高速加工是一項新興的先進制造技術(shù)。為了實現(xiàn)高速加工，除了要有高速主軸，還必須同時大大提高進給系統(tǒng)的速度和加速度，才能使加工得以正常進行。傳統(tǒng)數(shù)控進給系統(tǒng)采用的是“旋轉(zhuǎn)伺服電動機+滾珠絲杠”的傳動方式。目前普通絲杠的最大進給速度為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60m/min，最大加速度達1.0g。但這種傳動方式存在傳動誤差、摩擦磨損、慣量大、彈性變形引起爬行、反向死區(qū)等問題，在運動速度要求較高的場合，要達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機技術(shù)的進步，出現(xiàn)了一種新型的直線電動機伺服驅(qū)動進給方式。它取消了從電動機到工作臺間的一切中間傳動環(huán)節(jié)，被稱作為“零傳動”。同滾珠絲杠傳動方式相比較，直線電動機驅(qū)動方式具有進給速度高、加速度大、啟動推力大、剛度和定位精度高、行程長度不受限制等優(yōu)點。自1993年德國Ex-Cell-O公司第一次將直線電動機用于加工中心以來，這種新型的高速進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)達國家對直線電動機產(chǎn)品進行了深入的研究與開發(fā)，采用直線電動機驅(qū)動的高速加工中心已成為21世紀機床的發(fā)展方向之一。我國對直線電動機的研究已經(jīng)起步，但同國外的差距還很大。本文結(jié)合自行研制的GD-3型直線電動機高速進給單元，介紹了如何確定直線電動機高速進給單元的設(shè)計參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式，并重點討論了影響直線電動機高速進給系統(tǒng)性能的幾個關(guān)鍵問題。
1 直線電動機高速進給單元的設(shè)計
直線電動機高速進給單元主要由直線電動機、工作臺、滾動導(dǎo)軌、反饋測量系統(tǒng)、防護系統(tǒng)等五部分組成。圖進給單元應(yīng)按要求的額定進給速度、額定推力和加速度來設(shè)計或選用直線電動機，并根據(jù)其應(yīng)用場合確定進給單元的結(jié)構(gòu)形式，在設(shè)計過程中，還要考慮直線電動機的防磁、散熱和防護等問題。
直線電動機基本參數(shù)的確定
在設(shè)計或選用直線電動機時應(yīng)滿足以下三個要求：
Vmax≥VRmax
Fmax≥FRmax
Fmin≥Feff
式中：Vmax——直線電動機的最大速度，mm/s
VRmax——進給系統(tǒng)要求達到的最大速度，mm/s
Fmax——直線電動機的最大推力，N
FRmax——進給系統(tǒng)要求達到的最大推力，N
Fmin——直線電動機在所要求的速度范圍內(nèi)的最小推力，N
Feff——進給系統(tǒng)所要求的平均有效推力，N
直線電動機的最大速度由下式計算：
Vmax=2(1-s)tmax
式中：s——滑差率
t——直線電動機電極距，mm
fmax——交流電源的最高可調(diào)頻率，Hz
直線電動機進給系統(tǒng)受力模型如圖3所示。工作臺運動時受的摩擦力FR可用下式計算：
FR=(mg+FAtt)µ
式中：m——移動部件的總質(zhì)量，kg
g——重力加速度，m/s2
FAtt——直線電動機初級與次級間的垂直吸力，N
µ——工作臺導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)
工作臺加速時的慣性力FAcc可用下式計算：
FAcc=ma
式中：a——進給運動的加速度，m/s2
在一個加工周期內(nèi)，進給系統(tǒng)所要求的平均有效推力Feff可用下式計算：Feff=[ ∑(Fi2ti) ]½
∑ti
式中：Fi——在一個時間間隔內(nèi)系統(tǒng)所要求的推力，N
ti——時間間隔，s
一般可按照典型工作情況下的時間速度曲線來計算每個時間段電動機要求的最大進給力FRmax，并由此算出一個加工周期的平均有效進給推力Feff。再按照直線電動機產(chǎn)品的標準參數(shù)系列，來選擇滿足設(shè)計要求的直線電動機。
GD-3型進給單元按額定進給速度為60m/min、加速度為1g、移動件質(zhì)量33eff為1676N。故選用某公司生產(chǎn)的LAF121C-A型直線電動機。該電動機的額定推力為2000N，最大推力為4500N，最大進給速度為100m/min，總功率為8kW。
直線電動機工作臺所能達到的最大加速度為amax= Fmax-FR
m式中，m為進給運動部件的總質(zhì)量，它包括工作臺質(zhì)量、電動機初級的質(zhì)量和工件的質(zhì)量三部分。由此可見，要提高進給單元的加(減)速度，就必須減小運動部件的質(zhì)量，增大系統(tǒng)的推力。系統(tǒng)的推力與摩擦力、直線電動機的型號、導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)有關(guān)，而運動部件質(zhì)量可通過對工作臺結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計來減小。
進給單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計
根據(jù)直線電動機安裝方式的不同，進給單元結(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、安裝維護方便和機床工作臺高度較低等優(yōu)點。但由于初級與次級之間的電磁吸力與重力方向相同，若工作臺剛度不足，將會使初級與次級間的間隙減小，影響直線電動機的正常工作，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機驅(qū)動與雙電動機驅(qū)動兩種方式。單電動機驅(qū)動布局結(jié)構(gòu)簡單、工作臺兩導(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。雙電動機驅(qū)動布局的合成推力大，但兩導(dǎo)軌間的跨距較大、工作臺受電磁吸力變形較大，對工作臺的剛度要求較高，安裝也比較困難，測量與控制復(fù)雜，只適于特殊場合使用。
為了抵消直線電動機吸力對工作臺剛度的影響，可采用雙電動機垂直布局的方式。這種布局具有推力大、工作臺垂直變形小、工作載荷對電動機初級與次級間的間隙影響小、運動精度高等優(yōu)點，適于載荷較大的高速運動場合。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，可抵消工作臺的部分彎曲變形，對初級和次級間的間隙影響也較�。旱妱訖C安裝高度較高，工作臺兩端的懸伸較大，所占空間也較大，工作臺結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。內(nèi)置安裝方式可使兩電動機電磁力吸力方向相反，消除了電磁引力對工作臺彎曲變形的影響，保證在進給調(diào)速過程中初、次級的間隙量變化最�。旱珒蓪�(dǎo)軌間的跨距較大，安裝維護困難，適于大推力、高精度的應(yīng)用場合。
GD-3型進給單元主要用于中小型零件的高速精密加工，因而采用單臺電動機水平布局方式。
直線電動機進給系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)解決的其它幾個問題
防磁問題
旋轉(zhuǎn)電動機的磁場封閉在電動機的內(nèi)部，不會對外界造成任何影響。而直線電動機的磁場是敞開的，因而采用直線電動機驅(qū)動的進給系統(tǒng)對環(huán)境的要求比較嚴格。尤其是使用永磁式直線電動機時，在機床床身上要安裝一排磁力強大的永久磁鐵，因此必須采取隔磁措施，否則電動機將會吸住加工中的切屑、金屬工具和工件等。若這些微粒被吸入直線電動機的定子與動子間的氣隙中，電動機將不能正常工作，因此要把直線電動機的磁場用三維折疊式密封罩防護起來。
GD-3型進給單元采用感應(yīng)式直線電動機驅(qū)動，直線電動機、導(dǎo)軌和床身用風琴式折疊耐熱防護罩加以保護，以確保電動機運行的安全。
直線電動機的散熱問題
直線電動機安裝在工作臺和導(dǎo)軌之間，處于機床腹部，散熱困難，又加之低速運行時效率低，發(fā)熱量大，必須采取強有力的冷卻措施，把電動機工作時產(chǎn)生的熱量迅速散出，否則將會直接影響機床的工作精度，降低直線電動機的推力。
GD-3型進給單元采用冷卻板的形式帶走電動機的熱量。如圖1所示，直線電動機的初級通過一塊冷卻板反裝在工作臺內(nèi)頂面，次級也通過一塊冷卻板安裝在底座上。工作時，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機線圈中產(chǎn)生的熱量。冷卻水的壓力和流量由電動機初級和次級的熱損耗來確定。
工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題
直線電動機的工作臺是高速進給單元的運動部件，如前所述，其質(zhì)量和進給單元的最大加速度成反比，要提高進給單元的加速度就必須減輕工作臺的質(zhì)量。為此工作臺可選用高強度的輕質(zhì)材料，如鋁鈦合金、纖維增強塑料等。同時還可采用有限元分析和最優(yōu)化設(shè)計的方法，以獲得所要求的動、靜剛度條件下最輕的質(zhì)量。GD-3型進給單元的工作臺選用HT250鑄鐵，并用有限元法對工作臺的筋板結(jié)構(gòu)和整體剛度進行校驗和優(yōu)化設(shè)計。通過以上措施，工作臺的質(zhì)量比常規(guī)鑄鐵工作臺減輕了30%～40%。
導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)類型的選擇
由于直線進給單元運動速度高，機床工作時導(dǎo)軌將承受很大的動載荷和靜載荷，并受到多方面的顛覆力矩，導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)還會影響進給系統(tǒng)的加速度和進給單元的發(fā)熱等，因而必須選用高精度、高剛度、承載能力強的導(dǎo)軌。GD-3型進給單元采用“四方等載荷型”高速滾動導(dǎo)軌，其摩擦系數(shù)僅為0.01，而且動、靜摩擦系數(shù)相差更小，采用這種高速精密滾動導(dǎo)軌來引導(dǎo)直線電動機工作臺的運動既可避免發(fā)熱，又可防止爬行。
2 直線電動機進給單元的控制
直線電動機和工作臺之間沒有任何中間傳動環(huán)節(jié)，因而這種進給系統(tǒng)只能采用全閉環(huán)控制。此時工作臺負荷的變化、直線電動機“端部效應(yīng)”及其在運動中的變化，對伺服系統(tǒng)來說都是一個外界干擾。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機上。如果調(diào)節(jié)不好，就可能會降低系統(tǒng)的性能指標甚至造成振蕩。因此，要求其位置與速度檢測裝置具有很高的分辨率和動態(tài)響應(yīng)能力，系統(tǒng)要有魯棒性很強的控制器，以消除內(nèi)部參數(shù)攝動和外界干擾的影響。
GD-3型直線電動機高速進給單元系統(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，各類直線電動機除應(yīng)用于數(shù)控機床外，已制成了許多具有實用價值的裝置和產(chǎn)品，如直線電動機驅(qū)動的鋼管輸送機、起重機、空壓機、沖壓機、拉伸機、運煤機、電動編織機、各種電動門、電動窗等。尤其是利用直線電動機驅(qū)動的磁懸浮列車，其速度已超過500km/h，接近了航空器的飛行速度。
直線電動機作為數(shù)控機床進給系統(tǒng)的一種嶄新的驅(qū)動方式，只有短短幾年的歷史。目前它在設(shè)計、制造和應(yīng)用方面還存在一些問題，成本也較高，有待進一步加以研究解決。然而它在高速數(shù)控機床上的應(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)控機床，其進給系統(tǒng)已采用了直線電動機，直線電動機驅(qū)動有望成為21世紀高速數(shù)控機床的基本傳動方式。
