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沈陽(yáng)工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
直線(xiàn)電機(jī)在龍門(mén)加工中心Y軸驅(qū)動(dòng)上的應(yīng)用
學(xué)生姓名： 白曉東
學(xué) 號(hào)： 12101825
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師： 徐兆成
沈陽(yáng)工學(xué)院
2016年5月
摘 要
隨著現(xiàn)代航空航天、模具加工、汽車(chē)制造、電子制造行業(yè)等領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品加工效率和精度的要求越來(lái)越高,而高速數(shù)控機(jī)床能夠滿(mǎn)足這一需求。機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)是高速機(jī)床的主要功能部件。而直線(xiàn)電機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)滾珠絲杠傳動(dòng)方式中存在的彈性變形大、存在一定反向間隙、響應(yīng)速度慢、易磨損等一些難以避免的缺點(diǎn),同時(shí)具有速度高、定位精度高、加速度大、行程長(zhǎng)度不受限制等一些優(yōu)點(diǎn),使其在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)領(lǐng)域漸漸發(fā)展為主導(dǎo)方向。
近些年，有越來(lái)越多企業(yè)開(kāi)始在數(shù)控機(jī)床上采用直線(xiàn)電機(jī)，究其根本原因是：為了提高生產(chǎn)效率和改善零件的加工質(zhì)量而發(fā)展的高速以及超高速加工方式現(xiàn)已成為機(jī)床發(fā)展的一個(gè)重大趨勢(shì)，一個(gè)響應(yīng)快、輕便的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是解決此問(wèn)題的關(guān)鍵所在。直線(xiàn)電機(jī)，其速度最高能達(dá)到傳統(tǒng)傳動(dòng)方式“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”的10～30倍，加速度最高是傳統(tǒng)傳動(dòng)方式的10倍，剛度提高了7倍左右。直線(xiàn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給軸無(wú)反向間隙，而且電機(jī)慣量較小，所以直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠達(dá)到較高的響應(yīng)頻率。現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了大推力直線(xiàn)電機(jī)，所以在重型龍門(mén)機(jī)床上采用直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)噸重的運(yùn)動(dòng)部件也已不成問(wèn)題，直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)將是未來(lái)數(shù)控機(jī)床發(fā)展的方向。
關(guān)鍵詞：直線(xiàn)電機(jī)；數(shù)控機(jī)床；進(jìn)給系統(tǒng)；高精度
Abstract
With modern aerospace, would processing, automobile manufacturing, electronic manufacturing industry in areas such as more and more high to the requirement of product processing precision and efficiency, and high speed CNC machine can satisfy this requirement. Machine tool feed system is the main function of high speed machine tool parts. And linear motor feed system completely changed the traditional way of ball screw transmission of large elastic deformation, slow response speed and reverse clearance, easy to wear, are inevitable shortcomings, such as with high velocity, high acceleration, high positioning accuracy, the advantages of stroke length is not restricted, make its gradual development in the field of nc machine tool high-speed feed system as the leading direction.
In recent years, more and more enterprises in the linear motor is used on nc machine tools, its basic reason is: in order to improve production efficiency and the improvement of the machining quality of parts and the development of high speed and ultra-high speed machining has become a major trend in the development of machine tool, a responsive, high speed, light drive system is the key to solve this problem. Linear motor, its highest speed is the traditional transmission mode "rotary motor and ball screw" 10 ~ 30 times, maximum acceleration was 10 times higher than the traditional transmission mode, stiffness increased 7 times; Linear motor direct drive feed shaft without reverse clearance; Since the motor inertia small, composed of the linear motor drive system can achieve high frequency response; Now there have been great thrust linear motor, so on the heavy gantry machine driven by linear motor has tons of moving parts is not a problem, technology driven by linear TV will be the developing direction of high speed nc machine tools in the future.
Keywords: linear motor; CNC machine tools; Feed system; High precision
Ⅱ
目 錄
摘 要 I
Abstract II
1 緒論 1
2 直線(xiàn)電機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2
2.1 直線(xiàn)電機(jī)的發(fā)展歷史 2
2.2 直線(xiàn)電機(jī)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 3
2.2.1 國(guó)外直線(xiàn)電機(jī)的研究現(xiàn)狀 3
2.2.2 國(guó)內(nèi)直線(xiàn)電機(jī)的研究現(xiàn)狀 5
2.3 直線(xiàn)電機(jī)的發(fā)展方向和前景 5
2.3.1 直線(xiàn)電機(jī)的發(fā)展方向 5
2.3.2 直線(xiàn)電機(jī)的前景 6
3 直線(xiàn)電機(jī)的工作原理 7
3.1 直線(xiàn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和分類(lèi) 7
3.1.1 直線(xiàn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 7
3.1.2 直線(xiàn)電機(jī)的分類(lèi) 8
3.2 直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 10
3.3 直線(xiàn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn) 12
4 直線(xiàn)電機(jī)在龍門(mén)加工中心Y軸驅(qū)動(dòng)上的應(yīng)用 14
4.1 直線(xiàn)電機(jī)的選型計(jì)算 14
4.2 直線(xiàn)電機(jī)的安裝方式 15
4.3 直線(xiàn)電機(jī)的測(cè)量反饋 15
4.4 直線(xiàn)電機(jī)的緊急制動(dòng)控制 16
4.5 直線(xiàn)電機(jī)冷卻控制設(shè)計(jì) 16
4.6 西門(mén)子840D系統(tǒng)中直線(xiàn)電機(jī)的調(diào)試 17
結(jié)論 19
致謝 20
參考文獻(xiàn) 21
Ⅲ
1 緒論
在常規(guī)的機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，仍一直采用“旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠"的傳動(dòng)體系。隨著近幾年超高速加工技術(shù)的發(fā)展，滾珠絲杠機(jī)構(gòu)已不能滿(mǎn)足高速度和高精度的要求，直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始展示出其強(qiáng)大的生命力。本文采用永磁同步直線(xiàn)電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠”。由于永磁同步直線(xiàn)電機(jī)省去了中間傳動(dòng)和變換環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)與負(fù)載的剛性耦合，因此消除了原來(lái)中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的傳動(dòng)誤差，例如齒輪誤差，絲杠螺母誤差等，提高了傳動(dòng)精度，從根本消除了非線(xiàn)性摩擦力和彈性形變的影響，也不再有爬行現(xiàn)象，提高了定位精度和可重復(fù)性能。
近幾年以來(lái)，人們?cè)谧非蟾呱a(chǎn)效率和高產(chǎn)品質(zhì)量的過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的復(fù)雜度與集成度也同時(shí)大大提高了。隨著機(jī)電產(chǎn)品對(duì)零件精度要求的不斷提高，迫切需要高速、高精度的數(shù)控機(jī)床，大型龍門(mén)加工中心功能完善，加工精度高，能加工出微米甚至納米級(jí)的零件，但大型龍門(mén)加工中心還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要攻破，大型龍門(mén)加工中心雙直線(xiàn)電機(jī)同步控制技術(shù)和冷卻控制設(shè)計(jì)是目前龍門(mén)加工中心實(shí)現(xiàn)高速、高精度的關(guān)鍵技術(shù)。由于制造誤差、外部擾動(dòng)(包括摩擦力、模型不確定性)以及各軸增益參數(shù)不匹配等綜合因素的影響，使雙直線(xiàn)電機(jī)保持高度的一致性變得很困難，影響產(chǎn)品的加工精度。因此，同步控制及冷卻技術(shù)仍然是機(jī)床行業(yè)所面臨的重大研究課題，對(duì)振興我國(guó)的裝備制造業(yè)具有深遠(yuǎn)的意義。
2 直線(xiàn)電機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
2.1 直線(xiàn)電機(jī)的發(fā)展歷史
直線(xiàn)電機(jī)的出現(xiàn)，最早可以追溯到1840年，惠斯登（Wheatstone）已經(jīng)開(kāi)始提出并制作了具有雛形的直線(xiàn)電機(jī)，但未能取得成功。實(shí)際上，直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)幾乎是和旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)同時(shí)出現(xiàn)的，但是當(dāng)時(shí)由于直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)氣隙特別大，工作效率低，未能取得成功。旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)是依靠動(dòng)子在磁場(chǎng)中的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作來(lái)獲得動(dòng)力的，因此理論上旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)多用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域；而直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)可以直接產(chǎn)生直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)多用于直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域。但事實(shí)上大部分直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域至今仍采用旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，很少采用直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)。這是由直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)研究的不充分和其應(yīng)用的局限性造成的。而這又反過(guò)來(lái)導(dǎo)致直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的研究難以開(kāi)展和發(fā)展緩慢。很多領(lǐng)域都是避開(kāi)直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)而繞行，試圖通過(guò)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，以此來(lái)解決問(wèn)題。盡管直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)不需要中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)就可獲得直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在很多方面比旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)有優(yōu)勢(shì)，但直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展一直非常緩慢。直到 1965 年以后，隨著材料性能和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)才得到快速發(fā)展，其實(shí)用機(jī)械才開(kāi)始出現(xiàn)。例如：自動(dòng)繪圖儀，磁頭定位驅(qū)動(dòng)裝置等。直線(xiàn)電機(jī)從最早提出到現(xiàn)在已經(jīng)有170年的歷史，在這一百多年的歷史過(guò)程中，直線(xiàn)電機(jī)經(jīng)歷了探索實(shí)驗(yàn)、開(kāi)發(fā)應(yīng)用和實(shí)用商品化三個(gè)階段[1]。
1、探索實(shí)驗(yàn)階段（1840-1955）
在這一段歷史發(fā)展中，直線(xiàn)電機(jī)從最初的設(shè)想到實(shí)驗(yàn)及部分實(shí)驗(yàn)成果的應(yīng)用，經(jīng)歷了一個(gè)不斷探索、屢遭失敗的過(guò)程。自惠斯登最先提出并試制直線(xiàn)電機(jī)之后，1890年匹茲堡市市長(zhǎng)在自己寫(xiě)的一篇文章中明確地提出了直線(xiàn)電機(jī)及其專(zhuān)利。當(dāng)時(shí)這個(gè)專(zhuān)利是想把直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用到織布機(jī)的梭子上，這個(gè)想法也激起了很多科學(xué)家的興趣，因此在這之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，許多科學(xué)家在這方面投入了很多精力，做出了很大努力。但是，由于當(dāng)時(shí)材料性能、制造水平及控制技術(shù)的限制，經(jīng)過(guò)斷斷續(xù)續(xù) 20 多年的努力后都未取得成功。
2、開(kāi)發(fā)應(yīng)用階段（1956-1970 年）
從 1955 年以來(lái)，直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入了一個(gè)全面發(fā)展的階段，這個(gè)時(shí)期也可以說(shuō)成是直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的“文藝復(fù)興時(shí)期”。而這個(gè)時(shí)期材料性能和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，大大促進(jìn)了直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的這種發(fā)展勢(shì)頭。這個(gè)歷史階段申請(qǐng)直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)專(zhuān)利的件數(shù)急速增加，直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)專(zhuān)利的增長(zhǎng)率超過(guò)了所有其他技術(shù)領(lǐng)域的平均增長(zhǎng)率。這種增長(zhǎng)主要?dú)w結(jié)于兩個(gè)方面：一是材料性能和控制技術(shù)的顯著提高促進(jìn)；二是前一階段的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)研究工作中的技術(shù)積累起到了重要的作用。直到1965年之后，隨著材料性能和控制技術(shù)的明顯提高，直線(xiàn)電機(jī)的實(shí)用設(shè)備才逐步被開(kāi)發(fā)出來(lái)。
3、實(shí)用商品階段（1971 至今）
從1971年到目前這個(gè)階段，直線(xiàn)電機(jī)終于進(jìn)入了獨(dú)立應(yīng)用階段，在這期間，直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)迅速推廣到了實(shí)際應(yīng)用中，研制出許多實(shí)用價(jià)值很高的裝置和產(chǎn)品，如直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的沖壓機(jī)、起重機(jī)、電動(dòng)門(mén)和輸送機(jī)等。其中最成功的應(yīng)當(dāng)是利用直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的磁懸浮列車(chē)，其速度已經(jīng)超過(guò)了500km/h，行程達(dá)到數(shù)十萬(wàn)千米，接近航空飛行速度。在這個(gè)時(shí)期，研究人員通過(guò)對(duì)直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)整個(gè)發(fā)展過(guò)程的分析總結(jié)，決定在旋轉(zhuǎn)電機(jī)無(wú)能為力的領(lǐng)域?qū)ふ页雎?，找到適合自己發(fā)展的系統(tǒng)，而不是與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)直接對(duì)抗。直線(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)橫向發(fā)展，出現(xiàn)了磁懸浮列車(chē)、液態(tài)金屬的輸送與攪拌、電磁泵、計(jì)算機(jī)磁盤(pán)定位機(jī)構(gòu)等應(yīng)用。
2.2 直線(xiàn)電機(jī)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
2.2.1 國(guó)外直線(xiàn)電機(jī)的研究現(xiàn)狀
在國(guó)外,一些高校和研究機(jī)構(gòu)從很早就開(kāi)始進(jìn)行直線(xiàn)電機(jī)方面的研究，有些發(fā)達(dá)國(guó)家的大學(xué)里都專(zhuān)門(mén)開(kāi)這方面的課程，并設(shè)有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室。近些年隨著直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的迅速發(fā)展，一些著名的電器公司專(zhuān)門(mén)成立研究機(jī)構(gòu)，投入大量的人力物力財(cái)力到直線(xiàn)電機(jī)的研究當(dāng)中，開(kāi)發(fā)直線(xiàn)電機(jī)的實(shí)用產(chǎn)品，美國(guó)西屋（Westinghouse）公司、德國(guó)西門(mén)子（SIEMENS）公司和日本松下、富士等都是典型的例子。
美國(guó)西屋（Westinghouse）公司在1945年就成功地研制出電力牽引飛機(jī)彈射器，用其動(dòng)力來(lái)源就是直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)，它能使重量為4500多千克的飛機(jī)在4秒的時(shí)間內(nèi)速度由零達(dá)到188千米/小時(shí)，而這整個(gè)行程也僅有160多米。
1993年，德國(guó)ZxCell-O公司推出了世界上第一個(gè)由直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)HSC-240 型高速加工中心，機(jī)床主軸最高速達(dá)到 24000r/min，最大進(jìn)給速度為60m/min，加速度達(dá)到1g，當(dāng)進(jìn)給速度為20m/min 時(shí)，其輪廓精度可達(dá)0.004mm。美國(guó)的Ingersoll公司緊接著推出了HVM-800型高速加工中心，主軸最高轉(zhuǎn)速為20000r/min，最大進(jìn)給速度為 75.20m/min[2]。
日本緊隨其后從1996年開(kāi)始，相繼研制成功采用直線(xiàn)電機(jī)的臥式加工中心、高速機(jī)床、超高速小型加工中心、超精密鏡面加工機(jī)床和高速成形機(jī)床等。
在國(guó)外一些國(guó)家，直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)在機(jī)床、交通、物料輸送、建筑、辦公設(shè)備和醫(yī)療器械等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用。
在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)之間的機(jī)械中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零。這種傳動(dòng)方式被稱(chēng)為“零傳動(dòng)”。正由于這種“零傳動(dòng)”方式，帶來(lái)了原旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。
在交通運(yùn)輸方面，磁懸浮列車(chē)改變了常規(guī)輪軌鐵路的運(yùn)營(yíng)方式，采用電磁力懸浮車(chē)體、直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)接觸、不帶燃料的高速運(yùn)行，是交通技術(shù)史上的一次重大突破。它具有速度高、運(yùn)量大、對(duì)環(huán)境影響小、能耗低、維護(hù)方便、運(yùn)行安全平穩(wěn)和爬坡能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。德國(guó)和日本是研究磁懸浮列車(chē)時(shí)間最長(zhǎng)、投放經(jīng)費(fèi)最多的國(guó)家，其技術(shù)水平處于世界前列。
直線(xiàn)電機(jī)在各種物料輸送和搬運(yùn)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。直線(xiàn)電機(jī)在垂直輸送方面有直線(xiàn)電機(jī)電梯、升降機(jī)；在平面輸送方面有直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的郵政分揀輸送線(xiàn)、行李分揀輸送線(xiàn)、鋼材生產(chǎn)輸送線(xiàn)、食品加工線(xiàn)、制藥生產(chǎn)線(xiàn)等各種工業(yè)加工線(xiàn)、商場(chǎng)、醫(yī)院等場(chǎng)合的物料輸送及立體倉(cāng)庫(kù)的搬運(yùn)。如日本神鋼公司開(kāi)發(fā)的采用直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的立體搬運(yùn)系統(tǒng)，充分利用空間，既能水平行走，又能升降移動(dòng)。
在民用與建筑業(yè)方面，直線(xiàn)電機(jī)也得到廣泛應(yīng)用，如居住條件最基本的單元門(mén)，人們希望它安全、可靠、堅(jiān)固、耐用、簡(jiǎn)單方便。直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)門(mén)正是迎合了這種要求，它可以應(yīng)用于千家萬(wàn)戶(hù)，更可以應(yīng)用于工廠企業(yè)、機(jī)關(guān)單位等，市場(chǎng)前景看好。還有用直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的洗衣機(jī)、干燥機(jī)、晾衣架、電動(dòng)工具、搬手、擰緊裝置等。
在計(jì)算機(jī)設(shè)備和辦公設(shè)備中直線(xiàn)電機(jī)也得到廣泛應(yīng)用。如日本先鋒電子公司將直線(xiàn)電機(jī)的應(yīng)用到電唱機(jī)等產(chǎn)品上；IBM公司的打印機(jī)和X-Y平面儀均采用直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；美國(guó)奧基電氣公司在計(jì)算機(jī)軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)方面也采用直線(xiàn)電機(jī)等。
在軍事領(lǐng)域，目前國(guó)外己把直線(xiàn)電機(jī)應(yīng)用到電磁炮、潛艇、軍用仿真設(shè)施中，在衛(wèi)星和宇宙飛船上也采用了一些直線(xiàn)電機(jī)。美國(guó)在 1978 年即成立了有關(guān)電磁發(fā)射技術(shù)研究機(jī)構(gòu)，主要研究電磁發(fā)射技術(shù)在運(yùn)輸、航空航天、能源和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，并逐年增加經(jīng)費(fèi)；英國(guó)的國(guó)家計(jì)劃中，所有電磁發(fā)射技術(shù)的研究都是以軍事應(yīng)用為目的，并建造了兩臺(tái)口徑分別為40mm和90mm的導(dǎo)軌型實(shí)驗(yàn)裝置 [2]。
在醫(yī)療器械領(lǐng)域也出現(xiàn)了許多直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如：直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的人工心臟、盲人觸覺(jué)模擬器以及在電療、磁療按摩捶擊等相關(guān)方面也應(yīng)用了直線(xiàn)電機(jī)。如日本由山田等開(kāi)發(fā)的作為人造心臟驅(qū)動(dòng)器的脈沖直線(xiàn)電機(jī)（LPM），其重量不足1Kg，體積不足
100mL，該LPM的磁束貫通上下定子，勵(lì)磁方式為2相16極型。其推力/功率之比為22.2 N/W，推力/體積之比為l.1N/mL，推力/質(zhì)量之比為0.1N/g[3]。
2.2.2 國(guó)內(nèi)直線(xiàn)電機(jī)的研究現(xiàn)狀
我國(guó)直線(xiàn)電機(jī)的研究和發(fā)展比較晚，始于上世紀(jì)70年代初。1972年，浙江大學(xué)在國(guó)內(nèi)首先翻譯了一本《直線(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)》譯文集，這是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)唯一的一本有關(guān)直線(xiàn)電機(jī)的中文書(shū)籍。隨后，上海工大、上海電機(jī)廠、中科院電工所等又編譯了一些直線(xiàn)電機(jī)的書(shū)籍并出版。近幾年來(lái)，浙江大學(xué)又連續(xù)出版了3本直線(xiàn)電機(jī)著作。國(guó)內(nèi)開(kāi)展直線(xiàn)電機(jī)應(yīng)用研究的單位主要有：中科院電工所、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、上海大學(xué)、太原工業(yè)大學(xué)、焦作礦業(yè)學(xué)院等。主要的研究成果有工廠橋式起重機(jī)、電磁錘、沖壓機(jī)、摩擦壓力機(jī)、磁分選機(jī)、玻璃攪拌、拉伸機(jī)、送料機(jī)、郵政分揀機(jī)、礦山運(yùn)輸系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)磁盤(pán)定位系統(tǒng)、自動(dòng)繪圖儀、直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)門(mén)、炒茶機(jī)等，在磁懸浮列車(chē)的研究和開(kāi)發(fā)方面也取得了重大進(jìn)展，并率先進(jìn)入實(shí)用化階段。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)直線(xiàn)電機(jī)及其系統(tǒng)產(chǎn)品的廠家很少，其中最大的是哈爾濱泰富科技實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，該公司依托浙江大學(xué)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并與中國(guó)電工學(xué)會(huì)直線(xiàn)電機(jī)專(zhuān)委會(huì)以及英、美、日等國(guó)緊密合作，從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造到檢測(cè)試驗(yàn)均已初具規(guī)模，已具備了生產(chǎn)多品種規(guī)格的直線(xiàn)電機(jī)及其系統(tǒng)產(chǎn)品的能力，在國(guó)內(nèi)已有較大影響力[2]。
我國(guó)直線(xiàn)電機(jī)的研究工作雖然也取得了一些成績(jī)，但與國(guó)外相比起來(lái)，在實(shí)際應(yīng)用和推廣方面還存在很大的差距。國(guó)內(nèi)不少研究單位也越來(lái)越注意到這點(diǎn)，浙江大學(xué)就已經(jīng)專(zhuān)門(mén)成立了全國(guó)首家直線(xiàn)電機(jī)研究所，并已取得了許多成果，其中不少已在社會(huì)上推廣應(yīng)用，取得了可喜的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。例如：浙江大學(xué)研制了一種由直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的沖壓機(jī)；浙江大學(xué)生產(chǎn)工程研究所設(shè)計(jì)了用圓筒型直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)；清華大學(xué)1989年就研制出一臺(tái)經(jīng)濟(jì)型中凸變橢圓活塞數(shù)控加工機(jī)床，1994年又開(kāi)發(fā)出中凸變橢圓活塞數(shù)控車(chē)削系統(tǒng)；2001年南京四開(kāi)公司推出了自行開(kāi)發(fā)的采用直線(xiàn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的數(shù)控直線(xiàn)電機(jī)車(chē)床；2003年第8屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，北京電院高技術(shù)股份公司展出其生產(chǎn)的VS1250直線(xiàn)電機(jī)取得的加工中心，該機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)15000r/min [3]。
2.3 直線(xiàn)電機(jī)的發(fā)展方向和前景
2.3.1 直線(xiàn)電機(jī)的發(fā)展方向
隨著直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的飛速發(fā)展，世界上一些發(fā)達(dá)國(guó)家越來(lái)越重視對(duì)直線(xiàn)電機(jī)的研究與開(kāi)發(fā)，由于其眾多的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展很快，目前已經(jīng)呈現(xiàn)以下幾個(gè)方向發(fā)展 [3]：
新原理直線(xiàn)電機(jī)不斷出現(xiàn)：如日本古河電氣公司研制的超導(dǎo)直線(xiàn)電機(jī)，美國(guó)帕特魯瑪機(jī)電公司研制的微步距直線(xiàn)電機(jī)，日本電氣公司研制的壓電驅(qū)動(dòng)式直線(xiàn)電機(jī)，日本東京新生工業(yè)公司研制的超聲波直線(xiàn)電機(jī)，還有國(guó)外近年開(kāi)始研究用薄膜材料作電機(jī)的定子、動(dòng)子基片制作薄膜直線(xiàn)電機(jī)等。
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上向功能部件方向發(fā)展：直線(xiàn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)注重模塊化、規(guī)格化和系列化從而形成功能部件。除電機(jī)主體外，應(yīng)在防塵、防切屑、冷卻、防磁和安全保護(hù)等方面進(jìn)行研究，形成完整的直線(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)，且易于安裝和調(diào)整。
在技術(shù)性能上向高精度方向發(fā)展：直線(xiàn)電機(jī)在技術(shù)性能上應(yīng)提高動(dòng)態(tài)性能和剛度，減少端部效應(yīng)、齒槽效應(yīng)等所造成的推力波動(dòng)，通過(guò)磁路設(shè)計(jì)達(dá)到推力和推力波動(dòng)的要求，提高速度和加速度以適應(yīng)高速和超高速切削的要求。精度方面要提高定位精度和重復(fù)定位精度。
在控制技術(shù)上向數(shù)字化方向發(fā)展：直線(xiàn)電機(jī)實(shí)際上是一個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)伺服單元，控制系統(tǒng)是其不可分割的部分。直線(xiàn)電機(jī)與數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的結(jié)合，更使直線(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的綜合性能發(fā)生了根本性的變化。直線(xiàn)電機(jī)還處于開(kāi)發(fā)和研究中，在性能測(cè)試和質(zhì)量檢測(cè)方面尚有大量工作要做。
直線(xiàn)電機(jī)生產(chǎn)的商品化：應(yīng)該加強(qiáng)各專(zhuān)業(yè)，企、研、學(xué)之間的緊密合作，充分發(fā)揮個(gè)體、集體戰(zhàn)斗作用，加強(qiáng)直線(xiàn)電機(jī)的研究、開(kāi)發(fā)、推廣和應(yīng)用，盡快將科研、攻關(guān)成果轉(zhuǎn)化為商品。
2.3.2 直線(xiàn)電機(jī)的前景
直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、慣性小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、速度和加速度大、精確度高、振動(dòng)和噪聲小等優(yōu)點(diǎn),因此可以大大提高進(jìn)給系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力和控制精度，是各類(lèi)超高速精密機(jī)床的理想傳動(dòng)方式，世界各國(guó)工業(yè)化企業(yè)都在加緊研制開(kāi)發(fā)新的直線(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)，以期通過(guò)新技術(shù)，占領(lǐng)更多的市場(chǎng)份額。因此，直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在各類(lèi)高速、精密加工設(shè)備上具有廣闊的應(yīng)用前景。
隨著其技術(shù)的完善，各類(lèi)直線(xiàn)電機(jī)應(yīng)用得到了迅速的推廣，制成了許多具有實(shí)用價(jià)值的裝置和產(chǎn)品，它的應(yīng)用已不是樣品，不是個(gè)例，而是已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，進(jìn)入了獨(dú)立的應(yīng)用時(shí)代，直線(xiàn)電機(jī)已經(jīng)逐漸呈產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)。
3 直線(xiàn)電機(jī)的工作原理
3.1 直線(xiàn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和分類(lèi)
3.1.1 直線(xiàn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
直線(xiàn)電機(jī)不需要任何中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)就可以將電能直接轉(zhuǎn)換成作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。直線(xiàn)電機(jī)結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，它可以看作是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的一種轉(zhuǎn)化，旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開(kāi)，并展成平面而成，如圖 3.1所示。
圖3.1 直線(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)變過(guò)程
由原來(lái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子部分轉(zhuǎn)變過(guò)來(lái)的一側(cè)稱(chēng)為直線(xiàn)電機(jī)的初級(jí)，而由轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)變而來(lái)的一側(cè)稱(chēng)為次級(jí)。直線(xiàn)電機(jī)工作的過(guò)程中，初級(jí)與次級(jí)之間做相對(duì)平移運(yùn)動(dòng)，如果初級(jí)和次級(jí)在平移開(kāi)始時(shí)正好對(duì)齊，那么運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，初級(jí)與次級(jí)互相重合的部分就會(huì)越來(lái)越少，最終導(dǎo)致直線(xiàn)電機(jī)不能正常運(yùn)動(dòng)。因此在實(shí)際應(yīng)用中，初級(jí)和次級(jí)往往被制造成不同的長(zhǎng)度，這樣才能保證在一定的行程范圍內(nèi)兩者之間的耦合保持不變。直線(xiàn)電機(jī)可以制造成初級(jí)短次級(jí)長(zhǎng)，也可以是初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)短。但是考慮到兩種方法的制造成本和工作過(guò)程的費(fèi)用，目前一般制造為短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)。
如果僅在直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的一邊安放初級(jí)，則這種結(jié)構(gòu)型式直線(xiàn)電機(jī)稱(chēng)為單邊型直線(xiàn)電機(jī)；如果在直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的兩邊都安放初級(jí)，則成為雙邊型直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)（如圖3.2所示)。單邊型直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的初級(jí)與次級(jí)之間存在一個(gè)很大的法向吸力,大多數(shù)場(chǎng)合下這種法向吸力是不希望存在的，而雙邊型直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的法向吸力就可以相互抵消，單邊型和雙邊型直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)又統(tǒng)稱(chēng)為扁平型直線(xiàn)電機(jī)，是目前應(yīng)用最廣泛的一種。除了這種結(jié)構(gòu)型式外還有圓筒型、圓弧型和圓盤(pán)型結(jié)構(gòu)的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)。
圖3.2 雙邊型直線(xiàn)電機(jī)
3.1.2 直線(xiàn)電機(jī)的分類(lèi)
直線(xiàn)電機(jī)的分類(lèi)有很多種方式，如：按結(jié)構(gòu)型式、功能用途或工作原理分類(lèi)，不同的場(chǎng)合下分類(lèi)方式也有所不同。直線(xiàn)電機(jī)按結(jié)構(gòu)型式主要分為：扁平型、圓筒型、圓弧型和圓盤(pán)型（如圖3.3，3.4，3.5）；按功能用途主要分為：力電機(jī)、功電機(jī)和能電機(jī)；按工作原理主要分為直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)和直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器，直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)包括交流直線(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(Linear Induction Motors—LIM)、交流直線(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)(Linear Synchronous Motors—LSM)、直線(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)(Linear DC Motors—LDM)、直線(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(Linear Stepper(Pulse) Motors—LPM)和混合式直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)(Linear Hybrid Motors—LHM)。直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器包括直線(xiàn)振蕩電動(dòng)機(jī)（Linear Oscillating Motors—LOM)、直線(xiàn)電磁螺線(xiàn)管電動(dòng)機(jī)(Linear Electric Solenoi—LES)、直線(xiàn)電磁泵(Linear Electromagnetic Pump—LUM)、直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)(Linear Ultrasonic Motors—LUM)等[4]。
(a)旋轉(zhuǎn)電機(jī) （b）扁平型單邊直線(xiàn)電機(jī) （c）圓筒型直線(xiàn)電機(jī)
圖3.3 旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變成圓筒型直線(xiàn)電機(jī)的過(guò)程
圖3.4 圓弧型直線(xiàn)電機(jī)
圖3.5 圓盤(pán)型直線(xiàn)電機(jī)
3.2 直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的工作原理
直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相似。將圖3.6所示的旋轉(zhuǎn)電機(jī)在頂上沿徑向剖開(kāi)，并將圓周拉直，就成了圖3.7所示的直線(xiàn)電機(jī)。在直線(xiàn)電機(jī)的三相繞組中通入三相對(duì)稱(chēng)正弦電流后，會(huì)產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。在不考慮鐵心兩端開(kāi)端引起的縱向邊端效應(yīng)時(shí)，氣隙磁場(chǎng)可看成是沿展開(kāi)直線(xiàn)方向呈正弦形分布，當(dāng)三相電流隨時(shí)間變化時(shí)，氣隙磁場(chǎng)也將沿直線(xiàn)移動(dòng)。直線(xiàn)電機(jī)的磁場(chǎng)是平行移動(dòng)的，因此被稱(chēng)為行波磁場(chǎng)。行波磁場(chǎng)的平移速度與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子內(nèi)圓表面的線(xiàn)速度是相等的，為（m/s）,也稱(chēng)為同步速度：
=2τ (3.1)
式中 τ--極距(m)； --電源頻率(Hz)。
1-定子 2-轉(zhuǎn)子 3-磁場(chǎng)方向
圖3.6 旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基本工作原理
1-初級(jí) 2-次級(jí) 3-行波磁場(chǎng)
圖3.7 直線(xiàn)電機(jī)基本工作原理
次級(jí)導(dǎo)條在行波磁場(chǎng)的作用下，將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流，導(dǎo)條的電流和氣隙磁場(chǎng)相互作用就產(chǎn)生電磁推力。在這個(gè)電磁推力的作用下，如果初級(jí)固定不動(dòng)，則次級(jí)將沿著行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng) [2] 。次級(jí)平移的速度用v表示，轉(zhuǎn)差率用s表示（電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中0≤s≤1）,則有：
s=(-v)/ (3.2)
-v=s· (3.3)
v=(1-s) (3.4)
與旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，對(duì)換直線(xiàn)電機(jī)任意兩相的電源線(xiàn)后，運(yùn)動(dòng)方向也會(huì)反過(guò)來(lái)，根據(jù)這一原理，直線(xiàn)電機(jī)可做往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。
3.3 直線(xiàn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)不需要通過(guò)中間傳動(dòng)裝置就可以直接得到做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，完全實(shí)現(xiàn)了零傳動(dòng)，這相比需要復(fù)雜中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)來(lái)說(shuō)在很多方面有很大的優(yōu)勢(shì)。
1、應(yīng)用直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)作為一些機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力源時(shí)，不需要中間的傳動(dòng)裝置，因此能在很大程度上簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的能耗和機(jī)械磨損，從而提高機(jī)構(gòu)的有效利用率并降低系統(tǒng)成本。
2、直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)是直接獲得直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在氣隙磁場(chǎng)的作用下平移，所以理論上其平移或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的速度不會(huì)受到限制，而普通的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)則不同，它是由動(dòng)子的旋轉(zhuǎn)來(lái)獲得動(dòng)力的，旋轉(zhuǎn)就會(huì)受到離心力的作用，所以其旋轉(zhuǎn)的圓周速度必然會(huì)受到離心力的限制。
3、直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)是由于初級(jí)和次級(jí)之間的氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生直線(xiàn)電磁推力，初級(jí)和次級(jí)之間有一定的間隙沒(méi)有直接接觸，所以在它的驅(qū)動(dòng)裝置中，可以保證系統(tǒng)的動(dòng)子和定子之間沒(méi)有機(jī)械接觸，這樣會(huì)大大減小零部件之間的摩損，延長(zhǎng)機(jī)構(gòu)的壽命。
4、旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)絲杠、皮帶、齒條等中間傳動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化，這些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)行中，很難避免噪聲；而直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)依靠電磁力直接推動(dòng)動(dòng)子帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行，所以整個(gè)裝置或系統(tǒng)的噪聲很小或根本無(wú)噪聲，運(yùn)行環(huán)境好。
5、直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)相比旋轉(zhuǎn)電機(jī)一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，初級(jí)在纏繞上線(xiàn)圈繞組之后，可以用一些特殊材料如樹(shù)脂材料將其密封成一個(gè)整體，利用直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的這個(gè)特點(diǎn)可以將其應(yīng)用到一些特殊的環(huán)境當(dāng)中，比如一般電機(jī)不能應(yīng)用的比較潮濕的環(huán)境或者水中，超高溫或者超低溫環(huán)境和對(duì)金屬有腐蝕性或有毒的氣體當(dāng)中。
6、直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)改變繞組線(xiàn)圈中的電流大小和方向，可以讓電磁力的大小和方向相應(yīng)改變，直線(xiàn)電機(jī)工作過(guò)程中產(chǎn)生的電磁力就是推力的來(lái)源，因此直線(xiàn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)次級(jí)（動(dòng)子）的高頻率往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，并且這個(gè)頻率可以達(dá)到很高。而傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)想實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)一些中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把原來(lái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)一系列的中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)后是不可能實(shí)現(xiàn)高頻運(yùn)動(dòng)的，此外如果頻率過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)相互之間的摩擦和磨損加快，產(chǎn)生噪音，只能大大降低整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還可能出現(xiàn)意外事故。
7、直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)內(nèi)部圓形定子和動(dòng)子的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是非常簡(jiǎn)單的，而且旋轉(zhuǎn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)是封閉的，常見(jiàn)直線(xiàn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)是敞開(kāi)式的，尤其是扁平型的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)，它的初級(jí)和次級(jí)都直接在空氣中，工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量可以直接散發(fā)出去，而不需要任何輔助冷卻裝置或措施。扁平型直線(xiàn)電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)就決定了它的散熱性會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，熱負(fù)荷可以很高。
但是，直線(xiàn)電機(jī)不可能是完美無(wú)缺的，任何一種事物都有其兩面性，直線(xiàn)電機(jī)也逃脫不了這個(gè)法則，它本身也存在一些缺點(diǎn)和難以解決的問(wèn)題?，F(xiàn)在直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究還不完善，在實(shí)際應(yīng)用上還存在很多問(wèn)題，這也是現(xiàn)在越來(lái)越多的人投身于直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)研究的動(dòng)力所在。直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)現(xiàn)階段比較明顯的幾個(gè)缺點(diǎn)和不足有：
1、雖然直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)不需要繁瑣的中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)就能得到直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，但是如果僅對(duì)直線(xiàn)電機(jī)本身來(lái)說(shuō)，功率、效率和功率因數(shù)等性能參數(shù)與相同規(guī)格下的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相比較，還是明顯要低得多，在速度較小的時(shí)候體現(xiàn)的就更加明顯。但是如果從整個(gè)機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)的角度來(lái)考慮，由于直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)省去了中間的繁瑣傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此，整個(gè)機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)的效率或效率因數(shù)有時(shí)還是會(huì)比采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的高。
2、由于直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)工作的時(shí)候，電源電壓對(duì)其影響很大，如果某些環(huán)境或場(chǎng)合的電源不是特別穩(wěn)定將會(huì)直接限制直線(xiàn)電機(jī)的應(yīng)用，所以在需要應(yīng)用直線(xiàn)電機(jī)的環(huán)境或者應(yīng)用直線(xiàn)電機(jī)有優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域應(yīng)采取必要的措施來(lái)保證直線(xiàn)電機(jī)電源的穩(wěn)定性。
3、直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)由于可以直接實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，所以經(jīng)常被應(yīng)用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，近些年隨著控制技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，直線(xiàn)電機(jī)越來(lái)越多的應(yīng)用到數(shù)控加工中心中，就是結(jié)合直線(xiàn)電機(jī)自身直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和龍門(mén)加工中心的高效達(dá)到做高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)的目的。但是這其中也存在著一個(gè)問(wèn)題，如果頻率過(guò)高的話(huà)，將導(dǎo)致行程大幅減小，這也是實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)矛盾。
4 直線(xiàn)電機(jī)在龍門(mén)加工中心Y軸驅(qū)動(dòng)上的應(yīng)用
4.1 直線(xiàn)電機(jī)的選型計(jì)算
在高速龍門(mén)五軸加工中心上共有2個(gè)進(jìn)給軸應(yīng)用了直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中X軸使用4個(gè)直線(xiàn)電機(jī)，Y軸使用2個(gè)直線(xiàn)電機(jī)。如圖4.1所示。以Y軸為例簡(jiǎn)要介紹直線(xiàn)電機(jī)的選擇。Y軸的主要負(fù)載為滑枕，其質(zhì)量估算為6200kg，最大加速度要求達(dá)到5。峰值推力要求為7000N，摩擦力及其它阻力為200N。通過(guò)計(jì)算可以得到其最大加速力為15600N，故可以選擇2個(gè)西門(mén)子1FN3900-4WB00-0BA1直線(xiàn)電機(jī)來(lái)共同驅(qū)動(dòng)該軸。為了驗(yàn)證選擇電機(jī)的正確性,可以使用西門(mén)子的Sidim LM電機(jī)計(jì)算軟件，圖4.2為Sidim LM軟件得出的電機(jī)特性曲線(xiàn)，可以看到所選擇的電機(jī)完全滿(mǎn)足工作需要。同理可以計(jì)算出X軸需要使用4個(gè)1FN3900-4WB00-0BA1直線(xiàn)電機(jī)。
圖4.1 直線(xiàn)電機(jī)安裝方案
圖4.2 直線(xiàn)電機(jī)特性曲線(xiàn)
在設(shè)計(jì)或選用點(diǎn)線(xiàn)電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足以下3個(gè)要求：
≥ (3.1)
≥ (3.2)
≥ (3.3)
式中 --直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的最大速度，mm／s；
--進(jìn)給系統(tǒng)要求達(dá)到的最大速度，ram／s；
--直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的最大推力，N；
--進(jìn)給系統(tǒng)要求達(dá)到的最大推力，N；
--直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)在所要求的速度范圍內(nèi)的最小推力，N；
--進(jìn)給系統(tǒng)所要求的平均有效推力，N。
4.2 直線(xiàn)電機(jī)的安裝方式
直線(xiàn)電機(jī)是由初級(jí)(定子)和次級(jí)(動(dòng)子)兩部分組成的。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合可以選擇不同的安裝方式。在高速龍門(mén)加工中心上一共應(yīng)用了兩種直線(xiàn)電機(jī)的安裝方式。
1、多個(gè)初級(jí)使用同一個(gè)次級(jí)(如圖4.1中X軸的直線(xiàn)電機(jī)初級(jí)X1和X2共用一個(gè)次級(jí)、X3和X4共用一個(gè)次級(jí)；Y軸的直線(xiàn)電機(jī)初級(jí)Y1和Y2共用一個(gè)次級(jí))；
2、多個(gè)初級(jí)的GANTRY排列(如圖4.1中的X1、X2 和X3、X4形成的GANTRY結(jié)構(gòu))。
4.3 直線(xiàn)電機(jī)的測(cè)量反饋
直線(xiàn)電機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)可以選用3種反饋元件：封閉式帶EnDat信號(hào)的絕對(duì)式直線(xiàn)光柵、敞開(kāi)式的帶有一個(gè)參考標(biāo)記或距離編碼的增量式直線(xiàn)光柵、感應(yīng)或磁性的直線(xiàn)尺。由于本機(jī)床的X軸和Y軸的行程長(zhǎng)，故選用海德漢公司的LB382C增量式光柵尺。測(cè)量系統(tǒng)必須配套使用霍爾元件用于直線(xiàn)電機(jī)的位置測(cè)量反饋?；魻栐陌惭b必須滿(mǎn)足一定的機(jī)械尺寸。這樣直線(xiàn)電機(jī)才能正?？煽抗ぷ?。針對(duì)所使用1FN3900-4WB00-0BAl直線(xiàn)電機(jī)，其霍爾元件的安裝必須滿(mǎn)足圖4.3所示的機(jī)械尺寸要求。1FN3直線(xiàn)電機(jī)能夠?yàn)楝F(xiàn)代機(jī)械工程需求的直線(xiàn)直驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)化的調(diào)整。1FN3直線(xiàn)電機(jī)由初級(jí)和帶有稀土永磁材料的次級(jí)組成。初級(jí)的尺寸固定，次級(jí)為了適合不同行程的需求而制作成獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)模塊。初級(jí)與次級(jí)相對(duì)平行運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給推力和行程可以矩陣式選擇，規(guī)格豐富，選擇靈活。
圖4.3 適用于1 FN3900系列的霍爾元件安裝要求
4.4 直線(xiàn)電機(jī)的緊急制動(dòng)控制
由于直線(xiàn)電機(jī)沒(méi)有自鎖功能，那么當(dāng)出現(xiàn)供電、光柵、NC、總線(xiàn)等無(wú)法預(yù)料的故障情況時(shí)。要求直線(xiàn)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)快速制動(dòng)，以避免出現(xiàn)不必要的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失。在已經(jīng)安裝了機(jī)械緩沖裝置的前提條件下。還可以通過(guò)以下方法來(lái)實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)電機(jī)的有效制動(dòng)：
1、利用直流母線(xiàn)的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。這種情況下要求必須有一個(gè)可以?xún)?chǔ)存能量的電容模塊及可以消耗能量的剎車(chē)電阻。其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快、制動(dòng)快。缺點(diǎn)是如果系統(tǒng)損壞，則功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
2、短路制動(dòng)。這種方法是通過(guò)外圍接觸器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)出現(xiàn)故障后，直線(xiàn)電機(jī)的動(dòng)力供給被從驅(qū)動(dòng)端切斷，并且通過(guò)外部接觸器實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)電機(jī)供電的短接。其優(yōu)點(diǎn)是高速到低速的過(guò)程制動(dòng)快。缺點(diǎn)是制動(dòng)力取決于直線(xiàn)電機(jī)的速度，不足以完成制動(dòng)的全過(guò)程。
3、機(jī)械抱閘(液壓、氣動(dòng)或電動(dòng))。這種方法能可靠有效地實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)電機(jī)的制動(dòng)，但是響應(yīng)慢。
4、機(jī)械緩沖裝置。此種制動(dòng)方式主要是在各軸的兩端加裝緩沖裝置或能量吸收裝置，例如：ENI-DINE(美國(guó))液壓緩沖器。優(yōu)點(diǎn)：可靠有效，安裝簡(jiǎn)便；缺點(diǎn)：響應(yīng)慢。
上述4種制動(dòng)方式中，前兩種是直線(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)自帶，后兩種是在機(jī)床裝配時(shí)安裝的。但是，后兩種制動(dòng)方式在應(yīng)用直線(xiàn)電機(jī)時(shí)必須選用，以提高安全。有效地實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)電機(jī)的緊急制動(dòng)，防止意外發(fā)生。
4.5 直線(xiàn)電機(jī)冷卻控制設(shè)計(jì)
直線(xiàn)電機(jī)用在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)Y軸工作臺(tái)的進(jìn)給，結(jié)構(gòu)通常是把直線(xiàn)電機(jī)的初級(jí)與工作臺(tái)做剛性連接，以實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（如圖4.4）。直線(xiàn)電機(jī)的初、次級(jí)繞組在進(jìn)行電磁能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中產(chǎn)生的熱量將使溫度升高，直線(xiàn)電機(jī)一般位于機(jī)床的腹部，散熱條件比較差，當(dāng)采用永磁式直線(xiàn)電機(jī)時(shí)，發(fā)熱向題就更為嚴(yán)重。其結(jié)果必將造成機(jī)床導(dǎo)軌的熱變形，影響機(jī)床的工作精度；另外，發(fā)熱問(wèn)題也會(huì)影響電機(jī)本身的性能，同一型號(hào)的電機(jī)有冷卻的推力峰值可以達(dá)到無(wú)冷卻時(shí)峰值的2倍，所以必須采取強(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。合理設(shè)計(jì)電機(jī)冷卻系統(tǒng)是解決該問(wèn)題的捷徑。
圖4.4 驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的進(jìn)給
1. 液壓缸 2.過(guò)濾器 3.冷卻裝置 4.液壓泵 5.壓力繼電器 6.電液比例節(jié)流閥
7.微控制器 8.溫度傳感器 9.內(nèi)置循環(huán)管道的直線(xiàn)電機(jī)
圖4.5 冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)圖
該冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)液對(duì)直線(xiàn)電機(jī)的初級(jí)和次級(jí)導(dǎo)軌進(jìn)行控溫，此智能冷卻系統(tǒng)主要由以下結(jié)構(gòu)組成 (如圖4.5所示)：循環(huán)液壓泵，其為循環(huán)液提供原動(dòng)力。多采用變量泵，以降低成本和節(jié)能；電液比例節(jié)流閥，由其控制流量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)循環(huán)速度的調(diào)節(jié)；溫度傳感器，其安裝在直線(xiàn)電機(jī)的導(dǎo)軌附近，及時(shí)獲得導(dǎo)軌的溫度情況。并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳送給微控制器，應(yīng)用中多采用熱電偶傳感器；直線(xiàn)電機(jī)的循環(huán)管道，其以一定的纏繞方式安裝在直線(xiàn)電機(jī)內(nèi)部，循環(huán)液流過(guò)時(shí)實(shí)現(xiàn)降溫，循環(huán)液可用油或水，液壓泵和液體介質(zhì)可與機(jī)床其他部位冷卻系統(tǒng)共用，以簡(jiǎn)化機(jī)床結(jié)構(gòu)、降低制造成本。
4.6 西門(mén)子840D系統(tǒng)中直線(xiàn)電機(jī)的調(diào)試
在初級(jí)、次級(jí)和霍爾元件都安裝正確并且冷卻系統(tǒng)已正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提條件下，可進(jìn)行電氣調(diào)試。這臺(tái)高速龍門(mén)加工中心選用的系統(tǒng)為西門(mén)子840D，本文所介紹的相關(guān)內(nèi)容都是基于西門(mén)子840D系統(tǒng)所講述的。每臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的連接如圖4.6所示。
圖4.6 直線(xiàn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的連接圖
在西門(mén)子840D系統(tǒng)的電機(jī)配置過(guò)程中，直線(xiàn)電機(jī)的初始配置和普通1FT系列電機(jī)的配置過(guò)程大體上是相同的，需要特別注意的地方是：
1、 要檢查電機(jī)熱保護(hù)系統(tǒng)是否已正常工作，即SME盒的連接是否正確。如果連接正確，那么在操作界面上就可以看到電機(jī)的實(shí)際溫度。
2、 在配置系統(tǒng)參數(shù)的過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)子的粗識(shí)別過(guò)程要選擇Hall傳感器盒。
3、 為了調(diào)試安全，暫時(shí)限制電機(jī)電流。 MD1105MOTOR_MAX_CURRENT_REDUCTION要設(shè)置為20％。
4、 用于直線(xiàn)電機(jī)緊急制動(dòng)的液壓抱閘是否能夠正常工作。
5、 X軸的龍門(mén)軸設(shè)置為GANTRY軸時(shí)，需要設(shè)置如下參數(shù)：
MD19310第0位激活龍門(mén)軸功能選項(xiàng)。
MD37100 GANTRY -AXIS-TYPE。
MD37110 GANTRY-P0S-T0L-WARNING。
MD37120 GANTRY-P0S-TOL-ERR0R。
MD37130 GANTRY-P0S-TOL-REF。
MD37140 GANTRY-BREAK-UP。
6、X軸及Y軸的同步軸設(shè)置。如圖4.1所示，X1和X2、X3和X4、Y1和Y2均需要兩兩之間配置為同步軸，需設(shè)置參數(shù)如下：
MD37250 MS-ASSIGN-MASTER-T0RQUE-CTR。
MD37252 MS-ASSIGN-MASTER-SPEED-CMD。
結(jié)論
對(duì)直線(xiàn)電機(jī)在龍門(mén)加工中心Y軸驅(qū)動(dòng)上的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)介。通過(guò)直線(xiàn)電機(jī)的計(jì)算選擇、直線(xiàn)電機(jī)及其相關(guān)附件的安裝說(shuō)明、西門(mén)子840D系統(tǒng)中的直線(xiàn)電機(jī)調(diào)試等內(nèi)容。對(duì)直線(xiàn)電機(jī)的使用及注意事項(xiàng)加以總結(jié)。為直線(xiàn)電機(jī)在龍門(mén)加工中心上的應(yīng)用提供了一條捷徑。
直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)與數(shù)控機(jī)床制造的結(jié)合大大促進(jìn)了世界制造業(yè)的發(fā)展，大大提高了加工精度和加工效率。直線(xiàn)電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)是一種能把電能直接轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能, 且不需要任何中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置。它將傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯拥闹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)床的速度、加速度、剛度、動(dòng)態(tài)性能得到完全改觀。通過(guò)采用直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)使得在高速移動(dòng)中獲得高的定位精度成為現(xiàn)實(shí)，有效克服通過(guò)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí), 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)、體積大、效率低、能耗高、精度差等缺點(diǎn)。所以，直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)將是高速數(shù)控機(jī)床未來(lái)發(fā)展的方向。
由于時(shí)間及能力關(guān)系，同時(shí)，大型龍門(mén)加工中心又是重型設(shè)備，所以，本文研究的直線(xiàn)電機(jī)在龍門(mén)加工中心Y軸驅(qū)動(dòng)上的應(yīng)用暫時(shí)只是停留在理論驗(yàn)證階段，并未在具體的大型龍門(mén)加工中心運(yùn)用，實(shí)際的運(yùn)行效果還有待考證。
致謝
寫(xiě)作畢業(yè)論文是再一次系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過(guò)程，畢業(yè)論文的完成，同樣也意味著新的學(xué)習(xí)生活的開(kāi)始。在本論文的寫(xiě)作過(guò)程中，我的指導(dǎo)教師徐兆成老師傾注了大量的心血，從選題到最終定稿，老師一遍又一遍地指出每稿中的具體問(wèn)題，嚴(yán)格把關(guān)，他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。在此謹(jǐn)向徐老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。同時(shí)我還要感謝在我學(xué)習(xí)期間給我極大關(guān)心和支持的各位老師以及我的同學(xué)和朋友們。
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