中间传动环节，负载干扰直接作用于电机，同时直线电机具有端部效应，增加了控制难度，要求控制器抗干扰能力强、鲁棒性好，因此必须采用全闭环控制。

控制算法有ＰＩＤ控制、前馈控制、滑模控制、非线性控制、Ｈ∞控制等；采用数字信号处理。

位置检测反馈装置常用直线光栅尺，光栅的两部分元件分别安装在电机的动子和定子上，要防止热膨胀对精度的影响。

有的公司将光栅直接集成在直线导轨上，如Ｒｅｘｒｏｔｈｉｎｄｒ眦ａｔ公司。

而瑞士Ｔｒｉｌｏ－ｇ）ｒ公司则开发了一种线性编码器模块ＬＥＭ，其价格便宜，分辨率５“ｍ，主要特点是性能稳定哺］。

３．５用于机床垂直进给轴
直线电机用于机床垂直轴时，为了克服断电或者失控时的动子下落，以及通电工作时的重力加速度问题，需要有配重措施（可采用弹簧、汽缸或重物平衡）；但不能只依靠配重，必须在电机结构和伺服控制上采取一些措施，如开发导轨急锁系统等。

４结束语
随着直线电机制造工艺的不断革新，生产的规模化，以及永磁材料、电子产品价格的下降，直线电机的成本正以每年２０％的速度下降，在机床上的应用前景广阔。

但这一应用毕竟是新事物，无论是直线电机本身还是相配套的数控技术，潜力很大。

我国是制造大国，发展高档数控设备任重道远；现在，我国已将“精密制造与数控关键技术研究和应用”列为“十五”科技项目，“直线电机系统的研究开发”是项目的重要组成部分，通过重点引进与自主开发相结合的办法，推动我国机床业的快速发展。

参考文献
【ｌ】魏志强，王先逵，杨志刚．高速加工机床及其关键技术．制造技术与机床。

１９９８（１）：５—７．
【２】几种高进给速度机床．制造技术与机床，２００２（９）．【３】张伯霖，潘珊珊，于兆勤等．直线电机及其在超高速机床上的应用．中国机械工程，１９９７（４）：８５—８８．【４】刘金凌，王先逵，冯之敬．高频响直流直线电机．微特电机，１９９３（４）：１７一１８．
【５】Ｋｏｃｈ蚰，Ａ．，Ｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｓｔｕｍｔｏｌｉｎｅ盯ｍｏｔｏｒｓ．Ｄｅｓｉ驴Ｎｅｗｓ，１９９９，５４（１８）：８０—８２．
【６】Ｒａｙｍｏｎｄ，Ｍ．Ｋ．，“ｎｅ盯ｍｏｌｏｒｓｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｈｉｇｌｌ—ｐｅｒ－ｆ．ｏ咖明ｃｅｐｏｓｍｏｎｉｎｇ．Ｍａｃｈｉ滟Ｉ）ｅｓｉｇｎ。

１９９９，７ｌ（１８）：
８０．
作者简介：刘泉，男，博士研究生。

收稿时间：２００３一０５一１０
ⅢｍⅢⅢⅢⅢｍｍⅢ～＂ⅢｗｗⅢ＾¨‘＿”ＭｍⅢｍⅢｍⅢｗＭⅢⅢｗⅢｍ＾¨ｍｍ＾¨ｗｗＷ＾－Ｈ＂＾”ｍⅢⅢｗｍ＋●＾２００４中国（青岛）材料科技周将于７月在青岛举办
为加快新材料产业的发展，推动企业与材料研发机构的产、学、研联合，中国机械工程学会和青岛市人民政府将于２００４年７月２０—２３日在青岛共同举办“２００４中国（青岛）材料科技周”。

本次活动得到了国家发展与改革委员会、科技部、中国科学院、中国工程院、中国科协、中国机械工业联合会以及中国有色金属学会、山东省科技厅和山东省经贸委的支持，由中国机械工程学会、青岛市经济委员会和海瀚会展有限公司共同承办。

“材料科技周”主要活动包括两院院士特邀报告会、材料工程论坛、中韩新材料企业洽谈会、《中国材料工程大典》编委会会议以及２００４中国国际新材料应用与制造技术展览会等。

届时，中国机械工程学会理事长路甬祥和２０余位材料科学方面的院士将参加会议。

这是中国材料产业产、学、研、资交流合作、共谋发展的～次盛会，也是国内材料及相关行业、企业与院士、专家交流咨询、融智创新的良好机遇。

为做好本次活动的参会参展和交流洽谈工作，大会成立了以中国机械工业联合会副会长陆燕荪和青岛市人民政府市长夏耕为主任的组委会。

“材料科技周”期间，将由来自中国科学院、中国工程院、机械科学研究院、宝钢集团、上汽集团、上海材料研究所、武汉材料保护研究所等系统的研究院和关联企业统一组团参展，以展示中国材料界的“国家队”风采；同时，还将有来自韩国、俄罗斯、日本、德国、新加坡、台湾、香港等国家和地区的代表团参加展览会及相关活动。

（中国机械工程学会工作总部）。