直线电机在世界制造技术与装备业中的应用与发展综述

直线电机在世界制造技术与装备业中的应用与发展综述叶云岳浙江大学{310027}[e-mail]1、概述直线运动与旋转运动是世界上最主要的两种运动方式，许多直线驱动装置或系统往往都是采用旋转电动机通过中间转换装置，如链条、钢丝绳、皮带、齿条或丝杆等机构转换为直线运动。由于这些装置或系统有中间转换传动机构，所以整机机构往往较为复杂，体积较大，速度和精度不能进一步满足人们的更高要求。直线电机是一种将电能转换成直线运动机械能，而不需任何中间转换机构的传动装置，它具有结构简单，无接触运行，噪声低，速度和精确度高，控制容易，维护方便，可靠性高等优点。它是20世纪下半叶以来电工领域中具有新原理、新理论的新技术。目前，直线电机技术在各种直线驱动装置与系统中得到了越来越广泛的应用，例如高速磁浮列车、磁浮船，各种物流输送线，各种自动化设备如绘图机、打印机、复印机、扫描仪，各种民用、军用设备等，尤其在工业制造技术与装备业中，应用直线电机更为广泛和突出，特别是近年来，直线电机所具有的结构简单、无接触、高速、易控制和精度高等优点更促进了它在该领域的发展应用。在国外，直线电机在机应床业的应用甚至成了一种“热点”，而得到了人们的广泛关注。2、直线电机在国外制造装备业中的应用与发展2．1、直线电机在机床中应用的优点直线电机在国外制造装备业中的应用首先在机床设备方面，传统机床的驱动装置依赖丝杆驱动，丝杆驱动本身就具有一系列不利因素，包括：长度限制、机械背隙、磨擦、扭曲、螺距一周期误差、较长的振动衰减时间、与电机的耦合惯量以及丝杠的轴向压缩等。所有这些因素均限制了传统驱动装置的效率和精度。当设备磨损时，必须进行不断的调节以确保所·1·____________________________________________________________________________需精度。直线电机驱动技术可以保证相当高的性能水准以及比传统的、将旋转运动转化为直线运动的电机驱动装置具备更高的简便性。由于直线电机直接与移动负载相连，因此在电机和负载之间没有背隙，而且柔量很小。首先，利用直线驱动装置可以很容量地达到小于1μm/s或高达5m/s的速度。直线驱动系统可以保证恒定的速度特性，速度偏差优于±0.01%。在需要较高加速度的应用中，较小的直线电机可以方便地提供大于10g的加速度，而传统电机一般产生的加速度在1g范围内。直线驱动电机的精度只受反馈分辨率、控制算法以及电机结构的限制。采用前馈控制的直线电机系统可以减少跟踪误差200倍以上，而传统的驱动系统却受前述各因素的制约，此外还受机械系统限制。其次，直线电机结构简单，由很少组件组成，因此需要的润滑也较少（直线导轨需要定期润滑）。这意味着它的使用寿命较长以及运行比较干净。相比而言，传统的驱动系统由20多个零部件组成，包括电机、联轴器、滚珠丝杠、U形块、轴承、枕块以及润滑系统。每个零部件都需要装配时间、调整时间以及预防性维护。相反，直线电机结构很简单，它是一个电磁执行机构，该执行机构是由两个支承在一个直线导轨上的刚体零件组成。直线电机的其他优点包括较低的作用力和较小的速度波纹，从而保证较平稳的运动轮廓。当然，这依赖于电机的结构、磁板以及驱动软件。为了利用直线电机固有的动态制动的优点，驱动放大器应该有效地监控逆电动势（EMF），即使系统电源可能关断也要这样。多个直线电机可以用“背靠背”的方式安装以保证提高作用力。还可以增设额外的磁板以保证实质性的无限行程（受反馈设备和电缆长度限制）而不损失精度。法国雷诺自动化公司的工程主管Jean-PaulBugaud认为“直线电机已日趋成熟，它的精度决非滚珠丝杆驱动的机床所能匹敌。两三年以后，它在高精密与高精度加工中将是一种标准的选择。温度的变化已不再令人焦虑，它们能在10℃或40℃的运转中得到相同的精度。几年以后，估计除了廉价机床外，将不再采用滚珠丝杆了。·2·中国科技论文在线___________________________________________________________________________．2、直线电机在机床设备中的应用日本沙迪克（SODICK）公司早在1996年，就开始在电火花成形机上采用直线电机，自行研制了专用的直线电机及与直线电机相匹配的NC系统，将直线伺服电机作为驱动元件组成的直线伺服系统首先开发在电火花成形机上应用，继后又迅速扩展应用到电火花切割机上。并于1999年投放市场，该系统已具有进入网络的最新功能，它们推出的型号有AM55L（2轴直线电机）和AQ351（X，Y，Z三轴直线电机），这种直线电机伺服系统使加工性能明显改善，其特点是：（1）把以往由旋转电机的旋转运动来实现的直线运动改变为轴直接的直线运动，省去了丝杠传动环节，保证了轴的高速运动，可以在0.1μm的控制当量下使轴的移动速度达36m/min，与原控制方式相比，轴的移动速度提高数倍至数十倍。Z轴的高速移动，可实现在加工过程中的电极快速跳跃，使放电间隙中的流体作用力加大，排屑充分，改善了加工条件，提高了放电利用率，可在不冲液加工的情况下，获得较高的加工速度。例如：利用快速跳跃免冲液处理的深窄型腔加工，电极的断面尺寸为1mm×38mm，电极锥度为1”的石墨片电极加工钢，型腔深度为70mm，总的加工时间为3小时40分，其中粗加工时间为2小时10分，精加工时间为1小时30分。加工后的表面粗糙度Ramax10μm；而采用传统的加工方法，2小时加工40mm深，再也无法加工下去。证明在深窄小型腔加工中显示出明显的优越性。（2）直线电机伺服系统采用了直线电机与溜板一体化的结构，溜板的位移是直线电机的直接移动，两者之间无任何环节，这就消除了中间环节的机械响应滞后现象。因此，直线电机的动态响应时间与传统的交直流电机带滚珠丝杠系统相比减少了一个数量级。高的响应速度可提高伺服系统的灵敏度，以保证加工的稳定性。（3）直线电机伺服系统的运动方式决定了伺服单元必须采用直线位置反馈元件作为位置检测环节，控制和驱动是一个全闭环系统，直接检测溜板的直线位移，没有丝杠螺距误差和传动链零件磨损等因素，导向采用响应速度较快的滚动导轨，因此，更有利于实现精密定位控制，并提高了机床的精度保持性。·3·中国科技论文在线___________________________________________________________________________（4）由于快速跳跃时机床受力较大，与传统的机床相比，必须提高机床的刚度，并改变机床的结构，以适应高速直线伺服运动的需要。沙迪克公司直线伺服电机驱动的NCEDM，除提高机床的刚度外，还采用了固定式工作台及X，Y，Z轴均在立柱上的滑枕式结构。（5）为避免磁场的影响，溜板采用陶瓷材料，在溜板两侧装有永磁铁（电枢），在主轴两侧固定支撑上安装定子绕组，为降低因高速往复运动及交变电磁场等产生的热量，还装有油冷却管。（6）为了解决在高速运动（加速运动）时Z轴失去平衡的问题，Z轴采用了汽缸式的平衡装置，其特点是：①在加工时，由于汽压的平衡作用，直线电机运行在低功耗状态，只有在快速跳跃时，直线电机才大功耗运行。②汽压平衡装置和气压夹紧（制动器）使在驱动器失压后，Z轴锁定可靠。高速跳跃抬刀进行排屑，在国外有的机床上也有应用，但跳跃速度没有直线电机高（加速度大致为0.1g，直线电机约1.0g），加速度大效果好，但在大型腔加工时，跳跃的加速度越大，在型腔内造成“活塞泵”的作用力也越大，可能会对机床框架和电极的变形有一定的影响。在高速铣削加工技术大发展的今天，EDM今后主要加工对象可能是微细、精密、窄槽、深腔等，在这种情况下，采用直线电机伺服系统将是一个发展方向。图1为电火花成形机上采用直线电机的示意图。图1直线电机在电火花成型机上的应用示意图在第19届JIMTOF上，共展出8台采用直线电机作进给传动的机床。它们是：森精机制作所的HVM600卧式加工中心、新日本工机的80L超高速多轴加工中心（multicenter）、·4·中国科技论文在线___________________________________________________________________________大隈的超高速卧式加工中心、丰田工机的高速加工机床LineaM、松浦机械制作所的LX-1超高速小型加工中心、TaylorMobson的两轴小型超精密镜面加工机床Nanoform-200。此外，还有自动压力机领域的AIDENGINEERING和山田DOBBY公司展示了电子元件等需在洁净环境下高速成形的机床。上述展品虽然还只是停留在吸引观众注意各公司开发技术现况的试展阶段，但却充分展示了将来机床发展的一个方向。森精机公司引进了在直线电机实用化方面领先的美国Ingersoll公司的技术，使之国产化，成为日本公司自制品牌机床在展览会上展出。正因为在东京国际机床展上有过展出雏型机的业绩，因而观众对于初次展出的实用机型也特别关心。该机是一台对应630mm方形托盘传送线的加工中心，直线电机由FANUC公司制造。快速进给速度3轴均为76.2m/min；加速度：X、Y轴为1g，Z轴为1.5g；主轴最高速为20000r/min。丰田工机公司的LineaM加工中心，为减轻重量，提高刚度，在主轴和Z轴上，采用了热膨胀系数小的特殊铝合金等新材料，设计中注意发挥直线电机的特性。工作台为430mm见方，后立柱结构，机床宽度2m。直线电机由三菱电机公司制造，快速进给速度80m/min（任选100m/min），进给加速度：X、Y轴为1g，Z轴为1.5g；主轴最高速为20000r/min。试制样机完成于1996年，1997年10月曾在该公司非公开展中展出。而后，经反复改进才实现商品化。大隈公司的加工中心，为卧式三轴动立柱式，直线电机部分应用了电机制造厂的技术，但基本上为本公司自制。像设有独立控制设备部门的机床厂那样，在公司内完成了可承受高速加工的电机，并安装在机床上。快速进给速度120m/min，主轴最高转速15000r/min，工作台为400mm见方，机床宽1.550mm，结构紧凑。松浦机械制作所的超高速加工中心已在EMO97上展出过，但经过全面改进后在国内还是初资展出。X，Y轴行程各为500mm，Z轴行程为300mm，用于加工金属模具，直线电机由SIEMENS公司制造。快速进给速度90m/min，主轴最高转速为60000r/min。新日本工机的多轴加工中心，利用直线电机使200mm×800mm的大型工作台高速移·5·中国科技论文在线___________________________________________________________________________动。X、Y轴的快速进给速度为60m/min，Z轴的快速进给速度为2m/min，主轴最高转速为12000r/min，直线电机由TANUC公司制造。许多设计者认为：“用于加工小型零件的中、小型加工中心无需超高速进给”，对于新日本工机提出的将直线电机应用于大型零件加工的建议，受到高度重视。AIDAENGINEERING和山田DOBBY公司展出的直线电机驱动压力机，由于没有离合器和飞轮等机械压力机的特有部分，因而具有类似于办公设备那样整洁的外观。直线电机由FANUC公司制造。具有低噪声、低磨损、无粉尘等特点，可带来洁净的环境。是一个半导体零件的精密加工用户多年来迫切需要的压力机。除以上介绍的以外，世界上还有许多公司生产采用直线电机的机床和高速加中心，如Ingersoll,Kingsbury,Ex-Cell-O,GrobSystem,Precitech,RenaultAutomation，GILDEMEIST