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应用在数控机床中的直线电机

           采用直线电机的直线运动机构由于具有响应快、精度高的特点,已成功地应用于异型截面工件的CNC车削和磨削加工中。针对产量最大的非圆截面零件,国防科学技术大学非圆切削研究中心开发了基于直线电机的高频响大行程数控进给单元。当用于数控活塞机床时,工作台尺寸为600mm×320mm,行程100mm,最大推力为160N,最大加速度可达13g。由于直线电机动子和工作台已固定在一起,所以只能采用闭环控制。
  这是一个双闭环系统,内环是速度环,外环是位置环。采用高精度光栅尺作为位置检测元件。定位精度取决于光栅的分辨率,系统的机械误差可以由反馈消除,获得较高的精度。
 
 
一、 数控机床正在向精密、高速、复合、智能、环保的方向发展。精密和高速加工对传动及其控制提出了更高的要求,更高的动态特性和控制精度,更高的进给速度和加速度,更低的振动噪声和更小的磨损。采用直线电机的直线运动机构由于具有响应快、精度高的特点,已成功地应用于异型截面工件的CNC车削和磨削加工中。
 二、直线电机进给驱动的主要优点  进给速度范围宽。
可从1(1)m/s到20m/min以上,目前加工中心的快进速度已达208m/min,而传统机床快进速度<60m/min,一般为20~30m/min。  速度特性好。速度偏差可达(1)0.01%以下。  加速度大。直线电机最大加速度可达30g,目前加工中心的进给加速度已达3.24g,激光加工机的进给加速度已达5g,而传统机床进给加速度在1g以下,一般为0.3g。  定位精度高。采用光栅闭环控制,定位精度可达0.1~0.01(1)mm。应用前馈控制的直线电机驱动系统可减少跟踪误差200倍以上。由于运动部件的动态特性好,响应灵敏,加上插补控制的精细化,可实现纳米级控制。  行程不受限制。传统的丝杠传动受丝杠制造工艺限制,一般4~6m,更的行程需要接长丝杠,无论从制造工艺还是在性能上都不理想。而采用直线电机驱动,定子可无限加长,且制造工艺简单,已有大型高速加工中心X轴长达40m以上。  结构简单、运动平稳、噪声小,运动部件摩擦小、磨损小、使用寿命长、安全可靠。  
三、直线电机及其驱动控制技术的进展  直线电机与普通电机在原理上类似,它只是电机圆柱面的展开,其种类与传统电机相同,例如:直流直线电机,交流永磁同步直线电机,交流感应异步直线电机,步进直线电机等。  作为可控制运动精度的直线伺服电机在上世纪80年代末出现后,随着材料(如永磁材料)、功率器件、控制技术及传感技术的发展,直线伺服电机的性能不断提高,成本日益下降,为其广泛的应用创造了条件。
  近年来,直线电机及其驱动控制技术的进展表现在以下方面:
(1)性能不断提高(如推力、速度、加速度、分辨率等);
 
(2)体积减小,温升降低;
(3)品种覆盖面广,可满足不同类型机床的要求;
(4)成本大幅度下降;
(5)安装和防护简便;
(6)可靠性好;
(7)包括数控系统在内的配套技术日趋完善;
(8)商品化程度高。


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