摘要：為滿足超高速加工的要求，近年來出現了一種新型的直線電動機伺服驅動進給方式。文章結合我校自行研制的GD-3型高速直線電動機進給單元，介紹了在設計直線電動機高速進給單元時直線電動機參數的計算和進給單元結構布局的選擇，并研究了直線電動機的防磁和散熱問題、工作臺和導軌等部件的設計以及直線電動機控制系統等有關問題。研究表明，直線電動機在高速數控機床上具有良好的應用前景。
高速加工是一項新興的先進制造技術。為了實現高速加工，除了要有高速主軸，還必須同時大大提高進給系統的速度和加速度，才能使加工得以正常進行。傳統數控進給系統采用的是“旋轉伺服電動機+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，隨著加工效率和質量要求的提高以及直線電動機技術的進步，出現了一種新型的直線電動機伺服驅動進給方式。它取消了從電動機到工作臺間的一切中間傳動環節，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注。美、德、日、英等工業發達國家對直線電動機產品進行了深入的研究與開發，采用直線電動機驅動的高速加工中心已成為21世紀機床的發展方向之一。我國對直線電動機的研究已經起步，但同國外的差距還很大。本文結合我校自行研制的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計參數、結構形式，并重點討論了影響直線電動機高速進給系統性能的幾個關鍵問題。
1 直線電動機高速進給單元的設計
直線電動機高速進給單元主要由直線電動機、工作臺、滾動導軌、反饋測量系統、防護系統等五部分組成。圖1為我校超高速加工與機床研究室研制的GD-3型感應式交流直線電動機驅動的高速數控進給單元的橫截面圖。進給單元應按要求的額定進給速度、額定推力和加速度來設計或選用直線電動機，并根據其應用場合確定進給單元的結構形式，在設計過程中，還要考慮直線電動機的防磁、散熱和防護等問題。
1.工作臺 2.防護罩 3、12.導軌 4.床身 5、8.輔助導軌 6、14.冷卻板 7.次級 9.測量系統 10.光柵尺 11.拖鏈 13.初級
圖1 GD-3型直線電動機高速進給單元
1) 直線電動機基本參數的確定
圖2 直線電動機的特性曲線
直線電動機的特性曲線如圖2所示，在設計或選用直線電動機時應滿足以下三個要求：
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的最小推力，N
Feff——進給系統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)τmax
式中：s——滑差率
τ——直線電動機電極距，mm
fmax——交流電源的最高可調頻率，Hz
1.工件 2.工件臺 3.導軌 4.床身 5.滑塊
圖3 直線電動機進給單元受力分析
直線電動機進給系統受力模型如圖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——工作臺導軌的摩擦系數
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，進給系統所要求的平均有效推力Feff可用下式計算：
式中：Fi——在一個時間間隔內系統所要求的推力，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品的標準參數系列，來選擇滿足設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、移動件質量33eff為1676N。故選用某公司生產的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
a
max=(F
max-F
R)/m
式中，m為進給運動部件的總質量，它包括工作臺質量、電動機初級的質量和工件的質量三部分。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量，增大系統的推力。系統的推力與摩擦力、直線電動機的型號、導軌的摩擦系數有關，而運動部件質量可通過對工作臺結構的優化設計來減小。
2) 進給單元的結構設計
根據直線電動機安裝方式的不同，進給單元結構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，它具有結構簡單、安裝維護方便和機床工作臺高度較低等優點。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動與雙電動機驅動兩種方式。單電動機驅動布局結構簡單、工作臺兩導軌間跨距較小、測量裝置安裝與維修方便，適于推力要求不大的場合。雙電動機驅動布局的合成推力大，但兩導軌間的跨距較大、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垂直安裝兩種方式。外垂直安裝可保證機床的導軌跨距較小，電磁吸力產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小：但電動機安裝高度較高，工作臺兩端的懸伸較大，所占空間也較大，工作臺結構比較復雜。內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，保證在進給調速過程中初、次級的間隙量變化最小：但兩導軌間的跨距較大，安裝維護困難，適于大推力、高精度的應用場合。
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(見圖1)。
3) 直線電動機進給系統設計中應解決的其它幾個問題
防磁問題
旋轉電動機的磁場封閉在電動機的內部，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動的進給系統對環境的要求比較嚴格。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式直線電動機驅動，直線電動機、導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，發熱量大，必須采取強有力的冷卻措施，把電動機工作時產生的熱量迅速散出，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。
4) 工作臺的結構設計問題
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量。為此工作臺可選用高強度的輕質材料，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化設計的方法，以獲得所要求的動、靜剛度條件下最輕的質量。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構和整體剛度進行校驗和優化設計。通過以上措施，工作臺的質量比常規鑄鐵工作臺減輕了30%～40%。
5) 導軌結構類型的選擇
由于直線進給單元運動速度高，機床工作時導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，導軌的摩擦系數還會影響進給系統的加速度和進給單元的發熱等，因而必須選用高精度、高剛度、承載能力強的導軌。GD-3型進給單元采用“四方等載荷型”高速滾動導軌，其摩擦系數僅為0.01，而且動、靜摩擦系數相差更小，采用這種高速精密滾動導軌來引導直線電動機工作臺的運動既可避免發熱，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節，因而這種進給系統只能采用全閉環控制。此時工作臺負荷的變化、直線電動機“端部效應”及其在運動中的變化，對伺服系統來說都是一個外界干擾。這些干擾沒有任何緩沖環節，就直接作用到直線伺服電動機上。如果調節不好，就可能會降低系統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響應能力，系統要有魯棒性很強的控制器，以消除內部參數攝動和外界干擾的影響。
我校的GD-3型直線電動機高速進給單元系統采用全雙閉環控制，內環為速度環，外環為位置環，選擇高精度光柵作為反饋環節的位置測量系統，并通過誤差補償和調整控制參數等方法，較好地解決了上述問題。
3 結束語
近十年來，各類直線電動機除應用于數控機床外，已制成了許多具有實用價值的裝置和產品，如直線電動機驅動的鋼管輸送機、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。
直線電動機作為數控機床進給系統的一種嶄新的驅動方式，只有短短幾年的歷史。目前它在設計、制造和應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。然而它在高速數控機床上的應用，已呈現出一系列滾珠絲杠所無法比擬的優越性，并已成為現代世界機床技術發展的新高峰。近年來，各國推出的許多新型高速加工中心和其它數控機床，其進給系統已采用了直線電動機，直線電動機驅動有望成為21世紀高速數控機床的基本傳動方式。
