直线电动机高速进给单元的关键技术

分享到：

摘要：为满足超高速加工的要求，近年来出现了一种新型的直线电动机伺服驱动进给方式。文章结合我校自行研制的GD-3型高速直线电动机进给单元，介绍了在设计直线电动机高速进给单元时直线电动机参数的计算和进给单元结构布局的选择，并研究了直线电动机的防磁和散热问题、工作台和导轨等部件的设计以及直线电动机控制系统等有关问题。研究表明，直线电动机在高速数控机床上具有良好的应用前景。

高速加工是一项新兴的先进制造技术。为了实现高速加工，除了要有高速主轴，还必须同时大大提高进给系统的速度和加速度，才能使加工得以正常进行。传统数控进给系统采用的是“旋转伺服电动机+滚珠丝杠”的传动方式。目前普通丝杠的最大进给速度为40m/min，最大直线加速度为0.5g。而一些高精密滚珠丝杠的最大速度已达60m/min，最大加速度达1.0g。但这种传动方式存在传动误差、摩擦磨损、惯量大、弹性变形引起爬行、反向死区等问题，在运动速度要求较高的场合，要达到更高的性能已非常困难。近年来，随着加工效率和质量要求的提高以及直线电动机技术的进步，出现了一种新型的直线电动机伺服驱动进给方式。它取消了从电动机到工作台间的一切中间传动环节，被称作为“零传动”。同滚珠丝杠传动方式相比较，直线电动机驱动方式具有进给速度高、加速度大、启动推力大、刚度和定位精度高、行程长度不受限制等优点。自1993年德国Ex-Cell-O公司第一次将直线电动机用于加工中心以来，这种新型的高速进给单元已引起世界各国的普遍关注。美、德、日、英等工业发达国家对直线电动机产品进行了深入的研究与开发，采用直线电动机驱动的高速加工中心已成为21世纪机床的发展方向之一。我国对直线电动机的研究已经起步，但同国外的差距还很大。本文结合我校自行研制的GD-3型直线电动机高速进给单元，介绍了如何确定直线电动机高速进给单元的设计参数、结构形式，并重点讨论了影响直线电动机高速进给系统性能的几个关键问题。

1 直线电动机高速进给单元的设计

直线电动机高速进给单元主要由直线电动机、工作台、滚动导轨、反馈测量系统、防护系统等五部分组成。图1为我校超高速加工与机床研究室研制的GD-3型感应式交流直线电动机驱动的高速数控进给单元的横截面图。进给单元应按要求的额定进给速度、额定推力和加速度来设计或选用直线电动机，并根据其应用场合确定进给单元的结构形式，在设计过程中，还要考虑直线电动机的防磁、散热和防护等问题。

1.工作台 2.防护罩 3、12.导轨 4.床身 5、8.辅助导轨 6、14.冷却板 7.次级 9.测量系统 10.光栅尺 11.拖链 13.初级
图1 GD-3型直线电动机高速进给单元
1) 直线电动机基本参数的确定

图2 直线电动机的特性曲线
直线电动机的特性曲线如图2所示，在设计或选用直线电动机时应满足以下三个要求：

Vmax≥VRmax
Fmax≥FRmax
Fmin≥Feff

式中：Vmax——直线电动机的最大速度，mm/s
VRmax——进给系统要求达到的最大速度，mm/s
Fmax——直线电动机的最大推力，N
FRmax——进给系统要求达到的最大推力，N
Fmin——直线电动机在所要求的速度范围内的最小推力，N
Feff——进给系统所要求的平均有效推力，N

直线电动机的最大速度由下式计算：

Vmax=2(1-s)τmax

式中：s——滑差率
τ——直线电动机电极距，mm
fmax——交流电源的最高可调频率，Hz

1.工件 2.工件台 3.导轨 4.床身 5.滑块
图3 直线电动机进给单元受力分析
直线电动机进给系统受力模型如图3所示。工作台运动时受的摩擦力FR可用下式计算：

FR=(mg+FAtt)μ

式中：m——移动部件的总质量，kg
g——重力加速度，m/s2
FAtt——直线电动机初级与次级间的垂直吸力，N
μ——工作台导轨的摩擦系数

工作台加速时的惯性力FAcc可用下式计算：

FAcc=ma

式中：a——进给运动的加速度，m/s2

在一个加工周期内，进给系统所要求的平均有效推力Feff可用下式计算：

Feff=[∑(Fi2ti)]?

∑ti


式中：Fi——在一个时间间隔内系统所要求的推力，N
ti——时间间隔，s

一般可按照典型工作情况下的时间速度曲线来计算每个时间段电动机要求的最大进给力FRmax，并由此算出一个加工周期的平均有效进给推力Feff。再按照直线电动机产品的标准参数系列，来选择满足设计要求的直线电动机。

GD-3型进给单元按额定进给速度为60m/min、加速度为1g、移动件质量33eff为1676N。故选用某公司生产的LAF121C-A型直线电动机。该电动机的额定推力为2000N，最大推力为4500N，最大进给速度为100m/min，总功率为8kW。

直线电动机工作台所能达到的最大加速度为

amax=(Fmax-FR)/m

式中，m为进给运动部件的总质量，它包括工作台质量、电动机初级的质量和工件的质量三部分。由此可见，要提高进给单元的加(减)速度，就必须减小运动部件的质量，增大系统的推力。系统的推力与摩擦力、直线电动机的型号、导轨的摩擦系数有关，而运动部件质量可通过对工作台结构的优化设计来减小。

2) 进给单元的结构设计

根据直线电动机安装方式的不同，进给单元结构可分为水平布局和垂直布局两种基本方式。图1所示即为水平布局方式，它具有结构简单、安装维护方便和机床工作台高度较低等优点。但由于初级与次级之间的电磁吸力与重力方向相同，若工作台刚度不足，将会使初级与次级间的间隙减小，影响直线电动机的正常工作，因而这种布局适于中等载荷以下使用。水平布局又可分为单电动机驱动与双电动机驱动两种方式。单电动机驱动布局结构简单、工作台两导轨间跨距较小、测量装置安装与维修方便，适于推力要求不大的场合。双电动机驱动布局的合成推力大，但两导轨间的跨距较大、工作台受电磁吸力变形较大，对工作台的刚度要求较高，安装也比较困难，测量与控制复杂，只适于特殊场合使用。

为了抵消直线电动机吸力对工作台刚度的影响，可采用双电动机垂直布局的方式。这种布局具有推力大、工作台垂直变形小、工作载荷对电动机初级与次级间的间隙影响小、运动精度高等优点，适于载荷较大的高速运动场合。按安装方式不同，又可分为外垂直安装和内垂直安装两种方式。外垂直安装可保证机床的导轨跨距较小，电磁吸力产生的弯距与重力引起的弯距方向相反，可抵消工作台的部分弯曲变形，对初级和次级间的间隙影响也较小：但电动机安装高度较高，工作台两端的悬伸较大，所占空间也较大，工作台结构比较复杂。内置安装方式可使两电动机电磁力吸力方向相反，消除了电磁引力对工作台弯曲变形的影响，保证在进给调速过程中初、次级的间隙量变化最小：但两导轨间的跨距较大，安装维护困难，适于大推力、高精度的应用场合。