直线电机在数控机床中的应用及发展趋势气垫膜

直线电机在数控机床中的应用及发展趋势

直线电机在数控机床中的应用及发展趋势 2011： 一、引言数控机床正在向精密、高速、复合、智能、环保的方向发展。精密和高速加工对传动及其控制提出了更高的要求，更高的动态特性和控制精度，更高的进给速度和加速度，更低的振动噪声和更小的磨损。问题的症结在传统的传动链从作为动力源的电动机到工作部件要通过齿轮、蜗轮副，皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间传动环节，在这些环节中产生了较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损。虽然在这些方面通过不断的改进使传动性能有所提高，但问题很难从根本上解决，于是出现了“直接传动”的概念，即取消从电动机到工作部件之间的各种中间环节。随着电机及其驱动控制技术的发展，电主轴、直线电机、力矩电机的出现和技术的日益成熟，使主轴、直线和旋转坐标运动的“直接传动”概念变为现实，并日益显示其巨大的优越性。直线电机及其驱动控制技术在机床进给驱动上的应用，使机床的传动结构出现了重大变化，并使机床性能有了新的飞跃。二、直线电机进给驱动的主要优点·进给速度范围宽。可从1(1)m/s到20m/min以上，目前加工中心的快进速度已达208m/min，而传统机床快进速度<60m/min，一般为20～30m/min。·速度特性好。速度偏差可达(1)0.01%以下。·加速度大。直线电机最大加速度可达30g，目前加工中心的进给加速度已达3.24g，激光加工机的进给加速度已达5g，而·传统机床进给加速度在1g以下，一般为0.3g。·定位精度高。采用光栅闭环控制，定位精度可达0.1～0.01(1)m。应用前馈控制的直线电机驱动系统可减少跟踪误差200倍以上。由于运动部件的动态特性好，响应灵敏，加上插补控制的精细化，可实现纳米级控制。·行程不受限制。传统的丝杠传动受丝杠制造工艺限制，一般4～6m，更长的行程需要接长丝杠，无论从制造工艺还是在性能上都不理想。而采用直线电机驱动，定子可无限加长，且制造工艺简单，已有大型高速加工中心X轴长达40m以上。·结构简单、运动平稳、噪声小，运动部件摩擦小、磨损小、使用寿命长、安全可靠。三、直线电机及其驱动控制技术的进展直线电机与普通电机在原理上类似，它只是电机圆柱面的展开，其种类与传统电机相同，例如：直流直线电机，交流永磁同步直线电机，交流感应异步直线电机，步进直线电机等。作为可控制运动精度的直线伺服电机在上世纪80。有专家预测，2005年直线电机驱动的机床将达到3000台，到2010年世界上将有20％的数控机床采用直线电机进给驱动，而这些机床都是高档机床，因此其产业化前景是不言而喻的。

图3 JOBS公司LinX Design机床

六、建议我国在直线电机及驱动控制技术的研发、应用与世界水平相差甚远，至少有十年的差距。无论产品的性能、品种，还是在机床上的应用仅处于起步阶段，甚至大量是空白。如果我们不能抓住当前宏观经济形势大好，市场需求旺盛的机遇，在“十一五”期间加大投入，在直线电机及其驱动控制技术的开发与应用上奋起直追，我国的高档数控机床会更加落后，这将不利于我国的国家安全和产业安全。为此，建议在“十一五”规划中对直线电机及其驱动控制技术的开发与应用予以充分考虑。1) 在机床基础技术和关键技术研究中，研究直接传动技术应用1)直线电机驱动的直线运动部件和力矩电机驱动的旋转部件的设计研究；2)高速、高加速度运动下机床刚性及抗冲击结构设计；3)吸振、抗振、隔热材料的应用(如聚合物混凝土)；4)轻型材料(如碳素纤维)在运动部件中的应用；5)直线电机的安装工艺及防护；6)控制系统、直线电机驱动系统与机械部件的匹配及合理配置，运动部件的加速度、速度调整及运动特性的优化。2) 开发应用直线电机驱动的高档数控机床在基础技术和关键技术研究基础上，开发应用直线电机驱动控制的高档数控机床及工艺装备，以满足高速精密复合加工的需求。鼓励机床企业将这类机床做为自己的工作母机，在实际应用中不断改进设计，探索加工工艺，向用户提供展示和服务，并推向市场，逐步实现产业化。以上工作为少走弯路，可完全选购国际上先进、成熟的直线电机功能部件及其控制系统，以使整机尽快达到国际同类产品水平。3) 开发直线电机产品及相关技术在数控技术及关键功能部件中，开发直线电机产品(包括相应的驱动系统)。数控技术中应开发与直线电机驱动控制相匹配的软件技术，例如高速及高加速条件下的伺服控制及其调整，高速、高精度的插补技术，复杂加工程序的前瞻控制能力，机床动态特性参数优化模型，故障诊断与保证功能等。同时，相应开发与高速高加速运动相配套的高速导轨、高速防护、高速位置检测装置等。七、结束语2006年即将开始“十一五”规划，从企业到行业，从地方到中央都在制定新的规划。就机床的发展而言，直线电机无论作为功能部件还是其相关技术在机床中的应用，都应该得到足够重视。企业和研究部门应根据自己的客观条件选择相关课题开展研究，从战略高度考虑发展直线电机及其驱动控制的机床产品，并逐步形成产业，占领高档数控机床的重要制高点。建议行业和政府相关规划中予以大力支持。(end)

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