直線電機在數控機床中的應用及發展趨勢

    一、引言

    數控機床正在向精密、高速、復合、智能、環保的方向發展。精密和高速加工對傳動及其控制提出了更高的要求，更高的動態特性和控制精度，更高的進給速度和加速度，更低的振動噪聲和更小的磨損。問題的癥結在傳統的傳動鏈從作為動力源的電動機到工作部件要通過齒輪、蝸輪副，皮帶、絲杠副、聯軸器、離合器等中間傳動環節，在這些環節中產生了較大的轉動慣量、彈性變形、反向間隙、運動滯后、摩擦、振動、噪聲及磨損。雖然在這些方面通過不斷的改進使傳動性能有所提高，但問題很難從根本上解決，于是出現了“直接傳動”的概念，即取消從電動機到工作部件之間的各種中間環節。隨著電機及其驅動控制技術的發展，電主軸、直線電機、力矩電機的出現和技術的日益成熟，使主軸、直線和旋轉坐標運動的“直接傳動”概念變為現實，并日益顯示其巨大的優越性。直線電機及其驅動控制技術在機床進給驅動上的應用，使機床的傳動結構出現了重大變化，并使機床性能有了新的飛躍。 

    二、直線電機進給驅動的主要優點

    進給速度范圍寬?？蓮?(1)m/s到20m/min以上，目前加工中心的快進速度已達208m/min，而傳統機床快進速度<60m/min，一般為20～30m/min。 
速度特性好。速度偏差可達(1)0.01%以下。 

    加速度大。直線電機最大加速度可達30g，目前加工中心的進給加速度已達3.24g，激光加工機的進給加速度已達5g，而傳統機床進給加速度在1g以下，一般為0.3g。 

    定位精度高。采用光柵閉環控制，定位精度可達0.1～0.01(1)m。應用前饋控制的直線電機驅動系統可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運動部件的動態特性好，響應靈敏，加上插補控制的精細化，可實現納米級控制。 
行程不受限制。傳統的絲杠傳動受絲杠制造工藝限制，一般4～6m，更長的行程需要接長絲杠，無論從制造工藝還是在性能上都不理想。而采用直線電機驅動，定子可無限加長，且制造工藝簡單，已有大型高速加工中心X軸長達40m以上。 

    結構簡單、運動平穩、噪聲小，運動部件摩擦小、磨損小、使用壽命長、安全可靠。

    三、直線電機及其驅動控制技術的進展

    直線電機與普通電機在原理上類似，它只是電機圓柱面的展開，其種類與傳統電機相同，例如：直流直線電機，交流永磁同步直線電機，交流感應異步直線電機，步進直線電機等。 

    作為可控制運動精度的直線伺服電機在上世紀80年代末出現后，隨著材料(如永磁材料)、功率器件、控制技術及傳感技術的發展，直線伺服電機的性能不斷提高，成本日益下降，為其廣泛的應用創造了條件。 
近年來，直線電機及其驅動控制技術的進展表現在以下方面：(1)性能不斷提高(如推力、速度、加速度、分辨率等)；(2)體積減小，溫升降低；(3)品種復蓋面廣，可滿足不同類型機床的要求；(4)成本大幅度下降；(5)安裝和防護簡便；(6)可靠性好；(7)包括數控系統在內的配套技術日趨完善；(8)商品化程度高。 

    目前世界上直線伺服電機及其驅動系統的知名供應商主要有：德國Siemens公司，Indramat公司；日本FANUC，三菱公司；美國Anorad，科爾摩根公司；瑞士ETEL公司等。 

    具有代表性的直線電機產品的技術指標： 

    FANUC L17000C3/2is；最大推力17000N；連續推力3400N(自然冷)/4080N(氣冷)/6800(水冷)；最大速度240m/min(4m/s)；最大加速度30g；分辨率0.01(1)m。 

    •Siemens 1FN3：最大推力20700N；連續推力8100N(水冷)；最大速度253m/min。 

    在控制系統方面，Siemens、FANUC等系統供應商都可提供與直線電機控制相對應的控制軟件和接口。由于歐洲機床上應用直線電機較多，因此采用Siemens系統(如8l0D，840D)最多。

    中國科學院電工所、浙江大學、沈陽工業大學等對直線電機開展了多年研究，江蘇、哈爾濱、廣東等一些公司已有小功率直線電機產品。 
清華大學在“十五”攻關項目中研制成功交流永磁同步直線電機及其伺服系統，其最大運動速度60m/min，最大加速度5g，最大推力5000N，目前已與江蘇瑞安特公司開始合作生產。 
 
    四、直線電機進給驅動在機床上的應用情況

    表1 直線電機驅動的國產機床部分典型產品 機床類型  型號  廠商  主要特點  
電火花成形機床  GV754L  北京機床研究所  快進速度24m/min
加速度1.5g  
立式加工中心  VS1250  北京機電院高技術
股份公司  X/Y軸直線電機，
快進80/120m/min
加速度0.8/1.5g  
立式加工中心  XH716/5X-SM  江蘇多棱數控機床有限責任公司  X軸直線電機  
車銑中心     沈陽機床集團  X軸直線電機，
快進60m/min  
活塞車床  G-CNCP200  清華大學  X軸直線電機  
凸輪磨床     北京航空航天大學  頭架驅動用直線電機，
精度提高，無振紋 

    自1993年德國Ex-Cell-O公司研發出世界上第一臺直線電機驅動工作臺的加工中心以來，直線電機已在不同種類的機床上得到應用。2001年、2003年歐洲機床展，2002年、2004年日本機床展及美國機床展上每次都有幾十家公司的展品采用直線電機驅動系統。以2002年日本機床展JIMTOF為例，在參展的524臺數控機床中，有25家公司41臺機床采用直線電機進給驅動[3]，其中，加工中心11臺(立式8臺，臥式3臺)，電加工機床7臺(線切割4臺，成形機2臺，小孔機1臺)，磨床6臺(一般磨床4臺，齒輪磨床1臺，坐標磨床1臺)，非球面加工機和微型微細加工機5臺，車床4臺，專用機床3臺，激光加工機2臺，車磨復合機床1臺，銑削加工單元(FMC)l臺。 

    目前，世界上最知名的機床廠家幾乎無一例外地都推出了直線電機驅動的機床產品，品種覆蓋了絕大多數機床類型。此外，在壓力機、坐標測量機、水切割機、等離子切割機、快速原型機及半導體設備的X-Y工作臺上直線電機都有應用。

    此外，浙江大學直線電機與現代驅動研究所開發了直線電機驅動的壓力機、鋸床、雕刻機、線切割機床。 

    北京機電院高技術股份有限公司承擔的“十五”攻關項目《直線電機驅動的高速立式加工中心》，于2003年研制成功國內第一臺直線電機驅動的加工中心，并在2003年北京國際機床展覽會展出。該機床X/Y軸采用直線電機驅動，行程分別為1250/630mm，最大快移速度80/120m/min，最大加速度O.8/1.5g。機床在設計中對減輕運動部件質量、加強機床剛性、解決高速高加速運動下的抗沖擊性、直線電機的防護，以及控制系統、伺服系統與直線電機的匹配和優化調試等方面做了有益的探索并取得了成功。為解決處于工作臺下方的Y軸直線電機的防護問題，設計了密封的直線驅動軸部件，并獲得了國家專利。經測定，該機床精度達到精密級加工中心標準，并有充分裕量。一年多來該機床工作穩定可靠。課題組還對直線電機初級線圈與次級磁鐵(定子)的溫升進行了試驗。以X軸為例：X軸運動部件質量>1000kg，加速度設定為O.8g，快移速度設定為70m/min，連續往復運動1小時以上。試驗結果：10分鐘后初級線圈(水冷)溫升趨于平衡，工作溫度穩定在69℃左右，遠遠低于允許工作溫度(12℃)。電機次級磁鐵溫升約2℃。可見直線電機初級線圈與次級磁鐵(定子)的溫升對機床的熱影響有限，可通過補償消除。 
 
    五、發展趨勢

    技術日益成熟 

    直線電機及其驅動控制系統在技術上已日趨成熟，已具有傳統傳動裝置無法比擬的優越性能。過去人們所擔心的直線電機推力小、體積大、溫升高、可靠性差、不安全、難安裝、難防護等問題，隨著電機制造技術的改進，已不再是大問題。而驅動與控制技術的發展又為其性能拓展和安全性提供了保證。選擇合適的直線電機及驅動控制系統，配以合理的機床設計，完全可以生產出高性能、高可靠性的機床?，F在直線電機驅動進給速度100m/min，加速度1～2g的機床已很普遍，已有機床達到快進240m/min，加速度5g的指標(日本AMADA激光切割機)。日本Mazak公司宣稱，該公司將在近期推出快移速度500m/min，加速度6g，主軸速度80000r/min切削速度8馬赫的超音速加工中心。高速度高加速度的傳動已在加工中心、數控銑床、車床、磨床、復合加工機床、激光加工機床及重型機床上得到廣泛應用，這類機床在航空、汽車、模具、能源、通用機械等領域發揮著特殊的作用。在電加工機床上采用直線電機驅動可實現0.1(1)m的精密平穩移動。在微細加工及精密磨削中，可實現10um進給分辨率及20m/min的快移速度，加工表面粗糙度<1nm。在重型機床上采用直線電機驅數噸重的運動部件已不成問題。同步雙驅動控制技術已成熟應用。這些都說明直線電機及其驅動控制技術在機床上的應用已經成熟，并在不斷向前發展，會給人們帶來更多的驚喜。此外，在國際上已有不同類型、不同規格的直線電機商品可提供，配套的驅動控制系統、檢測裝置及高速導軌、高速防護也都有相應產品供貨。 
成本不斷下降，性能價格比更好 

    近年來，直線電機系統成本不斷下降，在機床成本中的比重明顯下降。DMG公司的DMC64V linear加工中心 (X軸采用直線電機驅動)，國內報價僅61.4萬元人民幣。但目前采用直線電機驅動仍比傳統的傳動裝置價格要高。因此，直線電機的應用應著眼于高性能機床，特別是精密高速加工機床、特種加工機床、大型機床，解決傳統傳動方法不能解決的問題。另外，提高加工精度和加工效率也會提升機床的價值。例如，美國Gincin－nati公司的HYPCR MACH高速加工中心，X軸長達46m，采用直線電機驅動后，加工大型薄壁飛機零件，用傳統方法加工一件要8小時，而用該機床只需30分鐘。DMG公司介紹其采用直線電機驅動的DMC、CTX、GMC、GMX系列產品生產效率可提高20%。據意大利JOBS公司介紹，該公司生產的LinX系列產品保證了龍門加工中心在長距離移動上的超高性能[4]，最大程度減少軸轉換操作的無效時間，其德國用戶采用LinX龍門加工中心(三軸均為直線電機驅動)加工模具，由于無效時間大為縮短等因素，加工效率比未采用直線電機的同類機床效率提高40%，而且由于傳動部件無磨損，使用更可靠，運行費用更低。JOBS在生產LinX產品時采用直線電機的成本只增加百分之幾，但由于性能提高，售價可增加15%～20%，機床利潤率明顯增加。 

    產業化趨勢明顯 

    直線電機在機床上的應用已不是樣品，不是個例。近幾年已在幾十家著名企業的幾十類產品上推廣應用。據有關資料介紹，1997年直線電機驅動的機床銷售量已達300臺。2001年，德國DMG公司已在28種機型上采用直線電機，年產量達1500臺(約3000多根直線電機驅動軸)，占其總產量的1/3。意大利JOBS公司自1999年開發出LinX直線電機驅動的龍門加工中心后，2003年該公司LinX系列產品已占全公司總產量的60%(年產50臺大型龍門加工中心和龍門銑床)，并成為公司的主要利潤來源。有專家預測，2005年直線電機驅動的機床將達到3000臺，到2010年世界上將有20％的數控機床采用直線電機進給驅動，而這些機床都是高檔機床，因此其產業化前景是不言而喻的。

    六、建議

    我國在直線電機及驅動控制技術的研發、應用與世界水平相差甚遠，至少有十年的差距。無論產品的性能、品種，還是在機床上的應用僅處于起步階段，甚至大量是空白。如果我們不能抓住當前宏觀經濟形勢大好，市場需求旺盛的機遇，在“十一五”期間加大投入，在直線電機及其驅動控制技術的開發與應用上奮起直追，我國的高檔數控機床會更加落后，這將不利于我國的國家安全和產業安全。為此，建議在“十一五”規劃中對直線電機及其驅動控制技術的開發與應用予以充分考慮。 

    在機床基礎技術和關鍵技術研究中，研究直接傳動技術應用 

    1)直線電機驅動的直線運動部件和力矩電機驅動的旋轉部件的設計研究；2)高速、高加速度運動下機床剛性及抗沖擊結構設計；3)吸振、抗振、隔熱材料的應用(如聚合物混凝土)；4)輕型材料(如碳素纖維)在運動部件中的應用；5)直線電機的安裝工藝及防護；6)控制系統、直線電機驅動系統與機械部件的匹配及合理配置，運動部件的加速度、速度調整及運動特性的優化。 

    開發應用直線電機驅動的高檔數控機床 

    在基礎技術和關鍵技術研究基礎上，開發應用直線電機驅動控制的高檔數控機床及工藝裝備，以滿足高速精密復合加工的需求。鼓勵機床企業將這類機床做為自己的工作母機，在實際應用中不斷改進設計，探索加工工藝，向用戶提供展示和服務，并推向市場，逐步實現產業化。 

    以上工作為少走彎路，可完全選購國際上先進、成熟的直線電機功能部件及其控制系統，以使整機盡快達到國際同類產品水平。 
開發直線電機產品及相關技術 

    在數控技術及關鍵功能部件中，開發直線電機產品(包括相應的驅動系統)。數控技術中應開發與直線電機驅動控制相匹配的軟件技術，例如高速及高加速條件下的伺服控制及其調整，高速、高精度的插補技術，復雜加工程序的前瞻控制能力，機床動態特性參數優化模型，故障診斷與保證功能等。同時，相應開發與高速高加速運動相配套的高速導軌、高速防護、高速位置檢測裝置等。
 
    七、結束語

    2006年即將開始“十一五”規劃，從企業到行業，從地方到中央都在制定新的規劃。就機床的發展而言，直線電機無論作為功能部件還是其相關技術在機床中的應用，都應該得到足夠重視。企業和研究部門應根據自己的客觀條件選擇相關課題開展研究，從戰略高度考慮發展直線電機及其驅動控制的機床產品，并逐步形成產業，占領高檔數控機床的重要制高點。建議行業和政府相關規劃中予以大力支持。