摘要：為滿足超高速加工的要求，近年來出現(xiàn)了一種新型的直線電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)給方式。文章結(jié)合我校自行研制的GD-3型高速直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給單元，介紹了在設(shè)計(jì)直線電動(dòng)機(jī)高速進(jìn)給單元時(shí)直線電動(dòng)機(jī)參數(shù)的計(jì)算和進(jìn)給單元結(jié)構(gòu)布局的選擇，并研究了直線電動(dòng)機(jī)的防磁和散熱問題、工作臺(tái)和導(dǎo)軌等部件的設(shè)計(jì)以及直線電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)等有關(guān)問題。研究表明，直線電動(dòng)機(jī)在高速數(shù)控機(jī)床上具有良好的應(yīng)用前景。
高速加工是一項(xiàng)新興的先進(jìn)制造技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)高速加工，除了要有高速主軸，還必須同時(shí)大大提高進(jìn)給系統(tǒng)的速度和加速度，才能使加工得以正常進(jìn)行。傳統(tǒng)數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)采用的是“旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)+滾珠
絲杠”的傳動(dòng)方式。目前普通絲杠的最大進(jìn)給速度為40m/min，最大直線加速度為0.5g。而一些高精密滾珠絲杠的最大速度已達(dá)60m/min，最大加速度達(dá)1.0g。但這種傳動(dòng)方式存在傳動(dòng)誤差、摩擦磨損、慣量大、彈性變形引起爬行、反向死區(qū)等問題，在運(yùn)動(dòng)速度要求較高的場合，要達(dá)到更高的性能已非常困難。近年來，隨著加工效率和質(zhì)量要求的提高以及直線電動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了一種新型的直線電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)給方式。它取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)間的一切中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，被稱作為“零傳動(dòng)”。同滾珠
絲杠傳動(dòng)方式相比較，直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式具有進(jìn)給速度高、加速度大、啟動(dòng)推力大、剛度和定位精度高、行程長度不受限制等優(yōu)點(diǎn)。自1993年德國Ex-Cell-O公司第一次將直線電動(dòng)機(jī)用于加工中心以來，這種新型的高速進(jìn)給單元已引起世界各國的普遍關(guān)注。美、德、日、英等工業(yè)發(fā)達(dá)國家對(duì)直線電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行了深入的研究與開發(fā)，采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速加工中心已成為21世紀(jì)機(jī)床的發(fā)展方向之一。我國對(duì)直線電動(dòng)機(jī)的研究已經(jīng)起步，但同國外的差距還很大。本文結(jié)合我校自行研制的GD-3型直線電動(dòng)機(jī)高速進(jìn)給單元，介紹了如何確定直線電動(dòng)機(jī)高速進(jìn)給單元的設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式，并重點(diǎn)討論了影響直線電動(dòng)機(jī)高速進(jìn)給系統(tǒng)性能的幾個(gè)關(guān)鍵問題。
1 直線電動(dòng)機(jī)高速進(jìn)給單元的設(shè)計(jì)
直線電動(dòng)機(jī)高速進(jìn)給單元主要由直線電動(dòng)機(jī)、工作臺(tái)、滾動(dòng)導(dǎo)軌、反饋測量系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)等五部分組成。圖1為我校超高速加工與機(jī)床研究室研制的GD-3型感應(yīng)式交流直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速數(shù)控進(jìn)給單元的橫截面圖。進(jìn)給單元應(yīng)按要求的額定進(jìn)給速度、額定推力和加速度來設(shè)計(jì)或選用直線電動(dòng)機(jī)，并根據(jù)其應(yīng)用場合確定進(jìn)給單元的結(jié)構(gòu)形式，在設(shè)計(jì)過程中，還要考慮直線電動(dòng)機(jī)的防磁、散熱和防護(hù)等問題。
1.工作臺(tái) 2.防護(hù)罩 3、12.導(dǎo)軌 4.床身 5、8.輔助導(dǎo)軌 6、14.冷卻板 7.次級(jí) 9.測量系統(tǒng) 10.光柵尺 11.拖鏈 13.初級(jí)
圖1 GD-3型直線電動(dòng)機(jī)高速進(jìn)給單元
1) 直線電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)的確定
圖2 直線電動(dòng)機(jī)的特性曲線
直線電動(dòng)機(jī)的特性曲線如圖2所示，在設(shè)計(jì)或選用直線電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)滿足以下三個(gè)要求：
Vmax≥VRmax
Fmax≥FRmax
Fmin≥Feff
式中：Vmax——直線電動(dòng)機(jī)的最大速度，mm/s
VRmax——進(jìn)給系統(tǒng)要求達(dá)到的最大速度，mm/s
Fmax——直線電動(dòng)機(jī)的最大推力，N
FRmax——進(jìn)給系統(tǒng)要求達(dá)到的最大推力，N
Fmin——直線電動(dòng)機(jī)在所要求的速度范圍內(nèi)的最小推力，N
Feff——進(jìn)給系統(tǒng)所要求的平均有效推力，N
直線電動(dòng)機(jī)的最大速度由下式計(jì)算：
Vmax=2(1-s)τmax
式中：s——滑差率
τ——直線電動(dòng)機(jī)電極距，mm
fmax——交流電源的最高可調(diào)頻率，Hz
1.工件 2.工件臺(tái) 3.導(dǎo)軌 4.床身 5.滑塊
圖3 直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給單元受力分析
直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)受力模型如圖3所示。工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)受的摩擦力FR可用下式計(jì)算：
FR=(mg+FAtt)μ
式中：m——移動(dòng)部件的總質(zhì)量，kg
g——重力加速度，m/s2
FAtt——直線電動(dòng)機(jī)初級(jí)與次級(jí)間的垂直吸力，N
μ——工作臺(tái)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)
工作臺(tái)加速時(shí)的慣性力FAcc可用下式計(jì)算：
FAcc=ma
式中：a——進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的加速度，m/s2
在一個(gè)加工周期內(nèi)，進(jìn)給系統(tǒng)所要求的平均有效推力Feff可用下式計(jì)算：
式中：Fi——在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)系統(tǒng)所要求的推力，N
ti——時(shí)間間隔，s
一般可按照典型工作情況下的時(shí)間速度曲線來計(jì)算每個(gè)時(shí)間段電動(dòng)機(jī)要求的最大進(jìn)給力FRmax，并由此算出一個(gè)加工周期的平均有效進(jìn)給推力Feff。再按照直線電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)系列，來選擇滿足設(shè)計(jì)要求的直線電動(dòng)機(jī)。
GD-3型進(jìn)給單元按額定進(jìn)給速度為60m/min、加速度為1g、移動(dòng)件質(zhì)量33eff為1676N。故選用某公司生產(chǎn)的LAF121C-A型直線電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)的額定推力為2000N，最大推力為4500N，最大進(jìn)給速度為100m/min，總功率為8kW。
直線電動(dòng)機(jī)工作臺(tái)所能達(dá)到的最大加速度為
a
max=(F
max-F
R)/m
式中，m為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件的總質(zhì)量，它包括工作臺(tái)質(zhì)量、電動(dòng)機(jī)初級(jí)的質(zhì)量和工件的質(zhì)量三部分。由此可見，要提高進(jìn)給單元的加(減)速度，就必須減小運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，增大系統(tǒng)的推力。系統(tǒng)的推力與摩擦力、直線電動(dòng)機(jī)的型號(hào)、導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)有關(guān)，而運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量可通過對(duì)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來減小。
2) 進(jìn)給單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)直線電動(dòng)機(jī)安裝方式的不同，進(jìn)給單元結(jié)構(gòu)可分為水平布局和垂直布局兩種基本方式。圖1所示即為水平布局方式，它具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護(hù)方便和機(jī)床工作臺(tái)高度較低等優(yōu)點(diǎn)。但由于初級(jí)與次級(jí)之間的電磁吸力與重力方向相同，若工作臺(tái)剛度不足，將會(huì)使初級(jí)與次級(jí)間的間隙減小，影響直線電動(dòng)機(jī)的正常工作，因而這種布局適于中等載荷以下使用。水平布局又可分為單電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種方式。單電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)布局結(jié)構(gòu)簡單、工作臺(tái)兩導(dǎo)軌間跨距較小、測量裝置安裝與維修方便，適于推力要求不大的場合。雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)布局的合成推力大，但兩導(dǎo)軌間的跨距較大、工作臺(tái)受電磁吸力變形較大，對(duì)工作臺(tái)的剛度要求較高，安裝也比較困難，測量與控制復(fù)雜，只適于特殊場合使用。
為了抵消直線電動(dòng)機(jī)吸力對(duì)工作臺(tái)剛度的影響，可采用雙電動(dòng)機(jī)垂直布局的方式。這種布局具有推力大、工作臺(tái)垂直變形小、工作載荷對(duì)電動(dòng)機(jī)初級(jí)與次級(jí)間的間隙影響小、運(yùn)動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)，適于載荷較大的高速運(yùn)動(dòng)場合。按安裝方式不同，又可分為外垂直安裝和內(nèi)垂直安裝兩種方式。外垂直安裝可保證機(jī)床的導(dǎo)軌跨距較小，電磁吸力產(chǎn)生的彎距與重力引起的彎距方向相反，可抵消工作臺(tái)的部分彎曲變形，對(duì)初級(jí)和次級(jí)間的間隙影響也較?。旱妱?dòng)機(jī)安裝高度較高，工作臺(tái)兩端的懸伸較大，所占空間也較大，工作臺(tái)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。內(nèi)置安裝方式可使兩電動(dòng)機(jī)電磁力吸力方向相反，消除了電磁引力對(duì)工作臺(tái)彎曲變形的影響，保證在進(jìn)給調(diào)速過程中初、次級(jí)的間隙量變化最?。旱珒蓪?dǎo)軌間的跨距較大，安裝維護(hù)困難，適于大推力、高精度的應(yīng)用場合。
GD-3型進(jìn)給單元主要用于中小型零件的高速精密加工，因而采用單臺(tái)電動(dòng)機(jī)水平布局方式(見圖1)。
3) 直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)解決的其它幾個(gè)問題
防磁問題
旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的磁場封閉在電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部，不會(huì)對(duì)外界造成任何影響。而直線電動(dòng)機(jī)的磁場是敞開的，因而采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的要求比較嚴(yán)格。尤其是使用永磁式直線電動(dòng)機(jī)時(shí)，在機(jī)床床身上要安裝一排磁力強(qiáng)大的永久磁鐵，因此必須采取隔磁措施，否則電動(dòng)機(jī)將會(huì)吸住加工中的切屑、金屬工具和工件等。若這些微粒被吸入直線電動(dòng)機(jī)的定子與動(dòng)子間的氣隙中，電動(dòng)機(jī)將不能正常工作，因此要把直線電動(dòng)機(jī)的磁場用三維折疊式密封罩防護(hù)起來。
GD-3型進(jìn)給單元采用感應(yīng)式直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，直線電動(dòng)機(jī)、導(dǎo)軌和床身用風(fēng)琴式折疊耐熱防護(hù)罩加以保護(hù)，以確保電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的安全。
直線電動(dòng)機(jī)的散熱問題
直線電動(dòng)機(jī)安裝在工作臺(tái)和導(dǎo)軌之間，處于機(jī)床腹部，散熱困難，又加之低速運(yùn)行時(shí)效率低，發(fā)熱量大，必須采取強(qiáng)有力的冷卻措施，把電動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量迅速散出，否則將會(huì)直接影響機(jī)床的工作精度，降低直線電動(dòng)機(jī)的推力。
GD-3型進(jìn)給單元采用冷卻板的形式帶走電動(dòng)機(jī)的熱量。如圖1所示，直線電動(dòng)機(jī)的初級(jí)通過一塊冷卻板反裝在工作臺(tái)內(nèi)頂面，次級(jí)也通過一塊冷卻板安裝在底座上。工作時(shí)，冷卻板中通以一定壓力和流量的冷卻水，用以吸收和帶走電動(dòng)機(jī)線圈中產(chǎn)生的熱量。冷卻水的壓力和流量由電動(dòng)機(jī)初級(jí)和次級(jí)的熱損耗來確定。
4) 工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題
直線電動(dòng)機(jī)的工作臺(tái)是高速進(jìn)給單元的運(yùn)動(dòng)部件，如前所述，其質(zhì)量和進(jìn)給單元的最大加速度成反比，要提高進(jìn)給單元的加速度就必須減輕工作臺(tái)的質(zhì)量。為此工作臺(tái)可選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，如鋁鈦合金、纖維增強(qiáng)塑料等。同時(shí)還可采用有限元分析和最優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，以獲得所要求的動(dòng)、靜剛度條件下最輕的質(zhì)量。GD-3型進(jìn)給單元的工作臺(tái)選用HT250鑄鐵，并用有限元法對(duì)工作臺(tái)的筋板結(jié)構(gòu)和整體剛度進(jìn)行校驗(yàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過以上措施，工作臺(tái)的質(zhì)量比常規(guī)鑄鐵工作臺(tái)減輕了30%～40%。
5) 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)類型的選擇
由于直線進(jìn)給單元運(yùn)動(dòng)速度高，機(jī)床工作時(shí)導(dǎo)軌將承受很大的動(dòng)載荷和靜載荷，并受到多方面的顛覆力矩，導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)還會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的加速度和進(jìn)給單元的發(fā)熱等，因而必須選用高精度、高剛度、承載能力強(qiáng)的導(dǎo)軌。GD-3型進(jìn)給單元采用“四方等載荷型”高速滾動(dòng)導(dǎo)軌，其摩擦系數(shù)僅為0.01，而且動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差更小，采用這種高速精密滾動(dòng)導(dǎo)軌來引導(dǎo)直線電動(dòng)機(jī)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)既可避免發(fā)熱，又可防止爬行。
2 直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給單元的控制
直線電動(dòng)機(jī)和工作臺(tái)之間沒有任何中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因而這種進(jìn)給系統(tǒng)只能采用全閉環(huán)控制。此時(shí)工作臺(tái)負(fù)荷的變化、直線電動(dòng)機(jī)“端部效應(yīng)”及其在運(yùn)動(dòng)中的變化，對(duì)伺服系統(tǒng)來說都是一個(gè)外界干擾。這些干擾沒有任何緩沖環(huán)節(jié)，就直接作用到直線伺服電動(dòng)機(jī)上。如果調(diào)節(jié)不好，就可能會(huì)降低系統(tǒng)的性能指標(biāo)甚至造成振蕩。因此，要求其位置與速度檢測裝置具有很高的分辨率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，系統(tǒng)要有魯棒性很強(qiáng)的控制器，以消除內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)和外界干擾的影響。
我校的GD-3型直線電動(dòng)機(jī)高速進(jìn)給單元系統(tǒng)采用全雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)，選擇高精度光柵作為反饋環(huán)節(jié)的位置測量系統(tǒng)，并通過誤差補(bǔ)償和調(diào)整控制參數(shù)等方法，較好地解決了上述問題。
3 結(jié)束語
近十年來，各類直線電動(dòng)機(jī)除應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床外，已制成了許多具有實(shí)用價(jià)值的裝置和產(chǎn)品，如直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的鋼管輸送機(jī)、起重機(jī)、空壓機(jī)、沖壓機(jī)、拉伸機(jī)、運(yùn)煤機(jī)、電動(dòng)編織機(jī)、各種電動(dòng)門、電動(dòng)窗等。尤其是利用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的磁懸浮列車，其速度已超過500km/h，接近了航空器的飛行速度。
直線電動(dòng)機(jī)作為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的一種嶄新的驅(qū)動(dòng)方式，只有短短幾年的歷史。目前它在設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用方面還存在一些問題，成本也較高，有待進(jìn)一步加以研究解決。然而它在高速數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，已呈現(xiàn)出一系列滾珠絲杠所無法比擬的優(yōu)越性，并已成為現(xiàn)代世界機(jī)床技術(shù)發(fā)展的新高峰。近年來，各國推出的許多新型高速加工中心和其它數(shù)控機(jī)床，其進(jìn)給系統(tǒng)已采用了直線電動(dòng)機(jī)，直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)有望成為21世紀(jì)高速數(shù)控機(jī)床的基本傳動(dòng)方式。
