分析直线电机在数控机床中的应用

分析直线电机在数控机床中的应用

作者：周燕孙家峰

来源：《中国机械》2013年第24期

摘要：本文主要通过研究直线电机及其驱动控制技术如何在机床中得以应用及其未来的发展方向，得出了中国机床行业应加快研发直线电机技术的开发与应用。

关键词：数控机床传动结构直线电机

直线电动机是近些年来国内外积极研究的新型电机之一。它是一种不需要中间转换装置，而能直接作直线运动的电动机械。如今，直线电机驱动技术不断的更新，已达到成熟的阶段，被广泛应用于高档数控机床，这是因为技术具有精度高、无磨损、噪音低、效率高、响应速度快、节省空间的优点，而且使机器布置更加紧凑，结构多变，易于实现高刚性，提高了机床的整体性能而倍受人们关注。随着高速加工技术的快速发展，要求越来越高的驱动和控制系统，促使直线电机驱动技术的研究力度在逐步加快。因此，本研究不仅是符合直线驱动技术向更高、更快的发展趋势，又能满足市场广大的需求，带来更大的经济效益。直线驱动机床是未来发展的必然趋势，所以我们应加紧步伐追赶。

1.直线电机在数控机床上应用的现状

为了提高生产率和提高产品的质量，高速和超高速加工技术已成为机床发展的一大趋势，直线电机具有反应灵敏，速度快，重量轻，传动系统速度可提高到40～ 50m/min以上的优势。传统的“旋转电机+滚珠丝杠”传输方式可达30m/min最高速度，加速度仅为3m/s2。直线电机驱动的工作台，它的速度比传统的传输模式快30倍，加速比是传统的传输模式的10倍，最大为10g；刚性升高了7倍；无反向工作死区是直线电机的最大特点；因其电机惯量小，所以由它构成的直线伺服系统可以达到更高的频率响应。

1993年，一台型号 HSC 240的加工中心是世界上第一台由直线电机驱动工作台的高速加工中心，由德国Z公司研发而成，其主轴转速已达到24000r/min，60m/min的进给速度更是让人惊讶，加速度则是达到的1g，当进给速度保持在20m/min时，轮廓精度可保持为

0.004mm。其后，日本也成功制造出包括超高速小型加工中心、超精密镜面加工机床等[1]。

在中国，以清华大学、浙江大学、中国科学院等为代表的多家院校及研究所也一直致力于研发更快更好的直线驱动技术，通过校企联合等模式应用实践中，为此项技术在我国的应用与发展做出了不可磨灭的贡献，并取得了很大的进展。但我们也必须正视自己存在缺陷，与国际先进水平相比，当前中国的经济型机床行仍然是太多，产品技术含量不高，具有较高技术含量的高档数控机床较少，技术水平与世界先进国家还有很大的差距。因此，我们需要增加对机床基础技术和关键技术的研究工作，以赶上国际先进水平，制作出适合中国国情的高档直线电机及其控制系统和其他附属产品，以满足高端数控机床产品的需求，提高自身的综合竞争力。

2.应用难点的分析

2.1.如何防磁抗干扰

由于直线电机的磁场是敞开式的，金属粉尘、切屑粉末等各种磁性材料很容易被电机磁场吸入而干扰其正常工作，甚至损坏电机，所以要对其进行隔磁处理。此外，还需要考虑机床冷却液，润滑油，电缆的保护，信号线屏蔽，负载扰动和系统控制。由于直线电机驱动系统省去了中间传动环节，所以电机直接承受着各种干扰力，同时，该直线电机的端部效应也为系统的控制增加了一定的难度，因此控制器必须有较强的抗干扰能力和良好的稳定性[2]。

2.2.发热问题

在工作状态下的直线电动机，由于线圈的功率损耗，将产生很多的热量，如果空间的驱动部分很小，将使电机动子温度急剧升高，而动子通常在机床导轨附近，过多的热量会导致导轨温度变化大，导致轨道变形，从而影响机床的工作精度。因此，我们必须采取有效措施来冷却，将温度控制在可接受的范围内，保证电机的正常使用。

2.3.减少磁力

目前，直线电机的定子大多数是稀土永磁体，而稀土永磁体对铁磁性材料的吸力及其强大，且对铁磁性材料有极高的磁化能力。实验结果证明，直线电机的永磁定子法向磁力为电机可以提供连续的推力的10倍，并且定子的磁力与电机动子是否通电无关。磁吸力存在于定子与动子之间及定子与安装件之间。平行的导轨是单马达装置经常使用的方式，此方法使磁吸力大部分集中在导轨上，产生更大的变形，影响数控机床的加工精度，又导致了导轨和滑块之间的压力，增大了滑动摩擦力，会影响推力的不稳定，影响机床动态性能。因此，合理降低电机的磁场力将是一个突出的问题。

3.优化直线电机在数控机床中的应用

3.1.冷却方式优化

常用水冷却措施，将液体注入直线电机动子内，液体经过动子线圈绕组旁的冷却水套迂回流出，将动子产生大量的热带走，达到冷却。在实际应用中，具体冷却参数的确定将视电机参数及其要求来确定。

3.2.加强隔磁与防护

避免直线电机的磁效应强带来不利影响，必须采取隔离磁处理。把防护罩安装在定子表面，或由直线电机磁场的折叠密封保护套完全封闭起来；也可以在驱动部分安装在内部喷气装置，从内到外喷射空气，从而达到灰尘、切屑粉末不被吸入的效果。此外，其它部件所需信号

电缆及动力电缆等虽然具有屏蔽膜，仍要远离直线电机磁场区域，避免磁场给控制系统带来干扰。为了使控制系统保持稳定性，其设计必须使用闭环控制。

3.3.保证定子和动子的间距

定子动子的间距小，并且表面要求平行，当行程较远时，在加工中很难保证。因此，可在动子与移动部件间加装 10～20mm 厚垫片，不仅可以降低磁吸连接部件的动力，同时调整方便，采用配磨法进行调整，保证定子与动子间的平行及间隙。

4.小结

从机床的未来的发展方向，直线电机无论作为功能部件还是其相关技术在机床中的应用，都应重视起来。相关领域的研究应是企业或相关部门根据实际情况而定，从全局角度考虑发展直线电机及其驱动控制的机床产品，并逐步形成产业，占领高档数控机床的重要制高点。

参考文献：

[1]郭瑶瑶.机床进给系统采用永磁直线电机法向吸力的研究[J].中国机械工程，2007（10）：1174-1177.

[2]毛丽青.我国数控机床功能发展初探[J].机械工程师，2011（7）：20-21.

[3]朱非墨.直线电机在高速加工机床上的应用与展望[J].微电机，2013（5）：47-48.